全向移动小车-----本科毕业论文.doc

1、本 科 毕 业 设 计 论 文摘 要作为移动小车而开发的移动机构种类已相当繁多，仅就地面移动而言，移动机构就有车轮式、履带式、腿脚式、躯干式等多种形式，适应了各种工作环境的不同要求。全向移动小车的全方位轮具有平面内三个自由度，可同时独立的前后、左右和原地旋转运动，可在不改变自身位姿的情况下向任意方向移动。借助于横向移动和原地回旋的特性，全方位运动平台还可方便的穿梭于狭窄拥挤空间中，灵活完成各种任务，相比传统移动平台有明显优势。本综述论文首先分析了全向移动小车在国内外的研究简史与应用现状；对现使用较为广泛的全向轮进行综述对比；重点对当前主流轮式全向移动小车按照其机械结构、硬件模块、软件分析进行分

2、类整理，总结论述了全向移动小车的三种控制方式；最后对全文进行归纳总结，展望了轮式全向移动小车的发展方向。本综述论文在借鉴国内外的研究成果上，较为完善的总结了全向移动小车体系结构，为以后深入研究轮式全向移动平台的广泛应用提供理论参考依据。关键字：麦克纳姆轮；全方位移动小车；车底安全检查本 科 毕 业 设 计 论 文IReview of wheeled omni-directional mobile vehicle architectureStudent：CHEN Feng-jun Teacher：XU Jian-yuAbstract：As the development of moving mo

3、bile car types of institutions has been quite extensive, only the ground moving, the moving mechanism had wheels, crawler, legs, torso and so on, adapted to the different requirements of various work environments.Moved car full omni-directional wheel having a plane of the three degrees of freedom, w

4、hich can separate front, left, and rotational movement in situ, can be made without changing their posture in the case move in any direction. In situ by means of maneuver and lateral movement characteristics, full-motion platform can be easily shuttle in the narrow, flexible, complete a variety of t

5、asks, compared to traditional mobile platform has obvious advantages.This review analyzes the omni-directional mobile car at home and abroad Brief History of Research and Application Status; right now the more widely used omni-directional wheel summarized comparison; focusing on the current mainstre

6、am wheeled omni-directional mobile car according to its mechanical structure, hardware modules , software analysis carry out classify collate, summarize discusses the omni-directional mobile trolleys three kinds control mode; Finally pairs of full-text carry on summarized, prospected wheeled omni-di

7、rectional mobile car direction of development.This review paper drawing on the research results at home and abroad, the more perfect summary of the whole architecture of the mobile car for future in-depth study wheeled omni-directional mobile platform widely used to lay a good foundation.Keywords: M

8、ecanum wheel; omni-directional mobile robot; vehicle safety inspection本 科 毕 业 设 计 论 文II目 次摘 要 .IAbstract.II1 引言 .11.1 课题研究的背景和意义 .11.2 课题研究的主要内容和工作 .12 全向移动小车研究简史与应用现状 .22.1 国外研究 .22.2 国内研究 .22.3 应用现状 .32.4 本章小结 .53 轮式全向轮的研究综述 .63.1 正交轮系 .63.2 Rover 轮系 .63.3 球轮系 .63.4 Mutual YoYo 轮系 73.5 偏心轮系 .73.6

9、Mecanum 轮系 .73.7 本章小结 .84 主流轮式全向移动小车体系结构 .94.1 机械结构 .94.1.1 三轮结构 94.1.2 四轮结构 94.1.3 两者比较 104.2 硬件控制模块 .114.2.1 主控制器模块 124.2.2 传感器模块 134.2.3 次硬件模块 13本 科 毕 业 设 计 论 文III4.3 软件分析 .144.3.1 单片机软件分析 144.3.2DSP 软件分析 154.4 三种控制方式 .164.4.1 全向自主模式 174.4.2 全向循迹模式 184.4.3 遥控传感模式 194.4.4 各控制模式综合 194.5 本章小结 .195 轮

10、式全向移动小车结论与展望 .205.1 结论 .205.2 展望 .205.2.1 车底安全检查 205.2.2 航天器制造业 205.2.3 高空作业平台 215.2.4 空间重负荷平台 21致 谢 .22参考文献 .23附 录 .25本 科 毕 业 设 计 论 文01 引言1.1 课题研究的背景和意义随着电子通信与机电控制等技术的高速发展，人们已经开始并不断的尝试将智能小车或机器人等高效率的工具引入我们工业的各个领域。现在，作为移动小车而开发的移动机构已相当繁多，仅就地面移动而言，移动机构就有车轮式、履带式、腿脚式、躯干式等多种形式，适应各种工作环境要求。车轮式移动机构尤其突出，逐渐成为移

