全方位移动平台控制系统设计
基于MPC的麦克纳姆轮移动平台轨迹跟踪控制
2023年第47卷第11期Journal of Mechanical Transmission基于MPC的麦克纳姆轮移动平台轨迹跟踪控制黄晓宇1,2孙勇智1,2李津蓉1,2王翼挺1,2杨颀伟1,2（1 浙江科技学院自动化与电气工程学院，浙江杭州310023）（2 浙江省机器人产业学院，浙江杭州310023）摘要针对麦克纳姆轮全向移动平台轨迹跟踪控制问题，提出了一种模型预测控制（Model Pre⁃dictive Control，MPC）和微分先行比例-积分-微分（Proportional plus Integral plus Derivative，PID）协同的双闭环控制策略。
基于麦克纳姆轮运动学特点，设计了位姿控制环和速度控制环；在位姿控制环建立麦克纳姆轮底盘的线性误差模型，设计二次型目标函数，将路径跟随问题转化为对非线性模型的预测控制；在速度控制环引入微分先行PID控制器，避免输入量频繁的阶跃变化对系统产生高频干扰，加快麦克纳姆轮的角速度收敛，增强了系统稳定性。
仿真实验表明，设计的控制器在收敛速度、跟踪精度方面均高于常见的轨迹跟踪器，对麦克纳姆轮移动平台的控制具有良好的鲁棒性。
关键词麦克纳姆轮轨迹跟踪线性误差模型模型预测控制微分先行PIDTrajectory Tracking Control of Mecanum Wheels Mobile Platform Based on MPC Huang Xiaoyu1,2Sun Yongzhi1,2Li Jinrong1,2Wang Yiting1,2Yang Qiwei1,2(1 School of Automation and Electrical Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China)(2 Key Institute of Robotics of Zhejiang Province, Hangzhou 310023, China)Abstract For the trajectory tracking control problem of the omnidirectional mobile platform of Mecanum wheels, a strategy of double closed-loop control with model predictive control (MPC) and differential forward proportional plus integral plus derivative (PID) is proposed. The attitude control loop and velocity control loop are designed based on the kinematics characteristics of Mecanum wheels. The linear error model of the Mecanum wheels chassis is established by the attitude control loop, the quadratic objective function is designed, and the problem of path following is transformed into predictive control for the nonlinear model. In the velocity control loop, the differential forward PID controller is used to avoid the high-frequency disturbance to the system caused by frequent step changes of the input quantity, accelerate the convergence of the angular velocity of the Mecanum wheels, and enhance the stability of the system. Simulation experiments demonstrate that the controller designed in this study has better convergence speed and tracking accuracy than the commonly used trajectory algorithm, and it can provide good robustness to control the mobile platform of Mecanum wheels.Key words Mecanum wheel Trajectory tracking Linear error model Model predictive control Dif⁃ferential forward PID0 引言随着计算机的应用和传感技术的发展，移动机器人技术在智能制造、工业物流等领域得到广泛应用[1-2]。
世界技能大赛移动机器人运动控制系统设计
0引言世界技能大赛由世界技能组织举办，被誉为“技能奥林匹克”，是世界技能组织成员展示和交流职业技能的重要平台，比赛项目共分为6个大类，分别为结构与建筑技术、创意艺术和时尚、信息与通信技术、制造与工程技术、社会与个人服务、运输与物流。
移动机器人项目属于制造与工程技术领域的赛事之一，随着制造业的转型升级，技能人才的培养也扮演着越来越重要的角色，为了更好地推广移动机器人项目，让更多的院校参与世界技能大赛，让更多的学生学会利用自动控制技术设计世界技能大赛所需的移动机器人，笔者将几年来对移动机器人电机控制、运动规划方面的一些技巧及实现做了总结，旨在让更多的参与者快速学会对移动机器人的控制，更好地推动移动机器人相关专业的发展。
1系统组成1.1系统基本构成世界技能大赛移动机器人项目一般要求参赛队伍所制作的移动机器人具有较为灵活的移动能力，为了满足这一条件，普遍采用全方位移动的机器人设计。
全方位移动机器人具有全方位运动能力，其实现方式关键在于全方位的轮系结构，该结构具备每一个大轮边缘套有小轮的机构，能够避免普通轮系不能侧滑带来的非完整性运动限制，从而实现全方位运动。
在比赛中，机器人较为常用的底盘是用 3 个全向轮组成的底盘运动控制系统。
其中，三个全向轮运动轴心夹角按照 120°进行设计，之间通过3条横梁互为60°连接构成，如图1所示，底盘三个全向轮由独立的电机驱动。
底盘运动信息主要通过三个360线的编码器和一个9轴陀螺仪获取。
图1 三轮机器人效果图（左）及实物图（右）1.2系统主体框架世界技能大赛移动机器人项目所设计的机器人，既要考虑到实用性，又要考虑到使用提供指定套件来搭建。
整个指定套件提供了4个直流电机、3个舵机、1个陀螺仪、2个超声波传感器、2个红外传感器、2个限位开关，设计的机器人需要依赖于上述提供的电气元件。
笔者所使用的三轮平台由核心控制模块（MYRIO）、传感器检测模块、世界技能大赛移动机器人运动控制系统设计 章安福（广州市工贸技师学院，广州，510000）摘 要世界技能大赛移动机器人项目要求设计的机器人能够在2m×4m的平面场地中完成一定的任务，而全向轮式移动机器人为非完整性约束系统，机器人可向任意方向做直线运动而不需事先做旋转运动，同时可执行复杂的弧线运动。
