基于Arduino的Mecanum轮无线遥控避障小车*

□ 李芳昕 □ 谭小群 □ 张 洋 □ 李 超

西北工业大学 机电学院 西安 710072

随着制造业的发展，更有效地利用车间货物储存空间以提高空间利用率，已成为生产管理的一个重要问题，因此，运输车应尽可能减少其转向空间。普通的轮式与履带式机构都需要一定的转弯半径，在拥挤的工作空间内实现全方位运动相对困难。工人驾驶装卸车进行货物运输的运输方式效率低，在复杂工作空间内的劳动强度大大增加，且容易出现错误。

为了研究转向空间小且运输效率高的运输工具，本文提出一种基于Arduino的Mecanum轮无线遥控避障小车，小车选用麦卡纳姆（Mecanum）轮作为运动执行单元。Mecanum轮在1973年首先由瑞士Mecanum AB公司工程师BengtIron［1］提出，此后国内外诸多研究机构对其进行不断研究，它的独特结构可使小车无需任何转弯半径便能实现全方位移动。

笔者在Mecanum轮小车的基础上添加了遥控器和无线通信模块，实现了小车的远程控制，在工作环境恶劣的情况下，保障了操作人员的安全，且便于在复杂的工作环境下对小车进行精确控制。添加了红外检测模块，实现了小车的避障，保障了小车的安全性。

1 系统组成

本系统由Mecanum轮、Arduino控制器、I/O扩展板、直流电机、红外测距传感器、遥控器、无线通信模块组成，如图1所示。遥控器通过无线通信模块与Arduino控制器通信，传输控制字符，当Arduino控制器收到控制字符，给直流电机输出PWM信号，通过调节4个Mecanum轮的转向和速度来实现小车的全方位变速移动。红外测距传感器用于测量小车与障碍物的距离，实时给Arduino控制器反馈模拟量信号，当到达设定距离时，Arduino控制器发出相应指令，控制小车实现设定动作。

2 系统的硬件设计

2．1 Mecanum 轮

Mecanum轮的轮毂外围安装了一周与轮毂轴线成一定角度的无动力辊子，这些辊子既可绕轮毂轴公转，也可绕各自的支撑芯轴自转。由同样结构的若干Mecanum轮按一定规则组成的轮组系统，通过改变各轮毂速度来改变各轮辊子的轴向力，进而改变运动系统中心合速度的大小和方向，使小车实现平面全方位运动。根据小车框架结构尺寸，选用直径60mm的Mecanum轮，其本体运动受力分析如图2所示（仰视图），其中，ω表示轮毂角加速度，Fa表示辊子轴向力，未标ω表示该轮子角加速度为0。

▲图1 系统框图

▲图2 四轮组合运动图

▲图2 四轮组合运动图

▲图3 遥控器模拟量信号图

2．2 Arduino控制器与I/O扩展板

系统选用ArduinoAtmega控制板，核心是一片ATmega328PAU1226芯片，可支持上千种开放源代码，其程序设计语言的编程语法规则类似于C++。

Arduino的I/O扩展板可以灵活扩展数字量与模拟量输入接口和各种功能模块，实现与其它传感器、RS485设备的简单连接，小车使用一个I/O扩展板，用以支持RS485接口并驱动4个电机。

2．3 遥控器

遥控器由inputshield扩展板、ArduinoUno控制器、电池组3部分组成。Inputshield扩展板装有PS摇杆电位器和4个按键，摇杆处于不同位置会有不同的模拟量值，4个按键分别为摇杆按键、复位按键和2个扩展圆帽按键。扩展板可以直接插到Arduino控制器上，预留APC220模块接口，能方便地实现无线数据传输。控制垂直方向的电位器占用Arduino控制板的模拟口0，控制左右方向的电位器占用ArduinoUno控制板的模拟口1，两个扩展圆帽按键分别占用数字引脚3和 4，APC220接口占用数字引脚 0和 1［6］。 9V 电池组专为Arduino控制器供电。

