做一台能横着走的麦克纳姆轮机器人

做的是什么

一台四轮机器人，可以朝地面上的任意方向移动而无需先转向，也可以原地转向而不改变前进方向。把它侧着推进一条勉强容得下它的过道；让相机始终对着某个目标、同时绕着它转；偏离直线 3 cm 时直接横移 3 cm 修正，而不是划一道弧出去、再划一道弧回来。

这是本站第一台拥有三个独立可控速度（而不是两个）的机器人。它也是第一台传动系统确实比传感器还难搞定的机器，这也正是几乎整台制作都是电机、编码器和控制回路的原因。

验收标准故意定得很直白：**全程横移走完一个 1 m 的正方形，回到起点时误差在 5 cm 以内，且航向不变。**差速驱动的机器人根本没法尝试这项测试。

贯穿整个项目的那一个数

这台机器上的一切最终都可以归结为一个常数：

k = lx + ly

其中 lx 是轴距的一半（从前轴到后轴的距离取一半），ly 是轮距的一半（从左轮到右轮的距离取一半）。在参考机型上，这两个值分别是 75 mm 和 85 mm，所以 k = 0.160 m。

这同一个数把旋转和各个轮子耦合在了一起。算错了车照样能开——但纯旋转指令会让它在地面上慢慢平移，纯横移则会走弧，因为旋转和平移在互相串扰。测量时要量轮中心到轮中心，而不是量底盘板，底盘板通常比你以为的要宽。

开工之前还值得用记号笔写在底盘上的几个数：

物料清单

**合计 £90–170。**光是轮子和四倍的电机数量，就把两轮车 £50 的预算变成了这个数。

整体怎么接线

        2S LiPo ──┬── 470 µF ── TB6612FNG #1 ── FL motor ── FL encoder ─┐
                  │                         └── FR motor ── FR encoder ─┤
                  ├── 470 µF ── TB6612FNG #2 ── RL motor ── RL encoder ─┼── ESP32
                  │                         └── RR motor ── RR encoder ─┘   (4 PWM,
                  └── 5 V BEC ──────────────────────────────── ESP32 ──────  8 GPIO,
                                                                   │         I²C)
                                                   MPU6050 ── I²C ─┘

三个不太显然的接线决定：

• **ESP32 用自己的稳压器。**四台电机同时启动会把电池电压拉得很低，而共用那条电源轨的控制器就会欠压，在指令执行到一半时重启。它的表现和固件崩溃一模一样。责怪代码之前，先读电源预算教程。
• **每块驱动器上并一个大容量电容。**470 µF，尽量贴近板子。H 桥是阵发式取电的，而引线里的电感会把这些阵发电流变成尖峰。
• **IMU 装在中轴线上，平放，并且尽可能远离电机。**偏航漂移本身已经够烦了，何必再掺进四台电机的磁场。

