摘 要

基于Mecanum轮的智能小车应用十分广泛，本文讲解了基于Mecanum轮的全向移动机器人的现实意义，并且分析了目前学界对于全向移动机器人的研究热点和现状。简单分析了实现全向移动的理论基础，以及PID控制规律将如何被应用于Mecanum轮的智能小车。本文设计了基于STM32的一整套完整的闭环控制器，并包含驱动电路。并且在详细分析了如何在软件部分，使各个模块互相配合正常工作，并且用程序实现了对转速的PID可控制。在实验中验证了PID闭环控制对小车行驶稳定性的影响。为实现定位功能，采用DWM1000来对小车所在的平面位置进行测距，根据测得的距离来获取平面坐标。

关键词：Mecanum轮；STM32；PID控制

Abstract

Based on Mecanum wheels are widely used of smart car, this paper explained the Mecanum wheel of the practical significance of the omnidirectional mobile robot, and analysis of the current research focus in the academic circles for omnidirectional mobile robots and the status quo. A simple analysis of the theoretical basis of the implementation of all moving foreheads, and how the PID control law will be applied to the smart car of the Mecanum wheel. This paper designs a complete closed-loop controller based on STM32, plus driver circuit. And in detail how to make each module work properly in the software section, and use the program to implement the PID control of the speed. The influence of PID closed-loop control on the stability of the car was verified in the experiment. In order to realize the positioning function, DWM1000 is used to measure the plane position of the car, and the plane coordinate is obtained according to the measured distance.

Key words: Mecanum wheels;STM32;PID control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 国内外研究现状分析 2

1.3 本文章节安排 3

第2章 理论基础 4

2.1 麦克纳姆轮的运动学原理 4

2.2 控制算法 7

第3章 硬件设计 10

3.1 STM32 10

3.2 驱动模块 11

3.3 直流电机 13

3.4 DWM1000 14

第4章 软件设计 15

4.1 总体方案设计 15

4.2 中断程序流程 16

4.3 PID控制算法实现 17

4.4 功能模块寄存器配置 18

4.4.1 PWM输出配置 18

4.4.2 编码器计数配置 19

4.4.3 基本定时器配置 21

4.4.4 usart串口通信配置 21

4.5 室内定位 22

第5章 实验 24

5.1 PID闭环控制效果 24

5.2 行驶功能效果 25

第6章 总结与分析 26

参考文献 27

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

众所周知，机器人至今已近有了十足的发展，未来机器人将会更多的走进我们的日常生活中。移动机器人将会是今后应用十分广泛的一种类型的机器人。随着有关机器人学科的理论知识不断深化 ，以及相关的技术不断发展，移动机器人将会深入到各行各业中帮助人们再险恶、复杂的场合中执行完成任务，保护人身安全，提高工作效率，减缓劳动强度。

Mecanum轮在它的轮缘上斜向嵌入排列着许多小辊子，辊子相对于轮子固定，而这些辊子则可绕轴自由转动^[1]。基于Mecanum轮的四轮移动机器人，是一种能够实现前后，左右和自转3个自由度的全方位移动机器人^[2]。由于具有原地零半径回旋和横移的能力，非常适合在狭小空间工作，能够适应更加复杂紧凑的工作环境。基于Mecanum轮的全方位移动机器人具有运动控制灵巧，面对障碍通过性强，以及机车结构简洁等优点。近几年来在各个平台广泛使用^[3]。基于Mecanum轮的移动机器人拥有着广泛的应用前景，因此本文主要基于此来进行设计。Mecanum轮如图1.1所示，基于Mecanum轮的智能小车如图1.2所示

图1.1 Mecanum轮

图1.2 基于Mecanum轮的智能小车

1.2 国内外研究现状分析

移动机器人的大力发展，和近几十年大规模集成电路的发展始终是分不开的，微处理器的诞生，研发者们开始将以往大型的电路缩小，并塞入移动机器人内部。到了八十年代人们发现移动机器人具有广阔的应用前景和军事价值，移动机器人受到了西方各国的普遍关注。美国在DARPA的支持下，各所高校，联合展开了对自主移动车辆的研究。在我国，移动机器人研究起步较晚，刚开始的研制还是处在军用领域，在国家863计划和国防科工委的资助下，众多高校联合研制了军用户外移动机器人。

1973年，瑞典公司Mecanum AB的Bengt Hon开发了Mecanum轮并取得专利，在此后迅速的流行开来，并被广泛的运用于全方位移动机器人的设计中。目前，基于Mecanum轮的智能机器人的研究方向主要集中于Mecanum移动机器人结构设计、路径规划、移动机器人的室内定位方法。贾茜等人在^[4]中，发现辊子与轮毂轴线夹角若发生偏差，这种偏差往往是由Mecanum轮的制造精度或是人工装配误差所引起的，将会对机器人运动精度造成影响，他们找到了一种角的标定方法并应用到自主设计制造的Mecanum轮全方位移动机器人上^[4]。

室内定位对于移动机器人来说是非常具有挑战的，这时因为在室内很难使用可靠的GPS信号，所以需要使用其它的方法。针对这一问题主要采用的方法有航位推算、主动信标定位^[7]、基于视觉的定位等方法。而这些方法都存在各自的缺点与不足： 航位推算会产生漂移；主动信标导航需要专用硬件设置，其费用昂贵；基于视觉的导航系统连续性不足，系统和算法比较复杂^[8]。目前，国内外的研究人员针对现阶段的路径规划问题，提出了一系列的解决方法和策略，如栅格法、人工制造的势场等， 栅格法一般用于全局规划，但当环境复杂度提高时，其所需存储空间也随之增大，造成搜索效率过低^[10]。人工的势场是机器人路径规划中最常用的一种方法，适用于局部路径规划，但局部极小点和目标不可达到的问题一直是此算法的软肋^[11]。目前为了更好的效果，多种智能算法，例如遗传算法^[12]、改进的蚁群算法^[13]都被应用到了路径规划中，改进显著，目前这一块，依旧是研究的热点。

1.3 本文章节安排

本次毕业设计论文总共分为6章。第1章为绪论，大体介绍本次毕业设计的目的和现实意义，以及简单探讨一下目前国内外的研究现状。第2章为理论基础，介绍了本次设计核心的理论部分为PID闭环控制，以及麦克纳姆轮的运动学原理。第3章为硬件设计，介绍了本次设计主要使用的硬件模块，以及这些模块的特点和使用方法。第4章是软件设计，包含了本次设计软件部分各个功能的配置方法，以及核心算法的程序实现。第5章为实验，包含了设计成果的实验现象和效果。第6章为总结和分析，是对整个设计以及实验部分的总结，分析优缺点。

第2章 理论基础

2.1 麦克纳姆轮的运动学原理

所谓的麦克纳姆轮，是一种可以向各个方向移动的特殊的轮子，由一个瑞士人发明。它的原理非常简单，就是再传统的轮子的表面上等距离镶嵌排布着大量的轮轴，这些轮轴可以自由转动，并且与轮子的中轴线成一定得角度。这种轮子在路面上转动时，地面给予它的力会被分解到轮子的轴上和垂直于轴的方向上。因此，当各个轮子的转动方向和运动速度不同，那么他们就可以合成任何方向上的力，也就能够始其沿着平面的各个方向平移，并且不会影响自身的方向。