毕业设计（论文）-机器人羽毛球比赛行走装置设计.doc

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1、 毕业论文机器人羽毛球比赛行走装置设计 学生姓名： 学号： 系 部： 电子工程系 专 业： 测控技术与仪器 指导教师： 2015年6月诚信声明本人郑重申明：所呈交的毕业论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本人签名： 年 月 日 机器人羽毛球比赛行走装置设计摘 要 随着科学技术的发展社会的发展，为移动机器人技术的研究越来越受到人们的重视和关注。而双足机器人和轮式移动机器人相比较，轮式

2、移动机器人的底盘在速度方面，运行平稳，利用范围，装载能力具有明显的优势，尤其是在服务机器人、巡检机器人、探测机器人等领域，轮式移动机器人的利用就更为普遍。移动机器人能够持续，快速，准确的操作运行，离不开它具有良好的机械系统。这种设计论文主要目的是对全方向轮式移动机器人行走机构的研究和分析，我们设计了一个可以适用于全向移动机器人羽毛球公开赛通用底盘，以及基于模块化，系列化的设计理念，形成的各种通用底盘的模型，以满足行走机器人羽毛球比赛设备的功能的需求。这次毕业设计我所需要工作主要内容如下：（1） 引进三轴轮式移动机器人在国内外研究现状和发展趋势，总结优势和轮式移动机器人的优缺点，以及移动机器人的

3、关键技术领域。其次，简要介绍了全向轮和常见类型的发展历程，总结了不同类型之间的结构特点，最终详细说明轮式移动机器人在各个领域的应用。（2） 概述全方位移动平台的常用轮系布局结构，比较轮式移动机器人底盘二轮布局和四轮布局各自的优缺点，并在此基础上建立通用底盘的动力学模型以及全方位轮的动力学模型。 (3) STM32主控芯片介绍 (4) CAN总线的主要特点 （5） 设计合理的机械装置； （6） 完成机器人羽毛球比赛行走装置设计。关键词：轮式移动机器人，全向轮，通用底盘，羽毛球， STM32， CAN总线 第1章 绪 论.11.1 机器人概述.1 1.2机器人的分类.11.3 移动机器人研究现状及

4、发展趋势.31.3.1 国外移动机器人研究现状及发展历史.31.3.2 国内移动机器人研究现状及发展历史.3 1.4.1 移动机器人的关键技术.4 1.4.2 移动机器人控制技术.4 1.5 课题意义与背景. 5第2章 轮式移动机器人的运动学分析.5 2.1 底盘移动能力分析.52.2 三轴轮式底盘介绍.5第3章 硬件及单元电路设计.113.1 三轴轮式驱动底盘设计.113.2 STM32主控芯片介.113.3 单片机在三轴轮式底盘行走的功能.123.4 电机驱动电路设计.143.5 CAN总线通信简介.163.6稳压电路与稳压芯片简介 .17第4章 软件原理设计.194.1 AB相编码器原理

5、.194.2 红外遥控的工作原理.19 4.2.1 红外线的特性.19 4.2.2 红外遥控的四个环节.204.3 小车的状态.20 4.4 PID控制算法.21 第5章 系统调试.255.1 调试环境介绍.255.2 调试结果记录分析.26第1章 绪 论1.1 机器人的概述及分类1.1.1 机器人的概述（改过）机器人是一种机器装置，它可以自己执行工作任务。它可以按照人们的思想来运作，又可以按照预定的程序来完成，也可以按照人工智能技术的原则来完成，研究机器人的工作任务主要是来帮助人们解决危险或者重复性的工作，让人们能够在某一方面得到放松。机器人的概念和被大家了解的情况在国际上已经趋于统一，说明

6、机器人越来越接近社会，然而这种机器是有着自身动力和控制能力的一种机器，它可以实现各种功能。联合国标准化组织采用了美国机器人协会给机器人下的定义：“机器人是一种可编程和多功能的智能机器人，用来搬运材料、零件、工具的操作机；它是一种可以执行各种有差别的工作的专门系统，因为它可以改变并且可编程动作从而让它执行任务。”而我国对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器已经有些接近人或生物智能的能力，如肢体的感觉，运动能力和相互协作能力，规划能力，是一种高度灵敏的自动化机器“。这些年来，智能机器人行业的发展被不断扩大，发展应用到了各个领域，不仅仅只是被制造业所应用，它也逐渐向着非制造

