一种基于麦克纳姆轮的全向移动底盘的控制装置的制作方法

本实用新型涉及全向移动平台的控制装置，具体涉及一种基于麦克纳姆轮的全向移动底盘的控制装置。

背景技术：

随着智能移动机器人技术的发展，为了满足小型机器人平台移动的灵活性的需求，越来越多的小型机器人底盘采用了全向轮、麦克纳姆轮等新颖的机械结构，但是这类轮子控制需要满足一定的约束条件，控制较为复杂，市面上有针对大型全向移动平台的的控制装置，但是现有的装置复杂而且昂贵，可扩展性低，也不适合用于小型平台，而针对小型全向移动平台的控制装置目前尚未有成熟的产品出现，目前小型全向移动平台多用于小规模试验、测试、验证、科研用途，需要研究一种以较小的体积、极高的可扩展性，方便与传感器、计算机等设备相连的控制装置。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种基于麦克纳姆轮的全向移动底盘的控制装置，采用4路中小功率的减速直流电机单独驱动，支持遥控手柄、无线模块、异步串口等接口，并具有i²c、spi、pwm等多种扩展接口，该装置整体体积小，支持多种传感器模块，接口的可拓展性强。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供一种基于麦克纳姆轮的全向移动底盘的控制装置，设有微控制器，包括直流电源输入接口、电源变换电路、电机驱动h桥电路、电机编码器、多个所述驱动电机、麦克纳姆轮和用于连接外部传感器设备的扩展接口；

所述电源变换电路包括：用于输出5.2v直流电压的dc-dc降压电路和用于输出3.3v直流电压的线性稳压电路，

所述直流电源输入接口与dc-dc降压电路输入端连接，所述dc-dc降压电路输出端与线性稳压电路输入端连接，所述线性稳压电路输出端分别与所述微控制器、电机编码器连接，用于给微控制器与电机编码器的供电；

所述微控制器与电机驱动h桥电路连接，所述电机驱动h桥电路与所述驱动电机连接，所述驱动电机与电机编码器连接，每个所述驱动电机单独与麦克纳姆轮连接，用于单独驱动麦克纳姆轮；

所述扩展接口与所述微控制器连接。

作为优选的技术方案，所述扩展接口包括i²c接口、异步串口、spi接口和pwm输出接口，所述i²c接口连接有oled显示屏插座和imu插座，所述异步串口连接有蓝牙模块插座和wifi模块插座，所述spi接口连接有ps2接收器插座和2.4ghz无线模块插座，所述pwm输出接口连接有舵机插座，所述微控制器设有gpio接口，所述gpio接口连接有超声波测距模块插座。

作为优选的技术方案，所述舵机插座连接舵机，所述超声波测距模块插座连接有超声波测距模块，所述oled显示屏插座连接有oled显示屏，所述imu插座连接有mpu9250九轴加速度计、陀螺仪或磁力计模块中的任一种，所述蓝牙模块插座连接有蓝牙模块，所述ps2接收器插座连接有ps2接收器，所述2.4ghz无线模块插座连接有2.4ghz无线模块，所述wifi模块插座连接有wifi模块。

作为优选的技术方案，所述直流电源输入接口并联连接有四路支路输出，分别为第一路输出、第二路输出、第三路输出和第四路输出，用于提供电源，所述电机驱动h桥电路设有第一电机驱动h桥电路和第二电机驱动h桥电路；

所述第一路输出与第一电机驱动h桥电路的控制芯片连接，所述第二路输出与第二电机驱动h桥电路的控制芯片连接，所述第二路输出用于给控制芯片供电，所述第三路输出用于外接电源设备，所述第四路输出依次与防反接二极管、dc-dc降压电路连接，所述dc-dc降压电路输出端与线性稳压电路输入端连接，所述线性稳压电路输出端分别与所述微控制器、电机编码器连接。

作为优选的技术方案，还设置有三个用于外接电源设备的扩展电源接口，分别为第一扩展电源接口、第二扩展电源接口和第三扩展电源接口，所述第一扩展电源接口与所述第三路输出连接，所述第二扩展电源接口与所述dc-dc降压电路输出端连接，所述第三扩展电源接口与线性稳压电路输出端连接。

