差速輪式移動機器人控制系統設計

摘" 要：差速輪式移動機器人在現代自動化和智能化領域中扮演著愈發關鍵的角色。為滿足不斷增長的自動化需求，該文設計一款用于室外環境的差速輪式移動機器人控制系統，該系統綜合考慮電源系統、驅動系統、傳感器系統、人機交互系統和通信系統的設計，以支持運動控制、環境感知、定位、人機交互和遠程通信等核心功能，通過軟硬件設計，最終實現可靠穩定的差速輪式移動機器人控制系統。經過測試，各項功能正常，實現預期目標，可為機器人技術進一步發展和應用奠定堅實的基礎。

關鍵詞：移動機器人；控制系統；硬件設計；軟件設計；系統實現

中圖分類號：TP242" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）11-0041-04

Abstract： Differential wheeled mobile robot plays a more and more important role in the field of modern automation and intelligence. In order to meet the growing demand for automation， a differential wheeled mobile robot control system for outdoor environment is designed in this paper. The system comprehensively considers the design of power system， drive system， sensor system， human-computer interaction system and communication system to support core functions such as motion control， environment perception， positioning， human-computer interaction and remote communication. Finally， a reliable and stable control system of differential wheeled mobile robot is realized. The testing indicated that all the functions are normal and the expected goal is achieved， which lays a solid foundation for the further development and application of robot technology.

Keywords： mobile robot; control system; hardware design; software design; system implementation

近年來，隨著人工智能、工業自動化、移動通信的不斷發展，以移動機器人為代表的智能化設備不斷出現在人們的工作和生活中。移動機器人具有感知、決策、執行等能力，能夠輔助甚至替代人類完成危險、繁重、復雜的工作，提高工作效率與質量，服務人類生活，擴大或延伸人的活動及能力范圍[1]。差速輪式移動機器人作為移動機器人的重要組成部分，已經在多個應用領域中展現出了廣泛的應用潛力，其簡單而高效的設計，適用于室內和室外環境，并且具有多功能性，可以用于巡邏、運輸、勘測和救援等任務[2]。

本文設計了一種用于室外環境的差速輪式移動機器人控制系統，能夠實現自主移動、遠程監控、人機交互等功能，為差速輪式移動機器人技術領域的進一步發展提供有力的支持。

1" 系統總體方案設計

控制系統主要包括嵌入式主控制器、電源系統、驅動系統、傳感器系統和人機交互系統。主控制器為控制系統核心，主要用于接收外部傳感器采集到的信息和控制指令，將各種信息處理后，驅動系統作為執行機構進行相應動作。控制系統各模塊之間通過各個通信接口進行連接，常用的連接方式有RS485、RS232、UART等，控制系統總體結構圖如圖1所示。

2" 系統硬件設計

2.1" 移動機器人底盤結構

本設計的輪式移動機器人選用四輪滑動轉向模型作為機器人的底盤結構，如圖2所示，該底盤結構左右分別由一個電機所控制，位于同側的兩輪借助同步帶實現連接，通過對各側輪速進行分別的控制，左右兩側形成一個速度差來實現滑動轉向，無需專門轉向部件負責轉向運動；另外，滑動轉向具備高效性，無需耗費相對較高的造價成本。

2.2" 主控制器

嵌入式主控制器是控制系統的核心，采用以STM32F407芯片為處理器的控制器，擁有多種外設接口，如RS232、RS485、UART、CAN、DI、DO和PWM等，可以滿足應用接口需求。

2.3" 電源系統

電源系統是控制系統的動力來源，本設計的電源系統采用48 V/30 Ah的動力鋰電池，帶有BMS電池保護系統，以確保電池的安全充電和放電，防止過充和過放。48 V電壓主要為驅動系統供電，由于主控制器和其他傳感器并不采用48 V供電，因此還要通過變壓器將48 V轉化為其他電壓值如36 V、24 V等。