7、业发展，应用的越来越多，变得越来越广泛，以前只是在工业机器人上发展，等到现在，它已经被应用到了现在的宇宙探测、开采、影视、医院、服务等行业，以及在人们身边接触到的大部分等都被应用到了智能机器人，被应用到这些行业的机器人都要求要利用自动化和机器人化，证明了我国对智能机器人的研究蒸蒸日上，所以我国智能机器人的发展速度很快。它与应用于制造业的工业机器人相比，它有着不确定的工作环境，并且非结构化明显，因而要研究更高水平的智能机器人，移动只是机器人行为的一点点特征，它不能单单只需要行走功能，还要拥有一定的自主能力和感知能力，让它具有一定的自主规划能力等，因此，机器人发展是今后一项很重要的发展方向。现在主

8、要发展的技术是自动化技术和人工智能机器人技术，它也是机器人发展的重要表现，它象征着新水平的制造技术发展。机器人被广泛应用，尤其是在工业机器人上的大部分利用，它极大地提升了劳动生产效率。反过来，控制技术、智能技术、传感技术、制造技术这些对机器人的发展也有了更高的要求。现在的机器人具有较强的操控能力，一定的移动能力，初级的看、听、说能力，简易的决策能力。可以想象未来的机器人将会有拥有更强的能力，更接近社会的机械制造。1.1.2 机器人分类 机器人有很多，分为很多形式，要是给机器人分类基本都是按用途和活动范围和运动构造来区分，要是按用途来分的话，它包括军用机器人和民用机器人，要是从它们的活动空间来区

9、分的话，它包括可以在水里潜行的机器人，可以在地上行走的陆地机器人，可以飞在空中的空中机器人等：要是按运动构造区分，可分为轮式、履带式等各种形式，履带式因为接地比压小，有着良好的抓地和行走性能，所以常常被利用到路面难走的野外去勘测；相比之下，轮式移动机器人它的体重比较小，容易操作，并且行走也方便，速度快，工作效率高，它的承载的能力也比其他种类大、而且机构比较简单，这么多的优点足以让它被广泛地应用在各个领域。 1.2移动机器人研究现状及发展趋势1.2.1 国外的发展历史及研究现状早在世纪年代，智能移动机器人就已经被西方发达国家研究出来了。以前的这种早期移动机器人主要就分为地面移动机器人，代表性机器

10、人主要有：美国斯坦福研究所研制的Shakey法国Hilare研究计划所研制的Hilare机器人，Moravec等研制的stanford cart等。图1-1 美国斯坦福研究所的机器人HilareShakey(如图1-1所示）这台机器人，它是世界上第一台移动的机器人，然而这台移动机器人的证明了人工智能学的发展。所以Shakey具备一定人工智能，这种人工智能体现在它可以自主进行感知、而非人工控制，它可以按照指定的程序来完成任务。并且在这人工智能机器人装备了摄像机、三角法测距仪、碰撞传感器、驱动电机以及编码器，需要通过无线系统传输到计算机上控制。因为当时计算机的体积特别大，并且反应运行速度特别慢，所

11、以Shakey想要分析环境和规划路线的话要需要特别长的时间，大概几个小时。八十年代前期，在美国国防部高级研究规划局（DARPA）的同意下，卡内基梅隆大学（CMU），斯坦福大学和麻省理工学院等单位展开了研发自主地面车辆（ALV）的做法；美国能源部开会制定了要重点研究自主能力并且开发机器人智能系统的计划，但是结果是美国的研究人员低估了移动机器人的信息处理量，这次的失败说明没有达到未来战术系统的要求。在这之后，DAPRA和国防部长办公室推出了Demo1、2、3的设计想法，Demo3 B型无人自主车辆可达到64Km/h的行驶速度，通信距离10-15Km。机器人的研究策划也被发展到了欧洲尤里卡中心。到八

12、十年代后期，轮式移动机器人的研究发展取得了又取得了不错的成果，研制出了智能轮椅机器，它越来越向着接近于人们的生活所发展，研究成果上升了一个层面，现在的老人不断增加，说明世界已进入了老龄化时代，所以各个国家开始对智能轮椅进行研究，为了给老龄化如此迅速增长的老人们提供一种性能优越的代步工具。这种轮椅不同于普通的，他要具有记忆地图，自动行走等功能；好多开始对这个智能轮椅机器项目开始研究，他们发现这有很大的开发空间和市场价值，不惜一切的都在自主研究，但是所用的研究方法都不大一样，但都是可以为老年人提供的一种代步工具，如美国麻省理工学院的WHEELESLEY项目、法国的VAHM项目是比较好的研制开发出了