作为优选的技术方案，还设置有用于外接io设备的扩展io接口、用于外接开关量设备的扩展按钮、用于微控制器调试的swd调试接口，所述扩展io接口、扩展按钮和swd调试接口均与微控制器连接。

作为优选的技术方案，所述直流电源输入接口还连接有直流输入指示电路和电池电压采样电路；

所述直流输入指示电路包括锂电池、第一限流电阻、电源指示灯、电源按钮和保险丝，所述直流电源输入接口的输入端接入锂电池，所述电源输入接口输出端与电源按钮公共端连接，所述电源按钮常开端与保险丝一端连接，所述保险丝另一端并联有四路支路输出，用于提供电源；所述锂电池与第一限流电阻一端连接，所述第一限流电阻另一端与电源指示灯的正极连接，所述电源指示灯的负极接地；

所述电池电压采样电路包括第一采样电阻、第二采样电阻和电容，所述第一采样电阻一端连接电池正极，所述第一采样电阻另一端与所述第二采样电阻一端串联，并连接有电压采样点，所述第二采样电阻另一端接地，所述电容并联在第二采样电阻两端。

作为优选的技术方案，所述电机驱动h桥电路连接有多个电机插座，所述电机插座设有六个输出引脚，设为第一输出引脚、第二输出引脚、第三输出引脚、第四输出引脚、第五输出引脚和第六输出引脚；

所述电机驱动h桥电路输出与所述第一输出引脚、第二输出引脚连接，所述第一输出引脚、第二输出引脚连接驱动电机的线圈，所述第三输出引脚和第四输出引脚连接电机编码器的供电电源接口，所述线性稳压电路与第五输出引脚、第六输出引脚连接，所述第五输出引脚、第六输出引脚与电机编码器的脉冲输出接口连接。

作为优选的技术方案，所述电机驱动h桥电路的控制芯片采用drv8833芯片，并且在aisen和bisen引脚均设有电流检测电阻，所述电流检测电阻一端与所述控制芯片引脚连接，所述电流检测电阻另一端接地。

作为优选的技术方案，还设置有复位按钮、8mhz晶振电路和用户指示电路，所述复位按钮、8mhz晶振电路、用户指示电路均与微控制器连接，所述用户指示电路包括第二限流电阻和用户指示灯，所述第二限流电阻一端与微控制器连接，所述第二限流电阻另一端与用户指示灯的正极连接，所述用户指示灯的负极接地。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本实用新型采用了stm32f103rct6微处理器作为主控芯片，性能强，硬件接口资源丰富，解决了传统方案中微处理器计算速度慢、定时器资源不足导致的控制效果差的问题，达到了控制响应快、精度高的效果，并且有可用于拓展其他功能的效果。

(2)本实用新型在单电路板上集成了电机驱动h桥芯片drv8833，解决了传统方案中主控芯片与电机驱动芯片之间的连线不稳定，以及电机驱动芯片发热大，需要大型散热片的问题，提高了可靠性，减小了体积，降低了成本。

(3)本实用新型采用多针脚连接器接入电池、电机等设备或者模块，解决了传统方案中采用接线端子连接电池、电机等设备或者模块拆装、维护麻烦的问题，达到了拆装、维护时快速拔插的效果。