2.4" 驅動系統

驅動系統是移動機器人運行的執行機構，是實現運動控制和自主導航的對象。本設計選用的是額定電壓為48 V直流無刷電機和1∶25的減速機，在滿足最高速度的情況下能夠實現更強的驅動能力。電機驅動器采用科亞電子的KYDAS4860-2E，一臺驅動器可以同時控制2臺電機，電機驅動器支持多種控制方式，本設計中采用的是CAN通信實現轉速控制。

2.5" 傳感器系統

傳感器系統在移動機器人中扮演著至關重要的角色，它們用于感知獲取機器人自身運行狀態以及外部環境信息，從而使機器人能夠安全運行并進行自主導航、避障等任務[3]。為了實現在室外環境下的精確定位，選用了GNSS傳感器、IMU傳感器作為位姿傳感器，GNSS傳感器選用北天科技的BT-B9K1 RTK定位模塊，在RTK模式下可以實現遠距離的厘米級定位；IMU傳感器選用了瑞芬科技的TL740D傳感器，來實時獲取移動機器人的姿態信息，該傳感器的角度分辨率為0.01，方向角精度小于0.1°/m，加速度精度可達5 mg，具有RS232和RS485兩種通信方式。避障傳感器選用思嵐科技的RPLIDAR A3激光雷達，在室外模式下具備可靠的抗日光干擾能力。

2.6" 人機交互系統

良好的人機交互系統可大大提高用戶的使用便捷性[4]。本設計中人機交互設備包括液晶觸摸屏和無線遙控器。液晶觸摸屏選用淘晶馳電子X3型7英寸電容觸摸屏幕，可以用于顯示車輛實時信息，包括顯示車輛實時位置、速度、電池電量等，也可以對機器人進行控制，如啟動、停止、參數設置等。遙控器選用富斯I6S遙控器，具有PPM、IBUS、SBUS 等多種通信協議，最大控制距離可達1 000 m，可以實現對移動機器人的手動控制，方便調試。

2.7" 通信系統

為了實現遠程通信，本設計選用Wi-Fi和4G兩種通信方式，Wi-Fi通信主要在具有Wi-Fi網絡的情況下使用，4G通信可在不具備Wi-Fi網絡的情況下實現遠距離數據傳輸。通過通信模塊可以實現監控平臺遠程獲取移動機器人運行狀態、下發控制指令等操作。

3" 系統軟件設計

本設計選用STM32單片機作為主控芯片，基于Keil uVision5平臺使用 C語言進行編程開發，通過Keil Vision5編譯器編譯后通過ST-LINK下載器下載到主控芯片中。根據設計目標，控制系統軟件需要實現傳感器信息采集與處理、與監控平臺通信、人機交互及運動控制等功能，軟件的整體架構如圖3所示。

3.1" 主程序結構設計

軟件設計采用時間片輪詢法，可周期性執行的任務放在主程序中，按照定時周期執行，通過合理設置時間片大小，可以控制每個任務的響應時間。一些緊急任務通過中斷觸發方式進行處理[5]。主程序的任務周期主要包括運動控制周期、屏幕刷新周期、通信周期，當到達任務周期時則運行相應的任務程序。運動控制周期主要負責移動機器人運行模式切換和運動狀態控制，運行模式包括自動運行模式、手動控制模式、停止模式；屏幕刷新周期主要負責刷新液晶觸摸屏人機交互界面的信息顯示；通信周期主要負責向監控平臺上傳移動機器人當前狀態信息。

3.2" 傳感器信息采集程序設計

傳感器數據采集程序負責傳感器的數據采集與處理，單片機在接收到傳感器發送的數據后會觸發串口中斷，串口在接收到數據后判斷命令數據是否正確，如果是，則進一步解析，如果不是，則重新接收下一組數據，直至接收到所需數據為止，該幀數據接收完成后對接收到的數據進行解析并存儲至相應變量。

