全向移动平台的控制系统设计与实现PPT课件

1、20132013年本科毕业设计论文答辩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 牛牛文库文档分享 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 牛牛文库文档分享 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。 牛牛文库文档分享 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

2、统的分层组装调试和整体组装联机调试 牛牛文库文档分享 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 牛牛文库文档分享 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 牛牛文库文档分享 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 牛牛文库文档分享 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 牛牛文库

3、文档分享 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

4、进，同时车轮周边的辊子沿着其各自的轴线自由旋转。 牛牛文库文档分享 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。 牛牛文库文档分享 全向轮系的类型选择 除全向轮自身的

5、结构设计外，全向轮系的结构形式也将对整个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。 牛牛文库文档分享 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 牛牛文库文档分享 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 牛牛文库文档分享 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

6、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，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。 牛牛文库文档分享 设计结果 牛牛文库文档分享

7、 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 牛牛文库文档分享 全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 牛牛文库文档分享 四种运动原理分析 牛牛文库文档分享 原地旋转 牛牛文库文档分享 求解方程建立 牛牛文库文档分享 纵向移动 牛牛文库文档分享 求解方程建立 牛牛文库文档分享 横向移动 牛牛文库文档分享 求解方程建立 牛牛文库文档分享 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 牛牛文库文档分享 运动分解原则 牛牛文库文档分享 前左轮系受力分析 oo XFm g 牛牛文库文档分享 前右轮系受力分

8、析 牛牛文库文档分享 求解方程建立 牛牛文库文档分享 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学模 型。 牛牛文库文档分享 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 牛牛文库文档分享 全向运动图解分析 牛牛文库文档分享 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

9、动变为匀减速运动 解决措施：电机反向力偶的施加 理论验证 具体解决措施 牛牛文库文档分享 解决措施：电机反向力偶的施加 牛牛文库文档分享 理论验证 分析方法：将系统的动力学模型中的电机力偶变成负值，并求解出新的系统动力学模型 分析结果：系统的动力学模型中所有加速度与施加前的运动加速度反向，方法可行。 牛牛文库文档分享 具体解决措施 分析公式：根据匀变速运动的性质 1 12 2 0a ta t 22 1 11 1 22 2 11 22 sa ta t ta t 牛牛文库文档分享 各向相异性对系统模型建立的影响 综合上述可知，全方位移动机器人沿不同方向的最大速度、最大加速度、运动效率并不相同，因而

10、其运动 时必将存在各向相异性，因此系统沿各个方向运动的效果将存在很大的差异，为了更好地对移动平台系统 进行控制以及获得更优的运动规划，必须在控制算法中引入该特性的影响。即对各种运动形式根据各自运 动的特点采用不同的控制策略予以控制。 牛牛文库文档分享 系统的协调运转分析 理想状态设定 分析方法：求解轮体的雅可比矩阵，并运用最小 二乘法对运动学正逆问题进行求解 分析结果 牛牛文库文档分享 理想状态设定 忽略本体及辊子的柔性； 忽略工作场地的不规则，即四个全方位轮能同时正常运转； 全方位轮与工作面有足够大的摩擦力，轮体不存在打滑现象。 牛牛文库文档分享 分析结果 1 2 3 4 11 11 1 1

11、1 11 y xx y yy y zz y Wsd VV Wsd VWV WsdR WW Wsd 11 22 33 44 1111 yy xabababab yy yabababab yy z yy WW Vllll WW VllllW WW W WW 牛牛文库文档分享 系统实际模型分析 经过系统理想模型分析，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。但由于系统在正常运转过程中会受到很多干扰而使得系统的加速度大小 和方向发生变化，而这些变化又是很难预料的，因此系统其实是在进行加速度变化不明

12、 确的变速非定向运动。 综合以上分析可知，系统实际上是一个模糊时变系统，其系统在实际运转过程中存在以 下四点性质： 系统参数的未知性、时变性、随机性和分散性； 系统时滞的未知性和时变性； 系统严重的非线性； 系统各变量之间的关联性，环境干扰的未知性、多样性和随机性。 牛牛文库文档分享 全向移动平台的轮体参数及关键零件的设计 需设计的参数 全向移动平台的轮体参数设计 牛牛文库文档分享 需设计的参数 辊子径向截面圆的最大半径maxmax和最小半径minmin； 辊子设计廓线在轮体轴线上的投影角度； 辊子轴线与轮体轴线的夹角； 辊子轴线与轮体轴线的距离S； 辊子的数目N； 辊子的长度l； 全方位轮的

13、运动连续性比率系数。 牛牛文库文档分享 全向移动平台的轮体参数设计 全向移动轮参数设计 辊子轮廓曲线图绘制与分析 CAD三维模拟设计模拟仿真 最终设计结果 牛牛文库文档分享 全向移动轮参数设计 根据电机及负载尺寸，设定辊子设计的理论圆柱半径（即理论车轮半径）为56mm，及 圆柱宽（即理论车轮轮宽）为73mm。 由辊子的运动情况分析可知为减小辊子的滚动摩擦要考虑辊子中加装轴承（取外径为 13mm的小型滚珠轴承，经查阅相关手册选择型号为B624VV的小型滚珠轴承。），故 取辊子长度为56mm。 由运动连续性比率定义可知全方位轮的运动连续性比率 是设计辊子个数的 检验标准，其条件为 。 辊子形状特征