全方位移动载人机器人轮系的优化设计
0引言在平面上可以实现前后、左右和自转3个自由度运动的机器人称为全方位移动机器人[1]。
由于其轮系直接影响机器人移动的灵活度、效率和平稳性,因此多年来轮系的优化设计一直是全方位移动机器人运动控制和路径规划领域的研究热点之一[2]。
针对自主设计的旧式全方位轮在载人时行进阻力较大的问题,本文从材料选用和安装方式两个方面优化设计全方位轮系,进而改善全方位移动载人机器人的移动效率、稳定性和平顺性,对全方位移动机器人的运动控制和路径规划研究有一定的实际意义。
1全方位轮系的新设计全方位轮包括轮毂和从动轮,该轮毂的外圆周处均匀开设有数个轮毂齿,每两个轮毂齿之间装设有一从动轮,该从动轮的径向方向与轮毂外圆周的切线方向垂直。
这个由大轮边缘套小轮组成的复合轮子结构,可以实现机身在不转向的情况下进行各个方向的直线或曲线运动。
需要转向时也很灵活,且原地转向无转向半径限制,可以使机器人的运动更加灵敏。
机器人运动过程中,轮上的各个小轮一般均处于纯滚动状态,不易磨损,小轮轴的受力情况也较好,对各个轮的转向和转速控制得当,即可实现精确定位和轨迹跟踪[3]。
此次设计的全方位移动机器人有载人需求,如果采用自主设计的旧式全方位轮,行进阻力较大,无法满足任务要求。
因此,在旧式设计的基础上进行了新一代全方位轮的开发与研究,如图1所示。
新一代开发的可载人全方位轮在综合性能上超越旧式全方位轮很多,二者之间的改进对比见表1。
全方位移动载人机器人轮系的优化设计范晶,吴晖(中国电子信息产业集团有限公司第六研究所,北京100083)摘要:自主设计的全方位移动机器人在载人时行进阻力较大,无法满足任务要求。
针对这一问题,从材料选用和小轮安装方式两个方面改进设计机器人的全方位轮系,并通过ADAMS 运动学仿真的手段初步验证了优化设计的正确性。
最后,在全方位移动机器人上先后搭载旧式和新式两代全方位轮系做载人实验,结果证明:搭载新设计的全方位轮系后,载人机器人的移动效率、稳定性和平顺性都得到了大幅提升,满足任务要求。
《基于ROS的机器人移动平台的设计与实现》范文
《基于ROS的机器人移动平台的设计与实现》篇一一、引言随着科技的不断发展，机器人技术已经广泛应用于各个领域。
其中，基于ROS（Robot Operating System）的机器人移动平台设计是实现机器人自主化、智能化的重要手段。
本文将介绍基于ROS的机器人移动平台的设计与实现，包括系统架构、硬件设计、软件设计、实验结果及结论等方面。
二、系统架构基于ROS的机器人移动平台采用模块化设计，主要包括运动控制模块、传感器模块、通信模块等。
运动控制模块负责机器人的运动控制，传感器模块包括距离传感器、激光雷达等，用于感知周围环境，通信模块负责机器人与上位机之间的通信。
整个系统采用分层设计，上层为应用层，负责任务规划、决策等；下层为运动控制层，负责机器人的运动控制。
三、硬件设计硬件设计是机器人移动平台实现自主运动的关键。
本系统采用的硬件主要包括电机、轮子、编码器、距离传感器、激光雷达等。
电机和轮子组成机器人的运动执行机构，编码器用于测量轮子的转速和距离，距离传感器和激光雷达用于感知周围环境。
此外，还需要设计电源模块，为机器人提供稳定的电源。
四、软件设计软件设计是实现机器人移动平台自主运动的核心。
本系统采用ROS作为开发平台，利用其强大的功能模块，实现机器人的运动控制、环境感知、任务规划等。
具体来说，软件设计包括以下几个方面：1. 运动控制：采用ROS的PID控制器实现机器人的运动控制，通过设置目标速度和实际速度的差值，计算控制量，实现对机器人的精确控制。
2. 环境感知：利用距离传感器和激光雷达等传感器，实现对周围环境的感知。
通过ROS的消息传递机制，将传感器数据传输到上位机，进行数据处理和分析。
3. 任务规划：根据任务需求，制定合理的路径规划和决策策略。
利用ROS的路径规划算法库，实现机器人的路径规划和决策。
五、实验结果为了验证基于ROS的机器人移动平台的设计与实现效果，我们进行了多组实验。
实验结果表明，本系统具有良好的自主运动能力，能够根据环境变化进行实时调整，实现精确的运动控制。
一种可全方位移动的三轴转台结构设计
一种可全方位移动的三轴转台结构设计摘要：本文介绍了一种适用于一些小型飞行器模拟测试的实验平台，按要求对其结构进行了设计，并制作了实验的样机。
该实验平台实现可以三个旋转自由度和地面的全方位移动，并且该平台不需要驱动元件，结构简便实用。
关键词：三轴转台;全方位移动;结构设计引言三维转台作为航空、航天研究中的关键地面设备是导航制导设备的关键，所以转台的技术研究一直受到发达国家航空航天领域的高度重视。
三轴转台是用于飞机，导弹，飞船等其他飞行器及地面半实物仿真的关键设备，它可在实验室环境内实时地模拟复现飞行器在空中的动力学特性和飞行器在空间进行中滚转、俯仰、偏航等的运动姿态，转台技术广泛应用于航空、航海、国防建设领域中。
目前，各国研究制作的转台都是带有驱动机构的大型控制转台，这些测试转台无论是机械结构还是测量控制系统都极其复杂，转台的制作使用成本昂贵，操作复杂;而且，这些平台大多是不可自由移动的。
这对于一些需要在地面自由移动的小型简易的实验飞行器和其他一些需要低成本半实物仿真的设备，显然是不适合。
而针对这种在地面自由移动，低成本，使用、操作方便的飞行器设备实验仿真测试平台。
本文提出一种新的可全方位移动的三轴转台设计。
1.结构设计1.1整体结构方案设计按照设计要求，本设计具体地说是一种可全方位移动的三轴转台，包括彼此转动连接的转动部分及移动平台，转动部分包括转杆、中环及外环，移动平台包括底座、支杆及万向轮，外环转动安装在底座上，底座上沿周向均布有多个支杆，每个支杆均连接有万向轮，通过万向轮实现水平方向前后、左右两个平移自由度;中环转动安装在外环内，转杆作为被测对象的载体转动安装在中环内，通过转杆相对于中环转动、中环相对于外环转动及外环相对底座转动实现三个旋转自由度，如图1所示。
图1 转台三维模型1.2转动部分结构设计转台的转动部分包括中间转杆、中环及外环，具体情况可以参照图1。
中环和外环采用的正八边形的形状。
中型组机器人运动控制系统的FPGA设计
中型组机器人运动控制系统的FPGA设计作者：王全州,裴东,陶中幸,杨硕,崔涛,刘平和来源：《现代电子技术》2010年第14期摘要:以RoboCup中型组足球机器人为实验平台,提出一种基于FPGA的全方位移动足球机器人运动控制系统的实现方法。
首先分析和研究三轮全方位移动机器人的运动学特性,建立其运动控制模型,然后以FPGA为主要处理器,设计了PID速度闭环控制算法,实现了对机器人的精确控制。
实验发现,该设计方法具有很好的实时性,能够对全方位移动机器人进行快速、准确的控制。