(4)本实用新型预留有多种拓展接口可以支持多种传感器模块和通讯模块，解决了传统方案拓展口少的问题，达到了扩展性强，充分利用微控制器资源的效果。

附图说明

图1为本实施例基于麦克纳姆轮的全向移动底盘的控制装置的整体结构示意框图；

图2为本实施例微控制器电路连接示意图；

图3为本实施例拓展按钮电路示意图；

图4为本实施例dc-dc降压电路与线性降压电路输出示意图；

图5为本实施例dc-dc降压电路连接示意图；

图6为本实施例电源扩展接口电路示意图；

图7为本实施例电源开关及电源指示灯电路示意图；

图8为本实施例电压采样电路示意图；

图9为本实施例电机驱动h桥电路示意图

图10为本实施例电机编码器电路示意图；

图11为本实施例2.4ghz无线模块电路示意图；

图12为本实施例蓝牙模块电路示意图；

图13为本实施例ps2接收器插座电路示意图；

图14为本实施例wifi模块电路示意图；

图15为本实施例舵机电路示意图；

图16为本实施例oled显示屏插座电路示意图；

图17为本实施例惯性测量单元电路示意图；

图18为本实施例超声波测距模块电路示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例

如图1、图2所示，本实施例提供一种基于麦克纳姆轮的全向移动底盘的控制装置，包括微控制器、直流电源输入接口、电源变换电路、电机驱动h桥电路、电机编码器、驱动电机、麦克纳姆轮和用于连接外部传感器设备的扩展接口，本实施例的微控制器型号采用stm32f103rct6，用于发出控制电机的pwm信号、与相连的传感器以及外部设备进行通讯；

电源变换电路包括：用于输出5.2v直流电压，3a电流的dc-dc降压电路和用于输出3.3v直流电压，200ma电流的线性稳压电路，直流电源输入接口与dc-dc降压电路输入端连接，dc-dc降压电路输出端与线性稳压电路输入端连接，线性稳压电路输出端分别与所述微控制器、电机编码器连接；微控制器与电机驱动h桥电路连接，电机驱动h桥电路与驱动电机连接，驱动电机与电机编码器连接，每个驱动电机单独与麦克纳姆轮连接，用于单独驱动麦克纳姆轮；扩展接口包括i²c接口、异步串口、spi接口和pwm输出接口。

在本实施例中，i²c接口连接有oled显示屏插座和imu插座，异步串口连接有蓝牙模块插座和wifi模块插座，spi接口连接有ps2接收器插座和2.4ghz无线模块插座，pwm输出接口连接有舵机插座，微控制器设有gpio接口，gpio接口连接有超声波测距模块插座。

在本实施例中，舵机插座连接舵机，舵机插座支持3线pwm接口舵机，超声波测距模块插座连接有超声波测距模块，oled显示屏插座连接有oled显示屏，imu插座连接有mpu9250九轴加速度计、陀螺仪或磁力计模块中的任一种，蓝牙模块插座连接有蓝牙模块，ps2接收器插座连接有ps2接收器，2.4ghz无线模块插座连接有2.4ghz无线模块，wifi模块插座连接有wifi模块，其中蓝牙模块、ps2接收器、2.4ghz无线模块和wifi模块属于无线通讯模块，用于配合遥控器或者手机app遥控全向底盘；超声波测距模块用于获取底盘周围的障碍物信息，用于自动避障等用途；imu模块获取当前底盘的姿态，用于姿态矫正、定位等用途，oled显示屏用于显示操作模式、电池电压、测距结果等信息；

在本实施例中，i²c、异步串口、spi接口若不连接相应的模块，则可以单纯作为i²c、异步串口、spi拓展接口，还可以用于其他类型的底盘或者机械臂的控制。

如图2，图3所示，并结合图1所示，在本实施例中还设置有复位按钮s1、8mhz晶振电路y1和用户指示电路，其中，复位按钮s1、8mhz晶振电路、用户指示电路均与微控制器连接，用户指示电路包括第二限流电阻和用户指示灯d4，第二限流电阻一端与微控制器连接，第二限流电阻另一端与用户指示灯d4的正极连接，用户指示灯d4的负极接地，其中，用户指示灯d4采用发光二极管，用户指示灯与微控制器相连可以指示不同状态，复位按钮s1用于控制微控制器的复位；还设置有用于外接io设备的扩展io接口p6、用于外接开关量设备的扩展按钮s3、s4、用于微控制器调试的swd调试接口，扩展io接口、扩展按钮和swd调试接口均与微控制器连接，其中拓展按钮s3、s4与微控制器相连可以实现不同功能；

