林尚义-校本课程实施方案

本科毕业设计·论文


摘 要

作为移动小 车而开发的移动机构种类已相当繁多，仅就地面移动而言，移动机构
就有车轮式、履带式、腿脚式、躯干 式等多种形式，适应了各种工作环境的不同要求。
全向移动小车的全方位轮具有平面内三个自由度，可 同时独立的前后、左右和原
地旋转运动，可在不改变自身位姿的情况下向任意方向移动。借助于横向移动 和原地
回旋的特性，全方位运动平台还可方便的穿梭于狭窄拥挤空间中，灵活完成各种任务，
相 比传统移动平台有明显优势。
本综述论文首先分析了全向移动小车在国内外的研究简史与应用现状；对 现使用
较为广泛的全向轮进行综述对比；重点对当前主流轮式全向移动小车按照其机械结
构、硬 件模块、软件分析进行分类整理，总结论述了全向移动小车的三种控制方式；
最后对全文进行归纳总结， 展望了轮式全向移动小车的发展方向。
本综述论文在借鉴国内外的研究成果上，较为完善的总结了全向 移动小车体系结
构，为以后深入研究轮式全向移动平台的广泛应用提供理论参考依据。

关键字：麦克纳姆轮；全方位移动小车；车底安全检查














I

本科毕业设计·论文


Review of wheeled omni-directional mobile vehicle architecture
Student：CHEN Feng-jun Teacher：XU Jian-yu
Abstract：As the development of moving mobile car types of institutions has been quite
extensive, only the ground moving, the moving mechanism had wheels, crawler, legs, torso
and so on, adapted to the different requirements of various work environments.
Moved car full omni-directional wheel having a plane of the three degrees of freedom,
which can separate front, left, and rotational movement in situ, can be made without
changing their posture in the case move in any direction. In situ by means of maneuver and
lateral movement characteristics, full-motion platform can be easily shuttle in the narrow,
flexible, complete a variety of tasks, compared to traditional mobile platform has obvious
advantages.
This review analyzes the omni- directional mobile car at home and abroad Brief
History of Research and Application Status; right now the more widely used
omni- directional wheel summarized comparison; focusing on the current mainstream
wheeled omni- directional mobile car according to its mechanical structure, hardware
modules , software analysis carry out classify collate, summarize discusses the
omni-directional mobile trolley's three kinds control mode; Finally pairs of full-text carry
on summarized, prospected wheeled omni-directional mobile car direction of development.
This review paper drawing on the research results at home and abroad, the more
perfect summary of the whole architecture of the mobile car for future in-depth study
wheeled omni-directional mobile platform widely used to lay a good foundation.

Keywords: Mecanum wheel; omni-directional mobile robot; vehicle safety inspection








II

本科毕业设计·论文


目 次

摘 要 ................................................ .................................................. ................................. I
Abstract . .................................................. ........................................... 错误！未定义书签。

1 引言 ......................... .................................................. .................................................. ... 1
1.1 课题研究的背景和意义 ......................... .................................................. .............. 1
1.2 课题研究的主要内容和工作 ............ .................................................. ................... 1
2 全向移动小车研究简史与应用现状 ..... .................................................. ...................... 2
2.1 国外研究 ............ .................................................. .................................................. . 2
2.2 国内研究 ................................. .................................................. .............................. 2
2.3 应用现状 .... .................................................. .................................................. ......... 3
2.4 本章小结 ......................... .................................................. ...................................... 5
3 轮式全向轮的研究综述 ....................................... .................................................. ........ 6
3.1 正交轮系 .......................... .................................................. ..................................... 6
3.2 Rover轮系 .......................................... .................................................. ................... 6
3.3 球轮系 ................ .................................................. .................................................. . 6
3.4 Mutual YoYo轮系 ........................ .................................................. ......................... 7
3.5 偏心轮系 ......... .................................................. .................................................. .... 7
3.6 Mecanum轮系 ......................... .................................................. .............................. 7
3.7 本章小结 .... .................................................. .................................................. ......... 8
4 主流轮式全向移动小车体系结构 ................ .................................................. ............... 9
4.1 机械结构 ................... .................................................. ............................................ 9
4.1.1三轮结构 .................................... .................................................. .................. 9
4.1.2四轮结构 ............... .................................................. ....................................... 9
4.1.3两者比较 .................................... .................................................. ................ 10
4.2 硬件控制模块 ............... .................................................. ...................................... 11
4.2.1主控制器模块 .................................. .................................................. .......... 12
4.2.2传感器模块 ..................... .................................................. ........................... 13
4.2.3次硬件模块 .... .................................................. ............................................ 13

III

本科毕业设计·论文


4.3 软件分析 ..................................... .................................................. ........................ 14
4.3.1单片机软件分析 ..... .................................................. ................................... 14
4.3.2DS P软件分析............................................. .................................................. 15
4.4 三种控制方式 ................................ .................................................. ..................... 16
4.4.1全向自主模式 ......... .................................................. ................................... 17
4.4.2全向循迹模式 .................................. .................................................. .......... 18
4.4.3遥控传感模式 .................... .................................................. ........................ 19
4.4.4各控制模式综合 ..... .................................................. ................................... 19
4.5 本章小结 ............................................. .................................................. ................ 19
5 轮式全向移动小车结论与展望 ......... .................................................. ........................ 20
5.1 结论............ .................................................. .................................................. ....... 20
5.2 展望............................. .................................................. ........................................ 20
5.2.1车底安全检查 .................................. .................................................. .......... 20
5.2.2航天器制造业 .................... .................................................. ........................ 20
5.2.3高空作业平台 ...... .................................................. ...................................... 21
5.2.4空间重负荷平台 ................................. .................................................. ....... 21
致 谢 ............................... .................................................. ................................................. 22

