履帶式全方位移動平臺電氣與控制設計★

房 遠 ,閆猛飛，崔 智，朱 昊，董 政

（1.陸軍裝甲兵學院，北京 100072；2.32214 部隊，江蘇 南京 210018；3.63850 部隊，吉林 白城 137000；4.61578 部隊，湖北 十堰 442000）

引言

全方位移動機器人（平臺）一直是機器人研究領域的熱點。全方位移動機器人（平臺）是指在不考慮驅動電機轉速限制的情況下，能夠在任何時刻向平面上任何方向運動的機器人[1]。全方位移動平臺按照移動機構的不同，分為輪式全方位移動平臺和履帶式全方位移動平臺等。輪式全方位移動機構的普遍缺點有：載重能力差，對行走環境的平整度、清潔度要求高，越野、越障性能差[2-3]。履帶式全方位移動機構融合了履帶的優點，從原理上克服了上述缺點[4]，使得履帶式全方位移動平臺在物流等領域具有廣闊的應用前景。

本文對履帶式全方位移動平臺的電氣系統結構、總體控制方案和手柄輸出信號進行了針對性設計，保證了平臺在實際工作中能夠順利完成平面內的全方位運動。

1 電氣系統結構設計

平臺選用矩形對稱布局[5-6]，其電氣系統結構如圖1 所示。圖1 為俯視圖，對履帶進行了編號，履帶表面的滾輪用短直線段代替，顯示了履帶上表面滾輪的排列情況。考慮到實際工作中，平臺主要由人來直接操控，因此操控方式選用三軸手柄有線操控。考慮到未來可能的無人化應用擴展，在VCU（Vehicle Control Unit，整車控制器）中寫入了可實現有線操控和無線遙控的程序，并預留了遙控控制的硬件接口。VCU 通過MCU（Motor Control Unit，電機控制器）來控制電機。

圖1 平臺的電氣系統結構圖

2 總體控制方案設計

設計平臺總體控制方案的流程如下頁圖2 所示，其中虛線框①表示選擇手柄控制模式后的控制流程，虛線框②表示選擇遙控控制模式后的控制流程，虛線框③表示遙控端（遙控手柄）的控制流程。

圖2 平臺控制流程圖

啟動平臺時，首先打開電池開關，此時BMS（Battery Management System，電池管理系統）上電，開始運行電池狀態檢測程序，當發現電池故障時，不對外供電，同時在BMS 顯示屏上顯示故障，反之向低壓和高壓設備供電。低壓設備上電主要指的是給車燈和儀表供電，此時低壓指示燈亮。高壓設備上電主要指的是給MCU 和電機供電，此時高壓指示燈亮。對MCU 與電機進行狀態檢測，如果檢測未通過，平臺停機并亮報警指示燈，如果檢測通過，則進入控制模式的選擇。

當選擇手柄（操縱桿）控制模式后，即VCU 運行AD 采樣程序，當接收到手柄的運動數據后，使用逆運動學方程將平臺目標速度解析成四個電機的轉速，繼而將速度分配給四個電機，此時運動指示燈亮。

當選擇遙控模式后，VCU 使能串口，開始接收遙控手柄發送的握手數據，對握手數據進行匹配，然后給遙控手柄返回握手數據，并開始接收控制數據。對數據進行匹配處理，如果無誤，進行速度解析與分配，如果有誤則將速度置零。VCU 采集并分析平臺的狀態數據，如果認為存在故障，則平臺停機并亮報警指示燈。

打開遙控端（遙控手柄）的上電開關后，遙控端開始發送握手數據至VCU，然后匹配接收到的握手數據。當匹配無誤后，向VCU 發送控制數據，同時通訊正常指示燈亮。當發現匹配存在問題時，計算是否超時20 s，如果超時未到20 s，則向VCU 發送控制數據，同時通訊正常指示燈亮，如果超時達到20 s，則點亮通訊異常指示燈。

3 手柄操控穩定性設計

手柄操控穩定性設計主要是指避免操縱桿的不可控抖動信號傳遞到MCU，進而避免了MCU 電流與電機轉速的突變，從宏觀上來看避免了平臺速度的突變和不必要的履帶打滑，減小了平臺振動。在試驗中發現，運動中平臺振動的后果之一是引起與車體連接的操縱桿的不可控抖動。將輕型操縱桿換為重型操縱桿后，不可控振動有所減小但并未消除。考慮到實際工作中平臺沒有突然加速的需求，故采取在VCU 中對操縱桿的AD 采樣信號進行平均化并將平均化后的數據和變化量閾值作比較的方法，進一步降低抖動信號的影響。

設置采樣次數比較值Nda，當采樣次數大于Nda時，將Nda次的采樣數據平均，將第n 次平均后的數據記為Don，設置變化量閾值ΔDa＞0，當相鄰兩次平均后數據的差值絕對值大于ΔDa時，輸出Don+ΔDa，否則輸出Don。操縱桿的AD 采樣信號的數據處理過程如圖3 所示。

圖3 操縱桿AD 采樣信號數據處理

4 結論

通過具有針對性的電氣系統結構設計、總體控制方案設計和手柄操控穩定性設計，使得履帶式全方位移動平臺能夠順利完成平面內的全方位移動，同時減輕了平臺在實際應用中出現的速度突變、履帶打滑和平臺振動等問題，增強了平臺的工程實用性。