八轮全向移动平台的控制系统设计

(中国海洋大学 工程学院，青岛 266000)

八轮全向移动平台的控制系统设计

田浩

(中国海洋大学 工程学院，青岛 266000)

针对目前国内工业应用中提出的八Mecanum轮全向移动平台的构想，提出其控制系统的设计与实现方案。研究通过八轮全向移动平台的原理分析，提出总体设计方案，以STM32单片机为控制核心，通过接收遥控信号协同驱动8个Mecanum轮，实现移动平台的全向移动以及零转弯半径转动。详述了控制系统软硬件的模块化设计，并在此基础上研制了样机。通过实验验证了控制系统设计的可行性，对于推进国内全向移动平台的工业化应用具有一定的意义。

Mecanum轮；全向移动平台；STM32

引 言

Mecanum轮全向移动平台[1]能够实现二维平面内任意方向移动(包括横、纵、斜向移动)以及零转弯半径转动[2]，同时由于构成简单、控制敏捷、穿转性好等特点，近年来应用程度增大。然而，稳定、简单、高效的控制系统的设计与实现具有一定的难度，在一定程度上制约了全向移动平台的发展与应用。目前，全向移动平台全较多采用三个或四个Mecanum轮驱动[3-4]，通过轮组有差异的转向和转速协同控制，实现全向运动。

考虑到重载的使用要求，三轮及四轮全向移动平台驱动能力略显不足，所以采用更多Mecanum轮协同驱动技术是合理的选择。基于以上考虑提出一种由8个Mecanum轮协同驱动的全向移动平台[5]，八轮全向移动平台控制系统的设计与实现是实现系统运动控制的关键技术，通过对系统原理的分析，提出总体设计方案，完成了八轮全向移动平台控制系统的设计，并研制了样机，最后通过实验验证了控制系统的可行性。

1 系统原理分析及总体设计

图1 Mecanum轮

Mecanum轮在 1973 年由瑞士工程师首先设计提出[6]，与普通的轮胎不同，其外面一圈分布了一定数目的小辊子(具体个数由设计决定)，外形像一个斜齿轮，而轮齿则换成了经参数化设计的小辊子[7]。图1中辊子的轴线与轮的轴线成角度，并且辊子可绕自身轴线自由地旋转。这些辊子轮廓包络面与轮子的圆柱面相重合。这样特殊的结构使得轮子具备了3个自由度[8]：绕主轮轴的转动和沿辊子轴线垂线方向的平动，以及绕小辊子与地面接触点转动。Mecanum轮在任意一个方向上有能力主动移动的同时，在其他方向上也有其被动移动的特性[7]。当电机驱动车轮旋转时，轮子以普通方式沿着垂直于驱动轴方向前进，同时轮子周边的辊子沿其各自的轴线自由旋转。Mecanum轮这种特性决定了多个Mecanum轮组合可实现平面内任意方向的移动(包括横、纵、斜向移动)以及零转弯半径转动。八轮全向移动平台的控制系统则着重于实现八Mecanum轮协同驱动控制。

全向移动平台通过八轮协同驱动实现平面内任意方向的移动(包括横、纵、斜向移动)和零转弯半径转动的运动分解示意图[9]如图2～图5所示。其中←代表电机向前转动，→代表电机向后转动。Fa、Fb为电机在转动时作用在Mecanum轮的力的法向分力与轴向分力。

图2 横向运动

图3 纵向运动

图4 斜向运动

图5 零转弯半径转动

系统总体结构如图6所示，全向移动平台主控制器接收无线遥控模块的控制信息后，进行数据综合处理，并将处理后的数据通过串行通信的方式发送到外部D/A转换模块，外部D/A转换模块将数字信号转换成模拟信号，输出到信号调理电路，而信号调理电路则直接将调理后信号输出到伺服驱动器，以实现电机控制。系统上电运行时，主控制器需要先通过伺服驱动器配置电路对伺服驱动器的工作方式进行配置，而后才能将控制信号输出。此外，出于安全防护的角度考虑，给平台加装反射式光电对管和急停开关，可有效地减少系统的碰撞以及工作异常时不必要的损失。

图6 控制系统的基本组成

2 系统硬件设计

系统硬件采用了模块化设计方式。硬件电路各模块主要有：电源模块、 MCU模块、无线遥控模块、传感器模块、外部D/A转换模块及信号调理电路、伺服驱动器配置电路、电机驱动模块。

2.1 部分模块简介

电源模块采用DC 48 V蓄电池，使用CNBOU公司生产的3 000 W正弦波逆变器将DC 48 V逆变为AC220，为伺服电机供电；使用降压式开关电源电路将AC220 V降压为DC24 V，为伺服驱动器供电；使用DC24 V生成DC5 V、DC-5 V、DC3.3 V依次为外部D/A转换模块、信号调理电路以及MCU模块供电。

MCU模块采用意法半导体公司生产的低功耗的STM32F10系列单片机作为主控制芯片。其是基于Cortex-M3核心的32位微控制器，有512 KB片内FLASH和64 KB片内 RAM，多达80个快速I/O口 ，其中许多I/O口为多功能复用口[10]，为本设计项目的开发提供了极大的便利。

