本文研究的六輪差速移動機(jī)器人
(Six-Wheeled Differential Mobile Robot
，
SWDMR)
為了滿足資源站到資源站點對點的物資運輸，對機(jī)器人的跨越障礙能力
有較高的要求。對比傳統(tǒng)的四輪移動機(jī)器人，六輪移動機(jī)器人能夠提供更強(qiáng)的驅(qū)動
力，而且六輪與四輪相比整車分散到單個車輪的負(fù)荷更小了，進(jìn)而使得車輪的電機(jī)
需要的驅(qū)動力矩更小，這樣更有利于電機(jī)選型；對比八輪移動機(jī)器人，雖然八輪移
動機(jī)器人車輪比六輪更多，所能提供的總體驅(qū)動力矩更大，但是增加了控制的難度，
提高了移動系統(tǒng)的搭建成本。移動機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)舍棄傳統(tǒng)的集中式驅(qū)動結(jié)構(gòu)采
用分布式驅(qū)動結(jié)構(gòu)，分布式結(jié)構(gòu)沒有傳統(tǒng)車輛上的傳動、差速及變速等系統(tǒng)，能夠
減輕車輛自身重量，而且每個車輪作為獨立的執(zhí)行器可以做到獨立控制，提高整車
控制的靈活性。
SWDMR
作為本文的研究重點先對其層級結(jié)構(gòu)做一個初步的劃分。機(jī)器人在
復(fù)雜環(huán)境中運動需要感知環(huán)境信息以及自身的狀態(tài)信息，以確保機(jī)器人能夠更好
地適應(yīng)環(huán)境，因此少不了一系列的傳感器比如雷達(dá)、攝像頭、
IMU
等組成的感知
層；機(jī)器人通過不同的傳感器獲取到環(huán)境信息和自身狀態(tài)量傳送給中央處理器，結(jié)
合規(guī)劃算法計算出機(jī)器人未來的運行軌跡，進(jìn)一步保障機(jī)器人的運行安全，這一層
為規(guī)劃層；中央處理器將規(guī)劃出的軌跡下發(fā)給底層，驅(qū)動單元執(zhí)行規(guī)劃出的運行指
令，運動控制算法輔助校正機(jī)器人的運動軌跡為控制層。
本章主要對機(jī)器人運動控制層的基礎(chǔ)硬件搭建和機(jī)器人軟件設(shè)計做一個全面
的介紹，同時涉及部分感知層的硬件選型測試。
3.1
整車關(guān)鍵點分析及器件選型
3.1.1
整車硬件組成分析
首先是機(jī)器人的核心處理器，為了滿足控制算法的算力需求，采用工控機(jī)作為
機(jī)器人的控制單元。為了得到機(jī)器人的橫擺角、
X,Y
軸的加速度等信息需要安裝一
個
IMU
。為了使分布式結(jié)構(gòu)更加簡潔，采用機(jī)電一體化的輪轂電機(jī)作為機(jī)器人的
驅(qū)動單元。同時為了滿足人與機(jī)器人的遠(yuǎn)程交互，使操作手能夠在遠(yuǎn)端的控制臺也
能介入機(jī)器人的運動，機(jī)器人本體上需要搭載對應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊和視頻傳輸模
塊。最后為了給機(jī)器人本體上的各個模塊提供動力源需要安裝一個具有一定容量
的電池。
3.1.2
動力分析
一般對純電動的移動機(jī)器人驅(qū)動力估計都是通過計算機(jī)器人在縱向通過
35°
坡時電機(jī)所需要的驅(qū)動力矩，在該工況下，機(jī)器人的驅(qū)動力需要大于滾動摩擦力和
坡道阻力之和。假設(shè)機(jī)器人的重心位于自身的幾何中心，那么爬
35°
坡所需要的電
機(jī)扭矩
T
可以通過式計算得到：
上式中： 表示驅(qū)動電機(jī)數(shù)，取
6
； 表示驅(qū)動系統(tǒng)效率，取
90%
； 表示機(jī)器人
的重量，取
100kg
； 表示重力加速度，取
9.8
m/??