参考文献 ................................. .................................................. ......................................... 23
附 录 ................................................ .................................................. ................................ 25
IV

本科毕业设计·论文


1 引言
1.1 课题研究的背景和意义
随着电子通信与机电控制等技术的高速发展，人们已经开始并不断的尝试将智能
小车或机器人等高效率的工具引入我们工业的各个领域。现在，作为移动小车而开发
的移动机构 已相当繁多，仅就地面移动而言，移动机构就有车轮式、履带式、腿脚式、
躯干式等多种形式，适应各种 工作环境要求。车轮式移动机构尤其突出，逐渐成为移
动小车的重要组成部分之一。
对于普通 的轮式移动机构，转弯都需要一定的旋转半径，在狭小的空间常因无法
横向移动而失去作用，这在一定程 度上限制了轮式移动小车的使用范围。而轮式全向
移动小车的车体无需做出任何转动，便可实现前后、左 右和自转3个自由度运动，成
为轮式移动机构的主要发展趋势。
全向移动小车以Mecanum 全方位轮（Omni- directional wheel）研究 最多。全方
位移动小车就轮结构布局而言，以结构支撑稳定可靠、各轮负载较均匀、运动平稳、
易于控制等优点的四轮结构在实际应用最为广泛。研究表明麦克纳姆轮全向移动小车
在运动及转位方面灵 活，不受运动空间空间，可应用于生活、物流、工业和机器人等
多个领域，有广阔的应用前景。
1.2 课题研究的主要内容和工作
本课题研究内容主要有：整理当前主流轮式全向移动小车 的体系结构（机械、硬
件、软件）与应用现状。主要工作如下：
1）根据轮式全向移动小车体 系结构，整理出当前轮式全向移动小车体系结构的
机械、硬件、软件和移动小车的应用现状。
2）参照国内外已有实例，提出适用于车底安全检查应用的小型小车体系结并论
证此体系结构有效性。
3）搜集国内外文献，整理此领域1980年代以来研究简史。
4）简单预测本领域未来的研究发展方向。
5）查找本领域的主要研究机构及其研究子领域内容和研究现状；
本领域主要国际期刊及其关注的子领域内容；
本领域主要国际会议的网址、提交会议论文方式。
1

本科毕业设计·论文


2 全向移动小车研究简史与应用现状
目前移动机构的使用最广泛且最可靠的就算轮式移动小车了。相对于 目前亦有应
用的其他移动形式(履带式、蛇行式、腿足式等)而言，移动小车运动效率高、载重能
力强、机械结构稳定等优点可满足大部分工业环境使用要求。且小车的结构丰富、驱
动控制相对简单、 运动灵活、行进速度相对较高而倍受青睐
[1-4]
。因此，国内外相关研
究机构对此 作出广泛的研究。
2.1 国外研究
对于全方位移动机器人的研究工作，国外已有相当多的 研究机构进行了广泛的研
究，全方位移动机器人大致可以分为6类,美国、德国、日本等发达国家在此领 域上
属于领先地位（具体分析参见第三章）。
2.2 国内研究
我国自上个世纪八 十年代，才开始对Mecanum轮的研究工作。研究主要集中在
Mecanum轮结构与机理分析上， 主要研究机构包括清华大学、国防科技大学、浙江大
学、中国科学院等高等院校和国家科研机构。
上海大学研制的全方位越障爬壁机器人可以在保持姿势不变的情况下，沿壁面进
行全方位 移动，并能跨越运行路径中的障碍物。该机构结构简单，不需要传感装置来
检测障碍。
江南大学的高春能，纪志成研制一种定制使用单排万向行走轮的新型全方位移动
机器人，见图 2-1。付宜利、王树国等进行了全方位轮式移动机器人平台研究，提出
了一种新型轮式移动机器人结构 ，见图 2-2。

图 2-1单排万向行走轮 图 2-2 全方位轮式移动机器人

2

本科毕业设计·论文


浙江大学张翮、熊蓉、褚健
[5]
和哈尔滨工业大学的闫国荣， 张海兵各研究一种在
结构复杂程度、承载能力和效率方面都有所改进的新型全方位轮式移动机构，即双排
万向行走轮
[6]
，见图2-3
。

图 2-3双排万向行走轮与全方位移动足球机器人
北京中国科学院自动化研究所研制的全方位移动机械手，该全方位移动机械手主
要由3 个轮间夹角互为 120°的偏心方向轮构成。其他的还有沈阳中国科学院自动化
研究所的刘开周，孙茂 相，董再励对一类正交轮全方位移动机器人不确定扰动数学模
型进行了研究。
2.3 应用现状
全向移动机器人可以实现前后、左右、左前、右前、左后、右后、逆时针、顺时
针的 平稳运动
[7]
等优点，在各种比赛、生活、物流、工业上都具有普遍应用。
全向移动机构在足球机器人的比赛上已有相当的研究应用，以日本Keio 大学
Eigen队 、Kanazawa理工大学Winkit队，和德国的Freie大学FU－fighter队、Stuttg art
大学Cops Stuttgart队实力较强。

