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基于Arduino平台的四轮小车设计综述
摘要：装配麦克纳姆轮AGV的应用使得运输的安全得到很大的保障，而就技术的研究在国内还有待改善。小车的控制系统设计作为小车设计分析的重要组成部分，完善的控制保障全方位移动要求的实现。本文通过对麦克纳姆轮结构的设计，采用solidworks软件绘制麦克纳姆轮装置结构，运用Arduino平台下各控制模块实现在手机或平板上对小车进行行动控制。
关键字：麦克纳姆轮 Arduino SolidWorks
Abstract: he application of AGV equipped with McNamm wheel has greatly guaranteed the safety of transportation, but the research on technology still needs to be improved in China. The control system design of the trolley is an important part of the trolley design analysis, and perfect control guarantees the realization of all-round movement requirements. In this paper, through the design of McNam wheel structure, solidworks software is used to draw the structure of McNam wheel device, and each control module under Arduino platform is used to control the movement of the car on the mobile phone or flat plate.
Key word: McNamm wheel Arduino SolidWorks
1 选题的目的及意义
近些年，随着经济的发展，自动引导车，AGV小车的适用在装备制造业生产环节是一个两点，对提高企业生产效率、降低成本、提高产品质量和管理水平起到不错的作用。由于传统AGV小车运行不够灵活，效率低下，环境复杂等作业困难，很多场合受到了限制，麦轮聚氨酯最新产品——AGV小车麦克纳姆轮等生产，解决了这个问题。
麦克纳姆轮（全向轮）四驱agv小车,是一种非常巧妙的万向自动导航式AGV小车，在狭小的空间作业困难,应用场合受到限制,其优点主要是换向灵活、成本相对低廉，运动控制算法简单，减少大量的结构件，但对环境要求较高，主要应用于环境非常好的净化车间或者实验室等场景,在平面内可以沿任意方向移动,以任意半径旋转,非常适合工作在空间狭窄有限、对机动性要求高的场合。麦轮聚氨酯生产的麦克纳姆轮轮全方位移动平台能实现前进、横向、斜向、旋转运动。麦轮聚氨酯生产的麦克纳姆轮是实现其功能的主要部件之一，每个麦克纳姆轮轮都有6 ~ 8个聚氨酯滚轮。整体加工成型，精度达到u级，辊轮外层采用进口聚氨酯材料，采用浇注工艺在钢或铁辊外覆一层聚氨酯弹性体而成，运行时使整体面接触滚动，承载能力更强，不易损伤地面，有耐磨、耐油、耐酸碱、耐臭氧、耐老化、耐低温、耐撕裂、耐冲击、高弹性、吸振力强，负载支撑容量大等性能，使其行走更平顺，运行噪音更低，运行抖动更小，行驶寿命更高。
2 国内外同类研究现状
国内对AGV的研究与应用晚于国外发达国家约30年,其应用性因为结构复杂,成本较高,对工作环境的适应性要求较高而未能普及,多数仍处在试验、研究阶段。国内对全方位移动AGV的研究方式主要有两种:一是引进国外先进技术、借鉴产品研发经验;二是依靠国内科研机构、研究人员等自主研发。
