四轮移动机器人平台的设计与实现

周卫华， 张德发

(台州职业技术学院，浙江 台州 318000)

0 引 言

移动机器人已经成为机器人领域一个重要的分支，在军事、危险作业和服务业等行业发挥着越来越重要的作用[1-2]。

移动机器人按照运动的机构可分为轮式、履带式和腿式等。其中轮式移动机器人由于其机构简单、运动灵活等优点，尤其受到青睐[3-4]。考虑到文中研究的对象是轮式移动机器人，故后续所称的移动机器人都是指轮式移动机器人。物体在平面上具有三个自由度，分别为前后运动、左右运动和自转运动，传统的汽车具有的自由度少于三个，又如文献[5]中描述的四轮移动车，具有前后运动和自转运动的能力，但是不能横向移动。全方位移动机器人可以实现前后、左右和旋转三个自由度的运动，运动灵活性高，可以原地旋转，在狭小空间运动优势明显，如物流仓储行业、星球探测[6]和服务机器人等。

全方位移动平台需要设计相应的控制系统，如文献[7]中采用专用芯片作为主控制器来控制基于Mecanum轮全方位移动机器人，控制简单，但是很难做进一步的扩展与深入研究。东南大学的夏国庆[8]用主控芯片DSP2812控制四个电机，每个电机驱动一个Mecanum轮。这种方法的优势在于节省成本，但是外围电路设计复杂且稳定性较差。

本文设计的轮式机器人采用工控主板作为主控制器，计算功能强大，而且丰富的接口可以方便扩展，为进一步深入研究提供了良好的硬件平台。

1 连续切换轮的结构

连续切换轮的轮毂周围由十根辊子相互交错排列，辊子与轮毂是相互垂直，如图1所示。

图1 连续切换轮

图2 连续切换轮(直径10 cm)

连续切换轮不仅具有轴向滚动的能力，且十根辊子也能绕自身轴旋转。图2所示为正交连续切换轮的实际样机,其中轮毂是主动轮，辊子是被动轮。辊子在外力的作用下绕着自身的轴旋转，速度方向与轮毂的速度方向垂直。

图3 移动机器人布局示意图

平面运动包含前后运动、左右运动和旋转运动三个自由度，故移动机器人要实现全方位运动，必须要有三个或三个以上的独立驱动的轮子。四轮机构相对于三轮结构，车体稳定性好且易于控制，四轮以上则结构冗余，故文中采用四轮的结构[9]。移动机器人样机四轮对称放置，采用正交的排布方式，轮1与轮3平行，轮2与轮4平行，组成一个正方形，如图3所示。

不考虑轮子与地面打滑的情况，可得移动机器人的逆运动学方程为：

(1)

式中:ω1～ω4分别为四轮的旋转角速度，rad/s;Vx、Vy和ω分别为移动机器人X轴速度、Y轴速度以及绕中心轴的旋转角速度;Vx、Vy,m/s，ω,rad/s;R为运动学逆矩阵。R表达式如下所示：

(2)

式中：r为连续切换轮的半径，m;l为轮子中心到车体中心的距离，m。

(3)

式(3)可以化简为：

(4)

式中:R+=(RT·R)-1·RT。计算可得：

(5)

由式(5)可得移动机器人的正运动学关系为：

(6)

2 控制系统的设计与实现

为了进一步分析连续切换轮在实际运行中的特性，本文设计并制作了四轮全方位移动机器人的控制系统，从整体上研究连续切换轮的特性以及全方位机器人的运动性能。每个轮子采用直流无刷电机单独驱动的方式。电机轴的转速和位置信息通过光电码盘反馈给驱动器。

移动小车采用直流工控主板作为主控制器，型号是ITX-i7415。该工控主板支持Intel i5 CPU,最高2.4 GHz，4 GB DDR的内存。同时支持6个RS232接口，以及2个32 bit/33 MHz Mini PCI 插槽，2个32 bit/33 MHz PCI 插槽。

电机的驱动器采用Copley公司生产的ACJ型无刷直流电机驱动器，电机驱动器之间通过CAN网络连接起来。CAN (Controller Area Network)是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络,具有实时性高、可靠性好等优点，通信速度可以达到1 Mbit/s。

CAN有两种数据通信方式：SDO和PDO。SDO是一种应答式的传输方式，可以实现一对一，一对多数据访问，每个消息都需要一个应答。相对而言，过程数据对象PDO不需要对每个消息生成一个应答，主要用来处理传输实时性要求较高的数据。数据的传输可以是点对点，也可以是广播。由于SDO是一种应答式的传送方式，相对于PDO而言，速度会慢一些。但是，PDO的通信方式需要SDO先行设置。在本系统中，对于需要经常交互的数据，如电机的电流、速度等信息，采用PDO的报文方式，其他数据采用SDO的报文方式。

图4 电控系统框图

上位机(工控主板)通过扩展CAN卡与各个电机驱动器组成CANOpen网络。在CANOpen网络中，上位机作为master,可以实时控制各个电机的运动状态，各个电机驱动器作为CANOpen网络的Slave。同时，电机的速度、位置和力矩等信息可以通过CANOpen网络反馈给上位机。

电控系统的总体框图如图4所示。

图5 上位机软件类的架构

图6 电机转速控制流程图

上位机软件是在Windows平台下开发的，采用Visual C++的编程语言。

上位机软件的整体架构如图5所示，采用具体的类来描述移动小车的各个组成部分。

其中，人机界面类主要负责小车的整体运动情况，包括移动小车各个方向的运动等操作。Device类用于描述NMT网络中各个CAN的节点，包含所有可以连接在CAN网络中的设备。由于电机的驱动器只是一种特殊的CAN设备，所有在类图中电机驱动器类是通过Device类派生出来的。CAN类用于描述CAN数据帧的收发状况。

单个电机在速度模式控制方式下，上位机(工控主板)通过CANOpen网络控制电机的流程如图6所示。

3 试验

四轮采用连续切换轮的移动机器人的实物如图7所示。移动机器人采用两节12 V铅酸电池串联作为电机驱动器24 V的电源。直流工控主板的电源也是24 V,采用模块电源单独供电，与电机功率部分电源隔离开。

图7 移动机器人照片

根据运动学方程式(6),设置对应的电机转速与方向，试验测试可得移动机器人的整体运动与轮子运动配合的关系图，如图8所示。

图8 整体运动与轮子运动的配合图

4 结束语

本文建立了移动机器人的结构及控制系统的设计，通过分析对比其他控制方法，具有以下优势：

(1)四个轮子采用四个电机独立驱动的方式，控制方便，系统稳定性好。

(2)工业控制板与电机驱动器采用CAN通信的方式，实时性高，信号抗干扰能力强。同时相对于IO直连的方式，连接线少，系统简洁。

(3)从提高实时性和提高通信速率的角度出发，针对CAN网络中不同的数据寄存器采用不同的数据传送方式。对于经常访问的寄存器，如电机电流、速度和位置等信息，采用PDO的方式。对于不经常访问的寄存器，如初始化配置参数等，采用SDO的方式。

(4)现有的移动机器人平台，可以为后续的进一步研究提供基础。