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摘要：近年来我国全向移动机器人领域的发展极为迅速，但受到能耗大、成本高、结构复杂的传统电控系统影响，全向移动机器人的应用受到了很大限制。基于此，本文将设计一种新型全向移动机器人电控系统，通过系统测试与数据分析可以确定，该系统可满足一般应用需要，且具备低功耗、低成本、模块化结构、通用性和开放性较强等优点。
关键词：全向移动机器人；电控系统；模块化设计
前言：移动机器人具备动态决策、环境感知、行为控制等功能，而为了满足全方位、多角度的不同工作环境，可实现原地自转调整姿态、高精确定位等功能的全方位轮被引入移动机器人领域，全向移动机器人因此诞生。为更好发挥全向移动机器人优势，其电控系统的升级换代存在较高必要性。
1.全向移动机器人电控系统总体设计
图1为本文研究的全向移动机器人电控系统总体设计示意图，该全向移动机器人电控系统采用LPC213x微控制器，该微控制器拥有ARM7内核，主控制器和从控制器在整个系统中协同工作，全向码盘及陀螺数据的实时采集由Slave负责，数据传输由SPI通信负责，Master在接收到数据后会基于陀螺、码盘数据依据自身多种传感器采集的信号更新算法，以此基于坐标进行自定位，自身路径优化基于自身坐标值开展，实现机器人期望速度确定，基于三轮对称式全向底盘轮速与机器人整体速度的关系，三个全向轮、三个底盘电机的期望速度均可顺利得到，三个底盘电机驱动模块由此即可接收RS232串口分别发送的数据，速度模糊PID闭环结构由底盘电机组与该模块组成，全向移动机器人三个轮子可由此跟随给定值并做到迅速响应，双闭环的位置、速度控制也能够顺利实现。在到达指定位置后，全向移动机器人会由Master控制机构电机等执行机构动作，相应功能可随之完成[1]。
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图1 全向移动机器人电控系统总体设计示意图
全向移动机器人电控系统采用模块化设计，以此保证各个部分接口明确、功能清晰、简洁高效，整个系统中供电模块负责提供电源；MCU模块负责提供接口满足其他所有模块需要；7279键盘负责提供人机交互功能，包括数据显示、数据输入；红外/无线电通信负责数据通信，满足系统与外界沟通需要，如向外界测控台发送重要数据开展监视，或接收无线遥控指令进行手动操控；传感器接口模块负责提供接口，包括+5V、+12V三线制开关量传感器，以此满足磁性开关、接近开关、行程开关、红外传感器、光纤传感器、霍尔传感器的使用需求；鉴相电路和陀螺采集模块负责采集全向移动机器人的X、Y方向里程数据以及姿态角数据；驱动电机模块和底盘电机驱动模块负责全向移动机器人的功能和行走控制实现。
2.全向移动机器人电控系统模块设计
介于篇幅限制，本文仅重点介绍其中部分模块，包括陀螺采集模块、MCU模块、鉴相电路、电机驱动模块。
2.1陀螺采集模块
该模块设计采用ADS1255型号的AD转换芯片，该芯片主要进行陀螺数据的AD采集，由于SPI串行通信接口集成于芯片内，因此可直接向Slave传送数据，设计使用941-3AM型号的941-3AM。AD转换芯片拥有0～5V的输入范围，结合输出有负电压的941-3AM，需设计加减运算电路于ADS1255输入端，以此转换负电压为正电压[2]。
2.2MCU模块设计
MCU模块用于Slave及Master的SPI通信硬件基础构建，提供传感器、鉴相电路、7279键盘模块、底盘电机驱动模块、红外通信模块、陀螺采集模块等的接口电路，为满足备用需要，需引出LPC213x自带的两路串口，系统扩充需要可由此得到满足。
2.3鉴相电路设计
鉴相电路的码盘运动方向输出需比较A相、B相（增量式光电编码盘）的相位前后关系，正向、反向分别由1、0代表，同时还能够实现脉冲输出，运动速度快慢可由脉冲大小反映。两个全向码盘存在多种安装方式，设计采用竖直安装的1#码盘、垂直于1#码盘安装的2#码盘。
2.4电机驱动模块设计
电机驱动模块的成自闭环结构组成基于AVRMega16单片机实现，Master的路径规划与决策基于当前位置信息开展，三个底盘电机速度期望值可随之顺利获得，速度指令需通过RS232接口发送给三个模块，接收到指令后的各个模块需首先判断指令有效性，即对比自身地址和指令的地址是否一致，一致后的模糊PID运算需通过比较给定值与采样底盘电机码盘反馈信号实现，跟随给定值的底盘电机可由此获得。如无效，各个模块可忽略速度指令。
3.全向移动机器人电控系统软件设计
全向移动机器人电控系统软件围绕Mega16、Master、Slave片内程序展开，介于篇幅限制，本文主要介绍Slave片内程序、Master片内程序的具体设计。
3.1Slave片内程序设计
Slave主要负责全向码盘脉冲信号及陀螺仪数据的采集，并基于SPI通信向Master传输数据，这一功能的实现要求处理器存在1个定时器和2个计数器资源，程序代码量相对减小，因此设计采用LPC2131，其具备相对较小的程序存储空间，2个定时、计数器。为实现对偶然较大幅度抖动陀螺采集数据情况的有效抑制，需限制陀螺仪的零漂范围，误差的减小需基于多次采集中值滤波方法实现。通过增量式光电编码盘在某一小段时间内产生的脉冲数，即可基于定时器采集全向码盘数据，该方向上的全向码盘里程可通过累计获得。
3.2Master片内程序设计
Master主要负责融合Slave采集到的全向码盘及陀螺数据，这一融合需基于其IO口采集到的多传感器信号实现，由此开展坐标更新算法计算，全向移动机器人的当前坐标可顺利获得，路径的行走可以此控制路径的行走实现。电磁阀、机构电机等执行机构需要在达到指定位置后执行机构动作，以此完成相应功能，这一过程中与外部的信息交流需基于红外/无线电通信实现。由于主片负责多信息融合的决策及指挥，且同时负责定位和行走控制，基于较大的代码量、较为复杂的算法，设计采用LPC2138（ARM7）芯片，存储为512KByteFlash。
3.3系统测试
开展针对性系统测试，测试基于0°、15°、30°、45°的不同角度1#码盘安装方向开展，以此对行走路径方向的全向移动机器人控制进行测试。结合针对性测试可以确定，全向移动机器人拥有4cm内的绝对定位误差，而在开展针对性的线性误差模型校正后，全向移动机器人的绝对定位误差缩小至2cm内，具体应用需要可得到较好满足，本文设计的实用性得到了证明。
结论：综上所述，全向移动机器人电控系统设计需关注多方面因素影响。在此基础上，本文涉及的MCU模块设计、电机驱动模块设计、Slave片内程序设计、Master片内程序设计等内容，则提供了可行性较高的全向移动机器人电控系统设计路径。为实现更高水平的全向移动机器人控制，相关的环境地图构建、多机器人系统探索、无线数据通信与传输优化同样需要引起业界重视。
参考文献：
[1]杨家武,刘林,王琢.基于Mecanum轮的轮腿式全方位移动机器人的研究及设计[J].现代电子技术,2020,43(05):155-158.
[2]任恒乐,徐方,邸霈.基于深度相机的移动机器人自主跟随技术[J].计算机工程与设计,2020,41(02):562-566.