1.设计原理：

本项目旨在设计一款适用于设施农业的高性能舵轮底盘。其核心设计原理是构建一个“机械-电控-算法”三位一体的协同技术架构。

​​机械设计​​上，采用“井字形”铝管复合结构确保底盘刚性与轻量化，并选用舵轮搭配直线悬挂系统，以提供全向移动能力并保障运动稳定性。​​

电控系统​​以高性能STM32主控为核心，通过CAN总线通信协议，精准控制大疆无刷电机与FOC电调，实现平稳高效的动力输出与实时数据反馈。​​

导航算法​​层面，则融合激光雷达与IMU数据，基于优化后的ICP算法进行定位，并采用DWA算法进行局部路径规划与动态避障。

该设计通过各模块的深度集成与优化，最终使底盘能够灵活适应温室、大棚等复杂作业环境，满足设施农业机器人对负载、续航及灵活性的特定需求。

2.设计方案：

2.1机械设计：

一、 总体方案与底盘架构​​

本项目摒弃了传统差速或阿克曼转向结构，创新性地采用了​​舵轮轮系作为移动方案​​。该方案由采用2舵轮2全向轮设计，每个舵轮集成了驱动电机和转向伺服电机，通过精确的协同控制，可实现平面内前后、横向、斜向及原地旋转的全向移动（Omni-directional Movement）。这种移动方式极大地提升了机器人在温室、大棚等狭窄作业通道内的灵活性与通过性。

底盘主体结构采用​​模块化设计思想​​，由核心车架与四个独立的舵轮模块组成。核心车架采用经过有限元分析优化的​​“井字形”空间桁架结构​​，由高强度7075铝合金方管焊接而成。此结构在保证极高扭转与弯曲刚度的同时，实现了轻量化目标。车架底部铺设1.5mm厚防滑铝板，用于承载电池、主控及作业设备。

​​二、 关键结构设计​​

1. ​​连接与加固​​：关键承力节点采用10.9级高强度内六角螺丝连接，并在内部加装PLA 3D打印结构件，有效防止铝管端部在螺栓预紧力作用下的压溃变形，确保连接可靠性。

为提升抗正面碰撞能力，车体前端集成了一块6mm厚的FR-4玻纤板作为防撞梁，该材料具备优异的强度、刚度和耐腐蚀性能。

2. ​​轮系与悬挂​​：舵轮本体采用标准工业组件，确保精度与可靠性。车轮选用聚氨酯包胶轮，其肖氏硬度为90A，并在表面进行磨砂处理，在提供足够支撑刚度的同时，保证了在潮湿水泥地、环氧地坪等典型设施地面上的优异抓地力。为应对设施农业地面可能存在的不平整，为每个舵轮设计了​​直线弹簧悬挂系统​​。该悬挂沿车轮铅垂方向运动，能有效吸收微小的地面冲击，确保四轮始终接地，维持运动的平稳性与操控精度。

​​三、 设计创新与性能保障​​本机械设计的创新点在于：

• ​​复合结构应用​​：创新性地将高强度铝合金的力学性能与FR-4玻纤板的耐腐蚀、抗冲击特性相结合，实现了刚-柔并济的防护体系。
• ​​连接细节优化​​：通过简单的3D打印件解决了薄壁铝管连接的世界性难题，成本低廉且效果显著。
• ​​全向移动与悬挂结合​​：将直线悬挂与舵轮系统集成，在实现全向移动这一高级功能的同时，兼顾了基础的道路通过性与平顺性。

2.2运动控制：

一、 电控系统硬件设计​​电控系统以高性能的STM32F405RGT6作为主控单元，

负责复杂的数据处理与任务调度。动力系统选用大疆M3508/GM6020直流无刷电机，搭配有感FOC电调，确保高扭矩输出与平稳控制。电调通过CAN总线与主控通信，选用TI的SN65HVD232作为CAN收发器，以实现高速、可靠的多节点通信。供电方案采用TI的TPS5430降压芯片，为系统提供稳定高效的电源转换。所有硬件方案均通过WEBENCH POWER DESIGNER和TINA软件进行仿真验证，并最终完成主控PCB的设计与打样测试。​​

二、 底盘运动控制实现​​底盘控制的核心是运动学解算，将整车的目标运动向量 [vx, vy, ω]转换为每个舵轮的速度 v和角度 θ。

工程实现中采用atan2函数进行高效计算。控制策略上，采用功率环、速度环、角度环三环控制。功率环使用增量式PID限制最大输出；舵轮控制则以内环速度环和外环角度环相结合，输出电流指令，实现对舵轮的精准伺服控制。