13、智能轮椅机器。虽然许多都在设计这种轮椅，但是每种轮椅的能力和功能也不会相同，这可能是因为在实验室各种各样的外部原因导致的，还有可能采用的方法不同。到90年代以后，已经出现了很多的智能移动机器人，都有着各自的发展方向，但是它们都开始向着实用、智能的这个方向发展。有很多都研制出智能移动机器人，但是他们都不能代表什么，只有当时的美国卡内基梅隆大学研制出来的智能车，它代表着当时研究智能车辆的发展方向，他研制出的代表作就是NavLab-5系统，它的时速可以到达88.5km/h，智能移动车的发展证明科技水平越来越高，越来越向着实用的方向发展，也有很多技术部门开始合作完成智能系统，智能系统会更好更快的发展。

14、近年来，智能机器越来越多，但是越来越多开始研究可以向各种方位移动的移动平台，这就是全方位移动平台，它的主要特点就是可以向360各个方向移动，这种特点可以很好地帮助残疾人生活、可以向人一样向各个方向行走，并且可以在工厂里全方位移动搬东西，这种功能的服务移动机器人发展迅速以全向轮为主要应用的移动小车有着非常广泛的应用。当时韩国的研究出了全方位移动机器人（如图1-4所示），它的车轮子采用的一种新型轮子，并采用独立的4电机驱动，它可以通过切换主动滚子和被动滚子从而达到良好的连续触地效果。然而辅助机器人，主要应用在工厂，它主要有三个模块，这三个模块包括移动控制模块，升降控制模块，椅子和声纳模块。各个模块

15、有着不同的作用，相应的模块接受相应的指令，并且相互独立，不会相互影响。图 1-4 全方位移动机器人 图1-5 辅助移动机器人赛格威在美国匹兹堡机器人会议和展览上，推出一个简单的自动输送机（如图1-6）。赛格威全方位移动机器人平台可以有效承载400磅东西，主要应用于军工，院校和仓库。该平台可在所有方向上从静止状态下移动，使得它在小空间中最合适的工作。 加拿大布鲁克大学开发AZIMUT - 3移动平台，（如图1-7）。 AZIMUT有4个独立的关节可以是圆形，轮式或履带或这些条件的组合。通过改变接头的方向，AZIMUT横向运动，而不改变车体的方向。所有这些能力使得机器人具有在狭窄的空间中移动的能力

16、。 AZIMUT被设计为放置在关节使车轮可通过腿部容易更换的驱动机构是高度模块化，这样。通过在接头安装了电动垂直悬挂和柔性驱动使这个平台可以增强它的稳定性和灵活性。放在驱动接头和传感器的弹性单元可感测并控制驱动关节的扭矩。提高对恶劣的地形移动机器人，使机器人能够“感觉”跌宕起伏的道路。图1-6 Segway机器人移动平台 图1-7 The AZIMUT-3 platform1.2.2 国内研究现状 我们国内对移动机器人的研究从来没有懈怠，而是以其他先进国家为动力，更加积极研究开发，然而我国开始研究这类移动机器人实在八五期间。和其他国家移动机器人相比，我们国家对移动机器人研究比较晚。所以国家计划

17、，加大对智能移动机器人的研究，国家的各种研究这方面的大学及研究所展开了全面的研究发展。在我们国家的各种努力下，我们已经掌握了室外移动机器人研发的关键技术，并且已经达到了国际先进水平。在国家的各种专项支持下，1994年，清华大学已经将THM R-V智能移动机器人研制成功，其涉及到很多技术，这些关键技术为智能移动机器人的设计与实现做出了重大贡献，包括地图的全局路径规划技术、传感器信息的局部路径规划技术、路径规划的仿真技术、传感器信息融合技术及智能移动机器人的设计和实现等五个技术，这次研制的成功充分说明我国已经达到了国际先进水平，2003年无人驾驶车被国防科技大学贺汉根教授主持研制，它釆用了四层递阶