2
； 表示滾動阻力系數(shù)，取
0.025
；
表示最大坡度，取
35°
； 表示車輪半徑，取
0.13m
。根據(jù)所取參數(shù)計算得到
，所以在選型時單個輪轂電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)該大于這個估計值。
3.1.3
關(guān)鍵器件選型
(1)
機(jī)器人核心
—
處理器：工控機(jī)
工控機(jī)的選擇主要指標(biāo)為成本低，性能高，低功耗，大小適中，重量合適。綜
合比較下來工控機(jī) 信邁科技的
MEC-5071
具有上述優(yōu)點，它能夠支持多種
Intel
酷睿處理器，
支持
Linux
、
Win8
、
Win7
等操作系統(tǒng)，各模塊板之間通過高可靠連接器對接，運
行環(huán)境可靠，具有良好的防塵、散熱、抗震性能，對于在野外工況工作的機(jī)器人比
較適配。
此外
MEC-5071
有多種外設(shè)接口，包含串口，網(wǎng)口，
USB
，
GPIO
以及
PCI
擴(kuò)
展口，可以掛載多種外設(shè)以滿足實驗需求，各個接口功能如表
3.1
所示。
文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-662029.html
(2)
數(shù)據(jù)傳輸鏈路：
LORA
數(shù)傳電臺
數(shù)傳電臺工作時需要兩個電臺進(jìn)行點對點傳輸數(shù)據(jù)，一端作為移動端搭載在
機(jī)器人上接收控制端發(fā)出的信息并上報機(jī)器人自身的狀態(tài)信息，另外一端作為控
制端接收機(jī)器人上報的參數(shù)反饋給工控機(jī)計算處理，將工控機(jī)計算得到的控制信
息發(fā)送給移動端用以控制機(jī)器人運動。
在數(shù)傳電臺的選擇上應(yīng)該考慮通信的穩(wěn)定性和抗干擾能力，億佰特旗下的產(chǎn)
品
E90-DTU(400SL37)
能夠滿足實驗需求
,
該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測、
無線控制等領(lǐng)域。
E90-DTU(400SL37)
支持高速連續(xù)傳輸，工作頻段在
410.125
至
493.125MHz
之間，發(fā)射功率為
37dBm
，空中速率在
0.3K
至
62.5kbps
，傳輸距離
在無遮擋的通視條件下距離可達(dá)
20km
，同時還具有主動監(jiān)聽信道環(huán)境噪聲功能，
當(dāng)噪聲超過閾值延遲發(fā)送，極大提高在惡劣環(huán)境下的通信成功率。
E90-
DTU(400SL37)
通信接口為
RS232/RS485
，通信方式為半雙工通信，緩存容量有
1000
個字節(jié)，可通過指令分包成不同字節(jié)的數(shù)據(jù)幀傳送數(shù)據(jù)。
(3)
視頻傳輸通道
—
大功率網(wǎng)傳
實現(xiàn)視頻傳輸?shù)拇蠊β示W(wǎng)傳選擇的是騰遠(yuǎn)智拓公司生產(chǎn)的
ST5801GB-M
系列
產(chǎn)品，其采用
HTOFDM
調(diào)制技術(shù)，工作頻率在
4900
至
6100MHz
，傳輸速率可達(dá)
351Mbps
，發(fā)射功率可達(dá)
26dbm
，傳輸距離在通視條件下有
50km
。在每均有
RJ45
網(wǎng)口，可通過
TCP/IP
實現(xiàn)產(chǎn)品與電腦的通信。根據(jù)其產(chǎn)品描述，此產(chǎn)品有基站模
式、用戶站模式、一對一橋接功能、
mesh
自組網(wǎng)功能四種通信模式，因為本文研
究的輪式機(jī)器人系統(tǒng)只有一個移動端和一個操作端，所以在使用時根據(jù)需要選擇
一對一橋接模式。
(4)
機(jī)器人驅(qū)動單元：輪轂電機(jī)及其驅(qū)動器
