全方位移动平台控制系统设计

崔晓鹏

摘要 全方位移动平台是一个集环境感知、动态决策与规划、运动控制与执行等多种功能为一体的综台系统，可实现二维平面内任意方向的移动功能，机动性好、应用广泛。本文提出了基于STM32微处理器和麦克纳姆轮的全方位移动平台控制系统设计方案。

【关键词】全方位移动平台 STM32微处理器麦克纳姆轮

全方位移动平台可实现二维平面内任意方向的移动功能，可实现在狭小空间运送集装物资和长大物资，以及对大件零部件精确定位与安装、装配维修等应用目的。本文提出一种全方位移动平台控制系统方案，使其灵活应用在空间有限、机动性要求高的场合。

1 控制系统整体设计方案

控制系统由手持遥控器和平台控制器两大部分组成，致力于操作者与移动平台的人机交互控制，遥控器加平台控制器的局部自主系统组成完整的控制系统。遥控器和平台控制器均选用STM32F407系列微处理器为控制核心，控制系统整体框架如图1所示。

系统选用Zigbee网络技术进行无线通讯传输，它是一种新型的短距离无线接入技术，与Wi-Fi、Bluerooth无线技术相比，Zigbee技术具有低成本、低复杂度、低功耗、时延短、组网方便、网络容量大、安全玎靠优势。

针对全方位移动平台在平面上可三自由度运动的移动特性，遥控器端选取通过操纵三轴工业手柄来对应前后、左右平移、中心转向及其复合运动。遥控器端搭载OLED屏用来显示信息，OLED屏相对于LED屏具有抗震性能更好，响应时间短，发光效率高，能耗低等特点。遥控器通过AD采集获取三轴工业手柄模拟量数值，进行均值滤波、模数转换等处理获取当前控制信息，以扫描方式读取遥控器的开关获得当前运行模式、速度等级等控制状态，将相应数据内容同首尾字节、校验码封装成帧，通过串口发送到無线通信模块，将其转发给平台控制器;同时将当前状态发送到遥控器OLED显示屏。

平台控制器的无线通信模块将接收到的信息通过串口转发给控制器，控制器收到的一帧完整、无错误指令后，根据制定的通信协议内容，执行相应功能，同时运算出各电机转速，及电机转向，将其通过CAN总线网络分别发送给相应电机驱动器，驱动电机来完成车体正常运转;同时在控制器接收到一帧信息后，反馈消息给遥控器，消息包含帧错误状态及平台的收集的信息等。

2 控制算法

麦克纳姆轮是一种比较有优势的全方位轮，典型的应用需要四个麦克纳姆轮就能组成全方位移动平台。麦克纳姆轮由轮毂和安装在轮毂外缘上与轮毂轴线呈一定角度的无动力辊子组成，无动力辊子不仅可绕轮毂轴公转，也能在地面摩擦力作用下绕各自的支撑芯轴自转。公转与自转的合运动速度与轮毂轴有一定的夹角，这是产生全方位运动的运动学上的根本原因。本文采用四个麦克纳姆轮的全方位移动平台，进行运动学分析，为全方位移动平台控制算法提供理论依据。

全方位移动平台速度结构示意图如图2所示。以移动平台中心0点为原点建立全局坐标系Oxy，点O速度为（V_x V_y ω）^T。在图2中车轮斜线表示轮毂与地面接触辊子的偏置位置，偏置角度为45°。

在实际应用中将遥控器端的三轴工业手柄分别映射为（V_x V_yω）^T，即为平台的运动速度，根据速度分量计算转化为相应的轮子角速度ω1，即当前状态时个电机转速，之后通过CAN总线网络发送给各电机驱动器驱动电机旋转，来完成相应运动状态。

3 控制系统软件设计

本控制系统使用Keil MDK-ARM进行开发，其是美国Keil软件公司出品的支持ARM微控制器的一款IDE（集成开发环境）。MDK-ARM包含了工业标准的KeilC编译器、宏汇编器、调试器、实时内核等组件。控制系统应用程序采用裸机开发，减少操作系统对内存的占用量和CPU的时间耗费，提高系统的运行速度。

手持遥控器和平台控制器端应用程序均采用时间片轮询的程序架构来完成多任务处理。利用一个定时器多处复用，通过定时器的定时中断产生系统的基准时间片，在定时中断服务函数中对系统任务状态字进行设置，以此充分利用任务等待时间来进行实时控制。

STM32F407系列微处理器内置两个看门狗外设，独立看门狗和窗口看门狗。控制系统中使用独立看门狗来避免移动平台因硬件或软件故障而不能正常运行，STM32中配置独立看门狗的步骤：

（1）向键寄存器（IWDG_KR）写入Ox5555，取消寄存器写保护。

（2）向预分频寄存器（IWDG_PR）写入新值，修改预分频因子，向重装载寄存器（IWDG_RLR）写入新值设置重装载值。

（3）向键寄存器（IWDG_KR）写入OxAAAA，重装载IWDG计数值。

（4）向键寄存器（IWDG_KR）写入OxCCCC，启动看门狗工作。

在手持遥控器和平台控制器端主程序中循环检测各系统状态字来完成各任务处理。手持遥控器循环发送指令信息，平台控制器按接收的指令信息根据各控制算法程序完成其相应功能。其中平台控制器和遥控器的主程序流程图如图3和图4所示。

4 结束语

经现场实际组装测试，控制系统安全、可靠、并易于维护，可控制移动平台在二维平面内灵活运动及在运输或装配过程中高精度定位，包括直行、横行、斜行、曲线移动、小半径转向等全向移动;异常状态下，可停止运行并发出报警提示信号。

参考文献

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