摘要：设计一种应用于农田作业环境尤其是蔬菜大棚环境的球形转向轮，为农业机器人在农田环境下不能顺利球形移动的问题提供一种解决办法。球形转向轮采用双轮驱动方式，同轴直流减速电机驱动，产生转矩从而前后左右移动，并以陀螺仪检测补偿，实现轮系闭环控制，再通过上位机整体驱动轮系运转，并设置补偿环节，使得下位机整体闭环，实现该轮系整体驱动与控制，使得农业机器人在野外球形移动，尽可能少地受到环境的约束。

　　关键词：双轮驱动；闭环控制；球形移动

　　1.引言

　　减小机器人作业时的转弯半径可以提高农田空间利用率[1]。原地转向机器人底盘转弯时所需的转弯半径小，占用土地面积少，可以使农田面积的利用率达到最大。目前，能完成原地转向机器人的底盘通常使用麦克纳姆轮或全向轮[2]。但麦克纳姆轮底盘或全向轮底盘适合于硬质平整路面[3]，在农田尤其是蔬菜大棚内崎岖不平的土壤道路上并不适用。本文设计了一种球形转向轮，由驱动电机，陀螺仪，驱动轮和转向轮壳等组成，球形转向轮与机器人底盘相互配合，实现机器人在蔬菜大棚内的土壤环境中原地转向。

　　2.整体方案设计

　　球形转向轮设计结构如图1所示，球形转向轮由驱动电机、陀螺仪、驱动轮、转向轮壳、舵机组成。当球形转向轮滚动时，球壳内部的驱动电机控制驱动轮旋转产生转矩，转矩通过连接杆作用于球壳上，使球壳与地面之间产生摩擦力，从而使球形转向轮发生滚动。利用舵机调整驱动电机和驱动轮的角度，使输出转矩的方向发生改变，进而能够改变球形转向轮的滚动方向。

　　在实际安装时，球形转向轮与机器人底盘间的关系如图2所示，通过连接片和螺钉固定包络壳在底盘上，包络壳再将球形转向轮包络形成球铰链结构，使球形转向轮在包络壳内能够灵活转动。通过上位机同时控制四个球形转向轮的滚动，带动底盘移动[4]，实现机器人在农田作业环境中全方位灵活移动。

　　3.球形转向轮机械结构设计

　　按照设计要求制作的球形转向轮仿真模型如图3所示。考虑到在农田环境中土壤对轮子的磨损[5]，球形转向轮外壳选用具有一定弹性，耐磨性、高强度和刚度的亚克力材料（有机玻璃）制作。驱动电机选用2个直流减速电机（JGA20-180 24100）。驱动轮选用橡胶轮胎（D44*H19，D字轴：3mm）。同时选用九轴姿态陀螺仪（FDISYSTEMS）捕获转向轮的当前位姿，选用大扭矩舵机（DS5160 60KG）调整驱动电机和驱动轮的位置。

　　由四个球形转向轮组装形成的机器人底盘如图4所示。在机器人移动过程中，球形转向轮内安装的陀螺仪捕获驱动轮的实时位姿，从而获取球形转向轮滚动的方向，并与理论方向进行比较分析，最后控制舵机进行角度补偿，提高机器人移动的精度。当四个球形转向轮向同一方向滚动时，机器人做直线运动，通过舵机改变驱动轮的位置，进一步改变球形转向轮的滚动方向，可以实现平面内任意方向的直线运动。当机器人进行原地转向时，机器人底盘左侧的球形转向轮向同一方向滚动，底盘右侧的两个球形转向轮朝与之相反的方向滚动，两侧的球形转向轮的速度方向不一致产生转弯力矩，实现以机器人为立轴中心的原地转向。当机器人完成作业停止时，球形转向轮中的两个驱动电机输出的转向力相反，使两个驱动轮产生的转矩相互抵消，球形转向轮停止滚动。