14、方程的求解 故由以上分析可求解得 2 min 73 1.3036 56 22cos1.7808 arccos42 5636 64,2 1cos44.52 2 b mm R D R Smm D 1 1 1 coscoscos1 22 R DRl D o 5N 5N 5N 2 2 o N 2 2 o N 牛牛文库文档分享 辊子形状特征方程的求解 cos1cos1sincos1sincos1sinsinRRRRRR Puijk DDDDDD 2 2 2 coscoscos1 22cos 22cos R coscoscos1 22 AB R DR xP u D coscoscos1 22 R DRl

15、D 牛牛文库文档分享 辊子轮廓曲线图绘制与分析 max 11.48mm min 7.97mm 牛牛文库文档分享 CAD三维模拟设计模拟仿真 max 29NRl 2cos32.47lmm 牛牛文库文档分享 最终设计结果 牛牛文库文档分享 系统整体控制方案拟定 牛牛文库文档分享 系统硬件选型方案设计 驱动模块选型 信号模块选型 控制模块选型 通信模块选型 整体硬件控制分析 牛牛文库文档分享 驱动模块选型 驱动控制原理分析 驱动元件的选型 驱动电机与控制器间的控制分析 驱动轴系设计 驱动系统实现方案 牛牛文库文档分享 驱动控制原理分析 牛牛文库文档分享 驱动元件的选型 减速器选型 无刷直流电机选型

16、适配控制器选型 牛牛文库文档分享 减速器选型 类型确定 系列号选择 具体型号的确定 牛牛文库文档分享 类型确定 由于电机是一种高转速、小力矩的驱动装置，而经运动学分析我们可以得知平台系统要求低转速、大力矩 的驱动方式，因此常用行星齿轮传动机构减速器来完成速度和力矩的变换与调节。 牛牛文库文档分享 系列号选择 由于本文所要求的驱动系统有效率高、精度高、噪音低、运动灵活等设计要求，根据这一分析，并经查阅 行星齿轮减速器选型指南可知我们应采用NS系列行星减速器。 牛牛文库文档分享 具体型号的确定 综合上文所述，我们可以得知系统属于一种需要抵抗高强度扭转、并能灵活运转的驱动轴系。同时由于电 机本身具有

17、高转速、小力矩的特性，而系统需要的是低转速、大力矩的驱动环境，因而对减速比的要求也 较高。综合以上分析，并经查阅行星齿轮减速器选型指南可得本文所采用的行星减速器的型号应为 NS-142-010-05。 牛牛文库文档分享 无刷直流电机选型 1、无刷DC具体型号的最终确定： 首先出于简化设计考虑，我们采用直流供电方式，其次我们需要综合额定转速要求进行分析。根据这一分析，并经查 阅行星齿轮减速器选型指南和无刷直流电机系统选型指南两书我们可以得知本文应采用57BL-0730N1- LS-B无刷直流电动机进行驱动设计。 2、驱动电压的选择： 经查阅无刷直流电机系统选型指南我们可以得知此电机的驱动电 压为

18、24VDC，故可知系统的驱动电压应为24VDC。 牛牛文库文档分享 适配控制器选型 经查阅无刷直流电机系统选型指南我们可以得知57BL-0730N1-LS-B无刷直流电动机所适配的驱动器 的型号是BL-0408驱动器，故驱动器的型号应为BL-0408。 牛牛文库文档分享 驱动电机与控制器间的控制分析 调速公式：speed（频率Hz）=每转脉冲数*转速 牛牛文库文档分享 驱动轴系设计 牛牛文库文档分享 驱动系统实现方案 四Mecanum轮（半径56mm），70W无刷直流伺服电机驱动（带减速器10：1），铅酸 电池，最大移动速度17.6m/s，承载能力75kg，含气源，整体高度500mm, 自重7

19、5kg， 其下位机底盘的平面图及其尺寸分布如图3-6所示，上表面为一安装平面，可以扩展安装 各种执行机构。 牛牛文库文档分享 信号模块选型 由上文分析可知信号模块由轨迹偏移检测装置和速度检测装置两大部分组成。 轨迹偏移检测装置选型 速度检测装置选型 牛牛文库文档分享 轨迹偏移检测装置选型 装置选择：微型漫反射光电传感器 选择原因分析 数量分析 型号确定 输出方式的选择 牛牛文库文档分享 选择原因分析 原因在于光电传感器主要由发光的投光部和接受光线的受光部构成。如果 投射的光线因检测物体不同而被遮掩或反射，到达受光部的量将会发生变 化。受光部将检测出这种变化，并转换为电气信号，进行输出。显然更能

20、 良好地完成轨迹偏移检测和信号传输命令。同时由于系统的运行环境处在 一些狭窄、拥挤的运行环境中，本身PLC控制柜已经很大，并不适合再采 用一些体积较大而不便于安装的大型传感器，而应采用一些比较小型的光 电传感器，同时为了实现高精度的轨迹跟踪我们需要的反射式光电传感器 显然需要设计的更加微小，并且由于系统需要完成的运动属于全向运动需 要检测到各个方向的轨迹偏移，因而它的轨迹偏移检测比较适合于采用微 型漫反射光电编码器。 牛牛文库文档分享 数量分析 牛牛文库文档分享 型号的确定 由上文分析可得本文设计的传感器布局形式是上下两侧要密布纵向传感器， 左右两侧要密布横向传感器，经查阅欧姆龙微型光电传感器