如图4、图5、图6所示，并结合图7，电池接入直流电源输入接口p1，提供7.4v至12.8v的电压，当电源按钮闭合，经电源按钮、保险丝之后分为四路，分别为第一路输出、第二路输出、第三路输出和第四路输出，用于提供电源，其中第一路输出和第二路输出向两个电机驱动h桥芯片供电，第三路输出接至第一扩展电源接口p2，用于外接电源设备，第四路输出经过防反接二极管d1经dc-dc电路变换为5.2v的直流电压供给舵机插座、第二扩展电源接口p3以及线性稳压电路，5.2v电压经线性稳压电路转换为3.3v直流电压，向微控制器及其外围、电机编码器以及第三扩展电源接口p4供电，防反接二极管d1用于保护dc-dc电路及低压侧的电路防止因误操作将电池反接情况下带来的损坏。

在本实施例中，直流电源输入接口还连接有直流输入指示电路和电池电压采样电路；

如图7所示，直流输入指示电路包括锂电池、第一限流电阻r4、电源指示灯d2、电源按钮s2和限流值为10a的保险丝f1，直流电源输入接口的输入端接入锂电池，电源输入接口输出端与电源按钮s2公共端连接，电源按钮s2常开端与保险丝f1一端连接，保险丝f1另一端与四路支路输出连接，锂电池与第一限流电阻r4一端连接，第一限流电阻r4另一端与电源指示灯d2的正极连接，电源指示灯d2的负极接地，其中，电源指示灯d2接在电源上指示通电；电源按钮s2采用自锁式开关，型号为xy-19a，能承受10a250vac；直流电源输入接口包含两部分，插座部分焊接在印刷电路板上，插头部分用于接导线；保险丝f1用于在严重短路或者电池反接时保护板子避免故障扩大；

如图8所示，电池电压采样电路包括第一采样电阻r2、第二采样电阻r2和电容c16，第一采样电阻r2一端连接电池正极，第一采样电阻r2另一端与第二采样电阻r2一端串联，并连接有电压采样点，第二采样电阻r2另一端接地，电容c16并联在第二采样电阻r2两端。

如图9所示，本实施例电机驱动h桥电路的控制芯片采用drv8833芯片，本实施例采用两个控制芯片，其支持电源电压范围为7.4v至12.8v，即支持2串至3串锂离子电池，并且在两个控制芯片的aisen和bisen引脚均分别设有电流检测电阻r11、r12、r13、r14，电流检测电阻一端与所述控制芯片引脚连接，电流检测电阻另一端接地，电机驱动h桥电路用于提供驱动电机运转的电流，并配合电流检测电阻提供电机异常保护功能，当电机电流流经电流检测电阻，产生正比于电流的电压，h桥芯片内部将此电压与基准电压进行比较，当大于0.2v的阈值时将短暂关闭输出以限制电流。

如图10所示，电机驱动h桥电路连接有多个电机插座p15、p18、p21、p23，所述电机插座设有六个输出引脚，采用6pinph2.0接口，设为第一输出引脚、第二输出引脚、第三输出引脚、第四输出引脚、第五输出引脚和第六输出引脚；

电机驱动h桥电路输出与第一输出引脚、第二输出引脚连接，第一输出引脚、第二输出引脚连接驱动电机的线圈，第三输出引脚和第四输出引脚连接电机编码器的供电电源接口，为3.3v和gnd引脚，线性稳压电路与第五输出引脚、第六输出引脚连接，第五输出引脚、第六输出引脚与电机编码器的脉冲输出接口连接，分为a、b相。

如图11所示，2.4ghz无线模块m1采用nrf24l01芯片；如图12所示，蓝牙模块m2采用hc-05蓝牙无线模块；如图13、图14、图15、图16所示，并结合图2所示，ps2接收器插座p13与微控制器的sck、cs、mosi、miso引脚相连；wifi模块m4的数据接收与传送接口与微控制器的wlrmrx、wlrmtx引脚相连，舵机插座p5、p7、p8、p11、p14与微控制器的sv1-sv5引脚相连，oled显示屏插座p16与微控制器的sda、scl引脚相连；如图17所示，imu(惯性测量单元)m3采用mpu6500芯片；如图18所示，并结合图2所示，超声波测距模块插座p24通过gpio接口与微控制器的trig、echo引脚相连。

