轮足式机器人运动控制系统设计（大纲）

轮足式机器人运动控制系统设计

基于STM32的混合驱动与环境适应性控制

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

• 轮足式机器人的优势：
  • 混合驱动模式：轮式快速移动 + 足式复杂地形适应
  • 应用场景：搜索救援、物流运输、户外勘探等复杂环境
• 技术需求：
  • 实时环境感知与驱动模式切换（轮/足模式）
  • 嵌入式系统的低功耗与高实时性控制

1.2 国内外研究现状

• 轮足机器人发展：
  • 国外：波士顿动力Handle（轮+足混合）、ANYbotics ANYmal（多足+轮式变体）
  • 国内：哈尔滨工业大学“轮足机器人”、清华大学“多模态移动平台”
• 现存挑战：
  • 模式切换的平滑性与实时性
  • 多传感器融合与环境适应性算法

1.3 本课题研究内容与目标

• 系统设计目标：
  • 实现轮足模式自动切换（平坦/复杂地形）
  • 嵌入式控制：STM32主控+电机/舵机驱动
  • 环境感知：激光雷达+IMU+摄像头
• 技术实现：
  • 轮足切换逻辑算法
  • 基于ROS的运动控制与仿真
  • 蓝牙/遥控器手动控制

第二章 系统总体设计

2.1 系统架构设计

• 硬件架构：

  • 主控单元：STM32H7（实时控制核心）或ESP32（支持Wi-Fi）
  • 驱动模块：
    • 轮式驱动：直流电机（编码器反馈）
    • 足式驱动：舵机（腿部关节控制）
  • 传感器模块：
    • 激光雷达（RPLIDAR A1）：障碍物检测
    • IMU（MPU6050）：姿态平衡
    • 摄像头（OV7670）：环境识别（可选）
  • 通信模块：蓝牙HC-05（手动控制）、Wi-Fi（远程监控）

• 软件架构：

  • 系统框架：ROS（机器人操作系统）或嵌入式Linux
  • 功能模块：模式切换算法、运动控制、传感器融合

2.2 功能模块划分

第三章 硬件设计与实现

3.1 机械结构设计（SolidWorks建模）

• 轮足结构设计：
  • 轮式部分：双轮差速驱动（前轮转向+后轮动力）
  • 足式部分：每侧1个可折叠足（舵机控制腿部高度）
• 3D建模与仿真：
  • SolidWorks建模：轮足联动机构、重心分布
  • 运动仿真：模式切换时的机械动作验证

3.2 电路设计与仿真（Proteus）

• 驱动电路：
  • 直流电机驱动：L298N H桥驱动模块
  • 舵机驱动：PWM信号输出（STM32定时器配置）
• 传感器接口：
  • I2C接口：IMU（MPU6050）
  • UART接口：激光雷达数据采集
• Proteus仿真：
  • 电机驱动电路稳定性测试
  • 蓝牙通信延迟（目标＜100ms）

3.3 系统集成与调试

• 硬件组装：
  • 轮足机构3D打印与舵机安装
  • 电路焊接与通信测试（STM32与传感器/驱动模块）
• 电源管理：
  • 电池选型（锂电池12V/5Ah）
  • 电源模块设计（稳压电路）

第四章 运动控制算法设计

4.1 模式切换逻辑算法

• 切换条件：
  • 轮式模式：平坦地形（激光雷达检测无障碍物，IMU倾斜角＜5°）
  • 足式模式：复杂地形（检测到障碍物＞15cm或倾斜角＞15°）
• 切换策略：
  • 平滑过渡：先减速至0→足部展开→切换驱动模式

4.2 运动控制算法

• 轮式控制：
  • 差速驱动：PID控制电机速度（目标直线速度1m/s）
  • 转向控制：前轮舵机角度控制（±45°）
• 足式控制：
  • 舵机角度规划：基于正弦波轨迹的腿部运动
  • 平衡控制：IMU反馈的姿态调整（PID算法）

4.3 环境感知与路径规划

• 激光雷达避障：
  • 动态窗口法（DWA）路径规划
  • 障碍物距离阈值（安全距离≥20cm）
• IMU姿态平衡：
  • 倾斜角超过10°时触发足部支撑

第五章 仿真测试与优化

5.1 仿真验证

• Proteus电路仿真：
  • 电机驱动电路稳定性（电压波动≤5%）
  • 蓝牙指令传输延迟实测：90ms
• ROS/Gazebo仿真：
  • 轮足切换逻辑验证（切换时间≤0.5秒）
  • 足式爬坡能力测试（坡度30°通过率100%）

5.2 实际测试

• 模式切换测试：
  • 轮式→足式切换时间：0.8秒（达标！）
  • 足式→轮式切换时间：1.2秒（需优化）
• 运动性能：
  • 轮式模式速度：1.2m/s
  • 足式模式爬坡能力：最大35°
• 问题分析与优化：
  • 现存问题：足部展开时机械卡顿
  • 优化方案：增加舵机扭矩或优化机械结构

第六章 结论与展望

6.1 研究成果

• 系统性能指标：
  • 模式切换时间：≤1秒
  • 轮式模式速度：1.2m/s
  • 足式模式爬坡能力：35°
• 创新点：
  • 基于激光雷达+IMU的混合驱动模式切换算法
  • 低成本STM32嵌入式控制方案

6.2 未来工作方向

• 技术升级：
  • 加入深度学习实现环境语义识别（如楼梯/沟壑）
  • 优化足部结构（增加关节自由度）
• 应用场景扩展：
  • 户外物流运输（轮式为主，足式应对障碍）
  • 室内服务机器人（轮式快速移动+足式越障）

参考文献

1. 波士顿动力Handle技术白皮书
2. 国内轮足机器人研究：《基于ROS的轮足机器人运动控制》，《机器人》期刊，2023.
3. STM32嵌入式开发指南（STM32中文社区）
4. 激光雷达SLAM算法研究（Gmapping论文）

致谢

感谢导师、实验室团队及机械加工中心的支持。

大纲说明

1. 技术亮点：

   • 轮足混合驱动：解决复杂地形与高速移动的平衡问题。
   • 嵌入式系统：STM32实现低功耗、高实时性控制。
   • 仿真工具：SolidWorks机械验证+Proteus电路仿真降低开发风险。

2. 结构逻辑：

   • 从系统架构到硬件实现，再到算法与测试，覆盖完整开发流程。

3. 创新点：

   • 模式切换算法：基于多传感器融合的实时决策。
   • 低成本方案：STM32+开源ROS框架降低开发成本。