□ 李芳昕 □ 譚小群 □ 張 洋 □ 李 超

西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 西安 710072

隨著制造業(yè)的發(fā)展，更有效地利用車間貨物儲(chǔ)存空間以提高空間利用率，已成為生產(chǎn)管理的一個(gè)重要問題，因此，運(yùn)輸車應(yīng)盡可能減少其轉(zhuǎn)向空間。普通的輪式與履帶式機(jī)構(gòu)都需要一定的轉(zhuǎn)彎半徑，在擁擠的工作空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)相對(duì)困難。工人駕駛裝卸車進(jìn)行貨物運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸方式效率低，在復(fù)雜工作空間內(nèi)的勞動(dòng)強(qiáng)度大大增加，且容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。

為了研究轉(zhuǎn)向空間小且運(yùn)輸效率高的運(yùn)輸工具，本文提出一種基于Arduino的Mecanum輪無(wú)線遙控避障小車，小車選用麥卡納姆（Mecanum）輪作為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元。Mecanum輪在1973年首先由瑞士Mecanum AB公司工程師BengtIron［1］提出，此后國(guó)內(nèi)外諸多研究機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行不斷研究，它的獨(dú)特結(jié)構(gòu)可使小車無(wú)需任何轉(zhuǎn)彎半徑便能實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)。

筆者在Mecanum輪小車的基礎(chǔ)上添加了遙控器和無(wú)線通信模塊，實(shí)現(xiàn)了小車的遠(yuǎn)程控制，在工作環(huán)境惡劣的情況下，保障了操作人員的安全，且便于在復(fù)雜的工作環(huán)境下對(duì)小車進(jìn)行精確控制。添加了紅外檢測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)了小車的避障，保障了小車的安全性。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由Mecanum輪、Arduino控制器、I/O擴(kuò)展板、直流電機(jī)、紅外測(cè)距傳感器、遙控器、無(wú)線通信模塊組成，如圖1所示。遙控器通過無(wú)線通信模塊與Arduino控制器通信，傳輸控制字符，當(dāng)Arduino控制器收到控制字符，給直流電機(jī)輸出PWM信號(hào)，通過調(diào)節(jié)4個(gè)Mecanum輪的轉(zhuǎn)向和速度來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的全方位變速移動(dòng)。紅外測(cè)距傳感器用于測(cè)量小車與障礙物的距離，實(shí)時(shí)給Arduino控制器反饋模擬量信號(hào)，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定距離時(shí)，Arduino控制器發(fā)出相應(yīng)指令，控制小車實(shí)現(xiàn)設(shè)定動(dòng)作。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2．1 Mecanum 輪

Mecanum輪的輪轂外圍安裝了一周與輪轂軸線成一定角度的無(wú)動(dòng)力輥?zhàn)樱@些輥?zhàn)蛹瓤衫@輪轂軸公轉(zhuǎn)，也可繞各自的支撐芯軸自轉(zhuǎn)。由同樣結(jié)構(gòu)的若干Mecanum輪按一定規(guī)則組成的輪組系統(tǒng)，通過改變各輪轂速度來(lái)改變各輪輥?zhàn)拥妮S向力，進(jìn)而改變運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中心合速度的大小和方向，使小車實(shí)現(xiàn)平面全方位運(yùn)動(dòng)。根據(jù)小車框架結(jié)構(gòu)尺寸，選用直徑60mm的Mecanum輪，其本體運(yùn)動(dòng)受力分析如圖2所示（仰視圖），其中，ω表示輪轂角加速度，F(xiàn)a表示輥?zhàn)虞S向力，未標(biāo)ω表示該輪子角加速度為0。

▲圖1 系統(tǒng)框圖

▲圖2 四輪組合運(yùn)動(dòng)圖

▲圖2 四輪組合運(yùn)動(dòng)圖

▲圖3 遙控器模擬量信號(hào)圖

2．2 Arduino控制器與I/O擴(kuò)展板

系統(tǒng)選用ArduinoAtmega控制板，核心是一片ATmega328PAU1226芯片，可支持上千種開放源代碼，其程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的編程語(yǔ)法規(guī)則類似于C++。

Arduino的I/O擴(kuò)展板可以靈活擴(kuò)展數(shù)字量與模擬量輸入接口和各種功能模塊，實(shí)現(xiàn)與其它傳感器、RS485設(shè)備的簡(jiǎn)單連接，小車使用一個(gè)I/O擴(kuò)展板，用以支持RS485接口并驅(qū)動(dòng)4個(gè)電機(jī)。

2．3 遙控器

遙控器由inputshield擴(kuò)展板、ArduinoUno控制器、電池組3部分組成。Inputshield擴(kuò)展板裝有PS搖桿電位器和4個(gè)按鍵，搖桿處于不同位置會(huì)有不同的模擬量值，4個(gè)按鍵分別為搖桿按鍵、復(fù)位按鍵和2個(gè)擴(kuò)展圓帽按鍵。擴(kuò)展板可以直接插到Arduino控制器上，預(yù)留APC220模塊接口，能方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?？刂拼怪狈较虻碾娢黄髡加肁rduino控制板的模擬口0，控制左右方向的電位器占用ArduinoUno控制板的模擬口1，兩個(gè)擴(kuò)展圓帽按鍵分別占用數(shù)字引腳3和 4，APC220接口占用數(shù)字引腳 0和 1［6］。 9V 電池組專為Arduino控制器供電。

將控制板通過USB連接到電腦上，編寫程序來(lái)采集搖桿按鍵的兩個(gè)電位器的模擬量，通過Arduino編程環(huán)境中的SerialMonitor來(lái)監(jiān)控變量。