将控制板通过USB连接到电脑上，编写程序来采集摇杆按键的两个电位器的模拟量，通过Arduino编程环境中的SerialMonitor来监控变量。

通过操纵摇杆的位置可看到模拟量数据的变化，模拟量的变化范围是0～1023。摇杆在水平位置上时，垂直方向的模拟量值不变，水平方向的模拟量从右到左由0变到1023。在垂直位置上时，水平方向的模拟量值不变，垂直方向的模拟量从上到下由0变到1023。处于其它位置时的模拟量值可见图3。

根据遥控器模拟量信号图，可以编写程序；根据摇杆的位置，控制小车的运动方向以及速度。

2．4 无线通信模块

APC220模块包括3部分：APC220无线传输模块、USB接口转换器和天线。将1个APC220插到控制器上，另1个插到被控对象上，即可实现两者的通信，APC220模块需成对使用；USB接口转换器可以用于设置模块参数，该模块的主要性能指标见表1。

表1 性能指标

APC220模块可直接应用于inputshield和Arduino控制板上，使用之前，要先使用USB接口转换器将模块连接到电脑上，用设置软件RF—ANET来设置模块的参数。本文中的模块设置如图4所示［6］。

3 系统的软件设计

小车控制程序包括遥控器程序和小车运动程序。首先，创建一个小车运动的库函数，文件名为MotorCar，库函数中定义了11个成员函数，分别代表小车的11个运动方式，入口参数为速度值，范围为0～255，之后应用到库函数中的成员函数时，直接声明该库函数的对象即可。根据遥控模拟量信号图编写程序，通过APC220发送运动字符与速度值。

▲图4 模块设置界面

控制摇杆位于中间位置时，小车静止不动。遥控器上的蓝色按键控制小车的旋转运动，按键未按下，摇杆缓缓向某个方向推动时，小车则向着这个方向运动并且速度越来越快。蓝色按键按下，向左推动摇杆，小车逆时针旋转运动；向右推动摇杆，小车顺时针旋转运动，并且速度越来越快。小车上的APC220接收遥控器上APC220发来的运动字符和速度值。由小车运动库函数MotorCar创建一个对象Motor。

本设计中采集到的模拟量与对应的运动字符、速度以及调用的函数关系见表2。

表2 遥控器模拟量与小车运动形式对应关系

遥控器中采集到的运动字符与速度值，可在Serial Monitor中监控到。

本文选用4个红外测距传感器，分别安装在小车的四周，根据传感器采集到的模拟量与距离的函数关系式，计算出小车与障碍物之间的距离，当小车与障碍物间的距离小于 15mm 时，调用 Motor．stop（），使小车停止，然后用遥控器控制小车向其它方向运动，避开障碍物。

4 样机调试

在完成小车硬件设计、样机搭建、软件开发后，通过调试实验，成功实现了小车的无线遥控与避障，小车实物场景示意图如图5所示，避障过程如图6所示。

▲图5 小车原型样机图

▲图6 避障过程

5 结束语

本文介绍了一种基于Arduino的Mecanum轮无线遥控避障小车，详细论述了Mecanum轮的工作原理以及遥控的实现方法，完成了小车硬件设计与遥控器、小车的软件开发，并进行了安装调试，在实验室环境下，灵活实现使用遥控器操作小车全方位运动，达到了设计要求，为Arduino控制板的使用与开发提供了有益的参考。

［1］ 贾官帅．基于Mecanum轮全方位移动平台的理论和应用研究［D］．杭州：浙江大学，2012．

［2］ 刘磊，许晓鸣．带Mecanum轮的移动机器人全向移动控制研究［J］．系统工程理论与实践，2011（S1）．

［3］ 石维亮，王兴松，贾茜，基于Mecanum轮全向移动机器人的研制［J］．机械工程师，2007（9）：18-21．

［4］ 贾茜,王兴松,夏国庆．Mecanum轮全方位移动机器人的速度修正［J］．制造技术与机床,2010 （11）:42-45．

［5］ 赵津,朱三超．基于 Arduino单片机的智能避障小车设计［J］．自动化与仪表,2013,28（5）:1-4．

［6］ 程晨．Arduino开发实战指南［M］．北京:机械工业出版社，2012．