图2-4 足球机器人踢足球过程
国内足球机器人（如图2-4）的中型比赛在近年来发展迅速。以国防科技大学 的“猎
豹队（NuBot）”为例，该队早在2001年起就开始参加国内足球机器人运动比赛，技术发展到今日，已能代表国内的最高水平，但与国际上的最高水平还有一定的差距
[8]
。

3

本科毕业设计·论文


在生活 领域，将全方位轮应用在轮椅上，使轮椅具有全方位移动的能力，能更好
的适应室内狭窄空间的特点，提 高了行动不便人士的行动能力，见图2-5。

图2-5全方位运动轮椅
[9]
图2-6 Mecanum轮叉车

在物流领域，使用叉车可以方便的搬运货物，但传统的叉车仅具有两 个自由度，
无法横向移动和零半径旋转，如需移动则要占用较大仓库存储空间，这样既浪费仓储
空间又增加存储成本。采用全向轮构成的叉车系统具备全向移动的能力，既提高了叉
车运行效率，又提高 了仓库的空间利用率，降低仓储成本。例如：中国人民解放军装
甲兵工程学院与美科斯叉车公司合作开发 了如图2-6所示的全方位运动叉车。
在工业领域上，移动机器人已广泛应用于工厂监控、车间检查以 及仓库搬运等重
复、繁重的体力劳动，像深圳富士康就已经开始引入机器人代替人工劳动。经济的发展，更使得机器人市场日益扩大，如在移动机器人本体上安装麦克纳姆轮就可以达到
在狭小空间上自 由灵活的运动的目的，产生巨大的经济效益。
例如：自动引导车（AVG）可以实现生产物料搬运自动 化，将Mecanum轮应用
在AGV上就可以使其在狭小的空间灵活工作，提高搬运效率，节省存储空 间，有着
广泛的应用前景，如图2-7所示。

图2-7 基于Mecanum轮的AGVS
[10]



4

本科毕业设计·论文


另外，全向移动机构由于自身的转 位运动灵活，且能在狭隘的空间中自由运动，
全向移动小车还广泛的应用于火灾救援、自动化工厂的物流 系统、核辐射和易爆炸物
的处理、军事侦察等场合。
2.4 本章小结
本章主要小 结了本领域自1980年以来，国内外对此相关领域的研究简史，以及
对各种类型全向轮的研究改进，获 得成功，并研发出相应的移动平台应用于工业现场
和现实，方便群众生产和生活。























5

本科毕业设计·论文


3 轮式全向轮的研究综述
轮式全向移动机构是指移动机构以全向轮作为驱动部件，在二维平面上具有从当
前位置沿任意方向运动的能力。其机械部分最重要的就是全向轮，常见的全向轮及其
应用主要分 为如下6类：
3.1 正交轮系
如图3-1，正交轮
[10]
是由两个形 状相同的球形轮子各切去一部球冠的球组成，通
过球心的支撑轴垂直于被切去球冠，支撑轴固定在一个框 架上。澳大利亚昆士兰大学
RoboRoos 2001机器人用的就是正交轮
[11]
，如图3-2所示。

图3-1 正交轮模型

图3-2 正交轮

3.2 Rover轮系
Rover 轮将驱动与转向功能集成在一个轮子上完成，并将驱动电机放在轮子中。
如斯坦福大学的 Oussama K 研制的全方位移动操作机器人轮子为 3 个Rover 轮
[12]
。
3.3 球轮系
球轮是由滚动球、滚子支撑杆、和一系列驱动滚子组成
[13]。在底盘上固定滚子
支撑杆，在一个绕球体中心转动的支架上固定驱动滚子。每个球轮上的驱动滚子 是
单独由一个电机驱动，使球轮绕驱动滚子所构成平面的法线转动，同时也可以绕垂
直的轴线自 由转动。
6

本科毕业设计·论文


3.4 Mutual YoYo轮系
如图3-3所示，Mutual YoYo轮(即MY轮)由两个切去球 冠和中间部分的球体组
成，这两部分球共同由1个旋转主轴，与各自的被动旋转主轴成45°交叉分布。 这种
轮的结构可分为接触区和非接触区，通过优化接触区的距离和MY轮的转速来减少运
动误差
[14]
。

图3-3 MY轮基本结构
3.5 偏心轮系
偏心万向轮在轮盘上采用不连续滚子的切换运动方式，安装有该轮子的移动机
构在换向和运动的 过程中和地面的接触点都不改变，在运动过程中机构的震动的概
率减少为零，同时打滑现象减少发生。
新加坡国立大学的Li YP与M H Jr Ang研制的全方位移动操作机器人，该全方位
移动机器人的轮子为4个偏心轮。
3.6 Mecanum轮系
麦克纳姆轮即为瑞典Mecanum公司的专利发明，当轮子绕着固定的轮心轴转 动
时，各个小辊子的包络线为圆柱面，能够连续地向前滚动。

图3-4 麦克纳姆轮
7

本科毕业设计·论文

< br>单个Mecanum的外形装有多个能够自由转动的鼓形辊子，辊子的轴线与轮毂的
轴线成α（通 常为45°）角度。这样的全向轮结构紧凑，运动灵活，具备了前后、左
右、自转三个自由度运动，是很 成功的一种全方位轮（图3-4）。