​​三、 定位与导航算法​​算法层面，机器人采用先进的LIO（激光雷达-惯性测量单元紧耦合）算法进行定位与建图。系统以100Hz的IMU数据进行状态预测，并以10Hz的激光雷达点云数据进行扫描匹配与状态更新，有效校正IMU漂移。点云匹配采用“点到面”模型，

通过迭代误差状态卡尔曼滤波（IEKF）优化位姿估计。对于初始位姿确定，优化了ICP算法，通过在360度范围内分步计算以确保稳定性。局部路径规划基于DWA（动态窗口法）算法，该算法综合考虑了机器人的运动学约束、动力学约束以及实时感知的障碍物信息，

在线生成既安全又符合运动能力的局部轨迹，实现动态避障。

2.3机器人技术：

一、高性能机动平台：​​ 机器人采用独特的舵轮式全向移动底盘，基于“机械-电控”深度协同的设计理念。以高强度复合结构确保轻量与刚性，通过STM32主控与CAN总线网络，精准控制大扭矩无刷电机，实现了前后、横移、旋转的灵活机动性，出色克服了温室、大棚等狭窄崎岖地形的通行难题。

​​二、紧耦合智能感知系统：​​ 定位导航系统采用先进的激光雷达-IMU紧耦合算法（LIO-SLAM），将IMU的高频姿态数据与激光雷达的点云信息深度融合，有效解决了单一传感器在动态或特征稀疏环境下的定位漂移问题，实现了厘米级的高精度、高鲁棒性实时定位与地图构建。

​​三、动态实时规划与避障：​​ 在已知环境地图基础上，机器人运用DWA（动态窗口法）局部规划算法，能够实时评估自身的运动学约束与动力学约束，在全局路径指导下，生成兼顾安全性、效率性与平稳性的局部轨迹，有效规避静态与动态障碍物，确保了作业过程的安全与流畅。

2.4系统集成：

系统集成以​​主控单元（STM32F405）​​ 为大脑和神经中枢。在硬件层面，主控板通过精心设计的PCB布局，将CAN总线收发器（SN65HVD232）、降压模块（TPS5430）等外围电路无缝连接，形成了一个稳定可靠的硬件平台。这个平台为电机控制和传感器数据采集提供了坚实的物理基础。

软件层面，系统通过​​嵌入式程序​​实现了通信协议的解析与指令调度。底盘控制算法作为连接上层决策与底层执行的桥梁，持续运行运动学解算，将导航算法发出的高层移动指令（如“向前0.5米/秒，左转10度/秒”）实时翻译成每个舵轮特定的速度与角度指令集。这些指令通过​​CAN总线​​这一高速通信网络，精准下发至各个电调，驱动M3508/GM6020电机协同工作，从而精确实现机器人的全向移动。

同时，系统的感知与决策闭环通过​​算法模块​​完成。激光雷达与IMU作为机器的“眼睛”和“小脑”，其数据被紧耦合的LIO算法实时融合，构建出环境地图并给出高精度的自身定位。定位信息作为DWA局部规划算法的输入，使其能够根据实时环境障碍物动态计算出一条安全、可行的局部路径，并生成新的移动指令反馈给底盘控制器。

2.5.安全性和生产工艺：

一、 全方位安全保障体系​​本机器人的安全性设计贯穿机械、硬件、软件三个层面。​​机械安全​​上，底盘采用高强度的“井字形”铝管框架与6mm厚FR4玻纤防撞梁，能有效吸收和分散意外碰撞的冲击能量，保护内部核心元件。​​

硬件安全​​上，电控系统集成了多重保护机制：电源模块选用TPS5430芯片，具备过流和热关断保护，防止电路短路或过载；电机电调可实时反馈电流、温度等数据，主控单元据此监控功率输出，通过增量式PID算法动态限制最大功率，避免电机过载烧毁或失控。​​软件安全​​上，算法层设计了紧急停止中断、运动边界约束以及基于DWA算法的实时动态避障，确保机器人在任何情况下都能优先执行安全策略，避免对人员、作物及自身造成伤害。​​

二、 精益化生产工艺与流程​​在生产工艺上，项目遵循了从仿真验证到实物制造的精益化流程。在PCB制造前，我们充分利用了​​TI​​官方的​​WEBENCH POWER DESIGNER​​和​​TINA​​软件对电源电路和通信接口进行深度仿真与参数优化，从理论上确保了电路设计的合理性与稳定性。基于仿真结果，我们使用