在動力分析小節(jié)通過計算得到了電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩的估計值，結(jié)合電機(jī)尺寸，價
格以及電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩等條件最終選擇了
LSDB
系列的伺服輪轂驅(qū)動器及電機(jī)。
該系列產(chǎn)品具有
IP67
防護(hù)等級，對于野外環(huán)境能夠輕松應(yīng)對，且有較高的扭矩。
所選的
LSDB4830-CAFC-ASM5
驅(qū)動器通信類型為
CAN+UART
，
UART
波特率
115200bps
，支持上位機(jī)控制，
CAN
波特率有
500kbps/1Mbps
可供選擇，驅(qū)動器具
有過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、電機(jī)過熱保護(hù)、短路保護(hù)、驅(qū)動器過熱保護(hù)等功能。WS80L-
15A110C-MUCA03
型號電機(jī)的輪子直徑為
200mm
，額定扭矩為
15Nm
，最大扭矩
可達(dá)
24Nm
。輪胎硬度等級為
A68
，對于差速轉(zhuǎn)向的機(jī)器人來說可謂為福音。
驅(qū)動器帶有電流閉環(huán)，速度閉環(huán)，能夠準(zhǔn)確跟蹤下發(fā)的力矩指令或速度指令。
查看所選硬件的使用手冊，得到各個硬件供電以及通信方式，最終的硬件圖可以用
圖
3.7
表示：
圖
3.7
中橙色線為電源線，藍(lán)色為信號線。工控機(jī)通過一個
TCP/CAN
模塊與
輪轂電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，六個驅(qū)動器掛載在
CAN
總線上；數(shù)傳通過
USB 口
與工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；
IMU
通過
USB
口將機(jī)器人的狀態(tài)信息上報給工控機(jī)；大
功率網(wǎng)傳通過
TCP/IP
將視頻信息傳送給工控機(jī)。
3.2
關(guān)鍵器件測試
在各個模塊安裝前需要對其做功能性和穩(wěn)定性測試，因為實驗場景大多數(shù)是
校園環(huán)境，有較多的樹木和房屋遮擋，且車流量較大，人口流動也比較頻繁，如果
數(shù)據(jù)傳輸通道出現(xiàn)阻塞或者斷開連接等狀況，在沒有保護(hù)措施的情況下機(jī)器人與
上層控制斷開通信很容易發(fā)生危險事故。
(1) LORA
通信測試
LORA
通信測試主要測試數(shù)據(jù)傳輸通路在遮擋條件下的穩(wěn)定性和通信距離。
測試的方案為兩個實驗人員分別將
LORA
的移動端和操控端與自己電腦的
USB
口連接，打開串口調(diào)試助手模擬節(jié)點收發(fā)數(shù)據(jù)，傳輸頻率設(shè)置為
100ms,
串口
波特率設(shè)置為
115200
。通過步行模擬機(jī)器人的運動，期間移動端和操控端相互發(fā)
送測試指令，每
50
米為一個節(jié)點，達(dá)到
50
米時統(tǒng)計一次移動端和操控端的收發(fā)
指令幀數(shù)，計算出對應(yīng)的丟包率，如此重復(fù)實驗，不斷拉開移動端和操作端的距離，
當(dāng)出現(xiàn)明顯的丟包現(xiàn)象時停止實驗。
3.3
六輪差速移動機(jī)器人軟件設(shè)計
機(jī)器人軟件是基于機(jī)器人操作系統(tǒng)
(Robot Operating System,ROS)
進(jìn)行設(shè)計開
發(fā)的，通過創(chuàng)建不同的功能包實現(xiàn)不同的功能，功能包之間可以通過話題發(fā)布或話
題訂閱的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這種模塊化的設(shè)計方式可以使得多人并行開發(fā)，提高
軟件的設(shè)計效率。
根據(jù)圖