图3-5 Uranus机器人
起初麦克纳姆轮装载的轮子为四轮结构，美国卡耐基-梅隆大学的Patrick
在1987年研制成首个基于Mecanum 轮全方位移动机器人“Uranus”
[15]
(图3-5所示)。
布尔诺大学的Bohumil Honzik在2003年研制四 Mecanum 轮全方位助残车
[16]
澳大利亚西部大学的Thomas Braunl运用 EyrBot 内核研制的四 Mecanum 轮全方位
移动小车，如图3-6所示。后来马赛诸塞大学 Olaf 和 Diegel 在 2002 年研制的小
辊子与大轮子的夹角可调的 Mecanum 轮移动小车
[17]
，如图3-7所示。

图 3-6 普通 Mecanum 轮小车 图 3-7 变结构 Mecanum 轮小车
3.7 本章小结
本章主要综述了全向移动小车6种全方位轮应用于移动小车的研究领域，对比研
究发 现Mecanum轮承受能力强，安装麦克纳姆轮的全向移动小车的车轮与悬挂位置
相对固定，无需独立 的转向机构，仅利用各轮的转速和转向的配合就可以实现全方位
移动功能，系统结构简单、可靠，控制相 对简单，在实际使用中最为广泛。



8

本科毕业设计·论文


4 主流轮式全向移动小车体系结构
轮式全向移动小车体系结构主要由移动小车机械、硬件、软件组合而成 。机械部
分根据移动小车的控制功能可选择三轮或四轮结构；硬件部分根据机械布局选择合适
的 硬件配置，拟实现预期功能；软件部分根据移动小车的机械构造和硬件配置，编程
实现移动小车的全向移 动功能。
4.1 机械结构
纵观前人的研究成果，可知当前主流的轮式全向移动小车按照车 轮的数目一般采
用三轮或四轮结构。回顾轮式全向移动小车研究已取得的主要成果，按车轮数目对三轮结构和四轮结构进行分析总结。
4.1.1三轮结构
在三轮结构中，主要是MY轮全 向移动小车。MY轮（见3.4小节）全向移动小
车的是一种全新的全向移动工具，主要零部件包括驱动 轮、主动轴、被动轴及移动平
台等。见图4-1，三轮结构中轮子相互之间夹角为120°分开布置在移 动平台上，分别
由3个直流伺服电机同步带驱动。运用球体的运用原理，通过两局部球体接触区与非接触区的相互补充来实现万向移动功能。

图4-1 MY轮全向移动平台
4.1.2四轮结构
四轮结构主要采用Mecanum车轮布局，如图4-2所示，根据小车 机械系统结构可
分为全向轮系，底盘，缓冲装置，四个全向轮分别由四个电机独立控制。车体各轮间通过转速和旋向的配合即可实现移动小车的全方位运动。
9

本科毕业设计·论文



图4-2 Mecanum四轮全方位移动平台机械结构

考虑实际路面的平整性，还需在移动平台上安 装缓冲机构，保证移动机构的四轮
与地面的可靠接触。为减少平台的振动，可在辊子与其转轴之间填装滚 珠轴承，以降
低运行时的噪声。
4.1.3两者比较
采用三轮结构的三个轮一般按120°分布排列，共有三种驱动方式：
（1）前轮由电机实现转动，后轮驱动；
（2）小车的驱动和转向都由前轮实现；
（3）前轮为万向轮，后轮各有一个电机驱动，实现差速转动。
在实际应用中可根据具体环境要求来选择合适的控制方式，以达到预期目标。
其特征是采用三 轮结构，平台结构上采用板柱结构，各层采用支撑杆及螺丝连接，
车轮采用球体运动原理，通过局部球体 接触区和非接触区的相互补充来实现万向移动
的功能。
采用三轮结构的优点：在足球机器人的 比赛中，移动平台运动快速灵活，控制简
单，进攻性强等。
采用三轮结构的缺点：三轮结构仅 仅在实验室或各种足球机器人比赛中使用较为
广泛，在现实生活中使用不广泛。
采用四轮结构 一般采用Mecanum轮结构，Mecanum轮承载能力较强，安装与悬
挂位置相对固定，无需独立 的转向机构，仅是利用各轮上的无刷直流电机通过软件对
电机的转速和转向进行编程控制即可实现全方位 移动功能。
在四轮结构中的特征是轮子有多种布置方式，王一治
[18]
在分析四轮 机构的全方位
运动条件时建立其运动学模型，并列举分析了具有代表性结构布局形式。

采用四轮结构的优点：移动小车的载重能力强，系统结构较三轮结构简单、可靠，
控制相对容易。
10

本科毕业设计·论文


采用四轮结构的 缺点：四轮小车体系结构在运动控制方面较三轮结构难分析，移
动小车还存在车轮侧滑现象，车体不稳等 现象。
根据以上对比可知，具备三轮结构的全向移动小车在足球机器人的比赛上研究较
为深入 ，但在现实生活中，四轮机构的Mecanum轮移动小车承载能力强，通过软件
编程就能实现小车全向 移动功能，使用最为广泛。
4.2 硬件控制模块
移动小车无论是三轮结构还是四轮结构， 要实现全向移动功能，就需要硬件配以
控制电路进行控制。硬件电路上的所需的基本硬件都大体相似，包 括一些主控模块，
电源管理模块，电机驱动模块，通讯模块等，图4-3 为四Mecanum轮移动平 台硬件
架构
[8]
，
以下仅取关键硬件展开论述。