关键词:RoboCup; 全方位移动机器人;FPGA; PID中图分类号:TN911; TP242 文献标识码:A文章编号:1004-373X(2010)14-0127-04Medium-sized Group of Robot Motion Control System Based on FPGAWANG Quan-zhou, PEI Dong, TAO Zhong-xing, YANG Shuo, CUI Tao, LIU Ping-he(College of Physics and Electronic Engineering,Northwest Normal University,Lanzhou 730070,China)Abstract: Making the medium-sized group of RoboCup soccer robot as experimental platform, an implementation of the omni-directional mobile robot motion control system based on FPGA is provided. In order to achieve precise control of the robot, the kinematics characteristics of the omni-directional robot with three orthogonal-wheels is analyzed and studied, the robot motion control model is built, and the speed closed-loop PID control algorithm using FPGA as its main processor is designed. It is found that the design method of theFPGA-based omni-directional mobile robot motion- control the omni-directional mobile robot rapidly and accurately.Keywords: RoboCup; omni-directional mobile robot; FPGA; PID0 引言目前,全方位移动机器人由于具有出色的灵活性,已经成为RoboCup中型组足球机器人比赛中最理想的选择。
技巧球足球发射机器人设计
技巧球足球发射机器人设计于欢;刘泓滨;尹雨枫【摘要】针对体育行业中足球机器人普遍无法发射带有弧线的技巧球的现状,设计了一款技巧球发射机器人.该机器人采用推杆驱动的举仰机构,通过运动学分析验证了设计方案的可行性;设计了特殊的旋转发生器机构,可产生多种技巧球;对旋转发生器射出的足球进行了动力学及运动学分析,采用多环控制策略,设计了机器人控制系统.实验结果表明:该机器人运动灵活,可以发射带有弧线的技巧球,能够满足对球员的训练需求,具有良好的应用前景.【期刊名称】《轻工机械》【年(卷),期】2018(036)006【总页数】3页(P12-14)【关键词】足球发射机器人;全方位移动平台;推杆驱动;旋转发生器;多环控制策略;技巧球【作者】于欢;刘泓滨;尹雨枫【作者单位】昆明理工大学机电工程学院,云南昆明 650500;昆明理工大学机电工程学院,云南昆明 650500;昆明理工大学机电工程学院,云南昆明 650500【正文语种】中文【中图分类】TS952.3足球运动是世界公认的第一运动[1]。
近年来很多机器人比赛中都出现了足球机器人的身影，首届机器人世界杯足球赛也于1997年举办[2]，此赛事即为后来的机器人世界杯(Robot World Cup)。
足球机器人的种类很多，如仿生人形足球机器人、轮式足球小车等。
然而，目前足球机器人大多数停留在比赛对抗及观赏阶段，还没有一款足球机器人真正推广和应用到实际的足球训练中去，主要问题在于机器人实用性差，发球模式单一，无法实现如香蕉球[3]、电梯球[4]等技巧球(有旋球)的发球。
因此课题组设计了一种新型的技巧球足球发射机器人，对该机器人产生技巧球的方式及运动轨迹进行了动力学分析。
1 总体机械结构设计技巧球足球发射机器人主要包括底盘、举仰机构、足球弹射机构和旋转发生器，如图1所示。
各部分在功能上有明显区分：机器人可利用其底盘灵活的全方位移动平台在足球场中移动，随时变换位置；在机器人到达确定位置后，底盘上的辅架下降并抵住地面，缓冲发射足球时的后坐力；举仰机构工作，达到合理举仰角度；足球弹射机构内部有弹簧，利用弹射对足球产生冲力；旋转发生器可使足球旋转，加速到指定速度便可以发射带有弧线的技巧球。
基于STM32的全方位移动平台控制系统设计
第19卷第1期 南京工程学院学报（自然科学版）V 〇L 19，N 〇.l2021 $ 3 月Journal of Nanjing Institute of Technology ! Natural Science Edition )Mar. ，2021doi：10. 13960/j. issn. 1672 -2558.2021.01.013投稿网址：http://x b. n j i t . edu. cn基于STM 32的全方位移动平台控制系统设计肖进，赵锦芝，王伟，朱春义(南京工程学院机械工程学院，江苏南京211167)摘要：以全方位移动平台作为研究对象，提出以全向轮为基础的全方位移动平台控制系统设计方案，包括移动平台的运动分析、硬件的设计和软件的设计.控制系统以S T M 32F 103为控制核心，通过光电编码器和M P U 6050惯导 模块采集、检测移动平台的旋转角度和位移大小，反馈给单片机实现精确定位，并通过反馈装置实时了解移动平台 的运动状态；本文采用S T M 32搭建的全方位位移机器人平台，响应速度快，机构灵活，为以后的自主导航和自主避障提供了很好的平台.关键词：全方位移动平台；运动分解;S T M 32;驱动器 中图分类号:T P 42.6全方位移动机器人因其灵活的特性、强大的自 适应性，越来越多地应用到狭小复杂仓储场所的运 输作业中.全方位移动机器人具有在平面内实现前 后作业移动及绕机器人中心旋转的特征，其中以 2个前轮作为驱动、后轮作为万向轮的移动机器人 较为常见[1].全方位移动平台采用全驱动方式，具 有较强的实用性目前应用广泛的全方面移动 方式分为M e c a n u m 轮式全方位移动机器人、全轮 偏转式全方位移动机器人和球轮式全方位移动机 器人[4 — 5].本文采用由三个全向轮组成的全方位移动平 台，设计一种基于S T M 32的全方位移动控制系统. 通过运动分解方法对移动机器人平台进行运动分 析，在运动过程中可以通过S T M 32主控芯片将移 动的目标速度解算成每个电机的独立速度，从而达 到全方位自主移动的目的.1全方位移动平台运动学分析全方位移动平台主要由三个成120°的全向轮、低压直流电机以及减速装置组成，可以通过自 身的运动机构并借助控制系统来到达某一指定的 目标点.图1为全方位移动平台运动学模型，假设(1"全向轮与地面之间不打滑；2"移动平台的中心就是三个全向轮轴线的 中心'3"全向轮之间的安装角度为120°4"机器人运动坐标系水平方向为Z 轴正方 向、竖直方向为F 轴正方向、顺时针方向为Z 轴正 方向.收稿日期：2020 -08 -30;修回日期：2020 -11 -04作者简介：肖进，硕士研究生，研究方向为机器人及其自动化.E-mail : 550136400@qq . com 引文格式：肖进，赵锦芝，王伟，等.基于STM 32的全方位移动平台控制系统设计[J ].南京工程学院学报（自然科学版），2021，19 ! 1 "：69 -73.70南京工程学院学报（自然科学版)2021年3月假设全方位移动平台广义速度为[)，），$] 7#各轮的线速度为[)，），）]T，电机！