3.1
輪式機(jī)器人的層級結(jié)構(gòu)可以將軟件分為感知模塊、規(guī)劃模塊、控制
模塊；還需要有能夠記錄機(jī)器人狀態(tài)信息，記錄數(shù)據(jù)日志的服務(wù)模塊；同時，為了
滿足機(jī)器人與人的交互，還需要人機(jī)交互模塊。根據(jù)各個模塊之間的關(guān)系得到機(jī)器
人軟件的總體框圖如圖
3.10
所示。
在這一小節(jié)中主要是對機(jī)器人底盤軟件進(jìn)行設(shè)計，所涉及的模塊主要是機(jī)器
人的控制模塊，如圖
3.10
中標(biāo)紅的部分。機(jī)器人自身的軟件重點工作有兩個：一
是解算上層規(guī)劃層給出的運動指令下發(fā)給驅(qū)動單元，二是機(jī)器人接收遙控器數(shù)據(jù)
下發(fā)控制底盤運動，并通過數(shù)傳通道反饋自身狀態(tài)信息給監(jiān)控端。具體實現(xiàn)流程如
圖
3.11
所示。
圖
3.11
為機(jī)器人底盤的控制流程。當(dāng)?shù)妆P節(jié)點開啟時，程序會循環(huán)檢測控制
輸入信號。當(dāng)有控制輸入時，判斷輸入信號是否為遙控話題發(fā)布的數(shù)據(jù)，如果為遙
控數(shù)據(jù)，機(jī)器人數(shù)據(jù)鏈路切換到人機(jī)交互鏈路；如果不是遙控話題發(fā)布數(shù)據(jù)，保持
機(jī)器人自主運行的正常通信鏈路。將控制信號輸入到
SWDMR
的映射矩陣中將控
制信號轉(zhuǎn)換成各個電機(jī)的驅(qū)動信號（如果電機(jī)為速度模式，則為輪速信號；如果電
機(jī)是力矩模式，則為電流信號），控制機(jī)器人的運動。判斷機(jī)器人是否到達(dá)目標(biāo)位
置，如果未到達(dá)，進(jìn)入下一個循環(huán)；如果到達(dá)目標(biāo)位置，則結(jié)束控制流程。
3.4
六輪差速移動機(jī)器人落地測試
3.4.1
六輪差速移動機(jī)器人遙控測試
軟件框架設(shè)計完成將所有的硬件模塊部署在機(jī)器人本體上，調(diào)試信號通道，進(jìn)
行落地測試，初步驗證軟件的正確性，并暴露出機(jī)器人當(dāng)前可能存在的一些問題。
落地測試驗證了
SWDMR
的遙控通道的穩(wěn)定性，緊急停止，差速轉(zhuǎn)向等功能。
測試過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)只給機(jī)器人某個方向的運動指令時，機(jī)器人的實際運動軌跡會
不斷往一個方向發(fā)生偏移。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是車身結(jié)構(gòu)的問題或者
路面不平整導(dǎo)致了在不改變遙控指令的情況下機(jī)器人偏離期望軌跡。將實驗場地
選在路面較為平整的室內(nèi)，還是會出現(xiàn)室外測試的現(xiàn)象，排除了路面因素導(dǎo)致機(jī)器
人的偏移。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)是因為機(jī)器人左前輪懸架安裝位置有所偏差，最終使得機(jī)
器人在運行時會產(chǎn)生一個橫向的力矩，使得機(jī)器人不斷向一邊偏移，形成一個螺紋
式的運動曲線。機(jī)器人某時刻的運行狀態(tài)如圖
3.13
所示：
3.4.2
基于
PID
的糾偏調(diào)節(jié)
根據(jù)前一小節(jié)的測試發(fā)現(xiàn)的問題，設(shè)計輔助控制器以減小這種系統(tǒng)誤差產(chǎn)生
的影響，使得機(jī)器人能夠較好的執(zhí)行控制指令。選取機(jī)器人的橫擺角作為性能指標(biāo)，
通過加入
IMU
閉環(huán)補(bǔ)償使得車輛有一定的糾偏能力。糾偏控制框圖如圖
3.14
所
示：
采樣控制輸入時刻機(jī)器人的實際橫擺角度值，以此橫擺角的值為起始橫擺角，
