CN108544465A - 基于Mecanum轮的全向移动机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Mecanum轮的全向移动机器人，包括底盘、Mecanum轮、驱动器、控制器、无线通讯模块、检测模块、视觉传输模块、电源模块；底盘前后两侧各装有步进电机，Mecanum轮通过联轴器与步进电机相连，结构对称；底盘上的控制器通过电路与驱动器、无线控制模块、检测模块、视觉传输模块、电源模块相连；改善了传统轮式移动机构，更加灵活，利用全向特性为仓储搬运提供很大便利；自主设计的可编程式驱动器自重轻、尺寸小、驱动能力强，提高机器人的空间利用率；建立指数型速度模型，实现可调式PWM软启动和软制动，优化步进电机的驱动方式；结合手动模式和自动模式，丰富全向移动机器人的功能。

Description

基于Mecanum轮的全向移动机器人及其控制方法

技术领域：

本发明涉及一种基于Mecanum轮的全向移动机器人，属于机器人技术领域。

背景技术：

机器人技术是当今世界的主流尖端科技，在经过了50多年的发展之后，迎来了全新的时代。在未来的3-5年内全球机器人产业将呈现井喷式增长。当下，多智能体系统已经成为重要的研究和应用领域。移动机器人作为多智能体系统的重要组成部分，由于其广泛的应用前景，已成为当前科技研究的前沿课题。其中，轮式移动机构因现有的工作路面状况大大改善而更有发展前景，但普通的轮式移动机构都需要一定的转弯半径，在执行许多工作中往往会因为环境空间过于狭小无法移动，丧失机动性。而全方位轮式移动机构无需车体做出任何转动便可实现任意方向的移动，并且可以原地旋转任意角度，运动非常灵活，可沿平面上任意轨迹走到要求的位置，为仓储搬运提供了很大便利。

目前采用步进电机驱动的全向移动机器人，驱动器占用面积大、承受电流小；电机启动堵转、制动惯性大；机器人功能单一化。因此，对机器人驱动单元的优化以及功能的扩展是急需解决的问题。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于Mecanum轮的全向移动机器人，从而克服上述现有技术中的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于Mecanum轮的全向移动机器人，包括底盘、Mecanum轮、驱动器、控制器、无线通讯模块、检测模块、视觉传输模块、电源模块；底盘前后两侧各装有步进电机，Mecanum轮通过联轴器与步进电机相连；底盘上的控制器通过电路与驱动器、无线控制模块、检测模块、视觉传输模块、电源模块相连；

所述Mecanum轮均为驱动轮，通过对Mecanum轮全方位移动的原理分析、运动学模型的建立，构建出合理的四轮结构；

所述驱动器采用的是自主设计的可编程式驱动器，通过改变控制器发出的脉冲信号和方向信号即可控制步进电机的转速和方向；

驱动器带有细分调节、输出电流线性可调、过热自动保护和自动半流锁定功能，并可同时控制四路步进电机，提高机器人空间利用率。

所述的控制器采用低成本、低功耗、高性能的STM32作为主控芯片。

所述的无线通讯模块包括手柄和NRF24L01模块；手动模式下，用户可以通过手柄直接控制机器人，实现前后移动、左右平移、原地自传和以任意角度行进的转动行为；NRF24L01模块用于机器人下位机与PC上位机之间的通信，上位机发送目标位置坐标，机器人自主行进至目标点。

所述的检测模块为光电传感器，机器人在自主移动时，通过传感器测距功能进行规避障碍物。

所述的视觉传输模块实时将机器人采集的图像信息传送至上位机。

整车机械结构简洁、运动控制灵活，通过对Mecanum轮全方位移动的原理分析、运动学模型的建立，设计出合适的驱动器，采用输出可调式PWM软启动和软制动改善电机运行方式。机器人在手动模式下通过手柄控制做出前后移动、左右平移、原地自转和以任意角度行进的转动行为；在自动模式下接受上位机发送的目标位置，自主行进至目标点，并且在行进过程中对障碍进行规避；同时，实时将机器人采集的图像信息传送至上位机。