11、动小车的重要组成部分之一。对于普通的轮式移动机构，转弯都需要一定的旋转半径，在狭小的空间常因无法横向移动而失去作用，这在一定程度上限制了轮式移动小车的使用范围。而轮式全向移动小车的车体无需做出任何转动，便可实现前后、左右和自转 3 个自由度运动，成为轮式移动机构的主要发展趋势。全向移动小车以 Mecanum 全方位轮（Omni- directional wheel）研究最多。全方位移动小车就轮结构布局而言，以结构支撑稳定可靠、各轮负载较均匀、运动平稳、易于控制等优点的四轮结构在实际应用最为广泛。研究表明麦克纳姆轮全向移动小车在运动及转位方面灵活，不受运动空间空间，可应用于生活、物流、工业和机器

12、人等多个领域，有广阔的应用前景。1.2 课题研究的主要内容和工作本课题研究内容主要有：整理当前主流轮式全向移动小车的体系结构（机械、硬件、软件）与应用现状。主要工作如下：1）根据轮式全向移动小车体系结构，整理出当前轮式全向移动小车体系结构的机械、硬件、软件和移动小车的应用现状。2）参照国内外已有实例，提出适用于车底安全检查应用的小型小车体系结并论证此体系结构有效性。3）搜集国内/外文献，整理此领域 1980 年代以来研究简史。4）简单预测本领域未来的研究发展方向。5）查找本领域的主要研究机构及其研究子领域内容和研究现状；本领域主要国际期刊及其关注的子领域内容；本领域主要国际会议的网址、提交会议

13、论文方式。本 科 毕 业 设 计 论 文12 全向移动小车研究简史与应用现状目前移动机构的使用最广泛且最可靠的就算轮式移动小车了。相对于目前亦有应用的其他移动形式(履带式、蛇行式、腿足式等)而言，移动小车运动效率高、载重能力强、机械结构稳定等优点可满足大部分工业环境使用要求。且小车的结构丰富、驱动控制相对简单、运动灵活、行进速度相对较高而倍受青睐 1-4。因此，国内外相关研究机构对此作出广泛的研究。2.1 国外研究对于全方位移动机器人的研究工作，国外已有相当多的研究机构进行了广泛的研究，全方位移动机器人大致可以分为 6 类,美国、德国、日本等发达国家在此领域上属于领先地位（具体分析参见第三章）

14、 。2.2 国内研究我国自上个世纪八十年代，才开始对 Mecanum 轮的研究工作。研究主要集中在Mecanum 轮结构与机理分析上，主要研究机构包括清华大学、国防科技大学、浙江大学、中国科学院等高等院校和国家科研机构。上海大学研制的全方位越障爬壁机器人可以在保持姿势不变的情况下，沿壁面进行全方位移动，并能跨越运行路径中的障碍物。该机构结构简单，不需要传感装置来检测障碍。江南大学的高春能，纪志成研制一种定制使用单排万向行走轮的新型全方位移动机器人，见图 2-1。付宜利、王树国等进行了全方位轮式移动机器人平台研究，提出了一种新型轮式移动机器人结构，见图 2-2。图 2-1 单排万向行走轮 图 2

15、-2 全方位轮式移动机器人本 科 毕 业 设 计 论 文2浙江大学张翮、熊蓉、褚健 5和哈尔滨工业大学的闫国荣，张海兵各研究一种在结构复杂程度、承载能力和效率方面都有所改进的新型全方位轮式移动机构，即双排万向行走轮 6，见图 2-3。图 2-3 双排万向行走轮与全方位移动足球机器人北京中国科学院自动化研究所研制的全方位移动机械手，该全方位移动机械手主要由 3 个轮间夹角互为 120的偏心方向轮构成。其他的还有沈阳中国科学院自动化研究所的刘开周，孙茂相，董再励对一类正交轮全方位移动机器人不确定扰动数学模型进行了研究。2.3 应用现状全向移动机器人可以实现前后、左右、左前、右前、左后、右后、逆时针