將
IMU
測得的機(jī)器人橫擺角反饋給輔助控制器，起始橫擺角與機(jī)器人執(zhí)行控制輸
入時的橫擺角做差，將差值輸入到外環(huán)
PID
控制器，實現(xiàn)對橫擺角的控制。為了
使得機(jī)器人的調(diào)節(jié)更加平滑，將外環(huán)
PID
控制器的輸出作為內(nèi)環(huán)
PID
的輸入，并
通過
IMU
得到機(jī)器人調(diào)節(jié)過程中的橫擺角速度，將兩個變量做差輸入到內(nèi)環(huán)
PID
控制器實現(xiàn)橫擺角速度的控制。下一采樣時刻，重復(fù)上述過程。
圖
3.15
是在室內(nèi)測試時記錄的曲線，藍(lán)色曲線為橫擺角速度響應(yīng)曲線；黑色
曲線為橫擺角響應(yīng)曲線；紅色虛線為橫擺角設(shè)定曲線，上升沿時刻表示將當(dāng)前機(jī)器
人的橫擺角設(shè)置為參考值。在
0-15s
這個時間段處于待機(jī)狀態(tài)，測試通信是否均為
正常；在
15-30s
，機(jī)器人在無糾偏控制下向前運動，因為有橫擺角速度的存在，角
度誤差一直在累積；在
30-35s
為處于待機(jī)狀態(tài)；在
35-55s,
機(jī)器人回退到起點并手
動調(diào)整機(jī)器人車身位置，保證機(jī)器人與無糾偏狀態(tài)下的初始位置一致；在
55s
之后
是進(jìn)行糾偏實驗，
58s
設(shè)定當(dāng)前
IMU
上報的橫擺角度位置為目標(biāo)方向，糾偏控制
接入，
75s
給速度指令讓機(jī)器人運動，角度值基本上與設(shè)定值保持一致，
140s
結(jié)束
實驗。下面對橫擺角速度進(jìn)行分析：
圖
3.16
為室內(nèi)測試時機(jī)器人橫擺角速度響應(yīng)曲線，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可以得到機(jī)
器人在沒有糾偏控制時，前進(jìn)時會有一個
-0.016rad/s
左右的橫擺角速度存在；后退
時有一個
0.044rad/s
左右的橫擺角速度，加入糾偏處理后，橫擺角速度基本上穩(wěn)定
在了
0
附近。
圖
3.17
為室外測試時機(jī)器人的橫擺角變化。在不加糾偏直行時，圖
3.17(a)
所
示的
75-110s
時間段：機(jī)器人行駛
7m
左右車身方向就偏移了
32.9°
?？刂茩C(jī)器人回
到初始的位置并手動調(diào)整底盤位姿，保持與開始實驗時位置一致，糾偏控制介入，
如圖
3.17(b)
所示糾偏過程中，機(jī)器人的航向角調(diào)節(jié)始終維持在目標(biāo)值附近，最大
誤差為
0.8°
，平均誤差僅為
0.01°
。
3.5
本章小結(jié)
本章主要工作是搭建六輪差速移動機(jī)器人，首先對機(jī)器人可能需要用到的硬
件做了初步的分析，對驅(qū)動單元的額定轉(zhuǎn)矩做了預(yù)估；接著是對基礎(chǔ)硬件做了選
型及測試，驗證了硬件的功能并測試出在遮擋條件下數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定行，最大的
通信距離；然后對機(jī)器人軟件設(shè)計的整體框架做了介紹，著重介紹了控制模塊的
控制流程；最后是對機(jī)器人的搭建，并在搭建完成之后做了落地測試，同時根據(jù)
測試的效果設(shè)計了糾偏控制器作為運動控制的輔助控制器，使得機(jī)器人能夠更為
準(zhǔn)確的執(zhí)行上層下發(fā)的控制指令。
文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-662029.html
到了這里，關(guān)于基于X86六輪差速移動機(jī)器人運動控制器設(shè)計與實現(xiàn)（一）軟件與硬件架構(gòu)的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！
