摘要：本設計研究了一種全向輪式運動控制的控制算法、完成了硬件部分的設計和搭建，包括慣性導航模塊、運動控制模塊的整體硬件設計，同時實現全向輪控制系統的坐標定位、運動控制的整套算法

關鍵詞：全向輪,機器人,運動控制

0引言

近年來，全向輪式機器人移動靈活的優勢使其技術得到了迅速的發展。全向輪式機器人運動控制方式不存在非完整約束，它可以向任意方向做直線運動而不需要事先作旋轉運動，并且在以直線運動到達目標點的過程中同時可以做自身旋轉運動調整機器人的姿態，從而達到終態所需的姿態角(這樣，就使得全向輪式機器人在比賽中表現出運動快速靈活、易于控制等優點)。隨著工業機器人中移動機器人的發展，機器人的靈活性也越來越凸現其重要性。因此，目前全向輪式機器人運動控制方式已逐漸成為一種機器人運動方式的發展趨勢。

1全向輪及其運動控制底盤形式

1.1全向輪簡介

全向輪包括輪轂和從動輪，該輪轂的外圓周處均勻開設有3個或3個以上的輪轂齒，每兩個輪轂齒之間裝設有一從動輪，該從動輪的徑向方向與輪轂外圓周的切線方向垂直。全向輪是一種結構簡單、適用范圍廣、可以在較差的路況上運動的結構。

圖1全向輪結構示意

如上圖所示，它由兩層構成，每一層的輪緣上均勻分布6個小滾子(件3)，小滾子的母線與輪緣線一致，兩層之間錯開30°布置，使內外兩層小滾子的母線相互銜接形成一個完整的圓周。這樣，當輪子轉動時，各層上的滾子可以交替接觸地面，保證滾動的連續性。當然，輪子也可以由三層構成。這種全方位輪結構并不復雜，輪上的小滾子受力較好、轉動靈活，機構效率較高、承載能力較強．整個輪既可以在驅動力距作剛下向前滾動．又可以橫向滑移．由幾個這種輪加以組合，很容易使機構實現全方位移動。

1.2全向輪式運動控制方式的底盤形式

對于全向輪式運動控制方式的底盤形式，主要有四輪和三輪兩種底盤形式。由于四輪底盤的平面性不夠好，因此需要懸掛系統解決。而懸掛系統卻又會帶來底盤剛度不夠的問題，并且會耗費電機資源，故而不選擇四輪全向底盤。

圖2三輪120°全向輪底盤設計圖

三輪全向底盤的安裝方式有T形與120°對稱安裝兩種方式。而T形全向輪底盤的靈活性和直線性被其安裝方式所限制，且沒有合適的控制方法對其進行理論上的指導。因此，經過理論分析與實踐，本設計采取了三輪120°安裝全向輪底盤，如圖2。

2基于坐標的全向輪式運動控制方式的路徑規劃算法

對于全向輪的運動控制，需要研究的主要有以下幾個方面：任意位置的坐標定位、任意方向及路線的行走控制。

2.1任意位置的坐標定位

對于運動系統的坐標定位，最重要的信息量有三個：運動系統的橫坐標、縱坐標、系統當前角度。以向右向上為正建立X、Y坐標系，運動系統向右旋轉角度為正。

首先，需要通過一定的測量工具來獲得這三個重要量。對于坐標X、Y的獲取，我們購買了小型的全向輪，將它同軸的裝在歐姆龍的光電編碼器的軸上。之后我們將這一套碼盤系統以垂直形式分別裝在X、Y方向上，當碼盤系統隨車身一起運動時，我們就能獲得車身系統的X、Y坐標。對于車身的角度方向，我們選擇了光纖陀螺儀作為導航儀器。

對于碼盤全向輪，我們購買了兩種外觀、尺寸的加以比較、實驗，如圖3。

圖3兩種碼盤用小型全向輪

圖4.33兩種碼盤用小型全向輪

經過實際的比較和試用，第一種全向輪由于小輥子的材質問題容易發生打滑現象，測量過程中丟數較為嚴重。而第二種全向輪小輥子為橡膠材質，雖然輪子個數較少，但測量精度高于第一種全向輪。因此，選擇了第二種全向輪。其次，系統需要一種算法來實時更新機器人當前的坐標，本設計編寫了適合全向輪機器人的坐標更新算法。

本設計將所編寫的算法寫入了一個函數FLSUpdate，在主程序中循環調用，達到更新當前坐標的目的。在這個函數中，距離增量deltaLen,當前從陀螺板讀取的角度值degAngle(角度制，0.1度分辨率)。公式中要用到的上一個周期角度值lastAngle為全局變量，數據結構RobotState的成員變量robotAngle為當前角度，角度采用弧度制，距離以毫米為單位。

2.2任意方向及路線的行走控制

圖4系統運動學分析

系統運動學方程如下：

得到車身實際速度，與期望的值相減做一個反饋。

3全向輪式運動控制方式的控制系統軟硬件設計

3.1運動控制系統的硬件設計

控制系統使用兩個單片機，主控模塊使用Philips公司生產的ARM7內核微控制器LPC2138，用于主控決策及運動控制；導航模塊使用Philips公司生產的ARM7內核微控制器LPC2131，用于碼盤和陀螺儀的數據采集。兩模塊間采用SSP通信。底層控制系統的框圖如圖3所示。

圖5底層控制系統框圖

3.2運動控制系統的軟件設計

硬件系統搭建完成后，需要搭建的相應的軟件系統來完成機器人的運動控制算法。以下是軟件系統搭建的程序流程圖（圖4）：

圖6軟件系統整體流程圖

4結語

全向輪式的機器人運動控制方式是一種較為靈活的運動控制方式，它大大地提升了機器人運動的靈活性，使得機器人在工業上的用途越來越廣泛。相信在不久的未來，這種全向輪式的運動控制方式一定會成為機器人一種主流的運動控制方式。

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