基于ARM7的足球机器人控制系统的研究

论文摘要

本文以机器人世界杯为背景,从实际应用出发,用ARM7作为核心的处理芯片,研究足球机器人控制系统的设计。本设计的研究对象是足球机器人,力图通过其设计研究足球机器人的运动特性及控制,并为将来进一步探讨诸如移动机器人路径规划、人工智能及多机器人合作等研究打下基础。本论文以RoboCup小型组机器人为研究对象,针对足球机器人小车控制系统进行了深入研究。从系统的提升性能、简化设计、扩展功能的角度出发,尝试使用嵌入式系统设计理论设计了基于ARM7微处理器的车载嵌入式系统。论文的主要研究工作具体如下:首先,本文对足球机器人的系统模型进行了分析,选择了三轮结构模型。根据足球机器人控制系统的设计要求,制定了以微处理器ARM7为核心的系统设计方案。其次,论文重点阐述了足球机器人控制系统的硬件设计和软件实现。主要包括核心器件的选型及其最小控制系统、电机速度检测电路、串口通信电路、人机交互电路、无线通信电路各单元电路的设计,控制原理。在软件的编写方面,采用模块化设计方法,各功能模块相互独立,便于修改和调试。然后,简要介绍了本控制系统的硬件调试、软件调试过程和部分实验结果,并对所得实验结果进行了分析。论文的特色之处在于将低功耗,高性能的嵌入式微处理器与智能算法相结合,设计出较为完善的足球机器人控制系统。简化了系统的设计,满足机器人足球比赛的要求,而且具有良好的扩充性。在调速单元,设计出了基于模糊自适应PID控制器的双闭环直流调速系统,其中内环电流环仍采用PI调节器,外环速度环采用模糊自适应PID控制。本文的研究为实现多机器人的协作提供了硬件平台,使足球机器人更加接近人类足球比赛。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 足球机器人概述
• 1.3 基于ARM 的足球机器人控制系统
• 1.3.1 足球机器人的组成
• 1.3.2 嵌入式系统在控制系统中的运用
• 1.3.3 基于ARM 的足球机器人控制系统的总体思想
• 1.4 研究足球机器人的科学意义
• 1.5 论文的工作
• 1.6 本章小结
• 第二章 三轮全向足球机器人结构设计与系统模型分析
• 2.1 足球机器人的功能与性能指标
• 2.2 足球机器人结构设计
• 2.2.1 三轮足球机器人车体布局
• 2.2.2 电机的选取
• 2.2.3 球处理机构的分析与设计
• 2.3 三轮足球机器人运动学及动力学分析
• 2.3.1 足球机器人系统运动学分析
• 2.3.2 足球机器人系统动力学分析
• 2.4 足球机器人的行为
• 2.5 本章小结
• 第三章 足球机器人控制系统的硬件设计
• 3.1 控制系统硬件电路的组成结构
• 3.2 处理器单元
• 3.2.1 核心芯片的选择
• 3.2.2 主芯片LPC2138 性能
• 3.2.3 ARMLPC2138 的最小系统电路设计
• 3.3 速度检测模块
• 3.4 无线通讯模块
• 3.4.1 串口通讯电路
• 3.4.2 人机交互电路
• 3.4.3 无线通讯电路
• 3.5 本章小结
• 第四章 双闭环直流调速系统
• 4.1 双闭环电机驱动控制的电路设计
• 4.1.1 直流电机调速控制原理
• 4.1.2 L298 实现电机双极性控制
• 4.1.3 双闭环电机驱动电路的实现
• 4.2 模糊自适应PID 控制器的设计及其实现
• 4.2.1 常规PID 控制原理
• 4.2.2 模糊自适应PID 控制器的原理
• 4.2.3 模糊自适应PID 控制器的设计
• 4.2.4 在机器人中的应用实现及结果仿真
• 4.3 本章小结
• 第五章 足球机器人控制系统的软件设计
• 5.1 LPC2138 的编程环境及CPU 引脚资源分配
• 5.1.1 软件编译环境
• 5.1.2 CPU 引脚资源分配
• 5.2 控制系统总体设计
• 5.2.1 主程序结构
• 5.2.2 初始化模块
• 5.3 运行模块设计
• 5.3.1 通信子程序设计
• 5.3.2 测速模块
• 5.3.3 电机驱动模块
• 5.4 人机交互模块
• 5.5 软件设计要注意的问题
• 5.6 本章小结
• 第六章 调试及实验结果
• 6.1 硬件调试
• 6.2 软件调试
• 6.3 机器人小车性能测试及结果分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 个人简历 在学期间发表的学术论文