移动机器人控制系统设计及规划研究

论文摘要

足球机器人涉及计算机、人工智能、机器视觉、信号处理、无线通讯、机器人学等多个学科,是人工智能与机器人领域的研究热点,是一个极富挑战性的高科技项目。目前,研制足球机器人主要有两方面困难,一方面是感知与控制,另一方面是决策、规划和推理。本文以RoboCup小型组足球机器人为研究对象,针对机器人控制系统设计及路径规划进行了深入的研究,本论文的研究工作主要包括以下几个方面:首先,介绍RoboCup小型组足球机器比赛的系统组成,以及广泛使用的全方位移动机器人的系统结构。在世界坐标系和机器人坐标系下,推导出全方位移动机器人的运动学方程、动力学方程,找到机器人控制量与状态量之间的关系,从而得到机器人的系统方程,并且代入实际机器人的具体参数,通过MATLAB仿真验证模型的有效性。其次,重点研究了RoboCup小型组足球机器人控制系统,通过参阅众多小型组足球机器人的设计文献,结合当前小型组足球机器人的发展趋势,选择DSP TMS320F2812作为主控制器,以它为核心设计出足球机器人驱动板和主控板。在驱动板上完成了机器人的运动、击球、带球等电路设计,在控制板上完成了外围接口、通讯等电路设计工作,并完成了各部分的程序设计及性能测试。最后,对足球机器人的路径规划进行了研究,并以RoboCup小型组足球机器人比赛为模型,用栅格法进行环境建模,并结合蚁群算法进行路径搜索,在较短的时间内找到一条无碰撞的最优路径,实验仿真表明:采用栅格法建模,结合蚁群算法进行路径搜索的新方法可以使足球机器人快速到达目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 足球机器人研究的背景及意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 足球机器人发展及研究现状
• 1.2.1 足球机器人的发展现状
• 1.2.2 足球机器人的研究现状
• 1.3 本论文研究内容
• 第二章 足球机器人系统结构及模型分析
• 2.1 ROBOCUP 小型组概述
• 2.2 小型组足球机器人的系统结构分析
• 2.2.1 小型组机器人的驱动方式的发展
• 2.2.2 全方位轮的应用
• 2.2.3 全方位移动机器人的发展现状及结构分析
• 2.3 全方位足球机器人模型建立及分析
• 2.3.1 四轮全方位机器人的模型建立
• 2.3.2 四轮全方位移动机器人的运动学分析
• 2.3.3 四轮全方位移动机器人的动力学分析
• 2.3.4 仿真实验及结果
• 2.4 本章小结
• 第三章 足球机器人控制系统硬件设计
• 3.1 微处理器的选择及开发平台的建立
• 3.1.1 控制器的选择
• 3.1.2 TMS320F2812 控制器及开发平台简介
• 3.1.3 控制器的资源分配
• 3.2 主控制板设计
• 3.2.1 控制器及接口电路设计
• 3.2.2 通信电路的设计
• 3.2.3 电源电路设计
• 3.3 驱动板设计
• 3.3.1 驱动电路设计
• 3.3.2 电机测速电路的设计
• 3.3.3 球检测电路的设计
• 3.3.4 带球机构的设计
• 3.3.5 踢球机构的设计
• 3.4 抗干扰措施
• 3.5 本章小结
• 第四章 足球机器人软件系统设计
• 4.1 软件设计目标
• 4.2 TMS320F2812 程序设计
• 4.2.1 主程序结构设计
• 4.2.2 初始化程序设计
• 4.3 无线通信程序设计
• 4.3.1 通信程序结构设计
• 4.3.2 通信协议设计
• 4.3.3 程序设计及分析
• 4.4 电机驱动程序设计
• 4.4.1 电机的控制算法
• 4.4.2 算法的应用及参数选取
• 4.4.3 驱动程序的实现
• 4.5 本章小结
• 第五章 足球机器人的路径规划研究
• 5.1 机器人路径规划的研究现状
• 5.1.1 移动机器人路径规划的方法
• 5.1.2 移动机器人路径规划方法的发展趋势
• 5.2 基于蚁群算法的机器人路径规划
• 5.2.1 引言
• 5.2.2 环境建模
• 5.2.3 路径搜索
• 5.2.4 仿真结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 下一步的研究工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录（一）机器人控制主要原理图
• 附录（二）作者在攻读硕士学位期间发表的论文