基于Arduino的Mecanum輪無線遙控避障小車*

□ 李芳昕 □ 譚小群 □ 張 洋 □ 李 超

西北工業大學 機電學院 西安 710072

隨著制造業的發展，更有效地利用車間貨物儲存空間以提高空間利用率，已成為生產管理的一個重要問題，因此，運輸車應盡可能減少其轉向空間。普通的輪式與履帶式機構都需要一定的轉彎半徑，在擁擠的工作空間內實現全方位運動相對困難。工人駕駛裝卸車進行貨物運輸的運輸方式效率低，在復雜工作空間內的勞動強度大大增加，且容易出現錯誤。

為了研究轉向空間小且運輸效率高的運輸工具，本文提出一種基于Arduino的Mecanum輪無線遙控避障小車，小車選用麥卡納姆（Mecanum）輪作為運動執行單元。Mecanum輪在1973年首先由瑞士Mecanum AB公司工程師BengtIron［1］提出，此后國內外諸多研究機構對其進行不斷研究，它的獨特結構可使小車無需任何轉彎半徑便能實現全方位移動。

筆者在Mecanum輪小車的基礎上添加了遙控器和無線通信模塊，實現了小車的遠程控制，在工作環境惡劣的情況下，保障了操作人員的安全，且便于在復雜的工作環境下對小車進行精確控制。添加了紅外檢測模塊，實現了小車的避障，保障了小車的安全性。

1 系統組成

本系統由Mecanum輪、Arduino控制器、I/O擴展板、直流電機、紅外測距傳感器、遙控器、無線通信模塊組成，如圖1所示。遙控器通過無線通信模塊與Arduino控制器通信，傳輸控制字符，當Arduino控制器收到控制字符，給直流電機輸出PWM信號，通過調節4個Mecanum輪的轉向和速度來實現小車的全方位變速移動。紅外測距傳感器用于測量小車與障礙物的距離，實時給Arduino控制器反饋模擬量信號，當到達設定距離時，Arduino控制器發出相應指令，控制小車實現設定動作。

2 系統的硬件設計

2．1 Mecanum 輪

Mecanum輪的輪轂外圍安裝了一周與輪轂軸線成一定角度的無動力輥子，這些輥子既可繞輪轂軸公轉，也可繞各自的支撐芯軸自轉。由同樣結構的若干Mecanum輪按一定規則組成的輪組系統，通過改變各輪轂速度來改變各輪輥子的軸向力，進而改變運動系統中心合速度的大小和方向，使小車實現平面全方位運動。根據小車框架結構尺寸，選用直徑60mm的Mecanum輪，其本體運動受力分析如圖2所示（仰視圖），其中，ω表示輪轂角加速度，Fa表示輥子軸向力，未標ω表示該輪子角加速度為0。

▲圖1 系統框圖

▲圖2 四輪組合運動圖

▲圖2 四輪組合運動圖

▲圖3 遙控器模擬量信號圖

2．2 Arduino控制器與I/O擴展板

系統選用ArduinoAtmega控制板，核心是一片ATmega328PAU1226芯片，可支持上千種開放源代碼，其程序設計語言的編程語法規則類似于C++。

Arduino的I/O擴展板可以靈活擴展數字量與模擬量輸入接口和各種功能模塊，實現與其它傳感器、RS485設備的簡單連接，小車使用一個I/O擴展板，用以支持RS485接口并驅動4個電機。

2．3 遙控器

遙控器由inputshield擴展板、ArduinoUno控制器、電池組3部分組成。Inputshield擴展板裝有PS搖桿電位器和4個按鍵，搖桿處于不同位置會有不同的模擬量值，4個按鍵分別為搖桿按鍵、復位按鍵和2個擴展圓帽按鍵。擴展板可以直接插到Arduino控制器上，預留APC220模塊接口，能方便地實現無線數據傳輸。控制垂直方向的電位器占用Arduino控制板的模擬口0，控制左右方向的電位器占用ArduinoUno控制板的模擬口1，兩個擴展圓帽按鍵分別占用數字引腳3和 4，APC220接口占用數字引腳 0和 1［6］。 9V 電池組專為Arduino控制器供電。