无线遥控模块选用深圳天地飞科技公司开发的型号为WFT06X-A 2.4 GHz 6通道比例遥控器和WFR06S 6通道比例接收机，可以同时传输6路独立信号。由于设计要求全向移动平台通过驱动控制全向移动平台实现二维平面内任意方向的移动以及零转弯半径转动，需要三轴独立信号来控制，所以此遥控模块能够达到设计要求。STM32单片机具有输入捕获的功能，可实时采集无线遥控模块传输的数据，联合采集传感器的信息，对信息进行综合处理，输出控制信息。

控制系统加入反射式光电对管模块，主要出于对系统安全防护[11]的考虑。当全向移动平台即将撞到或已经撞到障碍物时，连接光电对管的I/O口由高电平变为低电平，MCU模块采用周期性循环扫描的方法对反射式光电对管输出的信号进行采集，判断全向移动平台是否处于安全的运动位置。同样，当系统出现故障或运行不正常时，可人为按下急停开关，断掉所有电源，以达到保护系统的作用。

2.2 外部D/A转换模块及模拟信号调理电路

伺服驱动器速度控制模式选择为模拟量电压控制，电压正负对应于伺服电机正反转，电压绝对值对应于伺服电机的速度量。由于8个伺服驱动器需要8路模拟电压控制，而所选MCU模块内置只有2路12位D/A转换器，因而设计外部D/A转换模块。 外部D/A芯片选用TI公司生产的具有内置缓冲放大器的低功耗单片12位D/A转换器DAC7512，DAC7512芯片采用三线制(/SYNC，SCLK及Din)串行接口，8个DAC7512芯片的/SYNC与SCLK端口由STM32单片机两路I/O口统一配置，8路Din端口由另外8路I/O口配置。一路外部D/A转换电路如图7所示。

图7 一路外部D/A转换电路

D/A转换电路输出电压范围为0～5 V，而伺服驱动器所接受的模拟控制电压范围信号为-5～5 V，所以要对D/A转换模块输出的电压进行信号调理。首先利用基于LM358芯片的运算放大电路输出后续电路所需要的-2.5 V电压，然后将-2.5 V与D/A转换模块输出模拟电压，同时接入基于运放芯片LMC6482的模拟信号调理电路，把电压0～5 V的模拟控制信号对应输出为电压-5～5 V的模拟控制信号，然后送入伺服驱动器控制端，实现对伺服电机 的方向和速度控制。其部分电路如图8所示。

图8 信号调理电路

2.3 伺服驱动器配置电路设计

图9 伺服驱动器配置电路

伺服驱动器是保证八轮全向移动平台能够正常工作最重要的部分，对车体的整体运行有着决定性的作用。伺服驱动器选用安川∑-Ⅴ系列AC伺服驱动器，配以对应型号的伺服电机。伺服驱动器工作前，需要先对其工作模式进行配置，配置电路采用8位串行输入/输出或并行输出的MC74HC595AD芯片。STM32单片机串行输出二进制8位配置信息数据到MC74HC595AD芯片，MC74HC595AD芯片接收数据，处理后并行输出这8位数据到QA～QH的8个端口。实际配置中只使用了8位数据中的前6位作为配置信号，这6位信号通过行列式排列三极管全配置8个伺服驱动器。通过行列式排列三极管间接配置伺服驱动器，起到信号的隔离与保护作用。部分伺服驱动器配置电路如图9所示。

3 系统软件设计

STM32单片机读取无线遥控模块的实时数据，通过软件系统对信息数据进行处理与输出，实现无线遥控模块对八轮全向移动平台全向移动的速度和方向控制。系统软件采用了模块化设计方式，简单高效，一定程度上提高了系统控制的稳定性。系统软件流程如图10所示。

图10 系统设计流程

3.1 遥控器模块程序设计

开启无线遥控模块，WFR06S接收机实时接收遥控器的控制信息，经内部处理后各通道输出20 ms为周期具有PWM形式的方波信号，并随着遥控器摇杆比例动作时，周期内脉冲宽度比例变化。遥控器无动作时，接收机处于静态工作点，三通道周期内脉冲宽度时间为1.5ms。动态工作时，脉冲宽度时间区间为1 ms-1.5 ms-2 ms，利用STM32单片机的输入捕获功能采取信号。STM32单片机读取WFR06S接收机控制信号子程序流程如图11所示。

图11 无线遥控控制信号读取程序流程

3.2 遥控数据解算及速度和方向输出程序设计

根据八轮全向移动平台的二维模型，如图12所示，建立系统的运动学方程[12]，如式(1)所示。

图12 八轮全向移动平台二维模型

式中，γ为轮子轴线与辊子轴线之间的夹角；ωi为对应编号轮子的角速度；R为轮子半径；L0、L1、L2为底盘结构尺寸；vx、vy为平台几何中心在x、y方向的线速度；ω为平台几何中心的转动速度。