电机"、电机C的运动速度分别为）、）、），移动平台Y轴和\轴的速度分别为）和），移动平台的运动中心即为移动平台的原点（乂为电机与运动中心(的距离，$为移动平台Z轴方向的旋转速度.对全方位移动平台在三个方向上的速度进行分解，平移Y方向时，）'0,）= 0，$ = 0,可以得到：)=1 X)，）=-cos600X)，(1))=-cos60〇x)平移\方向时，）=0，）'0，$=0,可以得到：)=0 X)，）= sin60〇X)，.(2))=-sin600X)沿着Z轴方向旋转时，）=0，）=0，$'0,可以得到：)=$x*，) = $x*，) = $x* (3)将式（1"、式(2)和式(3"相加可以得到：)=1x)+ 0x)+ $x* ,)=-cos600x)+ sin60〇x)+ $x*| (4))=-cos600x)- sin600x)+ $x将式(4)转化为矩阵形式得：■)-■10*■)_)=-cos600sin600*)(5)_ - cos600-sin600* __ $_对式(E)求逆解可以得到正运动学方程为:)_■2 11 "了-了 - 了■)-)=0 槡槡3 3)(6)$_111_)__3* 3* 3* _由式（1)可知，通过调节三个全向轮电机的转 速及转向，就能达到改变整个全方位移动平台运动 状态的目的，这是进行软、硬件设计的理论基础.将移动平台的运动规律分解，然后将指定的线 速度和角速度根据公式依次分配到每个电机上，即可完成机器人的运动控制.2全方位移动平台控制系统硬件设计2.1控制系统硬件结构设计图2为基于单片机系统设计的全方位移动平 台控制系统的结构框图，处理器为M C U单片机处 理器;信号输入模块(包括蓝牙、按键和串口模块）将运动信号输入到@P U中，@P U直接对驱动器输 出不同位移的信息;传感器模块包括电机尾部的光 电码盘、@Z U6050惯导模块以及A/D转换模块，光 电码盘通过光电切割来计算移动平台位移的速度 和距离，M P U6050惯导模块用来计算移动平台移 动的加速度和旋转的角度，A/X模块将电源的模 拟量转化为数字，0L E X显示屏显示M C U通过传 感器采集的信息;运动模块由驱动芯片和低压直流 电机组成，信号输入模块输入控制信号，M C U根据 运动分解结果分配对应的电压信号到驱动芯片，驱 动芯片驱动直流电机按照指定路径运动.图2全方位移动平台控制系统2.2控制系统芯片选择设计控制系统时，从控制系统的稳定性和性能 多方面综合考虑，拟采用S T M32F103作为控制系 统的主控芯片？S T M32F103是S T(意法半导体）公司推出的 32 位单片机，具有 64 kB S R A M、512 kB F L A S H、8个定时器、3个A D C以及2个IIC，是高可靠、低 消耗、抗干扰的高性能单片机[6]，具有48个GPI0接 口，完全符合全方位移动平台GPI0接口的需求.2)电机驱动模块设计全方位移动平台采用的驱动器W S X C2412X 是一*款12 A/24 V双直流有刷电机驱动器，是专门 为低压直流电机设计的，其主要特点是:工作电压第19卷第1期肖进，等(基于STM32的全方位移动平台控制系统设计71低，工作电压只需24 V;输出电流大，可高达12 A;可驱动最高290 W功率的直流电机，内置过电压、欠电压、过热保护电路，支持满占空比输入，双通道 驱动.全方位移动平台有三组电机，采用两组驱动 器即可满足驱动的要求.使用定时器输出三路P W M波，驱动时序如表1所示.以一路电机为例，其驱动器信号输入为（3A置低，I N B置高，输入 P W M波，则功率输出M A为P W M波，M B置低，电机根据输入的P W M波，按照给定速度正转;反之，I N A置高，I N B置低，输入P W M波，则功率输出M B 为P W M波，M A置低，电机根据给定速度反转.表1中H为高电平;L为低电平;X为与电平无关;Z为 高阻抗;P W M为输入的变占空比不变频率的脉宽 调制信号.表1 W S D C2412D驱动时序信入出INA INB PWM MA MB电机状态L L X L L制动L H PWM PWM L正转H L PWM L PWM转H H X Z Z脱机驱动器的主要功能就是根据M C U发出的控 制指令，通过驱动器的控制协议，输出对应的P W M波驱动电机运动.全方位移动平台配有三台电机，用两组驱动器对其进行控制，电机！和 电机"分别接入驱动器1的电机通道1与2,电机C接入驱动器2的电机通道1.以电机B为例，驱动器与电机、控制器、反馈元件的连接简图如图3所示.图3控制系统接线图2)控制器的引脚分配全方位移动平台控制系统的G P I O引脚分配 如表2所示.表2 G P I O引脚分配表GPIO复用接线GPIO复用接线地址會爸址能PB8TIM4__CH4光电r器A相PC0/电机！的动器引INAPB9TIM4__CH3光电r器B相PC1/电机！的动器引INBPB10 I2C2._SCL MPU6050SCL PC3/电机"的动器引INAPB11I2C2__SDA MPU6050SDA PC4/电机"的动器引INB电机！的电机G的PC6TIM8_CH1动器引PC5/动器引PWM INA电机"的电机G的PC7TIM8_CH2动器引PC6/动器引PWM电机G的INBPC8TIM8_CH3动器引PWM3全方位移动平台控制系统软件设计3.1软件控制流程软件的总体控制流程如图4所示，首先初始化片内资源，启动接收任务，等待外部的指令，外部指 令可以通过串口模块或者蓝牙模块传递，接收到指 令后解析该指令，并将解析后的内容发送给电机模 块，根据运动分解和P I D算法，完成电机速度的运 算，同时不断地读取电机的状态和速度，反馈给 M C U，并启动O L E D显示模块，监控移动平台的状 态及各个电机的位置和速度.该控制系统所采用的 芯片S T M32F103单片机最高晶振为72 M H z，利用 定时器的输出比较模式产生占空比可变的P W M 波来控制电机的速度，同时通过运动分解将目标速 度分配到每个电机上.在状态反馈方面，M C U通过 定时器的编码器功能来获取移动平台运动的速度 与位移，通过IIC接口连接M P U6050访问其内部72南京工程学院学报（自然科学版)2021年3月的数据寄存器获取移动平台的角度与加速度信息?图4全方位移动平台主控制流程3.2 P I D速度环模型增量式PID算法定义为：1 _ J, )ek1)ek-1_式中:7为第,欠采样输入偏差值;J为比例时间；J为微分时间.电机控制速度环原理图如图E所示，电机采用 速度控制，MCU接收串口模块输入的指令，将机器 人的目标速度作为入口参数，通过式（1)至式(6)进 行运动学分析，计算出每个电机的目标速度，并通过 速度PID控制器，驱动直流电机，直流电机尾部的编 码器捕获电机的速度，将速度反馈给P D控制器，PID 控制器调节PWM波的输出量，从而达到闭环控制？图5 电机控制速度环原理图4调试试验与分析在搭建的全方位移动平台上选择z轴方向作为误差基准，通过多次测量z轴方向的数据求取 整个系统的平均误差，全方位移动平台如图6 所示.图6 图通过Python测试脚本，测量位置为10 m、角度 为0°时的位姿，共采集7组数据，如表3所示，并对数据进行分析，可以得出误差统计图如图7所示.3(组号位Bm实位Bm目标角度/°实Bm位Bm角度误差/°110.00010.0160.0000.1020.0160.102 210.00011.6910.000-0. 