一种基于Mecanum轮的全向移动机器人中步进电机控制方法，按照如下步骤进行：

步进电机的运动方程为公式1：

，当电机从静止开始加速，即t=0时，=0，则由公式1解得公式2：

，其中，，若设电机的脉冲频率为ƒ，显然与ƒ存在线性关系，进而可得公式3：

，其中，为电机稳定运行的最高频率，是决定步进电机加速度大小的时间常数，该值跟电机本身的参数有关。

一种基于Mecanum轮的全向移动机器人控制方法，手动模式下，用户控制方法如下：

手柄与控制器上的信号接收端保持通讯，用户再通过手柄上的按键发出不同的指令，实现机器人的前后移动、左右平移、原地自转和任意角度行进的转动行为。

一种基于Mecanum轮的全向移动机器人控制方法，自动模式下，定点位置到达方法如下：

PC机通过USB转串口与单片机相连作为上位机，通过一组NRF24L01无线模块与控制器实现通讯，上位机发送目标位置坐标P(x,y)给下位机；设初始位置坐标默认为(0,0)，则基于Mecanum轮的全向移动机器人需要走的纵向位移为y，横向位移为x；

驱动器接收到一个脉冲，步进电机行走一个步距角，所以全向移动机器人轮子行驶一周的脉冲数满足公式4：

，其中θ为步距角，m为驱动器细分数，由于轮子周长，可得全向移动机器人行驶距离S需要的脉冲数n为公式5：

，

全向移动机器人原地右转90°需要的脉冲数为公式6：

，

其中，R为Mecanum轮到底盘的距离。结合公式5、公式6，全向移动机器人到达目标位置所需总脉冲数N为公式7：

。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）改善了传统轮式移动机构，更加灵活，利用全向特性为仓储搬运提供很大便利；

（2）自主设计的可编程式驱动器自重轻、尺寸小、驱动能力强，提高机器人的空间利用率；

（3）建立指数型速度模型，实现可调式PWM软启动和软制动，优化步进电机的驱动方式，同时保证机器人的稳定性；

（4）采用模块化设计，具有开放性、可读性、可扩展性、可维护性，以便持续开发；

（5）结合手动模式和自动模式，丰富全向移动机器人的功能。

附图说明：

图1是本发明的技术路线流程图；

图2是本发明的电机运行频率曲线；

图3是本发明的自动避障流程图；

图4是本发明的手动模式下工作流程图；

图5是本发明的自动模式下工作流程图。

具体实施方式：

下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

参见图1，一种基于Mecanum轮的全向移动机器人，包括手动模式和自动模式。手动模式下，手柄发送指令到信号接收端，控制器根据接收到的指令发送脉冲信号和方向信号到驱动器，再由驱动器控制四个步进电机的运转，实现全向移动；自动模式下，PC上位机通过无线模块将目标位置坐标发送给控制器，控制器根据接收到的坐标信息使驱动器执行相应动作，自主行进至目标点，遇到障碍物时，进行中断避障动作，同时通过摄像头实时将图像信息传输至PC上位机。

参见图2，步进电机运行经历三个阶段：软启动加速1、匀速前进2和软制动减速3。采用指数型速度上升，低速时扭矩大，升速快；高速时扭矩小，升速慢。本发明中，全向移动机器人电机最高运行频率，即匀速运行时的频率。由单片机输出的可调式PWM频率满足，t取0~589，进行软启动过程，随后以1000 Hz的频率匀速运行。制动时，再采用指数型速度衰减，抵消掉惯性的冲击作用，保证车身的稳定性。

参见图3，单片机初始化后，检测全向移动机器人是否到达目标位置，若到达则程序结束，若没有到达，读取传感器数据；检测是否有障碍物，若无障碍物则进行下一步路径规划，若有障碍物，判断与机器人的相对位置，若在右前方则左移避障，若在左前方则右移避障。

参见图4，用户通过手柄的按键发出不同的指令给信号接收端，控制器根据接收到的指令，发出相应的脉冲信号和方向信号给驱动器，再由驱动器控制步进电机的运转，实现机器人的前后移动、左右平移、原地自转和任意角度行进的转动行为。

参见图5，PC机通过USB转串口与无线模块相连，发送目标位置给控制器，控制器计算出所需要的脉冲数N并发送给驱动器，直至到达目的地；自主行进过程中，通过红外传感器规避障碍物，并借助摄像头实时将采集的图像信息发送给PC机。