18、控制体系结构，以及各种控制算法，他可以在高速上高速行驶，可以达到130km/h的稳定速度，最高时速170km/h，还可以进行超车，这些技术指标都已经领先世界。 图1-8沈阳新松的智能巡检AGV 图1-9昆明船舶的道型电磁导引AGVAGV这智能移动机器人就是带有自动的引导装置的自动引导车，它的主要特点就是按照规定的路线来引导行驶，并且它具有安全保护作用，以及各种装载功能的运输车，这类智能移动机器人也是属于轮式移动机器人的一种。我国在1976年成功研制出第一台AGV智能机器人，在北京起重机研究所研制出来，此后有很多研究所都开始对AGV智能移动机器人进行相关研究，并且已经有不同的AGV被批量生产出来

19、，并且生产出来的AGV也已经被大部分公司和企业认可，这次研制的成功又一次奠定了我国智能的高水平技术，研制出来这机器人的代表公司有：沈阳新松机器人自动化股份有限公司和昆明船舶设备集团有限公司，各自的代表产品如图1-8、图1-9所示。 随着智能移动机器人的广泛深入与应用，国内也有不少的科研工作者对智能移动机器人展开了深入研究，所以智能机器人正在接近人的生活，把越来越多的简单工作者从简单的体力劳动中解放出来，我国研制的第一台智能型的服务机器人被海尔哈工大技术有限公司开发研制的，这种机器人采用了先进的传感系统(包括CCD摄像机、激光量测系统、超声传感器、红外线传感器等)，它身高170cm，并且它是带有

20、语音系统、视觉系统、运动系统，这些系统使它更接近人，表现的更智能，它可以在地面上自由行走，实现较多的人机对话，并且还安装了12个超声波传感器在它身上，它可以从任何角度检测出障碍物的位置，从而进行躲避行走。在这之后，该公司又研制了更加智能的第二代机器人，是导游机器人，它增加了多媒体功能，可以自动查询和场景解释。2010年浙江大学和中控科技集团联合研制出了高智能型服务机器人，采用四轮底盘支撑，并由四个独立电机驱动完成。这台服务型机器人应用了激光量测系统、光电编码器与超声传感器，它利用避障和路径规划来控制小车的行走移动，AGV系列自主车型的沉阳自动化201，上海交通大学研制的实验平台（211 AMC

21、TB）与边疆的行走机构 - ITM自主移动机器人等，211 AMCTB采取联合轮式行走机构，具有较强的能力第三，克服障碍;航空航天，科技，南开大学等高校及国内一些高科技企业北京理工大学北京工业大学，一直从事研究和智能移动机器人的发展。AGV系列自主车型的沉阳自动化201，上海交通大学研制的实验平台（211 AMCTB）与边疆的行走机构 - ITM自主移动机器人等，211 AMCTB采取联合轮式行走机构，具有较强的能力第三，克服障碍;航空航天，科技，南开大学等高校及国内一些高科技企业北京理工大学北京工业大学，一直从事研究和智能移动机器人的发展。世博会期间海宝担任了部分讲解工作，其智能的语音对一话

22、系统给中外游客留下了深刻的印象【I 9。此外，还有中科院沈阳自动化所的AGV系列自主车201、上海交通大学研制的移动机构实验平台(211 AMCTB )和Frontier-ITM自主移动机器人等，211AMCTB采用了关节轮式移动机构，具有较强的越障能力;北京航空航天大学、北京理工大学、南开大学等高等院校以及国内一些高科企业也一直从事于智能移动机器人的研究与开发工作。总体而言，做这些智能移动机器人先进的国家主要还是在西方国家和日本的企业，主要他们对机器人的研究开发以形成规模，并且在大规模的应用，机器人市场稳定，这就是我国和他们之间的差距;我国国内机器人由于刚起步，我国国内机器人行业刚起步，现在

23、主要在学校科研机构应用，还在起步阶段，虽然研制的技术性能和基本的性能和西方国家相差不多，但是在可靠性方面确实存在了很大的差距。所以我国要学会学习他国的经验。1.3移动机器人的关键技术及发展趋势 一个移动机器人能够自主移动它需要一个完善的机构组织，而它通常是由移动机构、执行机构、感知系统和控制系统这四部分组成。移动机器人顾名思义就是要它移动，所以知道它的主体部分就是移动机构，移动机构可以提供给机器人良好的移动功能，没有移动机构机器人就不会行走，常见的移动机构包括轮式机构、履带式机构、关节式机构和混合式机构这几种。履带式机构一般把野外视为工作点，它是主要用于军事侦查、勘探的移动机器人，然而采用轮式