加速度与转速传感器 无线串口 上位PC机
电源
按键输入
DC
模块
主控制器
电机驱动板 电机驱动板
三维手柄
LCD
电机驱动板 电机驱动板
无刷直流电机 无刷直流电机 无刷直流电机 无刷直流电机
伞齿轮箱 伞齿轮箱 伞齿轮箱 伞齿轮箱
MecanumMecanumMecanumMecanum
轮

轮

轮

轮


图4-3基于Mecanum轮移动平台硬件架构
11

本科毕业设计·论文


4.2.1主控制器模块
主控制器模块是根据人机交互模块(或上位机)输入的运动要求和四轮驱动电机的
转向、转速、电流反 馈来重新控制四轮驱动电机的转速，以实现转速闭环控制。主控
制器主要采用DSP、PLC或者单片机 对小车本体进行运动控制，各不同的控制器适用
于不同的控制环境，各有优缺。
采用DSP作 为系统的主控制器可以增强系统的扩展和灵活性，可以根据环境的需
要选择不同型号的DSP，使用型号 为TMS320F2812 DSP作为主控制器时，由于其高
速浮点运算，可以大大的提高程序上数据 处理能力。该型号处理器还能实时测出移动
小车在运动过程中加速度、转向姿态角和车轮角加速度，利用 DSP的UART模块和
MAX232芯片实现串口通信，满足小车的定位导航要求
[8]。
还有一种是配以型号为TMS320LF2407A
[19,20]
的DSP 作为主控模块的微处理器，
采用蓝牙模块进行无线通讯，由数字信号处理器(DSP)单独驱动电机。每 个DSP都发
出两路独立的PWM信号对两个电机进行控制。DSP之间通过控制器局域网(CAN)总
线进行通讯，传输上位机指令、反馈速度信号及传感器数据（见图4-4）。
RS232
CAN
RS232
蓝牙无线
通讯模块
DSP1
驱动1 驱动2
DSP2
驱动3 驱动4
红外线
传感器
射门系统
电机1 电机2 电机3 电机4
控球驱动
控球电机
码盘1 码盘2 码盘3 码盘4

图4-4 机器人硬件系统整体结构
采用ARM7 LPC213x+AVR Mega16单片机的多级主从结构，软件和硬件都采用模块化设计方法设计可以完成一种小巧、灵活的智能型全向移动机器人电控系统
[21]
。

12

本科毕业设计·论文


主控 模块可根据具体的任务需要选择主处理器，如果想要从最终的精确运动控制
角度讲就要性能较好的DSP 处理器，在完善的检测控制电路上实现闭环反馈控制。
DSP处理器有多种型号，TMS 320F2812装置采用双电源设计，实时性好，功耗
低，体积小，集成度高，具有很强的可扩展性， 能够满足多种工业应用。

TMS320LF2407A 稳定性好、处理能力快，外围接口丰富，功耗低，集成了多种
控制器外设，带有 CAN 通讯模块，串口通讯模块，适合作控制模块，是一种高性能、
高精度处理器，应用前景较为广泛。 采用PLC作为主控制器在工业上有抗干扰、抗震动工作可靠的优点，但其编程的
灵活性较差，系统 扩展性不足。
如果仅是为了通过控制电路来直观的测试Mecanum全向轮的全方位运动功能，可以选用单片机（MCU）控制实现开环应用。
4.2.2传感器模块
为实现机器人智 能控制，需以传感器系统来实现视觉或接近觉功能，而实现感知
功能的有多种传感方式：
1）采用CCD摄像头进行图象采集和识别方法，但在大体积系统中使用不便。
2）基于检测对象表面，电容传感器发生电容变化，产生电压变化，便于控制。
3）根据波在传播过程中所受到的影响来检测物体的接近程度的超声波传感器。
4）红外反射 式光电传感器，它包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用
作接收器的固态光敏二极管（或光 敏三极管）
[22]
。
在实际中，如传感器要感知的对象是物体的接近程度，可选用 红外线反射式光电
传感器，这种传感器与精确的测距系统有相似之处，但又有不同，如果是实现小车寻< br>迹，可使用较简单的接近传感器。如果想得到清晰的探测结果，就需采用CCD摄像
头进行图像采 集和识别，例如：在小车的车底安全检查中就是需要这种传感器来完成
检查任务。如果仅是为了探测前方 障碍物的有无，使用超声波传感器就可以满足要求
了。总之，根据具体环境选用合适的传感器来实现具体 功能。
4.2.3次硬件模块
控制电路上的硬件模块除了主控模块和传感器模块外，还有电 动机模块、驱动模
块、电源模块、通信模块等。
驱动器通常情况下可采用直流电机、步进电机 和舵机等几种类型。这几种电机都
有各自的优缺点，通过分析对比几种电机的优缺点可选择符合要求的电 机，见表4-1。

13

本科毕业设计·论文


表4-1 不同类型电机的优缺点比较
类型

直流电机 步进电机 舵机
型号多、购买容易、功型号多、易购得、接口简型号多、价格便宜、接
优点 率大、接口简单、调速单、价格便宜等。
容易等。
口简单、功率中等、内
部带齿轮减速器。

