摘 要

麦克拉姆轮移动机器人在物流运输，工业生产等领域中越来越多地出现，如何保证麦克拉姆轮移动机器人在运动过程中保持稳定是一大问题。本次论文主要是为了实现基于stm32编程的麦克拉姆轮小车底盘控制程序。本控制程序可以让小车在平面内进行三个自由度的自由移动，并同时保证小车运动具有良好的稳定性。

1.设计小车的硬件系统，包括STM32芯片，电机驱动器及编码器的选用，弄清小车底盘硬件的工作原理，即stm32芯片通过定时器输出PWM波实现对电机电压的控制，进而实现对电机转速的调节。同时，利用电机上的编码器以及STM32芯片定时器的编码器模式，实时读取电机转速。为了实现以上功能，对stm32定时器相应的寄存器参数进行了配置。

2.编写PID控制程序，目的是为了控制电机按照设计转速工作，让小车运动实现快速响应，在负载发生变化时能够维持运动的稳定，实现对电机转速的闭环控制。利用编码器测得的转速反馈至控制系统，得到电机转速的差速值，再通过PID控制程序计算后输出正确的PWM值实现控制对电机转速的控制。

3.对麦克拉姆轮的结构与全向移动原理进行分析，解算其逆运动学方程，通过给出的小车速度即可得知各轮的转速，从而达到全向移动的目的。再结合之前的PID控制算法，实现完整的小车底盘程序功能。

通过测试可知，本控制程序可以让麦克拉姆轮小车实现全向移动，并且小车的运动具有一定的稳定性。因此，本次项目具备一定的实用性。

关键词：STM32；麦克拉姆轮；PWM；编码器：PID

Abstract

Mecanum wheel mobile robot is emerging more and more in the fields of logistics, transportation, industrial production, etc. How to ensure Mecanum wheel mobile robot remains stable in the process of movement is a big problem. The main purpose of this paper is to realize the control program of Mecanum wheel chassis based on stm32 programming. The control program can enable the vehicle to move freely in the plane with three degrees of freedom, and at the same time ensure the rapid response and stability of the vehicle.

1. Design the hardware system of the car, including STM32 chip, the selection of motor driver and encoder, to understand the working principle of the chassis hardware, that is, the STM32 chip through the timer output PWM wave to achieve the control of the motor voltage, and then realize the adjustment of the motor speed. Meanwhile, using the encoder on the motor and the encoder mode of STM32 chip timer, the motor speed can be read in real time. In order to realize the above functions, the corresponding register parameters of stm32 timer are configured.

2. Wrote the PID control program, the purpose is to control the motor to work in accordance with the design speed, so that the car movement to achieve rapid response, when the load changes can maintain the stability of the movement, to achieve the closed-loop control of the motor speed. The speed measured by the encoder is fed back to the control system to obtain the differential value of the motor speed. Then the correct PWM value is output after the PID control program is calculated to realize the control of the motor speed.

3. The structure and omni-directional movement principle of Mecanum wheel are analyzed, and its inverse kinematic equation is solved. The rotation speed of each wheel can be known from the given car speed, so as to achieve omni-directional movement. Combined with the previous PID control algorithm, to achieve a complete car chassis program function.

Through the test, it can be seen that this control program can make the Mecanum wheel trolley realize omni-directional movement, and the motion of the trolley has certain stability. Therefore, this project has certain practicability.

Key Words:STM32；Mecanum wheel；PWM；encoder；PID

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 研究内容 3

1.4 论文的章节结构 3

1.5 小结 4

第2章 底盘硬件及电机驱动 5

2.1 底盘硬件结构 5

2.1.1硬件整体结构 5

2.1.2 控制芯片 6

2.1.3 电机驱动器 7

2.1.4 增量式光电编码器 9

2.2 电机驱动 10

2.2.1 PWM原理 10

2.2.2 PWM配置 11

2.2.3 死区问题 13

2.3 编码器测电机转速 15

2.3.1 STM32定时器编码器原理 15

2.3.2 具体步骤 16

2.4 小结 19

第3章PID控制 20

3.1 PID算法原理介绍 20

3.2 仿真模拟 22

3.3小结 24

第4章 麦克拉姆轮逆运动学分析 25

4.1 麦克拉姆轮的全向运动原理 25

4.2 麦克拉姆轮逆运动学分析 27

4.3 底盘控制算法整合 29

4.4小结 30

第5章 测试 32

5.1 小车速度稳定性测试 32

5.2 小车运动全向性测试 32

5.2.1 小车左右平移性能测试 33

5.2.2 小车旋转性能测试 33

5.3 结论 33

第6章 结论与展望 34

6.1 结论 34

6.2 展望 34

参考文献 35

致 谢 36

第1章 绪论

1.1研究目的及意义

得益于科技的不断进步，移动机器人在工业生产以及日常生活中扮演着越来越重要的角色^[1]。例如近些年来发展十分迅猛的物流行业，对物流搬运的效率与速度要求越来越高，而普通人力与普通机械无法达到行业的需求，而移动机器人可以轻松搬运大型的物件。因此，移动机器人在物流行业中越来越多地出现。有了移动机器人的参与，人们不需再从事劳累的体力劳动，可以致力于更有加轻松、更有创新性的工作中，从而提高生产力，降低工业生产的运营成本。

麦克拉姆轮小车就是移动机器人的一种。与传统的两轮差动式轮式机器人相比，麦克拉姆轮的优点是运动灵活，自由度高，拥有全方位自由移动的能力^[2]。麦克拉姆轮不需要在转向时进行重新定位，大大提高了小车运动时的效率，因此麦克拉姆轮在复杂多变的环境下也可以进行灵活的运动。由于这些优点，麦克拉姆轮在工业车间、高精度作业、运输业以及其他社会生产的领域都具有广泛地应用^[3]。

但是在实际的运动过程中，麦克拉姆轮很容易出现打滑现象^[4]。打滑会使得小车运动不稳定，可能会导致意外的发生。车轮打滑的原因有几个方面：第一个原因就是麦克拉姆轮在移动时，侧向的牵引力会使得车辆底盘弯曲，轮子与地面接触面积变小，摩擦力随之变小，因此就导致了打滑现象的出现；第二个原因是控制麦克拉姆轮的电机体质不同，在运动时容易出现轮子间车速不一样的情况，这也会导致小车的打滑；最后一个原因是麦克拉姆轮由于磨损，导致摩擦力变小，出现打滑现象。由于麦克拉姆轮的这一特性，对麦克拉姆轮小车各轮转速的准确控制就变得尤为重要。一旦各轮转速控制得不好，小车在运动时速度与方向的精确性将会大大降低。