105 1.691-0. 105 310.00010.0970.0000.0160.0970.016 410.00010.3010.0000.2560.3010.256 510.0009.7950.000-0. 136-0.205-0. 136 610.0009.7480.0000.235-0.2520.235 710.00010.1780.000-0.2120.178-0.212门□位置误差□角度误差_ 1.5、-1.0 _-0.52 3 4 5 6 7采集数据组图7误差统计图从图7可以看出，除了第二组数据偏差较大 外，其他数据的位置误差均保持在0.5 m之内，角度误差保持在0.3°Z内，试验表明移动平台的精 度较高？5结语本文设计了一种全方位移动平台的运动控制 系统，该系统充分利用了全向轮的全驱动特性，能 够根据输入的指令和MCU的运动分解来完成运动 目标任务，通过光电传感器、MPU6050等传感器可-0.5^-第19卷第1期肖进，等:基于S T M32的全方位移动平台控制系统设计73以清晰地反馈移动平台的旋转角度和位移距离，控 制更加灵活，满足了移动平台对于控制系统的要 求；同时以S T M32作为控制核心，通过与传感器之 间的通信，能够实时了解移动平台自身的状态，实 现了良好的通讯;通过驱动芯片W S D C2412D实现 对低压直流电机的精确控制;最后通过试验测量本 移动平台的定位精度，验证了移动平台具有较高的 定位精度，为后续的移动机器人上层的继续搭建提 供了良好的平台.参考文献：[1] LORIA A,DASDEMIR J,JARQUIN N A.Leader followerformation and tracking control of mobile robots along straightp a t h s)J]•IEEE T r a n s a c t i o n s o n C o n t r o l S y s t e m s T e c h n olog y,2016,24(2) ：727 -732.[2]贾茜，汪木兰，刘树青，等.全方位移动机器人研究综述[J].制造业自动化，2015，37(7): 131-134.[3]周卫华，张德发•四轮移动机器人平台的设计与实现[J]•电气自动化，2018,40(5) :10-12.[4 ]付宜利，李寒，徐贺，等.轮式全方位移动机器人几种转向方式的研究[J]•制造业自动化，2005,27(10):33-37.[5]王兴松•Mecnum轮全方位移动机器人技术及其应用[J]•机械制造与自动化，2014,43(3):1-6.[6]胡春旭，熊枭，任慰，等.基于嵌人式系统的室内移动机器人定位与导航[J]•华中科技大学学报（自然科学版），2013,41(S1) :254-257,266.Designof Control Systemof Omnibearing Mobile PlatformBasedonSTM32 XIAO Jin, ZHAOJindhi, WANG Wei, ZHUChun-yi(School of Mechanical Engineering,Nanjing Ins tit ute of Technology,Nanjing211167, China)Abstract:This paper takes omnidirectional mobile platform as a research object, and proposes a design scheme for omnidirectional mobile platform control system based on omnidirectional wheels. Emphasis i s placed on hardware design and software design o f the mobile platform. With STM32F103 as a control core, the research collects and detects the rotation angle and displacement of the mobile platform through a photoelectric encoder navigation module, which i s then fed back t o the single-chip microcomputer t o achieve precise positioning. Understanding of the movement status of the mobile p latform in real time i s obtained by using a feedback device. The omnidirectional displacement robot platform built using STM32 has fast response speed and flexible mechanisplatform for autonomous navigation and autonomous obstacle avoidance in the future.Key words: omnidirectional mobile platform; motion decomposition; STM32; drive。
ROBOMASTER机器人大赛技术报告
技术报告
技 术 报 告
学校名称： 队伍名称： 指导教师： 作者名称：
东北林业大学 东林—天空领域—Ares 战队 宋文龙 王琢 白雪冰 张永超
2015 年 7 月
目录
摘要 Abstract 1 绪论...........................................................................................................................................1 1.1 比赛简介 ...............................................................................................................................1 1.2 整车设计框架结构预览 .......................................................................................................3 1.3 本文主要研究的内容 ...........................................................................................................4 2 全方位移动平台的设计分析...................................................................................................5 2.1 全方位轮的种类 ...
