全向移动平台的控制系统设计与实现

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1、2013年本科毕业设计论文答辩答辩人：何洋学号：09050313导师：盛海燕系别：电子与自动化专业：机械工程及自动化答辩题目：全向移动平台的控制系统设计与实现毕业设计成果展示毕业设计内容要求所需的完成设计内容全向移动平台控制系统设计与实现毕业设计内容要求针对三轮或四轮全向移动平台的控制系统进行设计，使系统能完成任意连续全向路径的高精度轨迹跟踪的控制任务，并对系统整体进行组装调试，验证系统是否能够完成控制任务。所需完成的设计内容系统运动原理分析与特点剖析系统整体控制方案拟定系统硬件选型方案设计系统软件实现方案设计控制系统的分层组装调试

2、和整体组装联机调试全向移动平台控制系统设计与实现系统运动原理分析与特点剖析系统整体控制方案拟定系统硬件选型方案设计系统软件实现方案设计控制系统的分层组装调试和整体组装联机调试研究成果结论不足与展望系统运动原理分析与特点剖析全向移动平台的结构分析系统理想模型分析系统的协调运转分析系统实际模型分析全向移动平台的轮体参数设计全向移动平台的结构分析全向轮的结构形式选择全向轮系的类型选择全向移动平台的车体底盘布局全向轮的结构形式选择全向移动轮的特征全向轮的结构选择全向移动轮的特征Mecanum全向移动轮的圆周上不是普通的轮胎，而是分布了许多小

3、辊子(具体个数由设计参数决定)，外形更像是个斜齿轮，只是这里的轮齿换成经特殊参数化设计的鼓形辊子，见左图。辊子的轴线与轮的轴线成角度，并且辊子可绕自身轴线自由旋转。如右图所示，这些辊子的外轮廓包络面与轮子的理论圆柱面相重合。这样的特殊结构使得轮体具备了3个自由度：绕主轮轴的转动和沿辊子轴线垂线方向的平动，以及绕辊子与地面接触点的转动。这样，驱动轮在一个方向上具有主动移动能力的同时，另外一个方向也具有自由移动(被动移动)的运动特性。当电机驱动车轮旋转时，车轮以普通方式沿着垂直于驱动轴的方向前进，同时车轮周边的辊子沿着其各自的轴线自由旋

4、转。全向轮的结构选择基于上述分析我们可知符合本论文设计要求的只有Mecanum轮，原因在于Mecanum轮承载能力较强，基于Mecanum轮的全方位移动平台车轮与悬架位置固定，无需独立转向机构，仅仅利用各轮之间转速转向配合即可实现平台的全方位运动。以上这些特点恰好符合本文的设计要求：系统在无需车体做出任何转动的情况下便可以实现任意方向的移动，并且能在原地旋转任意角度，运动非常灵活，可沿平面上任意连续轨迹走到要求的位置。因此，本论文采用Mecanum轮设计全向轮。全向轮系的类型选择除全向轮自身的结构设计外，全向轮系的结构形式也将对整个

5、平台的运动稳定性和灵活性起到决定性作用，因而我们有必要对他的轮系的结构形式予以选择：典型的全向轮系分为三轮和四轮全向轮系两种。但就稳定性而言，四轮全向轮系比三轮全向轮系有明显的优越性，由于本论文设计要求运动稳定性较高，因而应选择四轮全向轮系。全向移动平台的车体底盘布局设计原则具体设计设计结果设计原则减少重量重心尽量低降低转动惯量增加稳定性增强抗碰撞能力具体设计减少重量主要从材料上考虑，尽量使用轻型高强度材料，如铝合金等。同时由于铝制辊子在长时间行驶后辊子会有轻微磨损，并在地面光滑度较高时会有一定程度的打滑。而为了防止这类现象的发生，

6、以延长辊子的运转寿命，我们考虑采用铝制芯筒外裹硬质橡胶材料制造辊子（原因在于硬质橡胶材料具有很好的防滑能力，例如我们所穿的防滑运动鞋大部分都是硬质橡胶底的）。增加稳定性主要考虑各部件的连接方式。增强抗碰撞能力主要考虑使用防护材料以及减震等。降低转动惯量，是车体布局主要考虑的问题，就是尽量使车体重心位于机器人中心。对于全向移动机器人的设计，由于空间比较小，因而其对于结构紧凑性的要求很高，但由于运动控制复杂度的原因，还是应该尽量采用对称的布局结构，以降低其运动控制的难度。设计结果系统理想模型分析全向轮系多滚轮系统受力分析全向运动的分析全

7、向轮系多滚轮系统受力分析四种运动原理分析原地旋转纵向移动横向移动斜向移动系统运动学分析结果四种运动原理分析原地旋转求解方程建立纵向移动求解方程建立横向移动求解方程建立斜向移动运动分解原则前左轮系受力分析前右轮系受力分析运动分解原则前左轮系受力分析前右轮系受力分析求解方程建立系统运动学分析结果经过对系统的受力和加速度分析，可以得出系统的动力学模型，由该模型我们可以得知系统的四种运动形式均属于定向匀加速运动，因而其在理想情况下其加速度的大小和方向不会发生变化，因而其在理论上已能够实现高精度轨迹跟踪。运用公式v=at可以求解得出系统的运动

8、学模型。全向运动的分析全向运动图解分析系统在任意连续轨迹中的高精度轨迹跟踪问题的解决各向相异性对系统模型建立的影响全向运动图解分析系统在任意连续轨迹中的高精度轨迹跟踪问题的解决解决原则：将匀加速运动变为匀减速运动解决措施：电机反向力偶