按里程碑来做

每一个里程碑都配一次测试。不要把失败带到下一步——在四电机机器人身上，失败会成倍放大。

1. 装上轮子，做 X 检查

把四个轮子装上，人站到机器人正上方。顺着每个轮子顶部能看见的滚子连线看。

**测试：**这四条线都指向机器人中心，画出一个 X。如果画出的是菱形，就把对角的两只轮子对调。通过：是个 X。这项五秒的检查能省下一天。

2. 逐个检查电机

四路全部接好，写一段程序，让轮子以 40% 占空比每次只驱动一个、持续一秒。

**测试：**依次调用，确认指定的轮子朝指定方向转。*通过：四个轮子、四个正确方向，没有接反的那一对。*接线问题要在硬件上改，不要在代码里加负号解决——你迟早会搞混。

3. 编码器

用手把每个轮子转一整圈。

**测试：**把计数打印出来。*通过：与 1440 相差在 2% 以内，且轮子正转时计数为正。*如果计数跳变或反向，说明你只在一个通道上触发中断，或者在读 volatile long 时没有关中断。

4. 架空验证运动学

把机器人架在垫块上，下发一个纯横移指令。

**测试：**对角的两只轮子方向相反——左前和右后朝一个方向，右前和左后朝另一个方向。*通过：正是这个规律。*然后下发一个纯旋转指令：左侧一边、右侧另一边。如果某个轮子不一致，说明它装错了角，第 1 步骗了你。

5. 单个速度环

先在垫块上、只用一个轮子调前馈再加 PI，然后再带载调。

**测试：**下发 0.3 m/s，用手指压住轮胎。*通过：速度保持得住，而且 PWM 明显上升。*这一步认真做好一次就行；另外三个只是它的复制品，只是各自有自己的 kS 和 kV。

6. 四路一起走直线

四个速度环、100 Hz、在地面上。走 3 m 直线。

**测试：**测量终点的横向漂移。*通过：小于 20 mm，而且三次跑下来都能重复。*开环情况下通常是 80–200 mm，并且每次都不一样。

7. 横移 1 m

**测试：**横向正好走一米，把距离和航向变化都量下来。*通过：距离在 5 cm 以内，航向在 3° 以内。*如果弧线每次都一样，说明 k 常数不对；如果杂乱无章，说明某个速度环没稳住。

8. IMU 与场地定向

开机时做偏置标定，再加一个航向复位按钮。

**测试：**把摇杆推向前方，用手把机器人整整转一圈。*通过：它仍然朝着同一个方向在地面上前进。*站着不动时，偏航漂移每分钟小于 3°。

9. 正方形

这就是验收测试。向前 1 m、向右 1 m、向后 1 m、向左 1 m，任何一段都不下发旋转指令。

**测试：**与起点的距离，以及航向变化。通过：分别在 5 cm 和 3° 以内。

做到什么程度算好

最后一行是实话，而不是让人失望的话。在这套装动上，滚子打滑本身就是机理，所以即便一切正常，里程计也是整台车上最弱的一项。提前接受这个预期，而不是去追它。

值得注意的硬件细节

**轮子的左右手是整套才有的属性。**在同一个商品页里分两次单独下单买的两只，往往是同一只手性。开钻之前先确认。

**每个滚子都必须能自由转动。**装轮子之前用手拨一遍每一只。卡死的滚子会时好时坏地把那个角变成一只偏了 45° 的普通轮子，读起来和软件缺陷一模一样。

**麦克纳姆轮很重。**每只 180–400 g，也就是说整台车里最多有 1.6 kg 是轮子，而且是装在力臂末端的旋转质量。这会让机器人手感发沉，也是加速度上限之所以重要的原因。

**地面也是一个元件。**抛光水泥和塑胶地板的 μ 大约是 0.8。积灰的体育馆地面、别人在某台车上喷过发胶留下的一层、或者塑胶地板的接缝，都会让局部摩擦系数减半，机器人一跨过去行为就变了。在怪调参之前，先看看μ = 0.25 时会发生什么。

出问题时看这张表

接下来可以往哪走

**死轮。**两到三个不驱动的全向轮，装在弹簧座上，各带自己的编码器。它们不传递扭矩，所以不会打滑，能把这台车上最弱的那一项变成最强的一项。

全向路径跟踪。纯跟踪和 Stanley都假设机器人靠转向来行驶。而一个能横移的底盘可以做得更好——把路径位置和航向分开跟踪，因为你有彼此独立的执行器。

**在能保持航向的底盘上装相机。**这是天生的搭配：当底盘在重新定位时相机还能一直对着目标，视觉管线要好做得多。全向驱动真正的用武之地就在这里。

**ROS 2。**在这套传动上，cmd_vel 的 linear.y——差速驱动机器人会明确忽略它——终于有了实际意义。把把 Twist 转成轮速的那个函数换成四行的麦克纳姆版实现，就是这项工作的绝大部分。