大型重载步履式全地形移动回转平台结构静力学分析
Equipment Manufacturing Technology No.07，20180引言大型重载移动平台可以作为大型重载工程机械或矿山设备的底盘。
在这样的平台上安装起重设备就可以成为移动式起重机、安装斗轮和输送带就可以成为料场堆取料机、安装破碎机就可以成为矿山移动破碎工厂、安装装卸机械和输送带就可以成为港口装船机或卸船机，因此，大型重载移动平台在料场、矿山和港口等有着广泛应用。
全方位移动平台是一类在平面上具有三自由度运动的平台，它可实现前后、左右平移、中心转向及其复合运动[1，2]。
张豫南等针对麦克纳姆轮式全方位移动平台存在路面适应性差等问题，提出了“全方位移动履带”的结构，并研制出一种履带式全方位移动平台，完成了平台的平顺性，试验验证了仿真结果的正确性，改善麦克纳姆轮轮式全方位移动平台的路面适应性[3]。
王慰军等设计了一种基于驱动万向轮的全向移动平台，克服了麦克纳姆轮的缺点，提高了移动平台的运动稳定性，并为移动平台运动控制和离线编程提供了依据[4]。
轮轨式平台在轨道上行走，移动平稳、所需功率小，但只能在有轨范围内活动。
履带式平台行走灵活，移动范围大，但所需功率大，地面压力大，对地形的要求高。
本文针对目前这两种形式的移动平台特点进行改进，采用步履移动加回转方式实现大型重载平台全地形的移动和回转。
1平台的基本结构本文针对目前这两种形式的移动平台特点进行改进，采用步履移动加回转方式实现大型重载平台全地形的移动和回转。
该结构采用了步履移动加回转方式实现大型重载平台全地形的移动和回转，其结构如下：（1）采用双层平台结构、四脚步履方式实现平台平移和回转支撑方式实现平台旋转；（2）采用四脚独立控制的液压系统驱动和独立控制的液压支撑、导向，实现大型重载平台的全地形行走；（3）采用平台重心跟踪和轨迹控制系统实现地形分析、重心轨迹自动控制和跟踪。
双层平台结构：采用内外层结构，外层结构主要用于承载、内层结构主要用于行走；四脚步履：结构下方安装四只（或多只）大脚，液压驱动前后滑动，实现步履式移动；回转支撑：采用液压支撑和轴承回转，实现平台支撑和旋转；重心跟踪和轨迹控制：平台重心实时跟踪和自动优化轨迹控制，实现大型重载平台全地形行走。
全向物流运输模块化设备设计
20 | 电子制作 2019年08月目前应用于自动化物流的设备分为制造类和运输类。
而现有运输类设备如下：（1）RGV（Rail Guided Vehicle）：有轨穿梭小车。
其特点是安全性高，可提高工作效率，提高仓库储存量（2）AGV（Automatic Guided Vehicle）：自动导引运输车。
其特点是具有移载功能，可按照规定路线行走。
（3）IGV(Intelligent Guided Vehicle）：智慧型引导运输车。
其特点是智能化程度高，移动路径灵活。
例如文献[1]中提及的1986卡耐基梅隆大学机器人研究所与美国海军合作开发的全向移动机器人Uranus以及KUKA公司研发的Omni Move均是基于麦克纳姆轮设计的全向搬运平台。
同时，国内大连理工大学也设计了一种利用图像检测和数控调姿的发动机数字化轮式安装运输平台底盘，其能够在有限空间内实现设备在部分方向的运输、升降和滑移安装功能。
然而上述自动化运输机器人和平台均存在着制造成本高，配套设施要求高，存在较多使用限制，控制程序复杂，可靠性相对较低的缺陷。
因此，现有大型物流运输厂商多采用应用领域广泛的自动化物流设备。
如文献[2]中提及的DELU气垫式运输平台，该运输平台采用空气压缩薄膜技术，利用压缩空气使载物平台悬浮而极大降低其与地面的摩擦阻力，从而实现小驱动力下的全向运输。
此外，该文献中还提及了万向轮式移动平台，该平台采用的是活动脚轮结构而允许其水平360度旋转，实现全向移动。
而法国奥尔良大学机器人实验室发明的正交轮式移动结构也是一种可以实现在有限空间内构建全向移动的方案。
此外，youBot码垛机器人也是物流运输设备中将物件由初始位置转移至指定目标位置常用的全方位移动平台，该平台结合了多自由度机械手和麦克纳姆轮四轮全向移动平台。
之后，还有CLAAS公司，波音公司运输大型客机零部[3]麦克纳姆轮是由许多成角度环绕的周边轮和中心轮构成的复杂机轮。
“天地车人”一体化监控体系设计
“天地车人”一体化监控体系，是一套包含排放检验机构联网、机动车尾气遥感监测、黑烟车抓拍、非道路移动机械管理、重型柴油车排污在线监测、I/M闭环管理、油气回收监控、移动执法等功能的全方位、综合性监控管理体系。
天：指机动车道路遥感监测、黑烟车抓拍监控；地：指机动车定期排放检验机构和车辆维修机构；车：指加装在线监控装置的车辆，如柴油货车OBD、非道路移动机械监控装置等；人：指路检路查、移动执法。
02建设目标03建设内容04总体架构01建设背景05数据库设计06网络及系统安全设计07系统功能设计01随着我国经济社会持续快速发展，机动车保有量继续保持高速增长态势。
据公安部统计，截至2020年底，我国机动车保有量达3.72亿辆，同比增长3.56%；其中，汽车保有量达到2.81亿辆，同比增长7.5%，新能源汽车保有量达到492万辆，同比增长29.18%。
随着工业废气治理成效显著，机动车，特别是重型柴油货车、营运汽油车、老旧汽车、工程机械，已经成为城市大气污染主要贡献者，机动车污染防治的紧迫性迫在眉睫。
机动车尾气PM CO HC NOx SO 2雾霾光化学烟雾2017年1月环保部部长在大气污染成因与控制及趋势分析学术研讨会上提出构建“车一油一路”一体化的移动源排放污染综合控制体系，建立移动源机动车污染防治和监管体系。
