全方位移動平臺控制系統設計

崔曉鵬

摘要 全方位移動平臺是一個集環境感知、動態決策與規劃、運動控制與執行等多種功能為一體的綜臺系統，可實現二維平面內任意方向的移動功能，機動性好、應用廣泛。本文提出了基于STM32微處理器和麥克納姆輪的全方位移動平臺控制系統設計方案。

【關鍵詞】全方位移動平臺 STM32微處理器麥克納姆輪

全方位移動平臺可實現二維平面內任意方向的移動功能，可實現在狹小空間運送集裝物資和長大物資，以及對大件零部件精確定位與安裝、裝配維修等應用目的。本文提出一種全方位移動平臺控制系統方案，使其靈活應用在空間有限、機動性要求高的場合。

1 控制系統整體設計方案

控制系統由手持遙控器和平臺控制器兩大部分組成，致力于操作者與移動平臺的人機交互控制，遙控器加平臺控制器的局部自主系統組成完整的控制系統。遙控器和平臺控制器均選用STM32F407系列微處理器為控制核心，控制系統整體框架如圖1所示。

系統選用Zigbee網絡技術進行無線通訊傳輸，它是一種新型的短距離無線接入技術，與Wi-Fi、Bluerooth無線技術相比，Zigbee技術具有低成本、低復雜度、低功耗、時延短、組網方便、網絡容量大、安全玎靠優勢。

針對全方位移動平臺在平面上可三自由度運動的移動特性，遙控器端選取通過操縱三軸工業手柄來對應前后、左右平移、中心轉向及其復合運動。遙控器端搭載OLED屏用來顯示信息，OLED屏相對于LED屏具有抗震性能更好，響應時間短，發光效率高，能耗低等特點。遙控器通過AD采集獲取三軸工業手柄模擬量數值，進行均值濾波、模數轉換等處理獲取當前控制信息，以掃描方式讀取遙控器的開關獲得當前運行模式、速度等級等控制狀態，將相應數據內容同首尾字節、校驗碼封裝成幀，通過串口發送到無線通信模塊，將其轉發給平臺控制器;同時將當前狀態發送到遙控器OLED顯示屏。

平臺控制器的無線通信模塊將接收到的信息通過串口轉發給控制器，控制器收到的一幀完整、無錯誤指令后，根據制定的通信協議內容，執行相應功能，同時運算出各電機轉速，及電機轉向，將其通過CAN總線網絡分別發送給相應電機驅動器，驅動電機來完成車體正常運轉;同時在控制器接收到一幀信息后，反饋消息給遙控器，消息包含幀錯誤狀態及平臺的收集的信息等。

2 控制算法

麥克納姆輪是一種比較有優勢的全方位輪，典型的應用需要四個麥克納姆輪就能組成全方位移動平臺。麥克納姆輪由輪轂和安裝在輪轂外緣上與輪轂軸線呈一定角度的無動力輥子組成，無動力輥子不僅可繞輪轂軸公轉，也能在地面摩擦力作用下繞各自的支撐芯軸自轉。公轉與自轉的合運動速度與輪轂軸有一定的夾角，這是產生全方位運動的運動學上的根本原因。本文采用四個麥克納姆輪的全方位移動平臺，進行運動學分析，為全方位移動平臺控制算法提供理論依據。

全方位移動平臺速度結構示意圖如圖2所示。以移動平臺中心0點為原點建立全局坐標系Oxy，點O速度為（V_x V_y ω）^T。在圖2中車輪斜線表示輪轂與地面接觸輥子的偏置位置，偏置角度為45°。

在實際應用中將遙控器端的三軸工業手柄分別映射為（V_x V_yω）^T，即為平臺的運動速度，根據速度分量計算轉化為相應的輪子角速度ω1，即當前狀態時個電機轉速，之后通過CAN總線網絡發送給各電機驅動器驅動電機旋轉，來完成相應運動狀態。

3 控制系統軟件設計

本控制系統使用Keil MDK-ARM進行開發，其是美國Keil軟件公司出品的支持ARM微控制器的一款IDE（集成開發環境）。MDK-ARM包含了工業標準的KeilC編譯器、宏匯編器、調試器、實時內核等組件。控制系統應用程序采用裸機開發，減少操作系統對內存的占用量和CPU的時間耗費，提高系統的運行速度。

手持遙控器和平臺控制器端應用程序均采用時間片輪詢的程序架構來完成多任務處理。利用一個定時器多處復用，通過定時器的定時中斷產生系統的基準時間片，在定時中斷服務函數中對系統任務狀態字進行設置，以此充分利用任務等待時間來進行實時控制。

STM32F407系列微處理器內置兩個看門狗外設，獨立看門狗和窗口看門狗。控制系統中使用獨立看門狗來避免移動平臺因硬件或軟件故障而不能正常運行，STM32中配置獨立看門狗的步驟：

（1）向鍵寄存器（IWDG_KR）寫入Ox5555，取消寄存器寫保護。

（2）向預分頻寄存器（IWDG_PR）寫入新值，修改預分頻因子，向重裝載寄存器（IWDG_RLR）寫入新值設置重裝載值。

（3）向鍵寄存器（IWDG_KR）寫入OxAAAA，重裝載IWDG計數值。

（4）向鍵寄存器（IWDG_KR）寫入OxCCCC，啟動看門狗工作。

在手持遙控器和平臺控制器端主程序中循環檢測各系統狀態字來完成各任務處理。手持遙控器循環發送指令信息，平臺控制器按接收的指令信息根據各控制算法程序完成其相應功能。其中平臺控制器和遙控器的主程序流程圖如圖3和圖4所示。

4 結束語

經現場實際組裝測試，控制系統安全、可靠、并易于維護，可控制移動平臺在二維平面內靈活運動及在運輸或裝配過程中高精度定位，包括直行、橫行、斜行、曲線移動、小半徑轉向等全向移動;異常狀態下，可停止運行并發出報警提示信號。

參考文獻

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