21、产品手册 可知应在上下两侧各密布21个EE-SY671竖方向式光电传感器，在左右两 侧各密布19个EE-SY672横方向式光电传感器，同时分布在四角的传感器 应考虑斜向靠边放置，以保证能更加准确地检查轨迹偏移，同时在放置时 也需要避免与其他传感器产生碰撞关系。 牛牛文库文档分享 输出方式的选择 由于本文中的轨迹偏移检测任务主要针对的是轨迹偏移位置的检测，因此当轨迹发生偏移时光电传感器应 能发出光电信号，故应选择遮光时ON输出方式。 牛牛文库文档分享 速度检测装置选型 具体器件与数量的确定 具体型号的确定 牛牛文库文档分享 具体器件与数量的确定 由于本文轮体的转速是由直流无刷电机所驱动的，故可知

22、本文需要测定的 速度属于电机转速测量。同时由整体控制框图可知本文所采用的信号采集 模块是传感器，因而对于测速装置也要选择传感器类的测速装置，例如光 电编码器，但其具体的原理和特点为何适合本文的设计，下文将予以分析： 光电编码器原理分析 具体类型和数量的确定 牛牛文库文档分享 光电编码器原理分析 光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器 由光栅盘和光电检测装置组成。其工作原理为由于光栅盘与电机同轴，电机旋转时，光栅盘与电机同速旋 转，经发光二极管、光电接收器等组成的检测装置检测输出若干脉冲信号。通过计算每秒光电编码器输出 脉冲的个数就能得出当前

23、电机的转速。 牛牛文库文档分享 具体类型和数量的确定 综合以上叙述我们可以明显发现这样的测速装置显然能够实现高精度的测 量，是电机转速精确测量的最佳选择。因而本文应选择光电编码器作为测 速装置。而由于本文所测量的转速是轮轴的转速，为实现精确的测量，需 要测量装置能与轴共同转动，故需要一种能同时跟踪轮轴转动的装置进行 测量。因而我们应选择旋转式光电编码器承担速度检测任务。同时由于全 向移动平台系统属于一个复杂的线性系统，在速度控制方面会遇到各种不 可预料的特殊情况发生，同时还需要满足运动灵活自如的要求。综合以上 分析，我们可以得知应选择具有高稳定性，同时又能精确定位的增量型多 圈绝对值编码器。并

24、且由于本文所设计的电路为四轮驱动控制电路，因而 应选择的光电编码器的数量为4个。 牛牛文库文档分享 所选择的旋转式光电编码器最终型号的确定 综合上文分析，我们可以得知系统本身具有高精度轨迹跟踪的要求，因而本身就对速度控 制精度也提出了很高的要求。因而为实现高精度测量，我们应考虑中空构造。综合以上分 析，并经查阅相关资料可知本文应选择E6C-NN5CA多旋转式光电编码器。 牛牛文库文档分享 控制模块选型 控制器类型的选择 控制器输出方式的选择 控制器输入输出元件的选型 特殊PLC控制模块的选型 I/O分配 控制器主控制单元及扩展控制单元的选择 牛牛文库文档分享 控制器类型的选择 由于本文的系统是

25、一种模糊时变系统，因而其控制量显然属于模拟量，故本文所采用的控制系统应属于模 拟量控制系统，同时由整体控制框图分析可知其控制模块应选择一些可靠性较高的控制器即采用的是PLC控 制器，其具体原因为： PLC模拟量控制原理分析 牛牛文库文档分享 PLC模拟量控制原理分析 牛牛文库文档分享 控制器输出方式的选择 综合上文所述可以得知全向移动平台系统由于自身驱动加速度并不稳定，总在受着各种干扰，因而我们需 要一种能抵抗高强度干扰的综合控制系统，同时经查阅谈PLC的自动化控制系统的优化设计我们可以 得知继电器输出方式具有很好的抗干扰性，能抵抗外界所带来的各种干扰。因而我们应选择继电器输出控 制方式。 牛

26、牛文库文档分享 控制器输入输出元件的选型 路径选择开关 继电器 牛牛文库文档分享 路径选择开关 经查阅欧姆龙限位开关选型手册我们可以得知弹簧型驱动杆能实现多个方向的运动方向 的驱动，而这一点恰好符合实现多方向的运动的特点，故可知我们应选择带有弹簧驱动杆的 路径选择开关，即选择HL-5300路径选择开关。 牛牛文库文档分享 继电器 由于系统的运行速度并不相同，存在各向相异性，因而其系统在不同工作 状态下所需的工作电压自然也就不尽相同，因而它需要一个可供调节工作 电压的继电器来控制无刷直流电机驱动系统。同时由3.2.1中的驱动控制原 理分析可知PLC继电器所需控制的输出量包括电机的起停运行、正反转