2018年6月，《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，明确提出要建立“天地车人”一体化的全方位监控系统，实施在用汽车排放检测与强制维护制度。
2019年1月，《柴油货车污染治理攻坚战行动计划》，提出推进监控体系建设和应用，对柴油车开展全天候、全方位地排放监控。
具体要求◼有效衔接机动车排放检验和安全技术检验1、严格执行机动车排放检验制度2、优化机动车排放和安全技术检验流程3、加强排放检验信息联网核查4、推行机动车排放异地检验5、大力推行便民检验服务☐加强在用机动车环保监督管理6、加快淘汰黄标车和老旧车7、强化在用机动车环保监督抽测工作8、严格落实机动车强制报废标准规定◼强化机动车排放检验机构监督管理9、强化新生产机动车排放检验机构监督管理10、推进在用车排放检验机构规范化联网11、加强排放检验机构监督管理12、强化排放检验机构主体责任13、加强检验数据统计分析14、严格执行政府部门不准经办检验机构等企业的规定☐加快机动车环保监管能力和队伍建设15、加强机动车环境监管能力建设16、加快推进全国机动车环保信息联网2017年12月，环保部发布的《机动车污染防治技术政策》列出了一系列新技术，包括：油品：油品升级、油气回收尾气治理：DPF （颗粒物过滤器）、SCR （选择性催化还原装置）、DOC （氧化型催化器）等检测监控：遥感检测设备、遥感检测车、黑烟车抓拍、便携式检测设备2018年9月27日，生态环境部发布了《汽油车污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）》（GB18285-2018）（代替GB18285-2005和HJT240-2005）、《柴油车污染物排放限值及测量方法（自由加速法及加载减速法）（GB3847-2018）（代替GB3847-2005和HJT241-2005）。
开放式三自由度全方位移动机器人实验平台
ｅ ｎ ｒ ｉｓ ｓｅ ｏ ｔｏ ｙ ｔｍ Ｉ ｈ ｓｐ ｐ ｒ ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ．ｗｅ１ ｉｔ ｏ ｕ ｅ ｔｅ ｈ ｒｗａｅ ｓ ｓｅ ａ ｄ ｒｌｔｖ ｏｔ ＇ ｌｔｏ ｍ ｆｔ ｅ ｕ ｅ￣ ’ ｎ ｒ ｄ ｃ ｈ ａ ｄ ｒ ｙ ｔｍ ｎ ｅａｉｅ ｓ ｆｗｍｅ ｐａ ｆｒ ｏ ｈ ｓｒ １
Ａｂ ｔａ ｔ Ａｓｔ ｅａ ｐｉａｉｎｏ ｏ ｏ ａ ｅ ｎｄ ｖ ｌｐ ｄ， ｂｌ ｏ ｏ ａ ｅ ｎａｖ ｒ ｃｉ ｒ ｎ ｈｏ ｔ ｓｒ ｃ ： ｈ ｐ ｌ ｔｏ ｆ ｂ ｔｈ ｓｂ ｅ ｅ ｏ ｃ ｒ ｅ ｅ ｍｏ ｉ ｒ ｂ ｔｈ ｄｂ ｅ ｅｙａ ｔ ｂ ａ ｃ ｆｉ．Ａｓａ ｅ ｅ ｖ ｎ
因此 ， 开发 以工业 和服 务 业领 域 为背 景 的 、 有 良好 具 用 户 二次 开 发 能 力 的移 动 机 器 人 系 统 ， 意 义 和市 其 场 是 明显 的．
成可重构物流系统， 为建立可重构制造 系统奠定基 础 ． 且 在非 工 业 领 域 如 服 务 领 域有 着 广泛 的应 用 而 前 景． 是 在此背景 下 ， 正 移动 机器人 倍受 关注．
Ｋｅ ｗｏ ｄ ｙ ｒ ｓ：ｍｏ ｉ ｏ ｔ ｍｏ ｉｎｐ ａ ｂｌ ｒ ｂ ， ｔｏ ｌｎ，ｋｎ ｍａｉｓｉｔｒ ｏ ａｉｎ ｅ ｏ ｉｅ ｔｃ ｎ ｅｐ ｌｔｏ
ｌ 引言 （ｎｒ ｄ ｃｉｎ Ｉ ｔｏ ｕ ｔ ） ｏ
目前 ， 手臂 机 器人 技术 已 日趋 成 熟 ， 性 能 已能 其 满足 工 业 应 用 领 域 的应 用． 动 机 器人 在 工业 领 域 移 开始 实 现 大 范 围 的运 输 ， 而 由多 台移 动机 器 人 构 进
ｃ ｎ ｒ ｌｓ ｓｅ ｏ ｔｏ ｙ ｔｍ． Ｉ’ ｐ ｒ ｐ ｉｔ ｏ ｈ ｙ ｔｍ ｏｂ ｎｏ ｅ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｌｔｏ ｍ ｎ ｏ ｏ ｏ ｅ ｃ ｉｇ ｔｓａ ｐ ｏ ｒ ｅｆｒｔ ｓ ｓｅ ｔ ｅａ ｐ ｎｅ ｐ ｒｍｅ ｔｌｐａ ｆｒ ａ ａｒ ｂ ｔｆｒｔａ ｈｎ ． ａ ｅ ｄ
基于SX1280LoRa模块的移动平台控制系统设计
基于SX1280LoRa模块的移动平台控制系统设计
姚科;李国利;咸尚君;邹惟清
【期刊名称】《电子设计工程》
【年(卷),期】2022(30)18
【摘要】为了实现移动平台的远程、高效、稳定控制,控制系统通过SX1280LoRa 射频模块进行信号远程传输,并采用基于指令的运动控制模式,由控制信号发送板对摇杆、钮子开关等控制元件状态进行采集编码,通过SX1280LoRa模块进行远程射频发送。
控制信号接收板将接收到的控制信号解码成移动平台各电机的控制参数。
制作了物理样机并结合远程控制方案编写移动平台控制系统程序,并进行了调试,调试结果表明,移动平台控制系统远程控制信号连接成功率最低为97.3%,定距定速测试的偏移误差约为14.4 mm。
远程移动平台控制系统工作性能稳定,实现了高效稳定的远程移动平台控制。
【总页数】6页(P104-109)
【作者】姚科;李国利;咸尚君;邹惟清
【作者单位】金陵科技学院机电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN6
【相关文献】
1.基于移动平台的某武器标校控制系统设计
2.基于STM32和CAN总线的全向移动平台控制系统设计
3.基于Android移动平台的远程控制系统设计与实现
4.基于
STM32的全方位移动平台控制系统设计5.基于PLC的模块化可重构机器人的关节模块控制系统设计
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基于螺旋滚轮的遥控全方位移动平台设计