將控制板通過USB連接到電腦上，編寫程序來采集搖桿按鍵的兩個電位器的模擬量，通過Arduino編程環境中的SerialMonitor來監控變量。

通過操縱搖桿的位置可看到模擬量數據的變化，模擬量的變化范圍是0～1023。搖桿在水平位置上時，垂直方向的模擬量值不變，水平方向的模擬量從右到左由0變到1023。在垂直位置上時，水平方向的模擬量值不變，垂直方向的模擬量從上到下由0變到1023。處于其它位置時的模擬量值可見圖3。

根據遙控器模擬量信號圖，可以編寫程序；根據搖桿的位置，控制小車的運動方向以及速度。

2．4 無線通信模塊

APC220模塊包括3部分：APC220無線傳輸模塊、USB接口轉換器和天線。將1個APC220插到控制器上，另1個插到被控對象上，即可實現兩者的通信，APC220模塊需成對使用；USB接口轉換器可以用于設置模塊參數，該模塊的主要性能指標見表1。

表1 性能指標

APC220模塊可直接應用于inputshield和Arduino控制板上，使用之前，要先使用USB接口轉換器將模塊連接到電腦上，用設置軟件RF—ANET來設置模塊的參數。本文中的模塊設置如圖4所示［6］。

3 系統的軟件設計

小車控制程序包括遙控器程序和小車運動程序。首先，創建一個小車運動的庫函數，文件名為MotorCar，庫函數中定義了11個成員函數，分別代表小車的11個運動方式，入口參數為速度值，范圍為0～255，之后應用到庫函數中的成員函數時，直接聲明該庫函數的對象即可。根據遙控模擬量信號圖編寫程序，通過APC220發送運動字符與速度值。

▲圖4 模塊設置界面

控制搖桿位于中間位置時，小車靜止不動。遙控器上的藍色按鍵控制小車的旋轉運動，按鍵未按下，搖桿緩緩向某個方向推動時，小車則向著這個方向運動并且速度越來越快。藍色按鍵按下，向左推動搖桿，小車逆時針旋轉運動；向右推動搖桿，小車順時針旋轉運動，并且速度越來越快。小車上的APC220接收遙控器上APC220發來的運動字符和速度值。由小車運動庫函數MotorCar創建一個對象Motor。

本設計中采集到的模擬量與對應的運動字符、速度以及調用的函數關系見表2。

表2 遙控器模擬量與小車運動形式對應關系

遙控器中采集到的運動字符與速度值，可在Serial Monitor中監控到。

本文選用4個紅外測距傳感器，分別安裝在小車的四周，根據傳感器采集到的模擬量與距離的函數關系式，計算出小車與障礙物之間的距離，當小車與障礙物間的距離小于 15mm 時，調用 Motor．stop（），使小車停止，然后用遙控器控制小車向其它方向運動，避開障礙物。

4 樣機調試

在完成小車硬件設計、樣機搭建、軟件開發后，通過調試實驗，成功實現了小車的無線遙控與避障，小車實物場景示意圖如圖5所示，避障過程如圖6所示。

▲圖5 小車原型樣機圖

▲圖6 避障過程

5 結束語

本文介紹了一種基于Arduino的Mecanum輪無線遙控避障小車，詳細論述了Mecanum輪的工作原理以及遙控的實現方法，完成了小車硬件設計與遙控器、小車的軟件開發，并進行了安裝調試，在實驗室環境下，靈活實現使用遙控器操作小車全方位運動，達到了設計要求，為Arduino控制板的使用與開發提供了有益的參考。

［1］ 賈官帥．基于Mecanum輪全方位移動平臺的理論和應用研究［D］．杭州：浙江大學，2012．

［2］ 劉磊，許曉鳴．帶Mecanum輪的移動機器人全向移動控制研究［J］．系統工程理論與實踐，2011（S1）．

［3］ 石維亮，王興松，賈茜，基于Mecanum輪全向移動機器人的研制［J］．機械工程師，2007（9）：18-21．

［4］ 賈茜,王興松,夏國慶．Mecanum輪全方位移動機器人的速度修正［J］．制造技術與機床,2010 （11）:42-45．

［5］ 趙津,朱三超．基于 Arduino單片機的智能避障小車設計［J］．自動化與儀表,2013,28（5）:1-4．

［6］ 程晨．Arduino開發實戰指南［M］．北京:機械工業出版社，2012．