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 研究配景与意义

• 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：搜刮接济、物流运输、户外勘探等复杂环境
    
  
  
• 技能需求：
  
  
  
  • 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 国内外研究近况

• 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”
    
  
  
• 现存寻衅：
  
  
  
  • 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的

• 系统设计目的：
  
  
  
  • 实现轮足模式主动切换（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
    
  
  
• 技能实现：
  
  
  
  • 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
    
  
  

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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）
      
    
    
  • 通讯模块：蓝牙HC-05（手动控制）、Wi-Fi（远程监控）
    
  
  
• 软件架构：
  
  
  
  • 系统框架：ROS（机器人操纵系统）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 功能模块分别

模块核心功能技能实现模式切换根据地形主动切换轮/足驱动模式激光雷达+IMU数据融合算法运动控制轮式巡航、足式爬坡、避障绕行PID控制+轨迹规划算法环境感知障碍物检测、姿态平衡、路径规划SLAM算法（ROS Gmapping）人机交互蓝牙遥控、LCD体现、手机APP控制MQTT协议+图形化界面

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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定时器设置）
    
  
  
• 传感器接口：
  
  
  
  • I2C接口：IMU（MPU6050）
    
  • UART接口：激光雷达数据采集
    
  
  
• Proteus仿真：
  
  
  
  • 电机驱动电路稳固性测试
    
  • 蓝牙通讯延迟（目的＜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
    
  • 电路焊接与通讯测试（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）
    
  
  

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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°）
    
  
  
• 切换战略：
  
  
  
  • 平滑过渡：先减速至0→足部睁开→切换驱动模式
    
  
  

4.2 运动控制算法

• 轮式控制：
  
  
  
  • 差速驱动：PID控制电机速率（目的直线速率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反馈的姿态调解（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°时触发足部支持
    
  
  

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第五章 仿真测试与优化

5.1 仿真验证

• Proteus电路仿真：
  
  
  
  • 电机驱动电路稳固性（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 现实测试

• 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：
  
  
  
  • 轮式模式速率：1.2m/s
    
  • 足式模式爬坡能力：最大35°
    
  
  
• 题目分析与优化：
  
  
  
  • 现存题目：足部睁开机遇械卡顿
    
  • 优化方案：增长舵机扭矩或优化机械结构
    
  
  

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第六章 结论与预测

6.1 研究结果

• 系统性能指标：
  
  
  
  • 模式切换时间：≤1秒
    
  • 轮式模式速率：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

• 技能升级：
  
  
  
  • 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（增长关节自由度）
    
  
  
• 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）
    
  
  

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参考文献

• 波士顿动力Handle技能白皮书
  
• 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.
  
• STM32嵌入式开发指南（STM32中文社区）
  
• 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。

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大纲阐明

• 技能亮点：
  
  
  
  • 轮足混合驱动：解决复杂地形与高速移动的平衡题目。
    
  • 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。
    
  
  
• 结构逻辑：
  
  
  
  • 从系统架构到硬件实现，再到算法与测试，覆盖完备开发流程。
    
  
  
• 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。
    
  
  

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