缺点
结构复杂、价格 较贵、精度差些、容易失步、功负载能力低、速度调节
电流通常比较大、控制率与自重比小、电流通常范 围小、维护复杂等。
相对复杂等。 较大、体积较大、负载能
力低、功率小等。
直 流电机虽然结构复杂，价格偏贵，但转矩大、调速范围大、低速运动平稳及力
矩波动小等优点，可作为该 全方位移动小车的驱动器。
系统的硬件结构上还有电源管理模块负责平台电源，反馈电供电状态，完成 过流、
欠压、过压保护和电池电量监控等功能。本文限于篇幅，其他硬件模块不详述。
4.3 软件分析
4.3.1单片机软件分析
如果使用STC89C52单片机作为主控模块，选用 两只TCRT5000型光电对管红对管，
分别置于车身前轨道的两侧，两只光电开关根据接受到白线与 黑线的情况来控制小车
调整车向，根据主程序流程图4-5，编写程序。
启动
躲避障碍物
循迹
N
Y
检到轨迹
N
检测到停止
线？
Y
停止
图4-5 主程序流程图

14

本科毕业设计·论文


4.3.2DSP软件分析
采用DSP作为主控模块，根据系统运动模型分析和硬件设计，编 写DSP软件,
流程图如图4-6所示。DSP对无线方式接收到的数据,根据协议进行处理,提取出运 动
方式和相关参数,调用各运动模式子程序,以完成相应位姿运动；同时也将采集到的速
度值经 过无线模块传送给上位机，以便进行数据处理、比对和监控。
开始
初始化
Y
收到停止信号？
N
提取运动参数
选择运动方式
平移运算 边平移边转身运算 旋转运算
电机驱动
电机停止
结束

图4-6 DSP主程序流程图
15

本科毕业设计·论文


4.4 三种控制方式
轮式全向移动小车通过全向视觉摄像机和图像采 集模块360°观察。主控模块通
过PCM-8150处理图像，以实现决策功能。运动控制模块上采用 以TMS320F2812为
核心的DSP通过RS232与运动控制卡进行通信，通过速度负反馈和P ID控制算法，
采用PWM方式控制四路电机以实现全方位运动。另外，移动小车还可以通过无线通讯模块实现无线遥控
[23]
。以下先对全向移动小车进行运动学分析，进而引出全向移动
小车的三种控制方式。

图4-7 Mecanum轮机器人的结构
Me canum轮移动小车的车轮布局如图3-7所示。设机器人的广义速度为(v
x
，v
y
，
ω
z
)
T
，(ω
1
，ω
2< br>，ω
3
，ω
4
)
T
表示各轮的转速。辊子轴线与轮毂 轴线的夹角为α，小车的
半车长和半车宽为L和ι，车轮半径为R。
根据运动学分析，Mecanum轮机器人的正运动学方程为：

tan


v
x



v
y


R

1

4

1



z




l
0
逆运动学方程为：
tan

1
1

l
0
tan

1
1

l
0



1

tan




2
1

< br>·······························（1）

< br>3
1



l
0



4



1

cot

< br>
2

cot

1




3

R

cot


4

cot



1l
0

v
x


1l
0

 
v
y

······························ ············（2）

1l
0


z



1l
0


16

本科毕业设计·论文


其中：
l
0lLcot

，从式(1)和式(2)可以看出v
x
、v
y
和ω
z
分别取不同的值可以实
现机器人的全方位运动。
4.4.1全向自主模式
移动小车在全向自主模式下，根据全向摄像机检测到的环境信息，在 简单、光照
明亮、干扰少的环境下自主的进行路线规划，以实现智能控制运动。

图像采集
预处理
建立目标
图像分割
颜色库
目标识别，自定位
控球？
N
Y
N
球门较远？
Y 距离较远？
N
N
正对球门？
Y Y
带球
运动
向球
运动
调整
姿态
调整
姿态
直接
射门

图4-8 足球机器人全向自主控制流程

17

本科毕业设计·论文


全向自主控制模 式以足球机器人为例，控制流程如图4-8所示。整个流程分图像
处理和运动决策两部分，图像处理过程 中，全向摄像机实时获取场地的图像信息，在
动态存储空间上完成颜色转换；然后经过离线建立的目标颜 色特征库，对比进行颜色
分割、滤波和区域融合，剔除干扰；最后通过颜色匹配，识别出场地上的球门和 球并
计算出目标与机器人的距离和角度后进入运动决策流程。进行决策后就做出相应动
作，完成 比赛任务。
4.4.2全向循迹模式
在全向自主模式下，机器人要实现全自主运动，对光照 、场地等环境条件的要求
较高且抗干扰性较差。为了增强实用性和稳定性，通常采用单向视觉系统USB 摄像
机，在标识线引导下沿预定路线运动，属于智能程度最高控制模式。
(x
s
, y
s
,θ
s
)
T

USB摄像机
(ω
s1
,ω
s2
,ω
s3
,ω
s4
)
T

编码器
模糊
控制器
DSP
控制器
电机
机构
移动
(x
0
, y
0
,θ
0
)

