在我国建筑行业中，传统的水泥地面打磨工作通常由工人手工操作或配合半自动化机械共同完成，但这种方式常常导致地面打磨光整度不佳，而且在打磨过程中会产生大量灰尘，严重影响工人健康。对于大面积的地面，工作效率也很低。为此，水泥地面打磨机器人应运而生，它不仅能显著提高工作效率，还能减轻工人负担，减少灰尘对工人的伤害。

然而，目前市面上较为成熟的打磨机器人多为需要人工扶持的半自动产品。通过对现有产品的分析，发现有些机型过于笨重，搬运和更换磨片十分不便，而有些机型过轻，导致磨削力不足，效率低下。大多数产品仍然未能实现完全无人自动打磨。

针对这些问题，我们需要研发一款能够在少人甚至无人监管的情况下自动工作的打磨机器人。这款机器人可以通过自身的激光雷达构建环境地图，利用路径规划、定位导航和运动控制，配合打磨转盘控制，实现建筑水泥地面的自动打磨。

本设计的核心在于通过路径规划来精确控制复杂运动中的基本运动。因为所有复杂的运动都可以分解为前进、后退、左转、右转等基本运动的组合，所以对基本运动的精准控制至关重要。

在此设计中，我们首先建立了水泥地面打磨机器人的运动学模型，并针对机器人速度控制问题提出了相应的速度控制算法。该算法通过MATLAB进行了仿真验证。机器人运动控制系统的主要硬件部分由STM32F103Z主控芯片、伺服驱动器、电机和其他组件构成，软件则使用C语言编写，借助Keil μVision5集成开发环境进行开发，并通过仿真器下载到STM32F103Z芯片中，最终通过机器人样机进行实验验证。

1. 机器人运动学模型的建立

为了准确描述机器人在运动过程中的位姿信息，我们简化了水泥地面打磨机器人的移动车体结构，并构建了该机器人的运动学模型。

机器人主要分为两部分：一是功能部分，主要是打磨盘及其驱动电机，打磨盘与电机之间通过V带传动，电机尾部装有编码器，用来获取电机转速信息；二是移动机器人载体，前轮为驱动轮，通过控制驱动轮来控制机器人的运动方式，后轮为万向轮，仅起支撑作用。

简化后的机器人运动学模型如图所示。

在该模型中，Xr、Yr代表机器人局部参考坐标系下的横坐标和纵坐标，X、Y代表全局坐标系下的横坐标和纵坐标。O为机器人车体中心，差速驱动机器人的广义坐标为q=[x，y，θ]，其中x、y表示差速驱动机器人平台两个驱动轮中心的中点坐标。

各参数含义如下：νL、νR、ν分别表示左轮速度、右轮速度和当前速度；2L表示两驱动轮间距，近似等于机器人宽度；r表示单个驱动轮半径；θ表示机器人运动方向与全局坐标系X轴之间的夹角。

2. 加减速控制算法

在水泥地面打磨机器人运动过程中，如果没有适当的运动控制算法，可能会导致机器人稳定性下降，加速机器人机械部件的磨损，并增加定位误差。因此，我们提出了基于"S"型曲线的速度控制算法，该算法能有效解决机器人在运动控制中的稳定性低和定位误差大的问题。

"S"型曲线具有加速度线性、加速度连续和平滑过渡速度的特点。整个曲线由七个阶段组成，包括加加速阶段、匀加速阶段、减加速阶段、匀速阶段、加减速阶段、匀减速阶段和减减速阶段。

通过仿真验证，该算法在实际应用中表现良好，确保了机器人在运动过程中的稳定性和准确性。

3. 运动控制系统硬件设计

水泥地面打磨机器人的运动控制系统主要包括车体、驱动轮、伺服电机、伺服驱动器、运动控制器、供电电源、串口通信电路和按键模块等。STM32F103Z芯片作为核心控制器，通过发送特定频率的PWM信号来协调控制两驱动轮的速度和方向，从而实现对打磨机器人的整体控制。

整个系统由48V锂电池供电，通过降压模块为各个模块提供所需的电压。编码器采集数据并通过光耦芯片转换为单端信号输入到控制器STM32中。电源模块由锂电池和专用电源转换芯片组成，用于为各组件提供所需的电压。

4. 运动控制系统软件设计

控制系统采用C语言编写，主要功能包括接收和发送控制指令、解算机器人速度控制算法、计算驱动轮速度、驱动电机和存储参数等。软件设计包括程序初始化、串口通信、定时器中断、伺服电机驱动、打磨盘驱动和电源电量显示等模块。

5. 运动误差测试与分析

在测试过程中，机器人分别进行了直线运动和半径转弯运动，测试结果表明，随着路程增加和速度提升，机器人产生的误差逐渐增加。在转弯时，随着速度和转弯角度的增加，误差也相应增加。尽管如此，控制系统在一定程度上仍保证了直线行驶和转弯的精度。

6. 结论

本文设计并实现了水泥地面打磨机器人的基本运动控制系统，并通过样机验证了其功能。通过建立运动学模型、提出"S"型曲线速度控制算法并进行仿真验证，结合软硬件设计，最终通过样机实验验证了该系统在直线行驶和转弯时的精度，为水泥地面打磨机器人的进一步研发奠定了基础。