24、机构的话，它可以应用于室内室外，并且可以行驶在良好路面上的。如果要机器人实现各种作业功能必须利用执行机构，例如挖掘、搬运、探测拍照等，机械臂这种活动关节是常见的形式。各种传感器组成了感知系统，而感知系统是要搜集各种内部信息和外部信息传给机器人，我们知道很多常见的传感器，例如:CCD摄像机、激光量测系统、超声传感器、接触和接近传感器、红外线传感器、雷达定位传感器、陀螺仪、电子罗盘等。控制系统相当于移动机器人的“大脑”，像具备图像识别、环境感知、路径规划、障碍物检测这种等多项技术一般为自主移动机器人，能够根据设定的功能要求进行自主行进和完成任务。1.3.1移动机器人的导航技术机器人是移动机器人导航

25、技术的核心技术之一，也应具有移动机器人的基本功能。它能够通过传感器使移动机器人感测信息的环境自身的工作状态，并且当没有一个人干预先独立地到达所希望的目的地。目前，移动机器人主要的导航方式包括：磁导航和惯性导航系统，GPS导航，视觉导航等。其中磁导航主要用于自动导引车（AGV ），它的原理是在AGV运动路径上开出一个槽，埋入导线，施加5和30千赫的交流电流，从而在磁场中，磁传感器能够检测AGV上的磁场强度，从而引导所述车辆的运行。惯性导航主要是方位角陀螺仪被用来测试移动机器人，通过比较移动机器人的当前位置，并设置路线地图的差异来实现自主导航。GPS导航，顾名思义，是通过空间卫星来测量用户和卫星接

26、收机之间的距离，从而实现用户的位置，当前的导航模式是非常广泛的应用前景。视觉导航是通过安装在移动机器人完全阻塞照相机和签名的检测和识别，是机器人导航技术在未来发展方向，但是在关键技术领域，例如图像识别，也存在很大的问题。1.3.2移动机器人路径规划技术根据某些性能指标的搜索从起始点到最好路径的目标是没有碰撞路径规划，路径规划的基础上，环境信息掌握程度，路径规划可分为：完全清楚全局路径环境信息规划和不完整的信息，或基于传感器未知的路径规划。焦点的研究，近年来，有不完整的信息或未知的环境和局部路径规划技术，主要方法有：人工势场法，遗传算法和模糊逻辑法等。1.3.3移动机器人多传感器信息融合技术 移

27、动机器人多传感器信息融合技术是它的关键技术之一。将多个传感器所提供的环境信息进行集成处理的这种功能叫做信息融合技术，该技术以形成外部环境的统一。这个信息互补，冗余，实时和低成本各种优秀特性全被融合起来，因此它可以把环境特性更加完整的，精确地反映出来，以便作出正确的判断和决策，保证快速，机器人系统的精度和稳定性的运动。 1.3.4移动机器人模块化技术机器人技术的发展速度越来越快，已经得到越来越多范围广泛应用，而机器人产业，没有统一的架构体系，缺乏相应的基础标准体系和接口协议规范，研究和开发工作的基础上也有很多低层次重复，无法实现各种功能组件的重用和掉期交易，而不是协调，没有形成产业链中劳动的专业

28、化产业链分工，制约工业机器人生产的形成和发展的根本原因是需要很高的成本，所以研究的未来产业化发展机器人模块化体系结构框架的设计也是移动机器人的关键技术之一，重点包括在国内外机器人模块化体系结构的研究，模块化机器人系统框架技术，机器人技术，模块化设计过程仿真演示系统典型的机器人功能模块组件技术，机器人模块化架构产业升级机制研究等。 研究移动机器人需要涉及到很多的工程和技术，它需要各个领域的工程技术，如机械工程、传感器技术，电子技术，计算机技术，控制技术以及人工智能等多学科技术。随着社会的发展进步，以及科学技术的发展，移动机器人开始向家用领域发展，这样移动机器人必然要向着高智能，高情感的方向发展，