27、控 制、模拟速度调整、电机制动控制四类控制任务，因而本文所需的继电器 是一个四线输入、四线输出的终端继电器，同时为尽量缩小平台整体占用 面积，应采用螺旋式安装，经查阅相关资料我们可以得知本文应选择G6B- 4FPND继电器。同时由于本文属于四轮驱动系统，因而继电器的数量为4 个。 牛牛文库文档分享 模拟量输入模块与数模转换模块选型 由以上分析我们可以得知需要转换为模拟量的数字量输入是轨迹偏移量和 速度量（原因在于这两个量是变化的，具有随时间的改变而不断变化的特 性），因而可知其模拟量输入是2个，根据上文分析我们可以得知这两个 模拟量属于不确定性非线性变化的模拟量，为了实现对这个尚不明确的线 性

28、变化模拟量进行跟踪控制，我们需要将其通过模数转换单元进行模数转 换输出给继电器分别调整控制四个无刷直流电机系统，故模拟量输出是4 个。综合以上分析，并经查阅相关资料我们可知应选择的模拟量输入单元、 模数转换单元分别为CP1W-AD041和CP1W-DA041，其模拟量输入输 出模块的数量各为一个。 牛牛文库文档分享 输入、输出点的分配 综合以上分析可得系统的直流输入量共有82个，并综合3.2.3.3节的继电器选型数量分析可知共有继电器输 出16个（其中有4个输入模拟量输出），模拟量输入2个、输出4个。同时由于系统控制需要借助上位机通 信控制因而我们需要在内置输入点中增加一个上位机通信输入点。综

29、合以上分析可以得出 输入、输出分配表 牛牛文库文档分享 PLC内置及扩展模块的选型 扩展模块 内置模块 外接电源的选择 内置与扩展模块的连接 牛牛文库文档分享 扩展I/O模块的选择 综合上文所述，我们可以得知系统的直流输入量共有82个，继电器输出12个，经查阅欧姆龙PLC选型手 册我们可以得知其需要扩展的I/O模块为3台，同时其扩展模块应选择CP1W-40EDR I/O模块，因为它 具有24点直流输入、16点继电器输出。 牛牛文库文档分享 内置模块 1、PLC机型系列号的确定： 综合上文所述，我们可以得知全向移动平台共有高精度轨迹跟踪、运转灵活迅速并能在 运行完某个定向运动后能够准确停车定位，

30、同时还能在此时通过迅速的程序转换完成系 统连续运转要求。因而对于这样的系统显然更需要一种高速处理并能对系统做出精确的 控制的高功能CPU控制单元，经查阅欧姆龙PLC选型手册我们可以得知欧姆龙PLC 的CPU控制单元中具有高速处理并能够精确控制的高功能CPU控制单元为CP1H系列 CPU控制单元。因而本文应选择的PLC机型的系列号为CP1H。 2、PLC机型最终型号的确定： 综合上文所述，系统的直流输入量共有82个，继电器输出12个，模拟量输入2个、输出 4个，外接电源用24VDC。综合上文分析我们可以得知其需要扩展I/O模块为3台、模拟 量输入输出模块为1台。除去这些扩展单元，系统的基本输入为

31、24个，输出为12个，同 时，为了实现精确控制，我们应尽量都用扩展或内置模拟量输入输出模块去控制继电器 的模拟量输出和系统的模拟量输入。同时，由于PLC可编程控制器的内置模拟量输入有4 点，而输出只有两点，并不能满足系统控制要求，因而我们应考虑选择扩展模块去控制 继电器的模拟量输出和系统的模拟量输入，并经查阅欧姆龙PLC选型手册我们可以 得知本文应选择的可编程控制器型号为CP1H-X40DR-D。 牛牛文库文档分享 外接电源的选择 由3.2.1中的驱动选型分析可知系统的驱动电压为24VDC，故可知PLC的外接电压也应为24VDC。 牛牛文库文档分享 内置与扩展模块的连接 经查阅欧姆龙PLC选型

32、手册我们可以知道当CP1H需要增加扩展单元 时必须安装1台CJ扩展单元适配器CP1W-EXT01，同时也必须用CP1W- CN811型I/O电缆线进行扩展连接。 牛牛文库文档分享 通信模块选型 通信原理分析 通信模块的选择 通信接口的选择及连接分析 牛牛文库文档分享 通信原理分析 由于本文所控制的运动是一个运动距离范围无限增大的运动，因而系统通信显然需要采用远程网络进行数 据通信，即采用GPRS（General Packet Radio Service）通用分组无线服务技术网络进行无线数据通信 19，其通信的原理为GPRS无线模块是由计算机通过GPRS无线网络进行无线传输的，其与PLC的连接是

33、 采用串口连接。 牛牛文库文档分享 通信模块的选择 根据整体控制框图分析及本文的设计要求可知，本文需要一些通信速率、通信性能较高的通信收发元件， 经查阅相关资料可知本文应选择由深圳宏电公司生产的GPRS DTU模块H7710C DTU。 牛牛文库文档分享 通信接口的选择及连接分析 由于本文的通信流程是采用根据系统的实时数据进行数据的实时调整，显然属于半双工通信，因而应将 GPRS无线通信模块接入PLC的RS485串行通信接口上。综合这一分析，并经查阅相关资料可知，该GRPS 无线通信模块与PLC的连接方法如下图所示。 牛牛文库文档分享 整体硬件控制分析 牛牛文库文档分享 系统软件实现方案设计