3.3" 通信程序設計

通信程序主要指主控制器與監控平臺之間的通信，主程序在到達通信周期時，主控制器向監控平臺傳輸位置、速度、狀態等信息。由于需要上傳較多數據，因此將所有數據分為三幀進行發送，通信協議為自定義協議。發送過程中，按通信周期輪流發送數據，在到達發送周期時，首先根據發送標志判斷本次所要發送的是哪一幀數據，然后將所要發送的數據按字節復制到發送緩存區，最后通過串口將緩存區內的數據按字節發送。

此外，主控制器還需要接收來自監控平臺的指令，包括遠程控制指令和路徑信息。遠程控制指令用于實現遠程遙控，而路徑信息則是自動運行時移動機器人的目標跟蹤路徑，接收程序流程與傳感器接收程序類似。

3.4" 人機交互程序設計

人機交互程序包括液晶屏對移動機器人狀態信息的顯示和通過遙控器對移動機器人進行運動控制兩部分。

液晶屏需要實時顯示車輛的狀態、位置等信息，該屏幕可通過USART HMI軟件進行界面設計與編程，設計完成后主控制器只需通過串口發送相應指令即可實現對屏幕的驅動和顯示信息刷新。所設計的液晶觸摸屏顯示界面如圖4所示。

遙控器接收器傳入主控制器的信號為PPM信號。根據PPM信號原理，遙控器程序使用定時器輸入捕獲的方法對PPM信號進行解析。因為PPM信號最長為2 ms，但是空白數據幀會超過2 ms，因此可以將超過2 ms的空白數據作為PPM信號起始，新的信號的上升沿會觸發定時器中斷，進入定時器中斷后將計數值清零并更改中斷觸發方式為下降沿觸發，等接收到下降沿信號后獲取定時器計數值即為此幀數據高電平期間的計數值，循環獲取即可獲取PPM信號所有通道的數據。將解析完成后的數據存儲至遙控器數據相關結構體，在主程序控制周期內按照結構體數據調整運行狀態即可。

3.5" 運動控制程序設計

運動控制周期即為主程序中的運動控制周期，運動控制程序包括手動控制程序和自動運行程序2部分。手動控制程序將遙控器信號接收機接收到的搖桿前后、左右信號值轉化為移動機器人左右輪轉速，將速度指令通過CAN通信發送給電機驅動器從而實現手動遙控控制。自動運行程序將從位姿傳感器得到的位置信息和方向信息與目標路徑通過路徑跟蹤算法進行計算偏差，采用串級PID控制得到左右輪輪速差，通過調節左右輪輪速消除偏差實現運動控制，自動運行程序流程圖如圖5所示。

4" 控制系統實現

經過硬件設計和軟件開發，差速輪式移動機器人實物如圖6所示。

經過測試，差速輪式移動機器人能夠正常實現人機交互功能，與監控平臺通信正常，如圖7所示，監控平臺能接收到移動機器人上傳的信息，并且通過下發路徑，移動機器人能夠完成對目標路徑的跟蹤。

5" 結束語

本文設計并成功實現了一款面向室外環境的差速輪式移動機器人控制系統，并詳細介紹了其硬件和軟件設計。經過測試，確保了系統的各項功能正常運行，并實現了預期的目標，為移動機器人技術的進一步發展和實際應用提供了堅實的基礎。

參考文獻：

[1] 王耀南，江一鳴，姜嬌，等.機器人感知與控制關鍵技術及其智能制造應用[J].自動化學報，2023，49（3）：494-513.

[2] RAOUF F， TAMER R， SAID G， et al. A vision-based kinematic tracking control system using enhanced-prm for differential wheeled mobile robot[J]. International Journal of Robotics and Automation，2019，34（6）：654-667.

[3] 曹英榮，李倩，蘇沛東，等.室外智能移動機器人的發展及其關鍵技術的研究[J].自動化應用，2023，64（13）：1-3.

[4] 馬超民，趙丹華，辛灝.基于用戶體驗的智能裝備人機交互界面設計[J].計算機集成制造系統，2020，26（10）：2650-2660.

[5] 鄭金龍.巡檢無人車車載控制系統設計[D].濟南：濟南大學，2022.