T< br>(ω
1
,ω
2
,ω
3
,ω
4
)
图4-9 机器人的基本控制结构
T

全向循迹模式下，机器人基本 控制结构如图4-9所示，分为内速度控制环和外位
置控制环。首先主控模块通过比较机器人的期望位姿 (x
0
, y
0
,θ
0
)
T
与摄像机拍到 的实际
位姿(x
s
, y
s
,θ
s
)
T< br>的差异，利用模糊控制的方法得出机器人的期望速度，DSP控制器通过
比较期望转速与编码器返 馈的实际转速(ω
s1
,ω
s2
,ω
s3
,ω
s4
)
T
的差异，采用PID算法对电机
进行控制。

18

本科毕业设计·论文


4.4.3遥控传感模式
在复杂的环境中工作，全向移动小车还可以通过采用遥控控制模式手动控制小车
运动，如图4-10所 示。在遥控模式下，遥控手柄按动摇杆，电压发生变化，通过无线
发送模块发送到主处理器对移动小车进 行控制，例如：按动摇杆1可以使移动小车在
三种控制方式中切换，摇杆2还可以控制小车的旋转等。

图4-10 三自由度遥控手柄

4.4.4各控制模式综合 < br>全向自主模式下,全向移动小车的自主性智能性最高同时对环境及光照条件的要
求也最高。寻迹模 式下,全向移动小车对环境的依赖度降低,抗干扰性提高,但只能沿
预定路线运动。遥控模式弥补了前两 种模式的不足能适应复杂环境的要求,但需要手
动控制,智能性降低。
三种控制模式各有利弊 ,可根据提供的工作环境和任务要求选择合适的控制方式
能够提高机器人的灵活性和效率,扩大应用范围 ,保证机器人的稳定性和实用性。
4.5 本章小结
全向移动小车无需改变车体姿态即可实 现任意方向的移动和任意半径的旋转,本
章首先分析了Mecanum轮全向移动小车的机械结构，提出 三轮结构和四轮结构的异
同、优缺。接着根据控制模块的硬件结构，提出两种主控制器芯片的软件编写流 程图，
最后综述全向移动小车的控制方式是本章的重点，在分析运动学特性的基础上,介绍
了全 方位移动小车的全向自主、寻迹和遥控三种控制方式。





19

本科毕业设计·论文


5 轮式全向移动小车结论与展望
5.1 结论
由于全向移动小车的回转半径为零和多方向移动 特性，可以方便的穿梭于狭窄拥
挤且障碍较多的空间中，灵活方便的完成多种任务。轮式全向移动小车可 应用于生活、
物流、工业和机器人等多个领域。
本文主要综述了轮式全向移动小车体系结构。 开篇之际就简述了在全向移动小车
领域上的简要研究简史和一些应用现状，接着就选取具有代表性的四轮 全向移动小车
的体系结构进行了详细综述，其中包括小车体系结构的机械、硬件、软件。由于全向
移动小车具有广阔的应用前景，在最后提出了一些对全向移动小车的展望。
本论文仅仅对轮式全向移 动小车体系结构进行了初步的探讨，在智能环境信息检
测、智能决策等方面还需进行进一步深入研究。随 着全向移动小车的智能化程度的不
断提高，全向移动小车将在社会生产及生活的各方面发挥越来越大的作 用。
5.2 展望
鉴于全向移动小车能大幅度提高产品装配的工作效率，具有定位精度高、 人员操
作便利及运动转位灵活且不受限于运动空间等优点，由此可以预知，该全向移动平台
在车 底安检、航天、航空、武器装备、大型物流领域应用前景广阔。
从目前的发展来看，全向移动平台还处 于初级应用阶段，虽然对与其相关的现场
检测技术、能源技术等还存在认识不足等问题，但其仍有相当大 的研究前景，只要所
有设计者与研究者不断努力，一定可以使全向移动平台的应用前景更可观。
5.2.1车底安全检查
车底安检采用人工手持安检镜的方法不仅效率低下，而且安检的可靠 性主要是依
靠检查人员的主观条件进行判断，容易造成检查范围不完整，检出率下降明显。基于
全向移动小车的移动式安检机器人，可以遂行自主或半自主的停车场车辆排查任务，
比传统的方法(如手 持镜等)更快更准确，大大提高了对车底的检测速度和检查效率
[24]
。
5.2.2航天器制造业
将全向移动平台与航天器相结合，将大幅度降低成本、提高效率，同 时也是航天
科技成果向其它行业领域转化和应用的一个范例，将作为未来工业自动化现场的一种
重要设备，创造更大的社会和经济效益
[25]
。
20

本科毕业设计·论文


5.2.3高空作业平台
全向轮智能移动平台虽然能够满足平面全方位移动的需求，但对于高空乃至太空
作业等非地面工业现场 ，全方位智能移动平台却未能兼顾。但如果将全向智能移动平
台和高空作业平台结合，便可实现空间维度 的全面覆盖，以满足工作人员对高空作业
及物体输送需求，可广泛应用于抬车机、航天器总装等工况，效 果图见5-1所示
[25]
。

图5-1 高空作业平台外形
5.2.4空间重负荷平台
伴随着航天器、中大型飞机部件以及其配套产品向着更大的尺寸和 载重量方向发
展，仅仅是靠单一的增加单个平台的负荷能力是不够的，设想着如果能够组合2组或
多组平台模块，其承载能力则可达到原单套平台的数倍，负荷量更大，并着手提高移
动平台的工业自动 化程度。











