三轮全向移动机器人的研究与设计

Mecanum三轮全向移动平台的设计王宾，马超，温秉权(军事交通学院军事物流系，天津300161)摘要：采用基于Mecanum轮的三轮全向移动平台，利用无线遥控单片机控制2个L298N 驱动3个直流电机，从而实现平台的的互成120°三个直线和绕平台中心旋转的正反共8个方向的精确运动。

制造了Mecanum三轮全向移动平台样机，为研制遥控探测机器人奠定了基础。

关键词：Mecanum轮；全向移动；探测机器人中图分类号：TH122 文献标志码：ADesign of Three Wheel Omni-direction Mobility PlatformBased on Mecanum WheelWANG Bin，MA Chao，WEN Bing-quan(Department of Military Logistics，Military Transportation University，Tianjin 300161)Abstract：Based on Mecanum wheel of three wheel omni-direction mobility platform, two L298N drive three DC motors through wireless control MCU. Along three fixed concurrent lines meeting at 120°and rotation directions, positive-negative motion of platform was precisely realized. Omni-direction mobility platform prototype was made, it laid the technical foundation for the detecting robot.Key Words: Mecanum Wheel；Omni-direction Mobility；Detecting Robot1 引言全向移动机构是世界各国研制的热点，所谓全向是指移动机构在二维平面上从当前位置向任意方向运动的能力[1]，即在平面内可实现3个及3个以上自由度的运动。

.. ..计算机辅助设计报告三轮全向移动机器人运动控制仿真4 余广91 斌人员分工：余广：总体负责，系统理解及控制器设计，PPT制作，后期报告审查及修改斌：PPT制作，报告撰写：资料收集，辅助其余两人完成任务目录一、实验目的 (3)二、实验原理 (3)2.1控制对象——三轮全向机器人 (3)2.2 控制系统结构 (4)三、实验容 (4)3.1电机模型 (4)3.1.1物理建模 (4)3.1.2 Simulink模块搭建 (5)3.1.3无刷直流电机仿真模型的验证 (8)3.2运动学模型 (10)3.2.1物理建模 (10)3.2.2 Simulink模块搭建 (10)3.3 路径规划 (11)3.4. 传感器设计 (12)3.5.控制器设计 (13)3.5.1 电机控制器设计 (13)3.5.2 运动控制器设计 (15)3.6 观测器 (19)四、结果验收 (20)4.1 x轴方向的误差 (20)4.2 y轴方向的误差 (20)4.3 前进方向偏角 (21)4.4 速度误差 (21)五、致 (22)六、附录（路径规划函数） (22)一、实验目的（一）建立三轮全向机器人系统的数学模型，然后基于simulink建立该系统的仿真模型并设计控制器，最终满足控制要求；（二）控制的最终目的是使该机器人能够良好跟踪预期的运动轨迹；（三）通过对复杂系统的分析、建模、仿真、验证，全面提高利用计算机对复杂系统进行辅助设计的能力；（四）通过集体作业、分工完成任务的方式培养团队意识，提高团队集体攻关能力二、实验原理2.1控制对象——三轮全向机器人三轮全向移动机器人其驱动轮由三个全向轮组成，径向对称安装，各轮互成120°角，滚柱垂直于各主轮。

三个全向轮的大小和质量完全相同，而且由性能相同的电机驱动。

图 1 三轮全向移动机器人2.2 控制系统结构图 2基于运动学模型的分层控制框图三、实验容3.1电机模型3.1.1物理建模瑞士的MAXON公司的无刷直流电机建模如下:无刷直流电机的数学模型，其等效电路如下图所示：根据上图，建立电机数学方程如下： ➢ 瞬态电压方程➢ 电压方程➢ 转矩方程➢ 运动方程3.1.2 Simulink 模块搭建根据以上数学模型，我们搭建电机的Simulink 模块如下：➢ 电压方程模块000000a a a b a b a c c u i R u R i R u i ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦()111aa b n b c c di dt e di L M e u dt e di dt ⎡⎤⎢⎥⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥+-++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦1[()()]3n a b c a b c u u u u e e e =++-++a a b b c cem e i e i e i T ++=Ωem L T T B Jp --Ω=Ω➢转矩方程模块➢运动方程模块➢其他必要模块设计反电动势模块逻辑换向模块➢模块组装——电机仿真模型➢驱动电机模块封装3.1.3无刷直流电机仿真模型的验证到此电机的建模就算完成了，但其正确性还需要结果来验证，以下是仿真结果：i.绕组端电压波形：ii.反电动势波形iii.电流波形iv.转速波形根据图像可知，仿真结果跟实际是相吻合的。

三轮全向机器人运动特性分析1.全方向移动能力：三轮全向机器人通过将三个轮子安装在平衡的位置上，可以实现全方向移动。

每个轮子都可以独立地控制并进行旋转。

这使得机器人在狭小的空间内可以自由移动，并能够在任意方向上快速转向。

这种特性使得三轮全向机器人在繁忙的环境中具有灵活性和机动性。

2.高度可交互性：三轮全向机器人还具有很高的可交互性。

它可以通过传感器和摄像头来感知周围环境，并能够与人进行有效的交互。

这使得机器人可以在人群中安全运动，并可以执行一些与人互动的任务，如自主导航、传递物品等。

这种可交互性使得三轮全向机器人在服务行业中有广泛的应用潜力。

3.运动灵活性：三轮全向机器人具有非常好的运动灵活性。

不仅可以在水平面上自由移动，还可以实现沿任意方向的旋转。

这种灵活性使得机器人可以根据不同的任务需求进行自适应运动，并可以在狭小的空间中灵活穿梭。

这种运动灵活性使得机器人在仓储、物流和生产等领域具有广泛的应用前景。

4.稳定性和准确性：三轮全向机器人在移动过程中具有良好的稳定性和准确性。

由于每个轮子都可以独立控制，机器人可以根据需要进行微调和平衡，这使得机器人可以在不同地面上保持稳定移动。

此外，机器人还可以通过精确控制轮子的旋转来实现精确定位和导航。

这种稳定性和准确性使得机器人能够执行一些精确度要求较高的任务，如精确导航、运输和操作等。

尽管三轮全向机器人具有上述的优势特点，但也存在一些挑战和限制。

例如，由于机器人需要较强的计算能力和感知能力来实现全方向移动和交互功能，所以需要配备先进的计算控制系统和感知设备。

此外，机器人在特殊地形上的运动性能可能会受到限制，如不平整地面、斜坡等。

因此，在设计和应用三轮全向机器人时需要综合考虑这些限制因素，以实现机器人的良好性能和可靠性。

总的来说，三轮全向机器人在机动性、交互性、灵活性、稳定性和准确性方面具有优势。

它在服务行业、仓储物流和生产等领域有广泛的应用前景，可以帮助人们提高工作效率和生活质量。