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定 和 能源 利 用 率 高 等 特 点 ， 在 向实 用 化 迅 速 发 正
展 。轮 式 移动 机 构 可 按 照 平 面 内移 动 的方 向分
行 机构 和 混 合 式 机 构 等 几 种 ＿ 。 当 前 ， 足 式 步 】 Ｊ 对 行 机构 、 带 式机 构 研 究 较 多 ， 大 多 数 处 于 实 验 履 但
移 动 机器 人 是 世 界各 国研 制 的热 点 。移 动 机 构 是 移动 机 器 人 的 本 体 ， 定 机 器 人 的运 动 空 间 ， 决
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全方位移动平台控制系统设计
全方位移动平台可实现二维平面内任意方向的移动功能，可实现在狭小空间运送集装物资和长大物资，以及对大件零部件精确定位与安装、装配维修等应用目的。
本文提出一种全方位移动平台控制系统方案，使其灵活应用在空间有限、机动性要求高的场合。
1 控制系统整体设计方案
控制系统由手持遥控器和平台控制器两大部分组成，致力于操作者与移动平台的人机交互控制，遥控器加平台控制器的局部自主系统组成完整的控制系统。
遥控器和平台控制器均选用*****07系列微处理器为控制核心，控制系统整体框架如图1所示。
系统选用Zigbee网络技术进行无线通讯传输，它是一种新型的短距离无线接入技术，与Wi-Fi、Bluerooth无线技术相比，Zigbee技术具有低成本、低复杂度、低功耗、时延短、组网方便、网络容量大、安全玎靠优势。
针对全方位移动平台在平面上可三自由度运动的移动特性，遥控器端选取通过操纵三轴工业手柄来对应前后、左右平移、中心转向及其复合运动。
遥控器端搭载OLED屏用来显示信息，OLED屏相对于LED屏具有抗震性能更好，响应时间短，发光效率高，能耗低等特点。
遥控器通过AD采集获取三轴工业手柄模拟量数值，进行均值滤波、模数转换等处理获取当前控制信息，以扫描方式读取遥控器的开关获得当前运行模式、速度等级等控制状态，将相应数据内容同首尾字节、校验码封装成帧，通过串口发送到無线通信模块，将其转发给平台控制器;同时将当前状态发送到遥控器OLED显示屏。
平台控制器的无线通信模块将接收到的信息通过串口转发给控制器，控制器收到的一帧完整、无错误指令后，根据制定的通信协议内容，执行相应功能，同时运算出各电机转速，及电机转向，将其通过CAN总线网络分别发送给相应电机驱动器，驱动电机来完成车体
正常运转;同时在控制器接收到一帧信息后，反馈消息给遥控器，消息包含帧错误状态及平台的收集的信息等。
2 控制算法
麦克纳姆轮是一种比较有优势的全方位轮，典型的应用需要四个麦克纳姆轮就能组成全方位移动平台。
麦克纳姆轮由轮毂和安装在轮毂外缘上与轮毂轴线呈一定角度的无动力辊子组成，无动力辊子不仅可绕轮毂轴公转，也能在地面摩擦力作用下绕各自的支撑芯轴自转。
公转与自转的合运动速度与轮毂轴有一定的夹角，这是产生全方位运动的运动学上的根本原因。
本文采用四个麦克纳姆轮的全方位移动平台，进行运动学分析，为全方位移动平台控制算法提供理论依据。
全方位移动平台速度结构示意图如图2所示。
以移动平台中心0点为原点建立全局坐标系Oxy，点O速度为（V<sub>x</sub> V<sub>y</sub> ω）<sup>T</sup>。
在图2中车轮斜线表示轮毂与地面接触辊子的偏置位置，偏置角度为45°。
在实际应用中将遥控器端的三轴工业手柄分别映射为（V<sub>x</sub> V<sub>y</sub>ω）<sup>T</sup>，即为平台的运动速度，根据速度分量计算转化为相应的轮子角速度ω1，即当前状态时个电机转速，之后通过CAN总线网络发送给各电机驱动器驱动电机旋转，来完成相应运动状态。
3 控制系统软件设计
本控制系统使用Keil MDK-ARM进行开发，其是美国Keil软件公司出品的支持ARM微控制器的一款IDE（集成开发环境）。
MDK-ARM 包含了工业标准的KeilC编译器、宏汇编器、调试器、实时内核等组件。
控制系统应用程序采用裸机开发，减少操作系统对内存的占用量和CPU的时间耗费，提高系统的运行速度。
手持遥控器和平台控制器端应用程序均采用时间片轮询的程序架构来完成多任务处理。
利用一个定时器多处复用，通过定时器的定时中断产生系统的基准时间片，在定时中断服务函数中对系统任务状态字进行设置，以此充分利用任务等待时间来进行实时控制。
*****07系列微处理器内置两个看门狗外设，独立看门狗和窗口看门狗。
控制系统中使用独立看门狗来避免移动平台因硬件或软件故障而不能正常运行，STM32中配置独立看门狗的步骤：
（1）向键寄存器（IWDG_KR）写入Ox5555，取消寄存器写保护。
（2）向预分频寄存器（IWDG_PR）写入新值，修改预分频因子，向重装载寄存器（IWDG_RLR）写入新值设置重装载值。
（3）向键寄存器（IWDG_KR）写入OxAAAA，重装载IWDG计数值。
（4）向键寄存器（IWDG_KR）写入OxCCCC，启动看门狗工作。
在手持遥控器和平台控制器端主程序中循环检测各系统状态字来完成各任务处理。
手持遥控器循环发送指令信息，平台控制器按接收的指令信息根据各控制算法程序完成其相应功能。
其中平台控制器和遥控器的主程序流程图如图3和图4所示。
4 结束语
经现场实际组装测试，控制系统安全、可靠、并易于维护，可控制移动平台在二维平面内灵活运动及在运输或装配过程中高精度定位，包括直行、横行、斜行、曲线移动、小半径转向等全向移动;异常状态下，可停止运行并发出报警提示信号。