当γ=45°时，式(1)化简为：

化简后可知，每个Mecanum轮的角速度量与平台底盘结构尺寸L0、L1、L2，Mecanum轮外轮廓半径R以及从遥控模块读取的vx、vy、ω三路控制信号有关。协同控制8个Mecanum轮角速度ω可实现不同的vx、vy、ω，从而实现平台的全向运动。

STM32单片机采集遥控模块的实时控制信息，并对遥控数据进行数据量化解算，然后送入运动学方程的程序实现，得出各个Mecanum轮的速度和方向量。程序中实际方向和速度量，体现为0～4 096的数据值，定义0～2 047数据值为正方向转动，则2 049～4 096数据值为反方向转动，而这些数据值与2 048的差的绝对值的大小对应为速度量大小。最后将这些数据量串行输出到外部D/A转换模块实现速度和方向输出程序设计。

4 实验及调试

图13为实验用八轮全向移动平台样机，为了验证控制系统的可行性，主要从系统稳定性、运动精度两个方面进行考虑。系统的调试采用了单元调试和系统联调的方法，对各单元分别测试后进行联合调试。

图13 样机

在实验室条件下，对平台进行了前后直线运动、横向侧移运动、斜 45°直线运动、多矩形轨迹运动以及零转弯半径转动等多种运动实验，实验长达两个小时且无间断。实验期间以及在后续所有实验中，系统运行稳定且无故障发生，验证了系统具有良好的稳定性。

八Mecanum轮移动平台之所以能实现平面内全方向运动，是因为八轮所受摩擦力的综合作用结果。控制系统的设计除了从理论方面考虑，也要考虑到驱动电机本身的扭矩偏差对平台移动偏差的影响。为了提高平台移动偏差的测量精度，需要对移动平台的原始偏差进行标定，并通过调整系统软件中电机控制量的输出系数进行修正。

表1 横向移动原始偏差测量数据表

表2 斜向45°移动原始偏差测量数据表

多次标定确定了移动平台的横向移动与45°斜向移动的原始偏移角度平均值，分别为0.58°、0.61°，可知由于驱动电机扭矩不同导致平台几何中心具有偏差位移，对于整个平台运动精度的测量有较大的影响，并且斜向移动比横向移动偏差角度稍大。在分析了原始偏差测量数据及结果后，对系统软件中各个电机控制量的输出系数进行了针对性整定，使平台的运动精度得到很大的提高。以上实验表明，八轮全向移动平台可通过接收无线遥控模块信号驱动控制系统实现平面内任意方向的移动(包括横、纵、斜向移动)以及零转弯半径转动，并且具有较高运动精度。

结 语

[1] Wampfler G, Salecker M, Wittenburg J. Kinematics, Dynamics and Control of Omnidirectional Vehicles with Mecanum Wheels[J]. Mechanics Based Design of Structures and Machines,1989,17(2).

[2] 陆军，金毅. Mecanum轮全向移动平台运动精度的仿真分析[J]. 电气自动化,2016(4):39-41.

[3] Uyar E, Mutlu L. IFAC Workshop on Advances in Control and Automation Theory for Transportation Applications Guidance and Control of an Unmanned Holonomic Robot for Transport Applications[J]. IFAC Proceedings Volumes,2013,46(25).

[4] 邢雯丽，朱建江. 基于ADAMS的Mecanum八轮全向移动平台运动学分析与仿真[J]. 制造业自动化,2015(15):102-105.

[5] 唐炜，刘勇，于香志，等. Mecanum轮全方位移动小车嵌入式控制系统的设计[J]. 江苏科技大学学报:自然科学版,2014(5):473-479.

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

[7] 王一治，常德功. Mecanum轮全方位运动系统的约束条件及奇异位形[J]. 上海大学学报:自然科学版,2009(2):181-185.

[8] 王一治，常德功. Mecanum四轮全方位系统的运动性能分析及结构形式优选[J]. 机械工程学报,2009(5):307-310.

[9] 李世光，申梦茜，王文文，等. 一种Mecanum轮式移动平台增量PID控制系统设计[J]. 山东科技大学学报:自然科学版,2016(1):86-90.

[10] Shimada A, Kiddee P, Nishi Y. Obstacle avoidance control on omnidirectional vehicle robots using range sensor[J]. Elect. Eng. Jpn.,2010,172(1).

[11] 陈文科，陈志，王志，等. 万向电动底盘控制系统设计[J]. 农业机械学报,2013(6):19-23.

ControlSystemofOmni-directionalMobilePlatformwithEightMecanumWheels

TianHao

(School of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266000,China)

Aiming at the problem of 8 mecanum wheels fully mobile platform conception in current domestic industrial application,the design and implementation of the control system are presented.Based on the principle analysis of eight wheels of total moving platform,the overall design scheme is proposed.The system takes STM32 MCU as the control core,the eight Mecanum wheels are driven together to realize the total movement of the mobile platform and the rotation of the zero turning radius by receiving the remote signal.The modular design of hardware and software of the control system are introduced and the prototype is developed.The feasibility of the control system design is verified by the experiment,which has great significance to the industrialization application of the whole mobile platform in China.

Mecanum wheel;omnidirectional mobile platform;STM32

TP23

A

杨迪娜

2017-09-19)