34、全向运动路径运动控制工作原理分析 全向移动平台系统控制策略的选择与拟定 程序设计 系统监控实现 牛牛文库文档分享 全向运动路径运动控制工作原理分析 行进路径判断； 转弯大小判断； 路径轨迹准确跟踪； 运动速度控制； 各种单一定向路径间的连续运转实现； 系统在运行至单一路径的最高速度时迅速完成电机正反转转换控 制。 牛牛文库文档分享 全向移动平台系统控制策略的选择与拟定 策略选择：仿人智能控制 仿人智能控制策略选择原因 路径跟踪方式选择 电机控制策略拟定 高精度轨迹跟踪策略设计 速度控制策略拟定 牛牛文库文档分享 仿人智能控制策略选择原因 其在结构和功能上具有以下基本特征： 分层递阶的信息处理和

35、决策机构（高阶产生式系统结构）； 在线的特征识别和特征记忆； 开闭环控制结合和定性策略与定量控制结合的多模态控制； 启发式和直觉推理逻辑的应用。 由于它的基本特点是模仿控制专家的控制行为，因此，它的控制算法是多模态的控制， 是多种模态控制间的相互交替使用。 正是由于这一特点使得该算法完美地协调了控制系统中诸多相互矛盾的控制品质的要求， 比如鲁棒性与精确性，快速性与平滑性等，因而也更贴近实际。 基本思想 显然这种控制方式可以避免进行精确的数学建模，同时由于该控制方式的控制算法采用 了多模态控制综合使用，因而也大大提高其控制的精确性，同时由第二章分析可知系统 属于模糊时变系统，并不能做出精确的建模

36、，因而该控制方法恰好满足了本文的控制要 求，实现了对模糊时变系统的精确控制。综合以上分析可知本文应采用仿人智能控制控 制方法进行具体控制策略的设计。 牛牛文库文档分享 基本思想 依据被控量偏差的变化，及时调整控制量的大小来抑制偏差的变化，实现对复杂或未知的被控对象的最佳 控制，而不需对被控对象或过程进行建模。 牛牛文库文档分享 路径跟踪方式选择 对于系统的轨迹跟踪，根据第二章的分析我们可以得知系统共 有原地旋转、向前运动、横向运动、斜向运动四种运动方向。 因此，我们可以考虑采用组合路径的方式进行轨迹跟踪。同时， 为简化控制系统设计，避免采用系统通过三维投影地图构建的 方式进行自主路径规划的方式

37、完成全向运动，因而我们选择采 用巡线方式进行轨迹跟踪。 牛牛文库文档分享 电机控制策略拟定 牛牛文库文档分享 高精度轨迹跟踪策略设计 依照这种控制策略的基本思想，并综合上文硬件选型分析可知我们需要引入一种实时观测装置即微型漫反 射光电传感器来检查系统的运动是否发生了轨迹偏移，同时还需要通过PLC控制及时调整系统的运动方向。 而综合上文分析可知这个输出的电气数字信号实质上是一个模拟信号（原因在于其随时间的变化自身也在 发生变化）。为利用PLC对其进行控制，我们需要通过模数转换的方式将其转换为可控的数字信号。 牛牛文库文档分享 速度控制策略拟定 由第二章分析我们可以知道，与速度控制相关的运动方向为

38、斜向运动，其 横纵两个方向运动的速度大小将直接决定它的运动方向。因而我们需要对 其速度进行控制，以实现斜向任意角度的轨迹跟踪。而对于这种非线性系 统的速度控制，显然存在多种不确定性干扰因素，它显然比一些传统的速 度控制更加困难：相比它们，它更加需要实时的监控及不断地调整，已达 到期望的运动速度。由此我们需要结合人机控制，并利用速度检测装置实 时监测轮体的速度，通过第二章的系统协调运转关系分析我们已得到了本 体速度与轮体速度之间的关系，我们利用这一关系可以得到系统本体的实 时速度监测数据，通过这些数据我们结合人机控制，实时监测系统速度是 否为期望值，若不是则需根据其中的偏差大小进行模数转换，并向

39、无刷直 流电机系统发出调整信号，进行实时调整，使得系统速度等同于期望值。 根据上节的分析这种控制策略可归结为仿人智能控制策略。 牛牛文库文档分享 而对于其他的路径，我们也同样需要利用这样的方法对其速度进行实时监测并调整。 虽然其速度大小并不会影响到其轨迹的偏移，但由第二章的系统实际模型分析可知系 统自身加速度会随着外界一些不可估计的不确定性干扰因素而发生一些微量的改变， 由于系统需完成不同路径间的连续运转的精确衔接。而从第二章的系统建模局限性解 决分析中我们可以得知，其衔接的方式是在适当的时候使电机反转，使得系统能在行 进完这一路径时立即停止运动，并利用快速的路径切换完成精确衔接。显然这个使电

40、 机反转的时刻值与系统的加速度有着密不可分的关系，而对于这样一个非线性不确定 系统来说这个时刻值显然是很难得以准确计算的，自然也就难以进行实时跟踪，及时 使电机反转以使得系统能在运行完这一路径时立即停止运动。因而对这样的控制任务 的完成，我们显然也需要进行速度的实时监测控制，以使得系统能在预先设定好的时 刻顺利完成某一定向路径的轨迹跟踪并停止运动。 由上文分析可知我们需要利用多旋转式光电编码器对系统的实时速度的进行检测，综 合以上分析可知具体的控制策略是利用多旋转式光电编码器对系统的实时速度的进行 检测，并结合人机控制与理论速度相比较，根据系统的实时速度偏移情况，对系统的 实时速度进行控制，使

