摘 要：轮足机器人是一种能够在复杂地形中灵活移动的创新设计，广泛应用于工业、医疗和军事领域。本文设计了一种新型轮足机器人，通过优化结构和选用高效电机与传感器，确保了机器人的稳定性与灵活性。采用串级PID控制算法，实现了精确的运动控制。仿真与测试表明，机器人在自动导航和障碍避让方面表现优异，达到了预期效果，对未来机器人技术的发展具有重要意义。

关键词：轮足机器人；PID控制；复杂地形；FreeRTOS；STM32

1. 系统设计

1.1 系统功能及性能需求分析

轮足机器人应具备运动控制、定位导航、人机交互、传感器数据采集和远程遥控等核心功能。性能上，要求机器人在不平坦地形上稳定行驶，具备±5厘米的定位精度，能在100毫秒内快速响应。速度范围为0.1m/s至1m/s，加速度不低于0.5m/s²，以确保灵活应对突发情况。机器人需承载至少1公斤的负载，并在通信范围内保持稳定的数据传输。

1.2 系统设计方案

设计方案侧重于结构优化和控制系统选型。机器人采用并联腿结构，以分散负载，确保在不同地形下的稳定性。外部结构采用环氧板和3D打印材料，结合舵机和无刷电机M2006，确保动力充足和灵活性。设计过程通过SolidWorks进行建模和仿真测试，以保证结构稳固耐用。硬件方面，主控PCB使用STM32F405控制器，负责腿部运动、姿态解算和通信功能；遥控器采用STM32F103，实现远程姿态调整和实时反馈。软件部分使用FreeRTOS进行任务调度，实现闭环控制和实时通信，确保系统资源的高效利用。

2. 控制算法设计

2.1 传统PID控制与挑战

传统的PID控制算法虽然在很多应用中表现出色，但在高速行驶或复杂环境下，常出现姿态跟随能力差的问题。这主要是因为传统的控制算法通常是将角度环输出和速度环输出线性叠加，导致在高速行驶时，平衡控制效果不佳。

2.2 串级PID控制的引入

为克服传统PID控制的不足，本文采用了串级PID控制方法，将速度和角度控制串联，并将角速度作为最内环回路，确保在不同速度下的稳定性和控制精度。串级PID控制器通过对外环角度误差进行控制，并将输出转化为内环的角速度误差，最终生成驱动电流，保持机器人的平衡和稳定。此设计在仿真测试中表现良好，尤其在高速转弯和复杂地形下，机器人能够迅速调整姿态，确保稳定行驶。

3. 系统结构设计

3.1 结构设计与仿真

机器人系统的机械结构是设计的基础，包括底盘、轮足、关节和传动装置等关键部件。底盘采用环氧板材料，提供稳定支撑并承受较大载荷。轮足设计增强了摩擦力和抓地力，以适应不同地形。关节通过法兰盘和轴承连接，并使用3D打印件减轻重量，确保灵活性和精准控制。传动装置由电机、减速器和传动轴组成，保障动力传递。系统结构的仿真通过SolidWorks完成，结果显示该设计在复杂地形下具备良好的稳定性和耐用性。

3.2 硬件实现

在硬件实现中，主要涵盖了主控PCB设计、电机选型和通信模块的配置。选用STM32F405控制器，支持复杂的运动控制和实时数据处理；足端驱动电机采用了M2006直流减速电机，能够提供适中的功率输出和稳定的扭矩；通信模块选择了NRF24L01，确保数据传输的可靠性和稳定性，尤其是在远程控制和复杂环境下。

4. 软件设计

4.1 软件架构

软件架构采用模块化设计，将运动控制、传感器数据处理和通信任务进行分离，以提高系统的扩展性和可维护性。运动控制模块通过串级PID控制算法，实现机器人在不同速度和地形下的精确控制。传感器数据处理模块则负责收集IMU、编码器等传感器的数据，并进行滤波和预处理，以确保数据的准确性和稳定性。通信模块则基于FreeRTOS进行实时调度，确保各个模块之间的高效协作。

4.2 控制算法实现

在软件实现过程中，系统的主程序负责各个模块的协调工作。串级PID控制算法通过外环角度控制、内环角速度控制和最外环速度控制，保证机器人在不同条件下的平衡和稳定性。控制算法的执行周期根据不同环的需求进行设定，角速度环的执行周期为2毫秒，角度环为10毫秒，速度环为100毫秒，确保系统的实时性和响应速度。

5. 系统调试与测试

系统调试是确保机器人各部分正常工作的关键环节。通过逐步调整PID参数，我们能够找到最佳的控制组合。调试过程包括对比例（Kp）、积分（Ki）和微分（Kd）参数的优化，最终实现系统的快速响应和稳定控制。通过实地测试，验证了系统在复杂地形下的稳定性和导航能力。

测试结果表明，机器人在不同地形下均能保持稳定行驶，特别是在自动导航和障碍物避让方面表现出色。通信模块测试结果显示，系统在远程控制过程中，数据传输稳定，信号无明显丢失。此外，系统的续航能力也达到了预期目标，能够在复杂环境中连续运行超过2小时。

在内环（角速度环）PID参数调节过程中，初始参数为比例Kp=2.0、积分Ki=1.0、微分Kd=0.5，响应时间为2.5秒，超调率为15%，振荡情况较轻微。通过调整参数，发现将Kp增加到3.0、Ki保持不变时，响应时间缩短至2.0秒，但超调率上升至20%，振荡情况变为中等。将Ki增至2.0后，超调率下降至10%，响应时间略增至2.2秒。最终的最佳调节结果是将Kp设为2.5、Ki设为1.5、Kd设为0.7，此时响应时间为2.1秒，超调率降至8%，振荡情况几乎消除。

在外环（角度环）PID参数调节中，初始参数为Kp=3.0、Ki=2.0、Kd=1.0，响应时间为2.8秒，超调率为18%，振荡情况轻微。调整后，当Kp增至4.0时，响应时间缩短至2.4秒，但超调率升至22%，振荡加剧。随着Ki增至3.0，超调率降至12%，响应时间为2.6秒。最终，将Kp设为3.5、Ki设为2.5、Kd设为1.2，响应时间降至2.5秒，超调率为10%，振荡情况极少。经过多次调节，系统的响应时间和超调率均得到显著改善，稳定性明显增强。

6. 结论与展望

本文设计的轮足机器人成功应对了复杂地形中的移动与任务执行挑战。通过串级PID控制算法和优化的结构设计，机器人在性能和稳定性上达到了预期目标。未来，随着人工智能和机器人技术的进一步发展，轮足机器人在更多领域的应用将更加广泛。进一步的研究将集中在提高机器人的智能化水平、增强环境感知和自主决策能力，以及拓展其在工业、军事和医疗等领域的应用。

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