03 技术宅教你自制全向麦克纳姆轮战车

◇陈众贤 李嘉诚

让我们来想象一个场景（见图3.1）：你深夜开车回家，在小区里转了一圈又一圈，好不容易找到一个车位，但是发现前面的车乱停，剩下的空间正好只能停放你的车，连一点空隙都不给你，你说怎么办？

眼睁睁地看着一个车位就是停不进，是不是很不爽？是不是很恼火？于是，新的组合开始了，你有没有想过，当横行霸道的螃蟹遇到了汽车，会发生什么？

这就是神奇的麦克纳姆轮，请感受一波神奇的操作：横向入库（见图3.2）。

麦克纳姆轮具有神奇的全向行动能力，受到很多机器人爱好者青睐，例如RoboMaster机甲大师比赛中，一些机器人采用的就是麦克纳姆轮（见图3.3）。

但麦克纳姆轮动辄几百元的价格，让热爱它的小伙伴们望而却步。那是否麦克纳姆轮就与我们普通创客爱好者无缘了呢？当然不是，本教程就教你自制麦克纳姆轮，并用麦克纳姆轮与其他材料制作出一辆麦克纳姆轮战车。只要你身边有3D打印机和激光切割机（可选），就跟我一起制作出一辆全向小车吧！

3.1 自制麦克纳姆轮

制作麦克纳姆轮所需材料与工具见表3.1。

1 将麦克纳姆轮模型用3D打印机打印出来，每个轮子由1个大轮与9个从动轮组成。左旋与右旋模型各打印两个，从动轮左右通用，打印4×9=36个。

2 将热缩管裁剪至适当长度套在小从动轮上，用镊子夹住，使用热风枪加热热缩管，使热缩管受热缩紧，最后使用美工刀将边缘多余的热缩管割掉，每个小从动轮都如此加工。

3 用大头针穿过从动轮并固定在大轮上，确保足够顺滑即可。

4 重复上述步骤，麦克纳姆轮就制作完成啦！

3.2 电路部分

接下来就要开始制作战车的电路部分了。在制作控制电路之前，我们先来进行一步简单的操作：在战车底盘上安装电机。用塑料销钉和电机固定座将4个N20减速电机分别固定在激光切割好的木板底盘上，将麦克纳姆轮安装在电机轴上，如图3.4所示，底盘就制作完成啦。

电路部分所需材料见表3.2，材料实物如图3.5所示。

接下来我将进行麦克纳姆轮战车控制电路部分的制作。

1 首先将电机与电机驱动板之间焊接好导线，并将各电机信号线以及电源线用杜邦线母头引出待用。

2 准备好前挡板、电池仓挡板以及固定件。

3 安装好电池仓与前挡板。

4 将Arduino核心控制板Athena固定好后，将底板引出信号线与电源线接好。共8根信号线控制4个电机的正反转。

5 将超声波模块和固定座固定好后装在小车上。适当移动电池与零件位置，将小车重心保持在小车中间位置，至此，麦克纳姆轮战车就完成啦！

6 其实它还能换头像呢，我用激光切割出一个酷炫的“麦熊头像”。

此小车采用的是捣鼓车间出品的Arduino核心控制板Athena（见图3.6），它自带传感器与蓝牙接口，可以满足大部分项目需求。

无论是Arduino Uno还是Arduino Nano，都只有6个PWM口（编号分别为3、5、6、9、10、11），无法满足控制4个电机，共需要8个接口输出PWM信号的需求。Arduino MEGA2560有8个以上的PWM接口，但体积过大，不适合该项目。我在引脚分配上做出了调整，使用4个PWM接口与4个数字口就可以实现4个电机的调速，我们知道PWM就是数字口的占空比，当引脚为低电平输出PWM信号时，可以调节速度数值为0~255，该数值为255时电机转速最快；反之，当引脚为高电平输出PWM信号时，调节速度数值也是0~255，数值为255时电机停止，PWM输出0时电机转速最快。这样，只需要在程序中调节PWM信号的参数与数字口的输出，就可以控制电机的速度与旋转方向了，调速说明见表3.3。

注：表中“1”代表高电平，“0”代表低电平，“PWM”代表调制脉宽波。IN1、IN2控制电机A，IN3、IN4控制电机B。

有了Arduino核心控制板Athena的介绍和PWM调速说明，整个战车的电路就很简单啦，电路连接方式如图3.7所示。

3.3 程序编写

麦克纳姆轮与普通轮子的区别在于麦克纳姆轮旋转时，由于存在斜向的从动轮，会同时产生一个斜向的力，当我们控制轮子旋转的速度与方向时，将斜向的力增强或抵消，就可实现小车的全向移动，完成横方移、斜方向移动等普通小车无法完成的高难度动作，如图3.8所示。

麦克纳姆轮战车采用手机App遥控的方式来进行操作，手机端控制采用的是现成的“可控Ctrl”App，手机与战车之间通过蓝牙通信，手机端通过摇杆控制小车的全向移动。

麦克纳姆轮战车下位机端的编程思路是：摇杆通过蓝牙返回Joy_x与Joy_y两个变量，最大为1，最小为-1，两坐标遍历半径为1的圆内。程序中有8个方向移动的子程序，程序思路是摇杆活动半径大于0.5以后，开始判断属于哪个范围内，并执行相对应的子程序。最开始采用的是判断坐标范围，发现效果并不理想，最终采用通过计算tan值判断该点所在象限，从而判断该点所在的区域，这样的方法在内圆内不作执行指令，方便操作。另外可以将整周的圆八等分，算法简洁可靠。摇杆部分算法如下，完整程序请从本书下载平台（见目录）下载。

至此，完整的麦克纳姆轮战车就制作完成啦！