摘 要

全向移动机器人已经成为机器人研究领域的重要分支之一，其应用范围十分广泛，上至军工航天，下至民用都可以看见它的身影，全向移动机器人有着极大的研究前景，因此受到广大研究人员的研究与开发。

本文主要设计任务是设计一款可移动搬运机器人行驶机构的控制系统，该系统基于STM32单片机，通过编写合适的程序控制四个独立电机以使机器人可以根据移动方向和距离指令进行全向移动。

论文介绍了本次毕业设计使用的STM32F103ZET6单片机和麦克纳姆轮的运动原理，通过keil软件编写了基于位置环PID控制的机器人运动的主程序。论文末尾对本次毕业设计进行了总结并提车了一些改进的想法。

本次毕业设计所设计的行驶机构的控制系统基本达到了预期，具有一定的应用价值，可以实现可靠地全向移动能力，性能较为可靠。

关键词：STM32；麦克纳姆轮；PID；编码器

Abstract

The omnidirectional mobile robot has become one of the important branches of the robot research field, and its application range is particularly wide. It can be seen from military aerospace to civilian use. The omnidirectional mobile robot has great research prospects, so it is widely accepted Researchers' research and development.

The main design task of this paper is to design a control system for the mobile transport robot's driving mechanism. This system is based on STM32 single-chip microcomputer and writes a suitable program to control four independent motors so that the robot can move omnidirectionally according to the movement direction and distance instructions.

The thesis introduces the motion principle of STM32F103ZET6 MCU and Mecanum wheel used in this graduation design. The main program of robot motion based on PID control of position loop is written by keil software. At the end of the thesis, the graduation project is summarized and some ideas for improvement are mentioned.

The control system of the driving mechanism designed by this graduation project has basically met expectations, has certain application value, can achieve reliable omnidirectional mobility, and has relatively reliable performance.

Key Words：STM32；Mecanum wheel；PID；Encoder

目 录

第1章 绪论 1

1.1选题背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内研究现状 2

1.3课题的主要研究内容及目标 2

第2章 行驶机构控制系统总体设计 4

2.1行驶机构控制系统设计总体框架 4

2.2麦克纳姆轮 4

2.2.1麦克纳姆轮原理 4

2.2.2麦克纳姆轮底盘的理想运动学分析 5

2.2.3结合实际的运动学分析的修正分析 7

2.3全向移动的驱动原理 7

2.3.1前进的实现 8

2.3.2后退的实现 8

2.3.3左移的实现 9

2.3.4右移的实现 10

2.3.5顺时针自转的实现 10

2.3.6逆时针自转的实现 11

2.3.7斜向移动（45度）的实现 11

2.3.8斜向移动（非45度）的实现 13

2.3.9曲线移动的实现 13

2.4本章小结 13

第3章 行驶机构控制系统硬件设计 14

3.1行驶机构控制系统硬件构成 14

3.2 STM32 14

3.2.1 STM32微控制器的选择 15

3.2.2 STM32F103ZET6的功能介绍 15

3.3电机 16

3.4电机驱动板 18

3.4.1电机驱动板的选择 18

3.4.2 PWM模式原理及应用 19

3.4.3电机与电机驱动板的连线 20

3.4.4电机驱动板与单片机的连线 20

3.5编码器 21

3.5.1编码器的选择 21

3.5.2编码器的工作原理 21

3.5.3编码器与单片机的连线 22

3.6电源 22

3.6.1电池组1 22

3.6.2电池组2 23

3.7本章小结 23

第4章 行驶机构控制系统软件设计 24

4.1行驶机构控制系统软件构成 24

4.2电机脉宽调制控制程序设计 24

4.3电机编码器控制程序设计 26

4.4电机位置环PID控制程序设计 29

4.4.1 PID控制介绍及应用 29

4.4.2位置环PID控制程序设计 31

4.5 USART串口通讯控制程序设计 32

4.6 CAN通讯控制程序设计 34

4.7本章小结 36

第5章 结论 37

5.1全文总结 37

5.2展望 37

参考文献 39

致谢 41

第1章 绪论

1.1选题背景及意义

移动机器人是目前机器人研究的热门领域。轮式机器人是移动机器人的重要分支之一，该类型机器人具有结构较为简单、实用性高等特点。依据其运动的特性，轮式机器人包括非全方位和全方位两种。本次毕业设计的目标是设计一种可移动搬运的全方位机器人，该机器人是一种轮式移动机器人，能够在无需改变车身姿态的情况下在二维平面上前后移动、左右移动和原地自转，因此其具有三个自由度，可以从当前位置像任意目标位置移动^[1]。

全向移动是全向移动机器人的最大特点和优势，因此其十分适合在空间较为狭小或者对机器人的机动性要求高的场景中广泛使用。基于其可以在不改变车体姿态的情况下原地回转的特点，十分适合于需要跟踪复杂的路径的场合。因此，全向移动机器人在货物搬运、物流运输等方面具有极大的潜力和应用价值。本次项目，我们团队将设计一种带有三自由度机械手臂的全向移动机器人小车，结合安置在车身上的机械手臂使之能够执行抓取等操作。本文是可移动搬运机器人行驶机构控制系统的设计环节。