41、得系统的实时速度能与期望的速度相符。但综合上文分析我们 可以得知系统的速度是一个随时间而不断变化且其变化的性质不确定的数字量，因而 它实质上是一个不确定性模拟量，因而我们需要将其转化为可以控制的数字量并进行 控制。 牛牛文库文档分享 程序设计 控制功能工作流程图与工作原理分析 PLC控制程序编写 牛牛文库文档分享 控制功能工作流程图与工作原理分析 PLC控制工作流程分析 PC机速度控制流程分析 PC机正反转控制流程分析 路径类型判断流程分析 电机控制流程分析 牛牛文库文档分享 PLC控制工作流程分析 系统上电 设置好路径选择开关 设置参数表中各参数 手动摆正移动平台使并排 排列的8 0 个光电

42、传感器对 中场地白线 启动后巡线前进 终点结点？ 巡线行进 运动方向 偏移白线？ 校正并巡线前进 转弯结点？ 开始转弯 N Y 运动方向不偏移白线且 两侧传感器所检测到的运动方向一致？ 停止转弯后巡线前进 Y Y 继续转弯N 停止运行Y 速度控制动态 调整及电机正 反转转换控制 N N 路径类型判断 相应电机控 制策略控制 牛牛文库文档分享 PC机速度控制流程分析 牛牛文库文档分享 PC机正反转控制流程分析 牛牛文库文档分享 路径类型判断流程分析 测 定 当 前 速 度 Vx=0？ 调 用 横 向 运 动 电 机 控 制 、 速 度 控 制 及 正 反 转 转 换 控 制 子 程 序 调 用

43、纵 向 运 动 电 机 控 制 、 速 度 控 制 及 正 反 转 转 换 控 制 子 程 序 Vz=0？ N Y 调 用 斜 向 运 动 电 机 控 制 、 速 度 控 制 及 正 反 转 转 换 控 制 子 程 序 ， 并 将 运 行 的 角 度 调 入 至 子 程 序 中 计 算 运 行 的 角 度 ， 并 输 入 至 程 序 N 计 算 当 前 系 统 本 体 速 度 Vz=0？ Y N 调 用 原 地 旋 转 运 动 电 机 控 制 子 程 序 Y 牛牛文库文档分享 电机控制流程分析 测 定 当 前 速 度 计 算 当 前 系 统 本 体 速 度 VX=0? Vz=0? Vz=0?

44、1、 2号 电 机 反 转 3、 4号 电 机 正 转 1、 3号 电 机 反 转 2、 4号 电 机 正 转 四 个 电 机 均 正 转 1、 3号 电 机 停 转 2、 4号 电 机 正 转 Y Y N N Y N 牛牛文库文档分享 系统监控的实现与设计 四轮转速控制公式推导 正反转转换时刻的计算 斜向运动角度的计算 系统数据库设置 系统监控组态画面设计 具体控制策略 牛牛文库文档分享 四轮转速控制公式推导 推导公式： 推导结果： 电机正转时 电机反转时 四轮转速特点 1 2 3 4 1190 2 1190 260 5.6 1190 2 1190 2 y x y y y z y W V W

45、 V W W W 牛牛文库文档分享 电机正转时 牛牛文库文档分享 电机反转时 牛牛文库文档分享 四轮转速特点 当系统在做纵向移动时所有轮体的速度都相等，在做横向运动时纵向两侧的轮体速度反向，斜向运动时对 角的轮体速度相等，在做原地旋转时横向两侧轮体速度反向。故可根据这一特性来对电机的起停和转向， 以实现360度各个方向的运动。 牛牛文库文档分享 正反转转换时刻的计算 系统在四种运动中电机原始方向旋转的极限运动时间为： 从而可得系统在横向、纵向、斜向三种运动的正反转转换时刻： 1234 17.6 72 ,24.94 , 0.93607.64 sin6.19 cos ts tts t 1234 1

46、7.6 72 ,24.94 , 0.93607.64sin6.19cos ts tts t 123 17.6 24 ,24 , 0.93607.64sin6.19cos ts ts ts 牛牛文库文档分享 斜向运动角度的计算 对于斜向运动中的期望速度大小还与它所运行的角度具有密切的关系，故我们可以得知我们在计算期望的 速度大小之前还需计算其运行的角度，根据第二章的分析我们可以推知这个角度为： arctan ox oz v v 牛牛文库文档分享 系统数据库设置 牛牛文库文档分享 系统监控组态画面设计 牛牛文库文档分享 牛牛文库文档分享 具体控制策略 当发现报表中的2、3、4、5行的显示值都相等时