16、、顺时针的平稳运动 7等优点，在各种比赛、生活、物流、工业上都具有普遍应用。全向移动机构在足球机器人的比赛上已有相当的研究应用，以日本 Keio 大学Eigen 队、 Kanazawa 理工大学 Winkit 队，和德国的 Freie 大学 FUfighter 队、Stuttgart大学 Cops Stuttgart 队实力较强。图 2-4 足球机器人踢足球过程国内足球机器人（如图 2-4）的中型比赛在近年来发展迅速。以国防科技大学的“猎豹队（NuBot） ”为例，该队早在 2001 年起就开始参加国内足球机器人运动比赛，技术发展到今日，已能代表国内的最高水平，但与国际上的最高水平还有一定的差

17、距 8。本 科 毕 业 设 计 论 文3在生活领域，将全方位轮应用在轮椅上，使轮椅具有全方位移动的能力，能更好的适应室内狭窄空间的特点，提高了行动不便人士的行动能力，见图 2-5。图 2-5 全方位运动轮椅 9 图 2-6 Mecanum 轮叉车在物流领域，使用叉车可以方便的搬运货物，但传统的叉车仅具有两个自由度，无法横向移动和零半径旋转，如需移动则要占用较大仓库存储空间，这样既浪费仓储空间又增加存储成本。采用全向轮构成的叉车系统具备全向移动的能力，既提高了叉车运行效率，又提高了仓库的空间利用率，降低仓储成本。例如：中国人民解放军装甲兵工程学院与美科斯叉车公司合作开发了如图 2-6 所示的全方

18、位运动叉车。在工业领域上，移动机器人已广泛应用于工厂监控、车间检查以及仓库搬运等重复、繁重的体力劳动，像深圳富士康就已经开始引入机器人代替人工劳动。经济的发展，更使得机器人市场日益扩大，如在移动机器人本体上安装麦克纳姆轮就可以达到在狭小空间上自由灵活的运动的目的，产生巨大的经济效益。例如：自动引导车（AVG）可以实现生产物料搬运自动化，将 Mecanum 轮应用在AGV 上就可以使其在狭小的空间灵活工作，提高搬运效率，节省存储空间，有着广泛的应用前景，如图 2-7 所示。图 2-7 基于 Mecanum 轮的 AGVS10本 科 毕 业 设 计 论 文4另外，全向移动机构由于自身的转位运动灵活

19、，且能在狭隘的空间中自由运动，全向移动小车还广泛的应用于火灾救援、自动化工厂的物流系统、核辐射和易爆炸物的处理、军事侦察等场合。2.4 本章小结本章主要小结了本领域自 1980 年以来，国内外对此相关领域的研究简史，以及对各种类型全向轮的研究改进，获得成功，并研发出相应的移动平台应用于工业现场和现实，方便群众生产和生活。本 科 毕 业 设 计 论 文53 轮式全向轮的研究综述轮式全向移动机构是指移动机构以全向轮作为驱动部件，在二维平面上具有从当前位置沿任意方向运动的能力。其机械部分最重要的就是全向轮，常见的全向轮及其应用主要分为如下 6 类：3.1 正交轮系如图 3-1，正交轮 10是由两个形

20、状相同的球形轮子各切去一部球冠的球组成，通过球心的支撑轴垂直于被切去球冠，支撑轴固定在一个框架上。澳大利亚昆士兰大学 RoboRoos 2001 机器人用的就是正交轮 11，如图 3-2 所示。图 3-1 正交轮模型 图 3-2 正交轮3.2 Rover 轮系Rover 轮将驱动与转向功能集成在一个轮子上完成，并将驱动电机放在轮子中。如斯坦福大学的 Oussama K 研制的全方位移动操作机器人轮子为 3 个 Rover 轮 12。3.3 球轮系球轮是由滚动球、滚子支撑杆、和一系列驱动滚子组成 13。在底盘上固定滚子支撑杆，在一个绕球体中心转动的支架上固定驱动滚子。每个球轮上的驱动滚子是单独由

21、一个电机驱动，使球轮绕驱动滚子所构成平面的法线转动，同时也可以绕垂直的轴线自由转动。本 科 毕 业 设 计 论 文63.4 Mutual YoYo 轮系如图 3-3 所示，Mutual YoYo 轮(即 MY 轮)由两个切去球冠和中间部分的球体组成，这两部分球共同由 1 个旋转主轴，与各自的被动旋转主轴成 45交叉分布。这种轮的结构可分为接触区和非接触区，通过优化接触区的距离和 MY 轮的转速来减少运动误差 14。图 3-3 MY 轮基本结构3.5 偏心轮系偏心万向轮在轮盘上采用不连续滚子的切换运动方式，安装有该轮子的移动机构在换向和运动的过程中和地面的接触点都不改变，在运动过程中机构的震动的