本发明的基于Mecanum轮的全向移动机器人的工作步骤如下：

步骤1，按下电源模块开关，给驱动器，检测模块，视觉传输模块进行供电；

步骤2，按下单片机开关按钮，即控制器进入工作状态，同时手柄信号接收端红灯闪烁；

步骤3，按下手柄START按钮，完成手柄信号收发连接；

步骤4，用户通过手柄上的按钮实现机器人的前后移动、左右平移、原地自转和任意角度行进的转动行为；

步骤5退出手动模式，并打开PC机上的串口调试助手，，保持上位机与下位机无线通信模块连接；

步骤6，输入目标位置坐标P(x,y)，并发送给单片机；

步骤7，机器人接收到目标位置坐标，将距离转化为脉冲信号的个数，向目标点自主行进，通过传感器测距功能进行规避障碍物，并实时将采集的图像信息传送至上位机。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (4)

1.一种基于Mecanum轮的全向移动机器人，其特征在于：包括底盘、Mecanum轮、驱动器、控制器、无线通讯模块、检测模块、视觉传输模块、电源模块；底盘前后两侧各装有步进电机，Mecanum轮通过联轴器与步进电机相连；底盘上的控制器通过电路与驱动器、无线控制模块、检测模块、视觉传输模块、电源模块相连；

所述Mecanum轮均为驱动轮，通过对Mecanum轮全方位移动的原理分析、运动学模型的建立，构建出合理的四轮结构；

所述驱动器采用的是自主设计的可编程式驱动器，通过改变控制器发出的脉冲信号和方向信号即可控制步进电机的转速和方向；

驱动器带有细分调节、输出电流线性可调、过热自动保护和自动半流锁定功能，并可同时控制四路步进电机，提高机器人空间利用率；

所述的控制器采用低成本、低功耗、高性能的STM32作为主控芯片；

所述的无线通讯模块包括手柄和NRF24L01模块；手动模式下，用户可以通过手柄直接控制机器人，实现前后移动、左右平移、原地自传和以任意角度行进的转动行为；NRF24L01模块用于机器人下位机与PC上位机之间的通信，上位机发送目标位置坐标，机器人自主行进至目标点；

所述的检测模块为光电传感器，机器人在自主移动时，通过传感器测距功能进行规避障碍物；

所述的视觉传输模块实时将机器人采集的图像信息传送至上位机。

2.一种基于Mecanum轮的全向移动机器人中步进电机控制方法，其特征在于：按照如下步骤进行：

步进电机的运动方程为公式1：

，当电机从静止开始加速，即t=0时，=0，则由公式1解得公式2：

，其中，，若设电机的脉冲频率为ƒ，显然与ƒ存在线性关系，进而可得公式3：

，其中，为电机稳定运行的最高频率，是决定步进电机加速度大小的时间常数，该值跟电机本身的参数有关。

3.一种基于Mecanum轮的全向移动机器人控制方法，其特征在于：手动模式下，用户控制方法如下：

手柄与控制器上的信号接收端保持通讯，用户再通过手柄上的按键发出不同的指令，实现机器人的前后移动、左右平移、原地自转和任意角度行进的转动行为。

4.一种基于Mecanum轮的全向移动机器人控制方法，其特征在于：自动模式下，定点位置到达方法如下：

PC机通过USB转串口与单片机相连作为上位机，通过一组NRF24L01无线模块与控制器实现通讯，上位机发送目标位置坐标P(x,y)给下位机；设初始位置坐标默认为(0,0)，则基于Mecanum轮的全向移动机器人需要走的纵向位移为y，横向位移为x；

驱动器接收到一个脉冲，步进电机行走一个步距角，所以全向移动机器人轮子行驶一周的脉冲数满足公式4：

，其中θ为步距角，m为驱动器细分数，由于轮子周长，可得全向移动机器人行驶距离S需要的脉冲数n为公式5：

，

全向移动机器人原地右转90°需要的脉冲数为公式6：

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其中，R为Mecanum轮到底盘的距离；

结合公式5、公式6，全向移动机器人到达目标位置所需总脉冲数N为公式7：

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