47、，将四个电机起停控制按钮、 转向控制按钮全部按下，并将实时报表与纵向移动理论报表比对，若发现速 度不等，按下相应电机转速调整按钮，直至其报表速度显示与理论值相等时， 弹起相应电机转速按钮停止调整转速； 当发现报表中的2、4行的显示值符号相反时，将四个电机起停控制按钮全部 按下，并将1、3电机转向控制弹起，2、4电机转向控制按钮按下，并将实时 报表与横向移动理论报表比对，若发现速度不等，按下相应电机转速调整按 钮，直至其报表速度显示与理论值相等时，弹起相应电机转速按钮停止调整 转速； 当发现报表中的2、4行的显示值相等时，将1、3电机起停控制按钮弹起，将 2、4电机起停控制按钮、电机转向控制按钮

48、全部按下，并将实时报表与斜向 移动理论报表比对，若发现速度不等，按下相应电机转速调整按钮，直至其 报表速度显示与理论值相等时，弹起相应电机转速按钮停止调整转速； 牛牛文库文档分享 当发现报表中的任一行数值显示达到300rpm或-300rpm时需要先将四个电机 转向控制按钮由按下变为弹起或者由弹起变为按下，然后按下电机反转控制画 面切换按钮进行控制画面的切换； 在切换至电机反转后的切换画面后若发现实时速度报表中的所有行的数值显示 为零（第二次）时，需先按下电机实时控制画面切换按钮，进行控制画面的切 换，然后将四个电机起停控制按钮全部按下，并将1、2电机转向控制弹起，3、 4电机转向控制按钮按下，

49、并将实时报表与原地旋转理论报表比对，若发现速度 不等，按下相应电机转速调整按钮，直至其报表速度显示与理论值相等时，弹 起相应电机转速按钮停止调整转速； 当切换入第二个实时监控画面后，系统速度仍需进行实时控制，其控制的策略 同1、2、3、4条控制策略，但这里需要说明的是在每一条控制策略中的四个电 机转向按钮的控制按键方向均相反。 牛牛文库文档分享 系统调试 全向移动平台运行路径轨迹规划 驱动系统的组装与调试 PLC控制系统的组装与调试 PC机与PLC间的RS485半双工通信调试 监控系统的仿真调试 系统整体组装与调试 牛牛文库文档分享 全向移动平台运行路径轨迹规划 由于系统的最大速度是固定的，从

50、而我们可以将最高速度代入匀变速公式中进行计算， 可得系统在电机原始方向旋转的极限运动时间为： 而实际上在原地旋转中，其速度已不必再控制，因为它的启动与停止已有路径选择开关 得以控制。因而只需控制横向、纵向、斜向三种运动中的速度。又根据上式我们可知可 以设定系统在这三种运动中电机正反转的转换时刻为： 并综合第二章的分析我们可以得出系统在横向、纵向、斜向路径的极限运 行距离为： 根据上式并综合上文分析，我们可以得出如下图所示的路径规划 根据上式并综合上文分析，我们可以得出系统的巡线路径规划。 12 406.41ssm 22 32 3 3 1 22 cos pz pz pz a t a t a s

51、1234 17.6 72 ,24.94 , 0.93607.64sin6.19cos ts tts t 123 17.6 24 ,24 , 0.93607.64sin6.19cos ts ts ts 牛牛文库文档分享 巡线路径规划 左图为系统的具体巡线路径规划。 根据平台的尺寸我们可以大体设定所贴的白 条宽度为15mm(经查阅欧姆龙微型光电 传感器的白纸反射要求为1515mm)。 牛牛文库文档分享 驱动系统的组装与调试 Mecanum轮体的组装 减速器与电机组装步骤 整体组装步骤 调试步骤 牛牛文库文档分享 Mecanum轮体的组装 将Mecanum轮上的9个辊子按照图2-9的结构布局形式依次

52、安装在轮毂上。 牛牛文库文档分享 减速器与电机组装步骤 确认电机和减速器是否完好； 将电机轴和减速器的连接部分清理干净； 转动联轴器，使联轴器上的夹紧螺栓对准法兰的小孔，旋松联轴器加紧 螺栓，将衬套放入联轴器孔中，并使衬套的开口槽对准联轴器的开口槽； 将电机的输出轴对准减速器的联轴器孔平直的插入，直至法兰完全贴合； 连接好定位螺栓； 紧固联轴器夹紧螺栓，达到72Nm的扭矩值。紧固夹紧螺栓分几次逐 渐紧固，每紧一次一定要转几圈减速器和电机，每一次增加一定扭矩， 最后达到72Nm的扭矩值。这里需要说明的是拧紧工具采用测力矩扳 手。 牛牛文库文档分享 整体组装步骤 按照上文的驱动轴系装配图将驱动轴系

53、中的全部零件组装好； 按照底盘布局图将组装好的四个驱动轴系的轮体分别安装在四个角的侧边上； 按照驱动电机与控制器的连线图进行四个驱动控制器与控制电机的连线，要注意连接电线的颜色要与图 中的颜色一致，六个输入输出端子需要先用其他电线进行连接，这些连线不需考虑颜色。 牛牛文库文档分享 调试步骤 在完成上述步骤的安装后，分别按下四个电机控制器的电源按钮，进行初步调试，检查是否能够带动轮 体进行转动； 若不能则不要急于检查错误，在此时先要检查控制器上的报警灯是否亮起； 若亮起则需进行下述步骤的检查，若没有则可跳过这些步骤的检查，直接对其他与驱动控制无关的零件 的安装进行检查： 牛牛文库文档分享 驱动轴

