履帶式全方位移動(dòng)平臺(tái)電氣與控制設(shè)計(jì)★

房 遠(yuǎn) ,閆猛飛，崔 智，朱 昊，董 政

（1.陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072；2.32214 部隊(duì)，江蘇 南京 210018；3.63850 部隊(duì)，吉林 白城 137000；4.61578 部隊(duì)，湖北 十堰 442000）

引言

全方位移動(dòng)機(jī)器人（平臺(tái)）一直是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。全方位移動(dòng)機(jī)器人（平臺(tái)）是指在不考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速限制的情況下，能夠在任何時(shí)刻向平面上任何方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人[1]。全方位移動(dòng)平臺(tái)按照移動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同，分為輪式全方位移動(dòng)平臺(tái)和履帶式全方位移動(dòng)平臺(tái)等。輪式全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的普遍缺點(diǎn)有：載重能力差，對(duì)行走環(huán)境的平整度、清潔度要求高，越野、越障性能差[2-3]。履帶式全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)融合了履帶的優(yōu)點(diǎn)，從原理上克服了上述缺點(diǎn)[4]，使得履帶式全方位移動(dòng)平臺(tái)在物流等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文對(duì)履帶式全方位移動(dòng)平臺(tái)的電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、總體控制方案和手柄輸出信號(hào)進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)，保證了平臺(tái)在實(shí)際工作中能夠順利完成平面內(nèi)的全方位運(yùn)動(dòng)。

1 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)選用矩形對(duì)稱布局[5-6]，其電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖1 為俯視圖，對(duì)履帶進(jìn)行了編號(hào)，履帶表面的滾輪用短直線段代替，顯示了履帶上表面滾輪的排列情況。考慮到實(shí)際工作中，平臺(tái)主要由人來直接操控，因此操控方式選用三軸手柄有線操控。考慮到未來可能的無人化應(yīng)用擴(kuò)展，在VCU（Vehicle Control Unit，整車控制器）中寫入了可實(shí)現(xiàn)有線操控和無線遙控的程序，并預(yù)留了遙控控制的硬件接口。VCU 通過MCU（Motor Control Unit，電機(jī)控制器）來控制電機(jī)。

圖1 平臺(tái)的電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 總體控制方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)平臺(tái)總體控制方案的流程如下頁圖2 所示，其中虛線框①表示選擇手柄控制模式后的控制流程，虛線框②表示選擇遙控控制模式后的控制流程，虛線框③表示遙控端（遙控手柄）的控制流程。

圖2 平臺(tái)控制流程圖

啟動(dòng)平臺(tái)時(shí)，首先打開電池開關(guān)，此時(shí)BMS（Battery Management System，電池管理系統(tǒng)）上電，開始運(yùn)行電池狀態(tài)檢測程序，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電池故障時(shí)，不對(duì)外供電，同時(shí)在BMS 顯示屏上顯示故障，反之向低壓和高壓設(shè)備供電。低壓設(shè)備上電主要指的是給車燈和儀表供電，此時(shí)低壓指示燈亮。高壓設(shè)備上電主要指的是給MCU 和電機(jī)供電，此時(shí)高壓指示燈亮。對(duì)MCU 與電機(jī)進(jìn)行狀態(tài)檢測，如果檢測未通過，平臺(tái)停機(jī)并亮報(bào)警指示燈，如果檢測通過，則進(jìn)入控制模式的選擇。

當(dāng)選擇手柄（操縱桿）控制模式后，即VCU 運(yùn)行AD 采樣程序，當(dāng)接收到手柄的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)后，使用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程將平臺(tái)目標(biāo)速度解析成四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，繼而將速度分配給四個(gè)電機(jī)，此時(shí)運(yùn)動(dòng)指示燈亮。

當(dāng)選擇遙控模式后，VCU 使能串口，開始接收遙控手柄發(fā)送的握手?jǐn)?shù)據(jù)，對(duì)握手?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行匹配，然后給遙控手柄返回握手?jǐn)?shù)據(jù)，并開始接收控制數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配處理，如果無誤，進(jìn)行速度解析與分配，如果有誤則將速度置零。VCU 采集并分析平臺(tái)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，如果認(rèn)為存在故障，則平臺(tái)停機(jī)并亮報(bào)警指示燈。

打開遙控端（遙控手柄）的上電開關(guān)后，遙控端開始發(fā)送握手?jǐn)?shù)據(jù)至VCU，然后匹配接收到的握手?jǐn)?shù)據(jù)。當(dāng)匹配無誤后，向VCU 發(fā)送控制數(shù)據(jù)，同時(shí)通訊正常指示燈亮。當(dāng)發(fā)現(xiàn)匹配存在問題時(shí)，計(jì)算是否超時(shí)20 s，如果超時(shí)未到20 s，則向VCU 發(fā)送控制數(shù)據(jù)，同時(shí)通訊正常指示燈亮，如果超時(shí)達(dá)到20 s，則點(diǎn)亮通訊異常指示燈。

3 手柄操控穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

手柄操控穩(wěn)定性設(shè)計(jì)主要是指避免操縱桿的不可控抖動(dòng)信號(hào)傳遞到MCU，進(jìn)而避免了MCU 電流與電機(jī)轉(zhuǎn)速的突變，從宏觀上來看避免了平臺(tái)速度的突變和不必要的履帶打滑，減小了平臺(tái)振動(dòng)。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)中平臺(tái)振動(dòng)的后果之一是引起與車體連接的操縱桿的不可控抖動(dòng)。將輕型操縱桿換為重型操縱桿后，不可控振動(dòng)有所減小但并未消除。考慮到實(shí)際工作中平臺(tái)沒有突然加速的需求，故采取在VCU 中對(duì)操縱桿的AD 采樣信號(hào)進(jìn)行平均化并將平均化后的數(shù)據(jù)和變化量閾值作比較的方法，進(jìn)一步降低抖動(dòng)信號(hào)的影響。

設(shè)置采樣次數(shù)比較值Nda，當(dāng)采樣次數(shù)大于Nda時(shí)，將Nda次的采樣數(shù)據(jù)平均，將第n 次平均后的數(shù)據(jù)記為Don，設(shè)置變化量閾值ΔDa＞0，當(dāng)相鄰兩次平均后數(shù)據(jù)的差值絕對(duì)值大于ΔDa時(shí)，輸出Don+ΔDa，否則輸出Don。操縱桿的AD 采樣信號(hào)的數(shù)據(jù)處理過程如圖3 所示。

圖3 操縱桿AD 采樣信號(hào)數(shù)據(jù)處理

4 結(jié)論

通過具有針對(duì)性的電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、總體控制方案設(shè)計(jì)和手柄操控穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，使得履帶式全方位移動(dòng)平臺(tái)能夠順利完成平面內(nèi)的全方位移動(dòng)，同時(shí)減輕了平臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的速度突變、履帶打滑和平臺(tái)振動(dòng)等問題，增強(qiáng)了平臺(tái)的工程實(shí)用性。