29、但是要让机器人具有情感化，不是简简单单的事情，一定要实现对人工智能的突破和加强对机器脑的研制，这样才有可能实现情感化机器人。此外，随着计算机网络技术和人工智能的不断发展，会研制出很多智能机器人，具有多机器人系统结构和协作机制，远程信息交互技术的网络机器人也将在军用和民用上得到广泛的应用。1.4本文结构与内容本课题所研究的移动机器人通用底盘通过模块化设计，使之能够为多种服务型机器人提供移动能力。通过对通用底盘的二次应用，安装各类控制板卡、传感器和人机交互设备，可搭配出适应与不同场合，能够实现各种功能的移动机器人，为机器人的研制工作缩短周期。本文各章节的结构与主要内容: 第一章介绍移动机器人的发展

30、历史以及国内外的研究现状，详细说明移动机器人在各领域的应用以及在未来的发展前景。 第二章介绍全方位平台的轮系布局结构，并在此基础上建立通用底盘的动力学模型以及全方位轮的动力学模型。第三章主要介绍STM32主控芯片的特点和CAN总线的主要特点。第四章主要介绍让底盘通过PID算法合理完成起步、行走、刹车等动作。 1.5本章小结 本章主要讲述了国内外移动机器人的发展情况，介绍了移动机器人国内外的研究现状，阐述了移动机器人的关键技术，最后给出了本人的主要工作以及后文的章节内容。第二章 轮式移动机器人的运动学分析2.1 底盘移动能力分析 在移动机器人中，轮式机器人相比较双足式机器人而言控制简单，平稳性更

31、好，运行速度更快，相比较履带式机器人噪音情况和乘坐舒适性更好，因此轮式机器人具有良好的综合性能，此外，轮式机构较为简单，容易装拆，便于维护和修理，对于立足于产品设计的通用底盘更为合适,在机器人机械结构设计方面，全向移动机器人以其高机动性和稳定性得到了广泛的研究，其具有灵活性、稳定性等特点，能够满足机器人多样化、灵活以及准确的移动。目前在移动机构轮可以分为履带式、轮式和腿式等，而轮式由于其结构简单、稳定并且易控制的优点被广泛应用，轮式机构又根据它是否存在迂回半径分为全向轮和非全向轮。全向移动机器人能有具有这样的优势主要是因为它们使用的是具有两个方向移动自由度的全向轮，其全向轮可以使机器人在移动过

32、程中重心平移相对稳定。具备全向运动能力的机器人，它们在二维平面上可以独立控制机器人的重心平移和旋转速度，这是传统的轮式机器人也无法达到的。通过对多种机器人的运动效果比较，三轮全向机器人由于可以个轮轴同时对车身所产生的合速度相互 左右来决定移动机器人的运动效果，并且运动过程相对稳定，从而选择其成为本次研究的对象。 本设计需要了解全向轮的底盘机构设计，全方位移动机器人具有全方位运动能力的关键在于全方位轮系结构，其具有的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。研究的全方位机器人底盘以 3 个全向轮1组成。实际使用中考虑到增加轮子的负载能力并使每个轮子更

33、接近整圆而采用了两个全向轮并排使用。机器人底盘三维模型，如图 1 所示。三个全向轮运动轴心夹角按照 120进行设计。根据机器人运行工况假设底盘是刚体，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两个编码器和一个陀螺仪获取。为适应底盘全方位移动的特点，编码器尾部连接一个小型全向轮，并将两个编码器的运动轴心成90夹角布置。陀螺仪水平固定在底盘上（模型中未画出），检测机器人的角度信息。 图1 全向轮底盘三维模型 2.2全向轮底盘的定位模型与运动模型目前全向轮底盘定位方式包括传感器定位，单码盘加陀螺仪定位等。传感器的实时定位精度较低，无法满足定位要求；单码盘加陀螺仪定位精度较高，但理论上要求码

34、盘安装在机器人的运动中心，机械安装误差对定位效果影响很大。使用的定位方式为正交码盘加陀螺仪定位，具有定位精度高、安装方便、支持全向行走的特点。下面建立基于正交码盘与陀螺仪的三轮全向轮底盘定位模型与运动模型。 建立场地全局坐标系 Xa-Ya和机器人自身坐标系 Xr-Yr2，如图 2 所示。Xr-Yr坐标系原点为机器人三个全向轮运动轴心交线处，a 为 Xa与编码器 1 运动轴心的夹角， 为 Xa与 Xr的夹角，L1、L2、L3为 Xr-Yr坐标系原点到三个全向轮中分面的垂直距离，l1、l2为机器人坐标系原点到两个编码器连接的小型全向轮中分面的垂直距离，Vi为码盘沿码盘连接的小型全向轮驱动方向的速度