22、概率减少为零，同时打滑现象减少发生。新加坡国立大学的 Li YP 与 M H Jr Ang 研制的全方位移动操作机器人，该全方位移动机器人的轮子为 4 个偏心轮。3.6 Mecanum 轮系麦克纳姆轮即为瑞典 Mecanum 公司的专利发明，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小辊子的包络线为圆柱面，能够连续地向前滚动。图 3-4 麦克纳姆轮本 科 毕 业 设 计 论 文7单个 Mecanum 的外形装有多个能够自由转动的鼓形辊子，辊子的轴线与轮毂的轴线成 （通常为 45）角度。这样的全向轮结构紧凑，运动灵活，具备了前后、左右、自转三个自由度运动，是很成功的一种全方位轮（图 3-4）。图 3-5

23、 Uranus 机器人起初麦克纳姆轮装载的轮子为四轮结构，美国卡耐基-梅隆大学的 Patrick F.Muir在 1987 年研制成首个基于 Mecanum 轮全方位移动机器人“Uranus” 15 (图 3-5 所示)。布尔诺大学的 Bohumil Honzik 在 2003 年研制四 Mecanum 轮全方位助残车 16澳大利亚西部大学的 Thomas Braunl 运用 EyrBot 内核研制的四 Mecanum 轮全方位移动小车，如图 3-6 所示。后来马赛诸塞大学 Olaf 和 Diegel 在 2002 年研制的小辊子与大轮子的夹角可调的 Mecanum 轮移动小车 17，如图 3

24、-7 所示。图 3-6 普通 Mecanum 轮小车 图 3-7 变结构 Mecanum 轮小车3.7 本章小结本章主要综述了全向移动小车 6 种全方位轮应用于移动小车的研究领域，对比研究发现 Mecanum 轮承受能力强，安装麦克纳姆轮的全向移动小车的车轮与悬挂位置相对固定，无需独立的转向机构，仅利用各轮的转速和转向的配合就可以实现全方位移动功能，系统结构简单、可靠，控制相对简单，在实际使用中最为广泛。本 科 毕 业 设 计 论 文84 主流轮式全向移动小车体系结构轮式全向移动小车体系结构主要由移动小车机械、硬件、软件组合而成。机械部分根据移动小车的控制功能可选择三轮或四轮结构；硬件部分根据

25、机械布局选择合适的硬件配置，拟实现预期功能；软件部分根据移动小车的机械构造和硬件配置，编程实现移动小车的全向移动功能。4.1 机械结构纵观前人的研究成果，可知当前主流的轮式全向移动小车按照车轮的数目一般采用三轮或四轮结构。回顾轮式全向移动小车研究已取得的主要成果，按车轮数目对三轮结构和四轮结构进行分析总结。4.1.1 三轮结构在三轮结构中，主要是 MY 轮全向移动小车。MY 轮（见 3.4 小节）全向移动小车的是一种全新的全向移动工具，主要零部件包括驱动轮、主动轴、被动轴及移动平台等。见图 4-1，三轮结构中轮子相互之间夹角为 120分开布置在移动平台上，分别由3 个直流伺服电机同步带驱动。运

26、用球体的运用原理，通过两局部球体接触区与非接触区的相互补充来实现万向移动功能。图 4-1 MY 轮全向移动平台4.1.2 四轮结构四轮结构主要采用 Mecanum 车轮布局，如图 4-2 所示，根据小车机械系统结构可分为全向轮系，底盘，缓冲装置，四个全向轮分别由四个电机独立控制。车体各轮间通过转速和旋向的配合即可实现移动小车的全方位运动。本 科 毕 业 设 计 论 文9图 4-2 Mecanum 四轮全方位移动平台机械结构考虑实际路面的平整性，还需在移动平台上安装缓冲机构，保证移动机构的四轮与地面的可靠接触。为减少平台的振动，可在辊子与其转轴之间填装滚珠轴承，以降低运行时的噪声。4.1.3 两