通過操縱搖桿的位置可看到模擬量數(shù)據(jù)的變化，模擬量的變化范圍是0～1023。搖桿在水平位置上時(shí)，垂直方向的模擬量值不變，水平方向的模擬量從右到左由0變到1023。在垂直位置上時(shí)，水平方向的模擬量值不變，垂直方向的模擬量從上到下由0變到1023。處于其它位置時(shí)的模擬量值可見圖3。

根據(jù)遙控器模擬量信號(hào)圖，可以編寫程序；根據(jù)搖桿的位置，控制小車的運(yùn)動(dòng)方向以及速度。

2．4 無(wú)線通信模塊

APC220模塊包括3部分：APC220無(wú)線傳輸模塊、USB接口轉(zhuǎn)換器和天線。將1個(gè)APC220插到控制器上，另1個(gè)插到被控對(duì)象上，即可實(shí)現(xiàn)兩者的通信，APC220模塊需成對(duì)使用；USB接口轉(zhuǎn)換器可以用于設(shè)置模塊參數(shù)，該模塊的主要性能指標(biāo)見表1。

表1 性能指標(biāo)

APC220模塊可直接應(yīng)用于inputshield和Arduino控制板上，使用之前，要先使用USB接口轉(zhuǎn)換器將模塊連接到電腦上，用設(shè)置軟件RF—ANET來(lái)設(shè)置模塊的參數(shù)。本文中的模塊設(shè)置如圖4所示［6］。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

小車控制程序包括遙控器程序和小車運(yùn)動(dòng)程序。首先，創(chuàng)建一個(gè)小車運(yùn)動(dòng)的庫(kù)函數(shù)，文件名為MotorCar，庫(kù)函數(shù)中定義了11個(gè)成員函數(shù)，分別代表小車的11個(gè)運(yùn)動(dòng)方式，入口參數(shù)為速度值，范圍為0～255，之后應(yīng)用到庫(kù)函數(shù)中的成員函數(shù)時(shí)，直接聲明該庫(kù)函數(shù)的對(duì)象即可。根據(jù)遙控模擬量信號(hào)圖編寫程序，通過APC220發(fā)送運(yùn)動(dòng)字符與速度值。

▲圖4 模塊設(shè)置界面

控制搖桿位于中間位置時(shí)，小車靜止不動(dòng)。遙控器上的藍(lán)色按鍵控制小車的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，按鍵未按下，搖桿緩緩向某個(gè)方向推動(dòng)時(shí)，小車則向著這個(gè)方向運(yùn)動(dòng)并且速度越來(lái)越快。藍(lán)色按鍵按下，向左推動(dòng)搖桿，小車逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；向右推動(dòng)搖桿，小車順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且速度越來(lái)越快。小車上的APC220接收遙控器上APC220發(fā)來(lái)的運(yùn)動(dòng)字符和速度值。由小車運(yùn)動(dòng)庫(kù)函數(shù)MotorCar創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象Motor。

本設(shè)計(jì)中采集到的模擬量與對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)字符、速度以及調(diào)用的函數(shù)關(guān)系見表2。

表2 遙控器模擬量與小車運(yùn)動(dòng)形式對(duì)應(yīng)關(guān)系

遙控器中采集到的運(yùn)動(dòng)字符與速度值，可在Serial Monitor中監(jiān)控到。

本文選用4個(gè)紅外測(cè)距傳感器，分別安裝在小車的四周，根據(jù)傳感器采集到的模擬量與距離的函數(shù)關(guān)系式，計(jì)算出小車與障礙物之間的距離，當(dāng)小車與障礙物間的距離小于 15mm 時(shí)，調(diào)用 Motor．stop（），使小車停止，然后用遙控器控制小車向其它方向運(yùn)動(dòng)，避開障礙物。

4 樣機(jī)調(diào)試

在完成小車硬件設(shè)計(jì)、樣機(jī)搭建、軟件開發(fā)后，通過調(diào)試實(shí)驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了小車的無(wú)線遙控與避障，小車實(shí)物場(chǎng)景示意圖如圖5所示，避障過程如圖6所示。

▲圖5 小車原型樣機(jī)圖

▲圖6 避障過程

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于Arduino的Mecanum輪無(wú)線遙控避障小車，詳細(xì)論述了Mecanum輪的工作原理以及遙控的實(shí)現(xiàn)方法，完成了小車硬件設(shè)計(jì)與遙控器、小車的軟件開發(fā)，并進(jìn)行了安裝調(diào)試，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，靈活實(shí)現(xiàn)使用遙控器操作小車全方位運(yùn)動(dòng)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為Arduino控制板的使用與開發(fā)提供了有益的參考。

［1］ 賈官帥．基于Mecanum輪全方位移動(dòng)平臺(tái)的理論和應(yīng)用研究［D］．杭州：浙江大學(xué)，2012．

［2］ 劉磊，許曉鳴．帶Mecanum輪的移動(dòng)機(jī)器人全向移動(dòng)控制研究［J］．系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2011（S1）．

［3］ 石維亮，王興松，賈茜，基于Mecanum輪全向移動(dòng)機(jī)器人的研制［J］．機(jī)械工程師，2007（9）：18-21．

［4］ 賈茜,王興松,夏國(guó)慶．Mecanum輪全方位移動(dòng)機(jī)器人的速度修正［J］．制造技術(shù)與機(jī)床,2010 （11）:42-45．

［5］ 趙津,朱三超．基于 Arduino單片機(jī)的智能避障小車設(shè)計(jì)［J］．自動(dòng)化與儀表,2013,28（5）:1-4．

［6］ 程晨．Arduino開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012．