在本实施例中，微控制器负责接受输入信号，并输出控制信号驱动扩展的硬件模块，电机驱动h桥接受微控制器的pwm信号驱动电机转动，同时配合电流检测电阻实现过流、过热等保护。电机插座包含6根线，分别是一对电机线，连接h桥输出与电机线圈，一对接入3.3v电源向编码器供电电源，一对编码器输出，分为a、b相，其输出的脉冲信息包含了电机转动的角度和方向信息，脉冲信号经过低通滤波电路流向微控制器输入管脚，作为电机运动状态的反馈。

本实施例的微控制器中运行的配套的程序基于现有的控制信息解析、麦克纳姆逆运动学解算算法、pid算法进行控制，以下为控制过程的示例：

s1、微控制器上电时复位或手动复位后，进行一系列初始化，并确定操作模式，具体是测试模式、ps2遥控模式还是蓝牙遥控模式，在初始化完成后，还可以控制用户指示灯d4闪烁2下指示系统正常，若接入了oled显示屏，还可以在oled显示屏显示欢迎信息、电池电压、超声波测距模块测距结果和确定好的操作模式；

微控制器周期性地执行下述s2至s10步骤，具体为：

s2、微控制器控制4个电机按照一定规律转动用于检测电路是否能够正常工作，接收电机上ab相编码器的信息，得到当前轮子的速度；

s3、根据操作模式的不同，从不同的渠道获取速度信息，

如果为ps2遥控模式则从ps2接收机接收其中的速度信息，包括底盘x轴平动、y轴平动、yaw轴自转的目标速度；如果是蓝牙遥控模式则通过串口接收由蓝牙模块传输的速度信息；如果是测试模式则设置三轴的目标速度；

s4、通过现有的逆运动学公式解算出4个轮子各自的目标速度值，公式如下:

其中，分别为右上、左上、左下、右下4个电机的目标速度，为底盘y轴平动的目标速度，定义向前为正，为底盘x轴平动的目标速度，定义向右为正，ω为底盘yaw轴自转的目标角速度，定义逆时针为正，a和b分别为轮子中心到底盘中心的水平距离和垂直距离，在这里为了便于计算默认取a+b＝1；

s5、执行pid算法，输入为步骤s2和s4计算得到的的数据，即4个轮子的当前速度和目标速度，输出为各个电机需要的pwm信号占空比值；

s6、根据s5中的结果，设置输出pwm信号的占空比，将输出pwm信号送至h桥芯片以控制电机转动的方向和速度；

s7、通过电池电压采样电路监视电池电压，若连接了oled显示屏则不断刷新屏幕显示系统状态例如电池电压，若监测到电压低于阈值(7.0v)则进入保护模式，控制电机停止旋转并闪烁指示灯提示用户；

s8、读取超声波测距模块测距结果，若连接了oled显示屏则显示测距结果；

s9、通过改变pwm接口的pwm信号占空比，可以控制舵机；

s10、如果连接了imu模块，则读取imu模块计算出的欧拉角，根据其中的实际yaw角度与目标yaw角度进行对比，得到底盘因轮子打滑等因素造成的偏斜的误差，然后计算用于矫正所需的yaw轴速度与从遥控中获取的yaw轴速度进行叠加以矫正偏差。

本实施例基于麦克纳姆轮的全向移动底盘的控制装置的高度可扩展性体现在，蓝牙模块插座上与微控制器异步串口2(usart2,以下简称串口)相连，若不采用蓝牙接收控制信息，则串口可以连接计算机或者其他微控制器，实现对该装置所连的底盘进行控制，若不通过串口进行控制，则可以将串口作为扩展接口，连接其他支持串口的模块或者设备；同理地，如果不需要连接oled显示屏或者加速度计，则相应的i²c接口可以成为连接其他模块或者设备的端口；同理地，如果不需要连接ps2游戏手柄或者2.4ghz模块，则相应的spi接口可以成为连接其他模块或者设备的端口；同理地，如果不需要连接舵机，则相应的pwm接口可以成为pwm输出口、pwm输入口或者普通io口；同时板卡上留有2个按钮，8路普通io，直接与微控制器相连，可以根据需要进行扩展；同时，板卡上留有输出为7.4v(或12v，取决于供电电压)、5.2v及3.3v电压的电源拓展口各4组，方便对扩展的模块或装置供电。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。