全向移动小车本科毕业论文.docx

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全向移动小车本科毕业论文

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

Reviewofwheeledomni-directionalmobilevehiclearchitecture

Student：

CHENFeng-junTeacher：

XUJian-yu

Abstract：

Asthedevelopmentofmovingmobilecartypesofinstitutionshasbeenquiteextensive,onlythegroundmoving,themovingmechanismhadwheels,crawler,legs,torsoandsoon,adaptedtothedifferentrequirementsofvariousworkenvironments.

Movedcarfullomni-directionalwheelhavingaplaneofthethreedegreesoffreedom,whichcanseparatefront,left,androtationalmovementinsitu,canbemadewithoutchangingtheirpostureinthecasemoveinanydirection.Insitubymeansofmaneuverandlateralmovementcharacteristics,full-motionplatformcanbeeasilyshuttleinthenarrow,flexible,completeavarietyoftasks,comparedtotraditionalmobileplatformhasobviousadvantages.

Thisreviewanalyzestheomni-directionalmobilecarathomeandabroadBriefHistoryofResearchandApplicationStatus;rightnowthemorewidelyusedomni-directionalwheelsummarizedcomparison;focusingonthecurrentmainstreamwheeledomni-directionalmobilecaraccordingtoitsmechanicalstructure,hardwaremodules,softwareanalysiscarryoutclassifycollate,summarizediscussestheomni-directionalmobiletrolley'sthreekindscontrolmode;Finallypairsoffull-textcarryonsummarized,prospectedwheeledomni-directionalmobilecardirectionofdevelopment.

Thisreviewpaperdrawingontheresearchresultsathomeandabroad,themoreperfectsummaryofthewholearchitectureofthemobilecarforfuturein-depthstudywheeledomni-directionalmobileplatformwidelyusedtolayagoodfoundation.

Keywords:

Mecanumwheel;omni-directionalmobilerobot;vehiclesafetyinspection

目次

1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-directionalwheel）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、提交会议论文方式。

2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）。

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2-2全方位轮式移动机器人

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、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FU－fighter队、Stuttgart大学CopsStuttgart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距[8]。

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2-6Mecanum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AGVS[10]

另外，全向移动机构由于自身的转位运动灵活，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。

3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RoboRoos2001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

3.2Rover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OussamaK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。

3.4MutualYoYo轮系

如图3-3所示，MutualYoYo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3-3MY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概率减少为零，同时打滑现象减少发生。

新加坡国立大学的LiYP与MHJrAng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。

3.6Mecanum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

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α（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3-5Uranus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PatrickF.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BohumilHonzik在2003年研制四Mecanum轮全方位助残车[16]澳大利亚西部大学的ThomasBraunl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3-7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。

4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4-1MY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。

图4-2Mecanum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。

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。

图4-3基于Mecanum轮移动平台硬件架构

4.2.1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DSP，使用型号为TMS320F2812DSP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TMS320LF2407A[19,20]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、反馈速度信号及传感器数据（见图4-4）。

图4-4　机器人硬件系统整体结构

采用ARM7LPC213x+AVRMega16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]。

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。

表4-1不同类型电机的优缺点比较

类型

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