20世纪60年代,我国研究人员开始探讨AGV的工作性能,但效果并不理想;70年代,国內著名自动化领域专家、中国科学院院士蒋新松先生等研发出第一台中国实用性AGV138,并成功应用在汽车生产线上,实现自动化生产装配。北京起重运输机械研究所研制出国内第一台基于电磁导引方式的AGV,初步实现了无人驾驶的AGV移动装置。国内第一台双向无线通信式AGV问世于原邮电部北京邮政科学技术研究所,改善了无人驾驶AGV对工作环境的适应性,也提高了其运行精度。21世纪初,西北工业大学把陀螺导引式AGV的研究视作重点,同时清华大学、北京易亨集团等也都在为研究先进水平的AGV而努力,并取得一定成果。沈阳自动化研究所生产的搬运与装配一体化的AGV性能已达到国内领先水平,安徽合力股份有限公司研发制造的AGV叉车也国内同行中的俊佼者。南京航空航天大学柔性制造技术实验室一直致力于AGV技术的研究与研发,并已成功开发出样车NHAGV-I和 NHAGV-Il在计算机辅助的作用下,国内借用各种分析软件,也加快了研究AGV的步伐,其脚步紧跟着世界发达国家。哈尔滨工业大学的冷春涛等研究学者,通过对AGV畜统提供加速时的最佳电机转矩,从而很好地减缓了打滑现象梁延德等借用数据分析软件 MATLAB模拟并分析了轮与四轮全方位移动AGV的驱动轮布局角度对系统速度与加速度的影响,得出四轮布局更有利于AGV的正常运行。清华大学的王磊4等从驱动系统的稳定性和撞击
第1章绪论能力方面进行研究,并对AGV系统结构做了相应优化。王一治等分析了基于Mecanum轮式AGV的运动学方程,同时对比了六种不同 Mecanun轮的结构布局,最后得出任意轮心距、轴心距的最优布局结构形式。贾茜《等提出基于角标定的方法,通过改变 Mecanur轮轴线和小辊子轴线之间的夹角来获得最佳偏置角度,从而减小误差,提高了 Mecanum轮式全方位移动AGV的运动精度和停车定位精度。刘洲等借用动力学分析软件 ADMAS对 Mecanum轮式全方位移动AGV进行运动学分析与仿真,得出全方位移动平台的运动误差仅为0.67%。 全向轮作为全方位移动实现的关键部件,其结构形式、加工制造精度、多轮排布方式、控制方法的选择等,关乎全向车的运动性能高低及可靠性。距今四十年来,形式各异的全向轮不断涌现,若干个轮子组合在一起,加以特定的驱动方式即可实现平面内任意方向的移动,而无需改变车体本身的位置姿态。全向轮按结构分有多种,如正交轮、单排轮、双排轮、Castor轮、各向异性摩擦轮和Mecanun轮等。Mecanun轮作为全方位轮的一种,受到诸多研究人员的青睐,它是1973年由瑞典工程师Bengt Ilon所设计,其承载能力大,控制系统相对简单,且运动性能优越,具有较高的研究价值。Mecanun轮的工作原理已被熟知,但它的结构形式、运动性能、小辊子母线方程并没有一个统一的规范。Olaf Diegel对比了Mecanum轮不同位置的支撑机构,得岀中间支撑比两端支撑结构更适于不平路面作业,但承载能力有所降低。Sliver等通过数据分析和实验拟合的方法来分析Mecanum轮接触应力与受力变形特性,得出小辊子与地面接触后的变形为非线性,并考虑不同载荷下Mecanum的变形量和长时间运作导致的轮胎磨损,对AGV运动平稳性的影响。Gfrerrer通过借鉴画法几何原理,分析了Mecanum轮的结构特征和小辊子的表面特性,最后得出可以较精确地描述理想状态下小辊子的外轮廓母线和轴线方程,对进一步的研究有重要意义。国内学者李敏等借用ADAMS软件,分析了Mecanum轮式AGV的滚动阻力因数对小车运动性能的影响,得出AGV运行速度和方向对其运动性能影响较大,而质量对运动性能的影响很小,为AGV运动性能的研究奠定了新一层的理论基础。杨铭等通过对Mecanum轮的各部分组成结构进行分析,研究如何更好地实现Mecanum轮式的全方位移动设备的精确定位,推导出小辊子的理论母线方程,并通过仿真验证了 Mecanum轮包络线形状的可靠性和连续性,同时分析了椭圆弧法等速螺旋线法和圆弧逼近法等生成小辊子母线的方法,并对比了三种方法获得母线后小辊子的运动效果,得出圆弧逼近法效果最佳,不仅减小了运动误差还降低了制造难度。
3 研究内容
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