　　4.球形转向轮底盘控制系统设计

　　球形转向轮底盘控制系统如图5所示，主控制板选用STM32F103ZET6（STM32），电机控制模块选用L293DD芯片，同时选用ATK loar实现STM32与机器人的上位机的无线通讯。考虑到机器人上位机对四个球形转向轮进行开环控制，没有输出信号的反馈，导致各个轮子转速与方向难以判断，因此，安装陀螺仪作为反馈输出，形成闭环控制系统，提高机器人移动与转向的控制精度。球形转向轮组装之前，编写基于STM32的运动控制函数，并且配置好与上位机进行串口通信的波特率等。

　　在机器人实际运动过程中，每个球形转向轮都视为一个网络无线传感器移动节点，根据不同的控制需求，首先，STM32主控制板，电机控制模块以及ATK loar模块完成初始化操作，同时STM32主控制板驱动ATK loar无线模块与上位机进行连接。然后，STM32主控制板内的程序进入循环等待，不断检测从上位机发送过来的控制指令。一旦STM32控制板上接收到控制指令，程序运行对收到的指令进行解析后，通过电机控制模块[6]调整输出PWM波的占空比，控制左右驱动电机的转动速度；调整输入电机控制模块的电流信号，控制驱动电机正反转动状态。进一步控制球形转向轮的滚动速度和方向，实现机器人的前进、后退、左转、右转等功能。与此同时，陀螺仪测出每个球形转向轮的角加速度反馈给STM32主控，STM32主控再结合控制信息消除偏差，提高机器人移动的精度。

　　5.上位机软件设计

　　球形转向轮选用ATK loar作为无线交互装置，完成上位机与下位机主控制板的互联通信[7]。为了实现上位机、下位机独立工作，同时为了使上位机的操作更加简单并且人性化，设计如图6所示基于ATK loar V1.2的上位机软件[8]，通过约定相关通信协议，实现上位机软件与下位机的便捷通信。

　　在上位机软件的操作界面中，通过输入具体的速度、转角、时长等参数值，直接调用封装在软件中的机器人底盘运动控制指令，实现对机器人底盘进行驱动换向等的基本运动控制功能。根据实际使用需要，设置如下运动控制指令：

　　（1）前向行驶：FORWARD（Angle）；

　　（2）原地转动：CIRCLE_ROUND（Angle）；

　　（3）后向行驶：BACKWARD（Angle）；

　　（4）行驶制动：BRAKING();

　　其中，前向行驶、原地转动、后向行驶三个运动控制指令需要输入具体的角度参数进行运动控制。而行驶制动运动控制指令无须参数输入，采用逆向驱动直接刹停底盘。

　　6.总结

　　研究设计了一种基于农业机器人工作场景的球形转向轮底盘。通过机械结构设计、控制系统设计及上位机软件设计，采用差速转向的驱动方式，并以陀螺仪检测补偿，实现球形转向轮系统闭环控制，并通过软件实现其球形转向轮的人机交互控制。设计的球形转向轮底盘可实现在农业环境下的自由移动，一定程度上减少环境条件的约束，结构简单，控制方便，驱动方式稳定，造价较低，实用性较强，为农业机器人底盘的应用提供了参考。

参考文献

　　[1]周阁凤.提高蔬菜大棚种植效益的研究[J].农业与技术,2015,35(10):123+127.

　　[2]战强,李伟.球形移动机器人的研究进展与发展趋势[J].机械工程学报,2019,55(09):1-17.

　　[3]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(06):854-857.

　　[4]朱赣闽.一种摩擦式内驱动球形转向轮的设计及轨迹控制研究[D].桂林电子科技大学,2018.

　　[5]余友泰,蒋建鹏.土壤、作物种实和各种脱出物对钢板、铸铁、和木板等的摩擦系数的测定[J].东北农学院学报,1957(01)

　　[6]周江,STM32单片机原理及硬件电路设计研究[J].数字技术与应用,2015(11):1-1.

　　[7]李红义.一种半球差动球形转向轮的设计与研究[D].北京邮电大学,2011.

　　[8]曾鹏,张启伦,张超,等.球形机器人动力学建模与运动控制设计[J].自动化与仪表,2019,34(10):42-46.DOI:10.19557/j.cnki.1001-9944.2019.10.010.