27、者比较采用三轮结构的三个轮一般按 120分布排列，共有三种驱动方式：（1）前轮由电机实现转动，后轮驱动；（2）小车的驱动和转向都由前轮实现；（3）前轮为万向轮，后轮各有一个电机驱动，实现差速转动。在实际应用中可根据具体环境要求来选择合适的控制方式，以达到预期目标。其特征是采用三轮结构，平台结构上采用板柱结构，各层采用支撑杆及螺丝连接，车轮采用球体运动原理，通过局部球体接触区和非接触区的相互补充来实现万向移动的功能。采用三轮结构的优点：在足球机器人的比赛中，移动平台运动快速灵活，控制简单，进攻性强等。采用三轮结构的缺点：三轮结构仅仅在实验室或各种足球机器人比赛中使用较为广泛，在现实生活中使用不广

28、泛。采用四轮结构一般采用 Mecanum 轮结构，Mecanum 轮承载能力较强，安装与悬挂位置相对固定，无需独立的转向机构，仅是利用各轮上的无刷直流电机通过软件对电机的转速和转向进行编程控制即可实现全方位移动功能。在四轮结构中的特征是轮子有多种布置方式，王一治 18在分析四轮机构的全方位运动条件时建立其运动学模型，并列举分析了具有代表性结构布局形式。采用四轮结构的优点：移动小车的载重能力强，系统结构较三轮结构简单、可靠，控制相对容易。本 科 毕 业 设 计 论 文10采用四轮结构的缺点：四轮小车体系结构在运动控制方面较三轮结构难分析，移动小车还存在车轮侧滑现象，车体不稳等现象。根据以上对比可

29、知，具备三轮结构的全向移动小车在足球机器人的比赛上研究较为深入，但在现实生活中，四轮机构的 Mecanum 轮移动小车承载能力强，通过软件编程就能实现小车全向移动功能，使用最为广泛。4.2 硬件控制模块移动小车无论是三轮结构还是四轮结构，要实现全向移动功能，就需要硬件配以控制电路进行控制。硬件电路上的所需的基本硬件都大体相似，包括一些主控模块，电源管理模块，电机驱动模块，通讯模块等，图 4-3 为四 Mecanum 轮移动平台硬件架构 8，以下仅取关键硬件展开论述。 加速度与转速传感器 无线串口 上位 PC 机主控制器电源DC模块电机驱动板无刷直流电机伞齿轮箱Mecanum轮电机驱动板无刷直流

30、电机伞齿轮箱Mecanum轮电机驱动板无刷直流电机伞齿轮箱Mecanum轮电机驱动板无刷直流电机伞齿轮箱Mecanum轮按键输入三维手柄LCD图 4-3 基于 Mecanum 轮移动平台硬件架构本 科 毕 业 设 计 论 文114.2.1 主控制器模块主控制器模块是根据人机交互模块(或上位机)输入的运动要求和四轮驱动电机的转向、转速、电流反馈来重新控制四轮驱动电机的转速，以实现转速闭环控制。主控制器主要采用 DSP、PLC 或者单片机对小车本体进行运动控制，各不同的控制器适用于不同的控制环境，各有优缺。采用 DSP 作为系统的主控制器可以增强系统的扩展和灵活性，可以根据环境的需要选择不同型号的

31、 DSP，使用型号为 TMS320F2812 DSP 作为主控制器时，由于其高速浮点运算，可以大大的提高程序上数据处理能力。该型号处理器还能实时测出移动小车在运动过程中加速度、转向姿态角和车轮角加速度，利用 DSP 的 UART 模块和MAX232 芯片实现串口通信，满足小车的定位导航要求 8。还有一种是配以型号为 TMS320LF2407A19,20的 DSP 作为主控模块的微处理器，采用蓝牙模块进行无线通讯，由数字信号处理器(DSP)单独驱动电机。每个 DSP 都发出两路独立的 PWM 信号对两个电机进行控制。DSP 之间通过控制器局域网(CAN)总线进行通讯，传输上位机指令、反馈速度信号

32、及传感器数据（见图 4-4） 。蓝牙无线通讯模块 DSP1 DSP2红外线传感器驱动 1电机 1码盘 1射门系统驱动 2电机 2码盘 2驱动 3电机 3码盘 3驱动 4电机 4码盘 4控球驱动控球电机CANRS232 RS232图 4-4 机器人硬件系统整体结构采用 ARM7 LPC213x+AVR Mega16 单片机的多级主从结构，软件和硬件都采用模块化设计方法设计可以完成一种小巧、灵活的智能型全向移动机器人电控系统 21。本 科 毕 业 设 计 论 文12主控模块可根据具体的任务需要选择主处理器，如果想要从最终的精确运动控制角度讲就要性能较好的 DSP 处理器，在完善的检测控制电路上实现