54、系的组装检查 检查减速器与电机安装过程中所用的螺栓是否拧紧，紧固螺栓是否达到72Nm紧固力矩要求，若没有， 将其拧紧； 在保证电机与减速器安装正确且所有螺栓都已拧紧的情况下，更换其他联轴器，并再次进行调试，检查 是否能够完成驱动要求，若不能则需继续进行更换，直至四个驱动轴系能够正常驱动四个轴系为止。 牛牛文库文档分享 需检查连线是否正确，这里需要重点检查的是控制器与电机的连线的颜色是否正确无 误，同时电机线U、V、W是否与其他线分开布线； 若连线出现错误则需更正连线； 若电机线与其他线没有分开布线，则需分开布线； 在保证连线均无错误的情况下，将所有电线全部拆下，并用电压表检查每一根电线是 否完

55、好； 若发现不完好，则需更换相应的电线，并重新进行正确搭接； 在保证连线正确无误且连接线路完好的情况下，用电压表检查控制器的输入、输出端 子是否能够保证正常输入、输出，若不能则需更换控制器； 在保证电机与控制器的连线正确且连线完好，同时控制器输入、输出正常的情况下， 再次进行正确组装和连线搭接后进行第二次调试，检查是否能够正常驱动四个 Mecanum轮； 若不能则检查减速器与电机安装过程中所用的螺栓是否拧紧，紧固螺栓是否达到紧固 力矩要求，若没有，将其拧紧； 在保证电机与减速器安装正确且所有螺栓都已拧紧的情况下，更换其他联轴器并再次 进行调试，检查是否能够完成驱动要求，若不能则需继续进行更换，

56、直至四个驱动轴 系能够正常驱动四个轴系为止。 牛牛文库文档分享 PLC控制系统的组装与调试 PLC控制柜及其扩展单元的测试 系统输入输出元件的测试 在确保上述步骤检查均无错误现象发生的情况下，先将光电传感器按照 图4-6所示的排布依次摆放在平台上，然后按照图4-8进行PLC控制柜 与PLC外围元件的连接（PLC内置与扩展单元的连接要按照上文 4.3.5.4所述的方法进行连接，继电器在与控制器进行连接时要注意与 除与继电器相连的其他端子的连线分开布线。）；利用欧姆龙编译软件 对编好的程序进行初步编译，检查是否有错误。若有，则需进行改正； 在确保编译程序无误的情况下，参照梯形图进行内部输入、输出端

57、子的 连线。 注：这里需要说明的是在每一次连线前需要仔细检查每一根用于连接的导 线是否完好，若不完好，则需进行更换。 牛牛文库文档分享 PLC控制柜及其扩展单元的测试 利用手动方式逐一对输入端子进行检查、验证。若指示灯亮则正常，反之，则表明端子已损坏。 牛牛文库文档分享 系统输入输出元件的测试 用电压表对系统的所有输入、输出元件依次进行检查，检查 它是否能保证正常输入输出，若不能则需更换相应输入输出 元件； 对光电传感器的捕捉光线功能进行检查，检查其在光线被挡 时指示灯是否能亮起（其间需要对传感器的灵敏度进行调节， 只要在调节过程中能发现有一个时刻指示灯亮起，就表示传 感器能正常工作），若不能

58、则需更换传感器； 对旋转编码器的数据检测功能进行检查； 牛牛文库文档分享 对旋转编码器的数据检测功能进行检查 在驱动轴系安装正确的情况下，将旋转编码器安装在驱动轴上； 参照PLC外围硬件连线图和E6C-NN5CA旋转编码器端子配置表与电源和驱 动电机的控制器进行连接； 开启编码器电源； 用控制器开启电源，使轮子转动，并检查编码器是否能正常显示读数； 若不能，则需要先检查所连接导线颜色是否与表4-3中的端子配置颜色相一致， 若不一致则需更正； 在保证连线无误的情况下对旋转编码器进行再次测试，检查编码器是否能正常 显示读数，若仍不能，则需更换编码器。 牛牛文库文档分享 PC机与PLC间的RS485

59、半双工通信调试 用电压表检查RS485总线通信收发器SP485E的输入、输出是否正常，若不正常，则需更换收发器； 检查RS485所有保护元件是否完好，若不完好，则需更换相应元件； 用RS485总线将PLC控制柜与RS485总线通信收发器SP485E进行连接； 依照通信接口电路原理图将将所有保护元件搭接在RS485总线上。 牛牛文库文档分享 监控系统的仿真调试 安装组态王6.55监控软件； 定义设备COM1串口通信接口设置为RS485； 设备连接为亚控仿真PLC，通信协议设置定义为Modbus； 开启亚控仿真PLC系统； 依照图3-16至图3-21进行数据词典的设置，注意设备选择要选择仿真PLC，寄存器 也要随之做出相应更改（I/O实数变量对应的寄存器为STATIC#，I/O离散变量 对应的寄存器为CommErr）； 依照图3-22与图3-23进行组态画面的构建； 依照3.3.4所述的控制策略对构建好的组态画面进行仿真调试，检查是否能够正常完 成监控任务； 若不能则需检查数据库中的数据类型是否正确，若不正确，则需根据控制要求进行修