全向式舵輪移動平臺控制系統(tǒng)設(shè)計

樊建強，王亦敏，李凱麗，化 榮

（晉中信息學(xué)院智能工程學(xué)院，山西 太谷 030800）

全向式移動機器人不存在非完整約束，容易控制，運動更加快速靈活，是移動機器人設(shè)計的發(fā)展趨勢。全向式移動平臺具有全方位運動功能的關(guān)鍵在于其單獨輪系的結(jié)構(gòu)設(shè)計。舵輪是一種集成了驅(qū)動電機、航向電機、減速器等為一體的機械結(jié)構(gòu)，其輪內(nèi)含有2個功能不同的電機，一個為牽引電機，驅(qū)動車輪前進或后退；另一個為航向電機，用于驅(qū)動車輪以縱軸為原點做旋轉(zhuǎn)運動，控制整個車輪在行進時的運動方向，實現(xiàn)車體在不旋轉(zhuǎn)車身的情況下全方位式移動。這種機構(gòu)不會產(chǎn)生其他方向的分力，改善了普通全向輪接觸面積小容易打滑和震動的缺陷，提高了運輸效率以及機器人到達(dá)目標(biāo)位置的準(zhǔn)確性[1]。

1 舵輪移動平臺機構(gòu)設(shè)計

采用SolidWorks成圖建模軟件對整體的機構(gòu)進行建模設(shè)計。舵輪移動平臺機構(gòu)設(shè)計見圖1。由圖1 可以看出，移動平臺的整體設(shè)計為正方形式的布局，骨架采用材質(zhì)較輕的鋁質(zhì)管材，每組舵輪結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動電機通過一個小型的變速齒輪結(jié)構(gòu)連接到輪子上形成一個整體，更加模塊化，拆卸方便；車輪外部包裹了一層聚氨酯材料，可以增大車輪與地面之間的摩擦力，防止移動平臺整體在移動過程中打滑；車輪的方向由一個轉(zhuǎn)向電機控制，轉(zhuǎn)向電機連接著一組1∶4 的減速齒輪，增大了電機的轉(zhuǎn)矩，避免電機在控制車輪轉(zhuǎn)向時由于負(fù)載過大而卡死；舵輪的整體與一塊玻璃纖維板材連接在一起，玻璃纖維板擁有一定的彈性，在和車架連接時可以起到一定的懸掛作用，提高了車輪在地面附著力，使平臺在一些特殊的地形上也可以行走。

圖1 全向式舵輪移動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.1 Structure design of omnidirectional steering wheel moving platform

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

移動平臺控制系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)見圖2。圖2 顯示整個硬件系統(tǒng)部分由電源模塊、單片機模塊、通信電平轉(zhuǎn)換電路、AD采樣電路、CAN總線通信電路等多個電路系統(tǒng)連接構(gòu)成。

圖2 移動平臺硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Mobile platform hardware structure diagram

2.1 電源電路設(shè)計

24 V 電壓轉(zhuǎn)換為信號輸出需5 V 電壓，同時考慮到需要抑制共模噪聲對電源輸出造成的影響，在TPS5450 芯片的輸入端加入了1 個共模扼流線圈，并且在其輸出端加入了1 個濾波器BNX002來降低電源波紋。電源電路見圖3。

圖3 5 V電路Fig.3 5 V circuit

2.2 串口通信電路

全場定位傳感器輸出的是RS232 串口電平信號，單片機只能接收到TTL 電平信號進行處理，為了實現(xiàn)正常的串口通訊，需要再將RS232 電平轉(zhuǎn)化成單片機可以讀取的TTL 電平，這時就需要使用MAX232 芯片對收發(fā)信號進行轉(zhuǎn)換[2]。串口通訊電路見圖4。

圖4 RS232轉(zhuǎn)TTL電路Fig.4 RS232 to TTL circuit

遙控器的DR16接收器通過D_BUS協(xié)議與主控單片機進行通訊。由于D_BUS協(xié)議是一種負(fù)邏輯，讀取信號時讀取的是相反的電平，必須加硬件反相器[3]。取反電路見圖5。

圖5 取反電路Fig.5 Inverting circuit

2.3 電機信號控制電路

本設(shè)計采用的電機為M3508 直流無刷減速電機，其配備了擁有有感FOC 矢量控制技術(shù)的C620 電調(diào)，且自帶編碼器只需要通過C620 電調(diào)就可得到電機的信息對電機進行控制，C620 電調(diào)支持CAN 總線的通訊協(xié)議，每個電機都是一個相應(yīng)的CAN節(jié)點，這時只需要將其和主控制器掛載在同一根CAN總線之上，就可以通過CAN總線發(fā)送命令控制電機的輸出電流，實現(xiàn)對其轉(zhuǎn)矩的控制[4]。CAN 收發(fā)電路見圖6，通過TJA1050芯片實現(xiàn)了CAN控制器與物理接口間的通信。

圖6 CAN收發(fā)電路Fig.6 CAN transceiver circuit

2.4 激光測距數(shù)據(jù)采樣電路

激光測距傳感器信號采集電路見圖7。對反饋回來的模擬信號進行分壓處理，然后再將其輸出信號放大并降低噪聲后，再通過單片機進行AD采樣使得數(shù)據(jù)更加精確。

圖7 AD采樣電路Fig.7 AD sampling circuit

3 軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

主體設(shè)計思想采用模塊化程序，自頂而下，分步按流程編寫系統(tǒng)程序，得到的系統(tǒng)主程序流程見圖8。

圖8 程序設(shè)計流程圖Fig.8 Programming flow chart

4 系統(tǒng)的調(diào)試

為了使整個移動平臺能夠完成任務(wù)，要通過修改單片機的程序來對整個系統(tǒng)進行調(diào)試。將整個單片機系統(tǒng)采集到的傳感器信息進行驗證，系統(tǒng)通過LCD 液晶顯示器，顯示出移動平臺當(dāng)前的位置信息，并通過激光測距傳感器對移動平臺的位置參數(shù)進行修正。

5 結(jié)語

本設(shè)計使用SolidWorks軟件對移動平臺的機械結(jié)構(gòu)進行了建模分析，驗證了其結(jié)構(gòu)的可行性，以此實現(xiàn)人機交互的功能要求。