33、闭环反馈控制。 DSP 处理器有多种型号，TMS320F2812 装置采用双电源设计，实时性好，功耗低，体积小，集成度高，具有很强的可扩展性，能够满足多种工业应用。TMS320LF2407A 稳定性好、处理能力快，外围接口丰富，功耗低，集成了多种控制器外设，带有 CAN 通讯模块，串口通讯模块，适合作控制模块，是一种高性能、高精度处理器，应用前景较为广泛。采用 PLC 作为主控制器在工业上有抗干扰、抗震动工作可靠的优点，但其编程的灵活性较差，系统扩展性不足。如果仅是为了通过控制电路来直观的测试 Mecanum 全向轮的全方位运动功能，可以选用单片机（MCU）控制实现开环应用。4.2.2 传感器

34、模块为实现机器人智能控制，需以传感器系统来实现视觉或接近觉功能，而实现感知功能的有多种传感方式：1）采用 CCD 摄像头进行图象采集和识别方法，但在大体积系统中使用不便。 2）基于检测对象表面，电容传感器发生电容变化，产生电压变化，便于控制。3）根据波在传播过程中所受到的影响来检测物体的接近程度的超声波传感器。4）红外反射式光电传感器，它包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作接收器的固态光敏二极管（或光敏三极管） 22。在实际中，如传感器要感知的对象是物体的接近程度，可选用红外线反射式光电传感器，这种传感器与精确的测距系统有相似之处，但又有不同，如果是实现小车寻迹，可使用较简单的接近

35、传感器。如果想得到清晰的探测结果，就需采用 CCD 摄像头进行图像采集和识别，例如：在小车的车底安全检查中就是需要这种传感器来完成检查任务。如果仅是为了探测前方障碍物的有无，使用超声波传感器就可以满足要求了。总之，根据具体环境选用合适的传感器来实现具体功能。4.2.3 次硬件模块控制电路上的硬件模块除了主控模块和传感器模块外，还有电动机模块、驱动模块、电源模块、通信模块等。驱动器通常情况下可采用直流电机、步进电机和舵机等几种类型。这几种电机都有各自的优缺点，通过分析对比几种电机的优缺点可选择符合要求的电机，见表 4-1。本 科 毕 业 设 计 论 文13表 4-1 不同类型电机的优缺点比较类型

36、 直流电机 步进电机 舵机优点型号多、购买容易、功率大、接口简单、调速容易等。型号多、易购得、接口简单、价格便宜等。型号多、价格便宜、接口简单、功率中等、内部带齿轮减速器。缺点结构复杂、价格较贵、电流通常比较大、控制相对复杂等。精度差些、容易失步、功率与自重比小、电流通常较大、体积较大、负载能力低、功率小等。负载能力低、速度调节范围小、维护复杂等。直流电机虽然结构复杂，价格偏贵，但转矩大、调速范围大、低速运动平稳及力矩波动小等优点，可作为该全方位移动小车的驱动器。系统的硬件结构上还有电源管理模块负责平台电源，反馈电供电状态，完成过流、欠压、过压保护和电池电量监控等功能。本文限于篇幅，其他硬件模

37、块不详述。4.3 软件分析4.3.1 单片机软件分析如果使用STC89C52单片机作为主控模块，选用两只TCRT5000型光电对管红对管，分别置于车身前轨道的两侧，两只光电开关根据接受到白线与黑线的情况来控制小车调整车向，根据主程序流程图4-5，编写程序。启动循迹检测到停止线？停止检到轨迹躲避障碍物NNYY图 4-5 主程序流程图本 科 毕 业 设 计 论 文144.3.2DSP 软件分析采用 DSP 作为主控模块，根据系统运动模型分析和硬件设计，编写 DSP 软件,流程图如图 4-6 所示。DSP 对无线方式接收到的数据 ,根据协议进行处理,提取出运动方式和相关参数,调用各运动模式子程序,以

38、完成相应位姿运动；同时也将采集到的速度值经过无线模块传送给上位机，以便进行数据处理、比对和监控。开始初始化收到停止信号？提取运动参数旋转运算边平移边转身运算平移运算电机驱动电机停止结束NY选择运动方式图 4-6 DSP 主程序流程图本 科 毕 业 设 计 论 文154.4 三种控制方式轮式全向移动小车通过全向视觉摄像机和图像采集模块 360观察。主控模块通过PCM-8150 处理图像，以实现决策功能。运动控制模块上采用以 TMS320F2812 为核心的 DSP 通过 RS232 与运动控制卡进行通信，通过速度负反馈和 PID 控制算法，采用PWM 方式控制四路电机以实现全方位运动。另外，移动

