机电系统控制与机器人控制实验讲解

轮式机器人关键技术及其应用分析1、引言

随着电子技术和计算机技术的快速发展，机器人技术的研究和发展受到了越来越多的关注。机器人是当代自动化技术和人工智能技术发展的典型体现，是高新技术的代表，它融合了精密机械、电子信息、传感器、计算机、人工智能、自动控制等许多学科的知识，涉及到当今许多科技前沿领域的技术，可应用到宇宙探测、海洋开发、工厂自动化、建筑、采矿、军事、农业等各个领域。

2、轮式机器人

机器人就驱动方式而言，可以分为轮式机器人、履带式移动机器人、腿式移动机器人等。本文中主要介绍的是轮式机器人。

轮式机器人(Wheeled Mobile Robot)是移动机器人的一个重要分支，其应用领域广泛，应用前景十分可观。轮式机器人的运动形式机构具有自重轻、承载大、机构简单、行走速度快、工作效率高、驱动和控制相对方便、机动灵活等众多优点。轮式机器人按照车轮数目的同步又有不同的分类，本文主要讲和实验相同的四轮机器人。当在平整地面上行走时，这种机器人是最合适的选择。

3、轮式机器人关键技术

3.1 轮式机器人系统概述

轮式移动机器人系统主要包括：机械结构、电器结构和控制系统等。

轮式机器人车体由车架、电池组、直流电机、车轮和传感器等组成，是整个机器人的基础部分，车体机构如下图所示。

3.1.1 机械系统

其机械部分包括传动系统、转向系统、行驶系统和传感器支架等。智能车机械系统，对智能车是至关重要的一部分，机械系统的发挥空间很大。机械系统主要包括转向舵机、传感器机械结构、车辆悬架系统等。其中涉及的工作包括转向舵机改装、车模刚度调校、差速器调整等。车模舵机原始支架不符合汽车转向关系，需要对其进行改装使其符合汽车转向关系。传感器支架需要吸收车模震动对传感器的干扰，也需要减少车的转动惯量。传感器会改变车模重心，让车模重心远离地面或车中心，这样会影响到车模轮胎附着力分配，影响车模加速和转向性能。车模悬架系统调校可以使车模远离共振，有更好的地面附着性能。车模整体

刚度调整让车模转向灵敏也不超调。试验中舵机安装如下：

舵机安装

舵机是智能车的转向执行部分，对车模来说，转矩越大越好，原装舵机的支撑方面不能发挥出舵机转矩的极限，可以改装舵机使车模的转向系统更加灵敏。目前舵机主要有三种安装方法：卧式（可前置、后置）、扣式和立式。三种方式各有优缺点，实际安装视具体情况而定。

动力传动系统由电机、电机齿、差速器和半轴。动力传送系统在智能车运行中可以实现倒车功能，减速增扭，还具有差速作用，在必要时还可以中断动力，使汽车停下来。

转向系统如下图所示，包括舵机、舵机支架、舵机圆盘、舵机连片、拉杆、车轮、车轮支撑臂。转向系统是比较复杂的一个系统，转向系统调校的好，小车的行驶会特别顺畅和轻盈。汽车转向系分为机械转向系和动力转向系两大类。机械转向系以驾驶员的体力作为转向能源，传力件都是机械的；而动力转向系以发动机或电动机的动力作为主要转向能源，转向轻松省力。主要有液压助力转向和电动助力转向两种类型。智能车转向系统为机械转向系，结构上与汽车的转向结构类似。汽车的转向系统因前悬挂不同分为非独立转向系统和独立式转向系统，智能车前悬架为独立式悬架，转向系统是参考汽车独立悬架转向系统设计的。

转向系统

汽车行驶系统包括：车架、车轮、悬架和车桥。车架主要是接受传动系统的动力，通过驱动轮与路面的作用产生牵引力，使汽车正常行驶，要求具有足够的强度和适当的刚度即可。车轮则通过和汽车悬架共同缓冲减振，从而保证汽车具有良好的乘坐舒适性和行驶平顺性，使用中保证车轮具有良好的附着性，与路面相互作用产生驱动力、制动力和侧向力，以提高汽车的牵引性、制动性和通过性，车轮同时还承受汽车重力，并传递其他方向的力和力矩，降低滚动阻力，提高汽车的燃油经济性。汽车前悬架最重要的是前轮定位，前轮定位参数是转向轮、主销和路面之间的相互位置关系。具有自动回正作用，保证汽车直线行驶的稳定的作用。

电机是车模前进的动力装置，车模加减速特性、行驶过程中的速度响应都由

电机特性决定。

驱动系统包括电机、主减速器、差速器、电机驱动板、速度传感器及其支架。该系统中电机是车模行驶快慢和反应响应的关键，驱动系统中车速传感器是速度闭环控制的关键，对车速传感器的要求是车辆在行驶过程中，速度记录丢失在5%以内。电机驱动电流满足电机最大过载电流，通态电阻越小越好。车轮差速器是车辆转向时的轮速差实现机构，需要经常维护。

电机驱动系统

传感器固定支架在智能车中不可缺少，设计传感器支架需要在结构、自由度以及材料上下功夫。结构方面在满足功能的情况下，尽量将支架设计的更小、更巧妙。这样不仅可以降低整车重量还可以有效避免支架与周边的干涉风险。自由度方面主要考虑需要几个可调节的量、几个自由度，比如摄像头在做智能车的前期阶段是不能确定高度和仰角的。此时需要设计可上下调节高度，同时可以调节俯仰角的支架。材料方面需考虑加工方便、价格便宜且质量小，所以首选铝质材

料。对于不需要折边的支架可以选用PCB加工。

3.1.2 电器系统

电器部分包括核心板、电源模块和驱动模块。

我们用到的是5225核心板，5225是目前客户使用比较少的芯片，中文资料比少，使用的用户不是特别多，主频一般是80M。其外形如下图所示。核心板必须使用下载器，不同的核心板需要不同的下载器。下载器是系统板必需的调试工具，在使用下载器时，需要查看系统板的BDM脚和下载器定义的BDM下载脚。

5225核心板

电源模块把电池电压稳定地转换到系统各个部件需要的电压。该电源模块把7.2V电压转化到3.3V、5V、6V、12V电压。电源模块进行稳压时，特别是对传感器进行供电的电压，随着电池电压变化的幅度越小越好。而转接模块是核心板与传感器、驱动模块、电源模块连接的桥梁，具有很好的通用性。转接模块如下右图所示。

电源模块转接模块传感器是车模识别系统的关键，不同类别的传感器其识别原理不一样。有光感传感器和磁感传感器。主要目的是能够识别路径，尽量少丢线。在智能车的制作过程中，传感器的图像识别需要做大量的工作。光感传感器在识别路径时，外部光线变化和车模振动会导致图像识别误差。传感器支架需要能够减少车模振动对传感器的影响，同时也是越轻越好。

电机驱动模块是连接单片机、电池和电机的模块，能够由单片机控制驱动电机的输出电流，来控制电机驱动力。电机驱动模块能够满足驱动电机正转、反转、能耗制动功能要求。电机驱动模块能够提供的电流必须大于电机的最大电流，这