35、，V轮 1、V轮 2、V轮 3分别代表三个电机驱动的底盘全向轮速度。 图2 全局坐标系与机器人坐标系 考虑到灵活性、小型化、稳定性、模块化等特点，基于嵌入式平台，设计了三轮全向移动机器人的软硬件架构，其主要有控制模块(stm32)，内部通信模块 （串行通信协议），外部通信模块(CAN总线)，传感模块，运动控制模块。2.3 方案的确定经过反复的比较论证，最终确定方案如下：（1） 采用三轴轮式底盘，使它完成任何方向的行驶。（2） 采用STM32单片机作为主控制器。（3） 用L298N作为直流电机的驱动芯片。（4） 利用PID算法合理的完成起步、行走、刹车等动作。 第三章 硬件及单元电路设计3.1

36、主控制器的选择 任何一个机器人都有一个主控制器，主控制器是整个移动机器人控制系统的核心，贯穿在各个分系统之间。主控制器的选择考虑方向有两大类，一类是选择单片机来搭建电路，另外一类的使用现成的微型PC系统。如果只需要自动机器人实现相对简单的操作，可以优先考虑使用单片机芯片控制；如果对于完成复杂任务要求的自动机器人来说，要用微型计算机对其进行控制15。因为我这个毕业设计的任务书要求采用STM32芯片作为主控制器，所以采用了采用ST（意法半导体）公司的STM32F103作为主控制器。这款芯片具有先进的内核结构以及优秀的功耗控制，性能出众而且具有丰富的外设，这适合做多种扩展开发，高度的集成整合使得芯片

37、体积小，这款芯片广泛的应用于嵌入式系统，考虑到在以后让小车进去起步、行走、刹车等功能实现，因此选择这款芯片作为本次设计的主控制器，同时也可以接受和学习先进的嵌入式技术。3.2 三轴轮式底盘车身设计全向轮具有全方位移动的优势，它的主要特点就是可以按照任何方向移动，这样机器人就可以按照操控者设计的任何方向进行移动，这种三轮全向移动机器人是利用软件结构和运动学模型完成的智能机器人，不像传统的移动轮只能前后移动，它具有能够在两个方向上移动的自由度，并且不存在回转半径的问题。全向轮是由若干小滚轮组成，使各滚轮的母线共同形成一个完整的圆周，从而使轮子可以全方位转动。本文采用的全向轮由16个小滚轮组成， 轮

38、子半径为52.5mm。机器人通过STM32主控芯片收到串口通讯命令启动马达驱动板，驱动板会带动马达转动全向轮的轮轴，从而控制全向轮转动。本文所用机器人高128mm，长340mm，宽390mm。底盘设计：为了便于操作，而且方便在上边安装其他东西，因此选择尺寸较宽的底板，在与同学交流讨论过程中，发现如果选择全钢结构的小车车身，这样车身重量大，比较稳，载重量也会强很多，所以我选择了下面这个底盘，它是最适合这种需要的底盘。 三轴轮式底盘实物3.3 STM32主控芯片介绍2006年，ARM公司推出了基于ARMv7架构的Cortex系列的标准结构，用来满足不同场合不同要求的领域，包含了A、R、M三个分工明

39、确的系列。其中A系列是面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用，也叫应用程序处理器。应用包括：智能手机、数字电视、智能本和上网本、家用网关、电子书阅读器等；R系列是针对实时系统，面向深层的嵌入式实时应用。应用包括：汽车制动系统、动力传动解决方案、大容量存储控制器以及联网和打印；M系列针对微控制器，在这个领域中需要进行快速且具有高确定性的中断管理、同时需将门数和可能功耗控制在最低。应用包括：微控制器、混合信号设备、智能传感器、汽车电子和气囊。半导体制造厂商意法半导体ST公司是ARM公司Cortex-M3内核开发项目的一个主要的合作方，2007年6月11日ST公司率先推出了基于Cortex-M3内核的STM32系列的