39、小车还可以通过无线通讯模块实现无线遥控 23。以下先对全向移动小车进行运动学分析，进而引出全向移动小车的三种控制方式。图 4-7 Mecanum 轮机器人的结构Mecanum 轮移动小车的车轮布局如图 3-7 所示。设机器人的广义速度为(vx，v y， z)T，( 1， 2， 3， 4)T 表示各轮的转速。辊子轴线与轮毂轴线的夹角为 ，小车的半车长和半车宽为 L 和 ，车轮半径为 R。根据运动学分析，Mecanum 轮机器人的正运动学方程为： 4321000011tanttant4llllRvzyx（1）逆运动学方程为： zyxvllR0043211cottc本 科 毕 业 设 计 论 文16

40、（2）其中： ，从式(1)和式(2)可以看出 vx、v y 和 z 分别取不同的值可以实cot0Ll现机器人的全方位运动。4.4.1 全向自主模式移动小车在全向自主模式下，根据全向摄像机检测到的环境信息，在简单、光照明亮、干扰少的环境下自主的进行路线规划，以实现智能控制运动。图像采集预处理图像分割建立目标颜色库目标识别，自定位控球？球门较远？正对球门？ 距离较远？直接射门带球运动向球运动调整姿态调整姿态NNNNYYYY本 科 毕 业 设 计 论 文17图 4-8 足球机器人全向自主控制流程全向自主控制模式以足球机器人为例，控制流程如图 4-8 所示。整个流程分图像处理和运动决策两部分，图像处理

41、过程中，全向摄像机实时获取场地的图像信息，在动态存储空间上完成颜色转换；然后经过离线建立的目标颜色特征库，对比进行颜色分割、滤波和区域融合，剔除干扰；最后通过颜色匹配，识别出场地上的球门和球并计算出目标与机器人的距离和角度后进入运动决策流程。进行决策后就做出相应动作，完成比赛任务。4.4.2 全向循迹模式在全向自主模式下，机器人要实现全自主运动，对光照、场地等环境条件的要求较高且抗干扰性较差。为了增强实用性和稳定性，通常采用单向视觉系统 USB 摄像机，在标识线引导下沿预定路线运动，属于智能程度最高控制模式。模糊控制器DSP控制器电机移动机构编码器USB 摄像机(s1,s2,s3,s4)T(x

42、s, ys,s)T(x0, y0,0)T图 4-9 机器人的基本控制结构全向循迹模式下，机器人基本控制结构如图 4-9 所示，分为内速度控制环和外位置控制环。首先主控模块通过比较机器人的期望位姿(x 0, y0,0)T 与摄像机拍到的实际位姿(x s, ys,s)T 的差异，利用模糊控制的方法得出机器人的期望速度，DSP 控制器通过比较期望转速与编码器返馈的实际转速( s1,s2,s3,s4)T 的差异，采用 PID 算法对电机进行控制。(1,2,3,4)T本 科 毕 业 设 计 论 文184.4.3 遥控传感模式在复杂的环境中工作，全向移动小车还可以通过采用遥控控制模式手动控制小车运动，如图

43、 4-10 所示。在遥控模式下，遥控手柄按动摇杆，电压发生变化，通过无线发送模块发送到主处理器对移动小车进行控制，例如：按动摇杆 1 可以使移动小车在三种控制方式中切换，摇杆 2 还可以控制小车的旋转等。图 4-10 三自由度遥控手柄4.4.4 各控制模式综合全向自主模式下,全向移动小车的自主性智能性最高同时对环境及光照条件的要求也最高。寻迹模式下,全向移动小车对环境的依赖度降低,抗干扰性提高,但只能沿预定路线运动。遥控模式弥补了前两种模式的不足能适应复杂环境的要求,但需要手动控制,智能性降低。三种控制模式各有利弊,可根据提供的工作环境和任务要求选择合适的控制方式能够提高机器人的灵活性和效率,

44、扩大应用范围,保证机器人的稳定性和实用性。4.5 本章小结全向移动小车无需改变车体姿态即可实现任意方向的移动和任意半径的旋转,本章首先分析了 Mecanum 轮全向移动小车的机械结构，提出三轮结构和四轮结构的异同、优缺。接着根据控制模块的硬件结构，提出两种主控制器芯片的软件编写流程图，最后综述全向移动小车的控制方式是本章的重点，在分析运动学特性的基础上,介绍了全方位移动小车的全向自主、寻迹和遥控三种控制方式。本 科 毕 业 设 计 论 文195 轮式全向移动小车结论与展望5.1 结论由于全向移动小车的回转半径为零和多方向移动特性，可以方便的穿梭于狭窄拥挤且障碍较多的空间中，灵活方便的完成多种任