21

本科毕业设计·论文


致 谢
这个毕业设计应算是我的一次艰辛的尝试与探索。其中虽花费了众多的时间与汗
水，但仍难免会有很多不足，且期间给老师和同学都添了不少的麻烦。所以，在论文
结束之前，我要对 很多在我毕设过程中给予帮助的老师和同学表示感谢。
首先向悉心指导我的导师徐箭雨老师表示最诚挚 的感谢与敬意，他不时的指点使
我少走了不少弯路，同时也节省了不少时间。
另外，在论文撰写过程中得到了很多同学的热心帮助，在此一并表示衷心的感谢。
最后也感谢对论文进行评审的各位老师。






















22

本科毕业设计·论文


参考文献
[1] 朱磊磊，陈军.轮式移动机器人研究综述.机床与液压，2009，(8):242一247.
[2] 陈淑艳，陈文家.履带式移动机器人研究综述[J].机电工程，2007，(12):109一112·
[3] 刘静，赵晓光，谭民.腿式机器人的研究综述[J].机器人，2006，(1):81一88.
[4] 陈丽，王越超，李斌.蛇形机器人研究现况与进展[J].机器人，2002，(6):559一563.
[5]

熊蓉, 张翮, 褚健等. 四轮全方位移动机器人的建模和最优控制. 控制理论与应用.
2006,23(1):93-98
[6] 闫国荣,张海兵.一种新型轮式全方位移动机构[ J].哈尔滨工业大学学报, 2001,
33(6): 854-857.
[7] 石维亮,王兴松,贾茜．基于 Mecanum 轮的全向移动机器人的研制．东南大学学报.
[8] 海丹,刘玉鹏,郑志强. 四轮全向机器人的设计与控制方法[A]. 中国自动化学会机
器人竞赛工作委员会、科技部高技术研究 发展中心.2005中国机器人大赛论文集
[C].中国自动化学会机器人竞赛工作委员会、科技部高技 术研究发展中心:,2005:8.
[9] 贾官帅，基于Mecanum轮全方位移动平台的理论和 应用研究，浙江大学硕士学位
论文，2012年2月
[10] Ferriere L,Rauceni BS,a new universal wheel concept [C]: proceedings of
the International Confereneeon Roboties and Automation，Beigium，，
3:1877一1882
[11]

M. Robert. Control System Design for the RoboRoos, University of Queensland,
October 2001:35-40
[12] B. Oliver, K. Oussama. Elastic Strips:a Framework for Motion Generation in Human
Enviroments. The International Journal of Robotics Research,2002, 21(12):1-22
[13] 蒋林，全方位移动操作机器人及其运动规划与导航研究，哈尔滨工 业大学工学博
士学位论文，2008年6月
[14] YE ChangLong, MA ShuGen，HUI Li，An omnidirectional mobile robot, SCIENCE
CHINAInformation Sciences. December 2011 Vol. 54 No. 12: 2631–2638
[15] Muir.p,Neuman tie modeling for feedback control of an omnidirectional
wheeled mobile robot[C]:Proeeedings of the Iniernational Conferenece on Robotics
and Automation,，4:1772一1778

[16] 吴建平，殷战国，曹思榕，李坤垣，红外反射式传感器在自主式寻迹小车导航中
23

本科毕业设计·论文


的应用，中国测试技术，2004年11月
[17] D. Olaf, B. Aparna, B. Glen, P. Johan, T. Sylvester. Improved Mecanum Wheel Design
for Omini-directional Robots. IEEE International Conference on Robotics and
Automation. Auckland, New Zealand, 2002:117-121
[18] 王一治,Mecanum 四轮系统全方位运动性能分析及布局结构优选 中国科技论文
在线.
[19] 张雄伟,曹铁勇. DSP芯片的原理与开发应用[M].北京:电子工业出版社,2000.
[20] 刘永利,徐兵,杨华勇.液压电梯控制系统的两极控制器设计[J].浙江大学学报:工学
版,2004,38(2): 222225.
[21] 王志龙，赵剡，杨辉，吴辉全向移动机器人电控系统设计 Automation ＆
Instrumentation 2012(9)
[22] H. Bohumil. Inverse Kinematics and Control of the Assistive Robot for Disable.
Syroco2003. 2003:1-4
[23] 贾茜,王兴松,周婧，基于多种控制方式的全方位移动机器人研制，电子机械工程，
2010年第26卷第4期
[24] 徐箭雨，陈卫东. 小型全向移动安检机器人行为控制系统结构设计.《计算机测量
与控制》 2012年10月第20卷.
[25] 邹丹,马向莉,全向轮智能移动平台前景展望, 军民两用技术与产品，2012年2月
[29] 陈旭东，孔令成，刘尊朋. 基于全向轮的机器人移动机构运动分析与控制设计.
《测控技术》2012 年第 31 卷第 1 期.










24

本科毕业设计·论文


附 录
本领域的主要研究机构及其研究子领域内容和研究现状
[1] Robot World Cpu，Jpana，http:
[2] 中国科技论文在线 http:
[3] http:.
[4] 美国国家宇航局 http:
[5] Yoshihiko Nakamura ,Tatsuro Endo: An Omnidirectional Vehicle on a Basketball.
[6] 黄良平 空气弹簧的应用与发展趋势 http:
[7] 足球机器人的背景介绍http:
[8] http:
[9] :
[10] Introduction to Robotics. http:


















25