基于DSP的控制驱动一体化二自由度云台的设计与实现

论文摘要

机器人视觉伺服控制是机器人研究领域的一个重要方向,云台是实现机器人视觉伺服控制的主要载体。传统云台主要应用于大型场所的安防监控,具有体积大、结构复杂、调速范围小等特点,而真正适用于小型移动机器人视觉伺服控制的云台不多见。国外机器人云台又因成本较高,目前尚未在国内大量使用。因此,研制体积小、结构简单、定位准确、价格低廉的机器人云台具有重要的意义和应用价值。本文重点分析和研究了一种基于DSP的控制驱动一体化二自由度云台。主要工作如下:根据二自由度云台的功能要求,确定了云台设计的主要技术指标;通过分析比较,确定了二自由度云台的结构形式,提出了采用直流伺服电机驱动、齿轮传动、增量式光电编码器和基于DSP的控制驱动一体化总体实现方案。采用D-H法对二自由度云台进行了正运动学位置分析,采用几何法进行了逆运动学求解,采用蒙特卡洛方法对云台工作空间进行了分析,并对杆长参数进行了优化设计。在此基础上,重点研究了基于多项式插补算法的云台关节空间轨迹规划和基于圆弧插补算法的云台直角坐标空间轨迹规划,实验结果表明,关节空间三次多项式插补算法计算量小、控制策略简单,更适合于二自由度云台运动轨迹规划。分析和研究了基于差动齿轮系传动的二自由度云台结构布局和基于简单齿轮传动的混合交叉结构布局,设计了二自由度云台的水平回转机构和俯仰机构,给出了设计图纸,完成了样机制作。研制了基于DSP的控制驱动一体化二自由度云台控制系统。主要硬件包括驱动电路、电源、接口电路、传感器检测电路以及通信电路等部分。利用DSP控制驱动一体化硬件平台,分别采用PID算法、模糊控制算法和参数自整定模糊PID算法,对二自由度云台运动控制进行了仿真实验。实验结果表明,参数自整定模糊PID算法控制精度高、自适应能力强,可以满足二自由度云台运动控制的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 二自由度云台概述
• 1.2 机器人云台研究意义
• 1.3 国内外机器人云台的研究进展
• 1.3.1 国外机器人云台研究综述
• 1.3.2 国内机器人云台研究综述
• 1.4 机器人云台研究的关键技术
• 1.5 本课题的研究任务与拟解决的关键问题
• 1.5.1 研究任务
• 1.5.2 研究计划与拟解决的关键问题
• 1.5.3 论文各部分的主要内容
• 第二章 云台设计基础及总体设计方案
• 2.1 机器人云台设计基础
• 2.1.1 自由度数确定
• 2.1.2 承载能力
• 2.1.3 转动速度
• 2.1.4 转动角度
• 2.1.5 精度
• 2.2 云台机械结构型式
• 2.3 云台驱动方式和传感检测方式
• 2.3.1 驱动方式选择
• 2.3.2 传感检测方式选择
• 2.4 传动方式选择
• 2.4.1 传动方式概述
• 2.4.2 传动方式比较和选择
• 2.5 云台总体控制方案
• 2.5.1 云台运动控制概述
• 2.5.2 云台运动控制方案确定
• 2.6 小结
• 第三章 云台运动学分析和轨迹规划
• 3.1 坐标系的建立
• 3.2 二自由度云台的位置分析
• 3.3 逆运动学位置分析
• 3.4 结构参数的运动学优化分析和设计
• 3.4.1 工作空间求解
• 3.4.2 基于工作空间的杆长参数设计
• 3.5 云台运动轨迹规划
• 3.5.1 基于关节空间的轨迹规划
• 3.5.2 基于直角坐标空间的圆弧插补轨迹规划
• 3.6 小结
• 第四章 云台机械结构设计和实现
• 4.1 云台工作环境分析和结构参数初定
• 4.2 基于传动系统的布局设计
• 4.2.1 基于差动齿轮系传动的布局设计
• 4.2.2 基于简单齿轮传动的混合交叉型布局设计
• 4.3 电动机的初选
• 4.4 光电编码器的选型
• 4.5 云台机械结构设计
• 4.5.1 总体设计方案
• 4.5.2 俯仰轴承支架的设计
• 4.5.3 水平回转机构的设计
• 4.5.4 俯仰关节电机转矩验算
• 4.6 样机制作
• 4.7 小结
• 第五章 基于DSP 的云台控制系统硬件开发
• 5.1 TMS320LF2407 型DSP 芯片介绍
• 5.2 电机驱动电路设计
• 5.3 电源单元设计
• 5.4 DSP 控制器外围接口电路设计
• 5.5 传感单元设计
• 5.6 过流保护设计
• 5.7 串口通讯单元设计
• 5.8 抗干扰设计
• 5.9 小结
• 第六章 云台运动控制器的研究与设计
• 6.1 直流电机的数学模型
• 6.2 PID 控制器
• 6.2.1 PID 控制器概述
• 6.2.2 PID 控制器设计
• 6.3 模糊控制器
• 6.3.1 模糊控制器概述
• 6.3.2 模糊控制器设计
• 6.4 模糊PID 控制器
• 6.4.1 模糊PID 控制器概述
• 6.4.2 模糊PID 控制器的设计
• 6.5 实验结果分析
• 6.6 小结
• 第七章 结束语
• 参考文献
• 硕士期间所做工作
• 致谢