45、务。轮式全向移动小车可应用于生活、物流、工业和机器人等多个领域。本文主要综述了轮式全向移动小车体系结构。开篇之际就简述了在全向移动小车领域上的简要研究简史和一些应用现状，接着就选取具有代表性的四轮全向移动小车的体系结构进行了详细综述，其中包括小车体系结构的机械、硬件、软件。由于全向移动小车具有广阔的应用前景，在最后提出了一些对全向移动小车的展望。本论文仅仅对轮式全向移动小车体系结构进行了初步的探讨，在智能环境信息检测、智能决策等方面还需进行进一步深入研究。随着全向移动小车的智能化程度的不断提高，全向移动小车将在社会生产及生活的各方面发挥越来越大的作用。5.2 展望鉴于全向移动小车能大幅度提高产

46、品装配的工作效率，具有定位精度高、人员操作便利及运动转位灵活且不受限于运动空间等优点，由此可以预知，该全向移动平台在车底安检、航天、航空、武器装备、大型物流领域应用前景广阔。从目前的发展来看，全向移动平台还处于初级应用阶段，虽然对与其相关的现场检测技术、能源技术等还存在认识不足等问题，但其仍有相当大的研究前景，只要所有设计者与研究者不断努力，一定可以使全向移动平台的应用前景更可观。5.2.1 车底安全检查车底安检采用人工手持安检镜的方法不仅效率低下，而且安检的可靠性主要是依靠检查人员的主观条件进行判断，容易造成检查范围不完整，检出率下降明显。基于全向移动小车的移动式安检机器人，可以遂行自主或半

47、自主的停车场车辆排查任务，比传统的方法( 如手持镜等)更快更准确，大大提高了对车底的检测速度和检查效率 24。5.2.2 航天器制造业将全向移动平台与航天器相结合，将大幅度降低成本、提高效率，同时也是航天科技成果向其它行业领域转化和应用的一个范例，将作为未来工业自动化现场的一种本 科 毕 业 设 计 论 文20重要设备，创造更大的社会和经济效益 25。5.2.3 高空作业平台全向轮智能移动平台虽然能够满足平面全方位移动的需求，但对于高空乃至太空作业等非地面工业现场，全方位智能移动平台却未能兼顾。但如果将全向智能移动平台和高空作业平台结合，便可实现空间维度的全面覆盖，以满足工作人员对高空作业及物

48、体输送需求，可广泛应用于抬车机、航天器总装等工况，效果图见 5-1 所示 25。图 5-1 高空作业平台外形5.2.4 空间重负荷平台伴随着航天器、中大型飞机部件以及其配套产品向着更大的尺寸和载重量方向发展，仅仅是靠单一的增加单个平台的负荷能力是不够的，设想着如果能够组合 2 组或多组平台模块，其承载能力则可达到原单套平台的数倍，负荷量更大，并着手提高移动平台的工业自动化程度。本 科 毕 业 设 计 论 文21致 谢这个毕业设计应算是我的一次艰辛的尝试与探索。其中虽花费了众多的时间与汗水，但仍难免会有很多不足，且期间给老师和同学都添了不少的麻烦。所以，在论文结束之前，我要对很多在我毕设过程中给

49、予帮助的老师和同学表示感谢。首先向悉心指导我的导师徐箭雨老师表示最诚挚的感谢与敬意，他不时的指点使我少走了不少弯路，同时也节省了不少时间。另外，在论文撰写过程中得到了很多同学的热心帮助，在此一并表示衷心的感谢。最后也感谢对论文进行评审的各位老师。本 科 毕 业 设 计 论 文22参考文献1 朱磊磊，陈军 .轮式移动机器人研究综述.机床与液压，2009，(8):242 一 247.2 陈淑艳，陈文家 .履带式移动机器人研究综述J.机电工程，2007，(12):109 一 1123 刘静，赵晓光，谭民 .腿式机器人的研究综述J.机器人，2006，(1):81 一 88.4 陈丽，王越超，李斌 .蛇形机器人研究现况与进展J.机器人，2002，(6):559 一 563.