嵌入式移动机器人避障研究与系统设计实现

论文摘要

移动机器人是机器人领域研究的重要方向,是当前研究的热点之一。传统的移动机器人基本上都采用专用处理器和专用操作系统,这已不能满足现代机器人的发展要求,随着嵌入式系统的发展,移动机器人正向经济化、小型化、智能化和通用型方向发展。自主避障是移动机器人安全行驶的重要保障,也是移动机器人研究的重要内容。本文分析了机器人常用避障传感器的特点和原理以及多传感器融合技术,并对机器人避障算法进行了研究。详细分析了模糊控制和神经网络控制理论,二者可以表达那些难以用数学模型描述的规则,适合移动机器人的智能避障控制。在研究嵌入式系统的基础上,本文自主设计并开发了嵌入式移动机器人平台,为移动机器人的硬件和软件设计提供了一个解决方案。此机器人平台具有可移植性和可扩展性,并在此平台上进行了机器人避障系统的研究。本文以高性能ARM处理器S3C2410为核心,进行机器人底层运动控制系统的设计,设计了机器人的外围电路和扩展接口,重点设计了步进电机驱动模块。在硬件的基础上移植了linux操作系统,开发了电机驱动程序。采用了超声波传感器对移动机器人周围的环境进行探测,设计了以AT89C52单片机为控制器的多路超声测距模块,并进行了测距实验,测距精度可以满足机器人避障要求。最后提出了神经模糊控制避障算法,详细论述了该算法的设计与实现,仿真结果证明了本文所提算法的正确性和有效性,并将该算法移植到了嵌入式移动机器人的系统中,实现了移动机器人的安全避障。在实际的测试中,本文所设计的移动机器人平台和避障算法能快速有效的实现避障。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 移动机器人的主要研究方向
• 1.3 嵌入式系统及其在机器人中的应用
• 1.4 本文研究内容及安排
• 第二章 嵌入式移动机器人避障研究
• 2.1 机器人避障环境检测
• 2.1.1 避障常用传感器
• 2.1.2 多传感器的信息融合
• 2.2 移动机器人避障控制算法
• 2.2.1 机器人避障算法简介
• 2.2.2 模糊控制
• 2.2.2.1 模糊数学基础
• 2.2.2.2 模糊控制器设计
• 2.2.3 神经网络控制
• 2.2.3.1 BP 神经网络结构与算法
• 2.2.3.2 BP 神经网络设计
• 2.3 本章 小结
• 第三章 嵌入式移动机器人系统设计
• 3.1 移动机器人控制系统总体设计
• 3.2 嵌入式移动机器人硬件平台实现
• 3.2.1 S3C2410 微控制器
• 3.2.2 Flash 及SDRAM 存储器
• 3.2.3 JTAG 调试电路设计
• 3.2.4 电源电路设计
• 3.2.5 通信接口设计
• 3.2.6 电机驱动模块设计
• 3.2.6.1 步进电机及其控制原理
• 3.2.6.2 步进电机驱动电路设计
• 3.3 移动机器人嵌入式软件平台设计实现
• 3.3.1 开发环境的搭建
• 3.3.2 bootloader 的移植
• 3.3.2.1 Bootloader 概述
• 3.3.2.2 vivi 分析与移植
• 3.3.3 linux 内核结构分析与移植
• 3.3.3.1 内核结构分析
• 3.3.3.2 linux 内核移植
• 3.3.4 建立linux 文件系统
• 3.3.4.1 文件系统简介
• 3.3.4.2 构建Cramfs 根文件系统
• 3.3.5 步进电机驱动程序设计
• 3.3.5.1 linux 设备驱动开发
• 3.3.5.2 linux 下步进电机驱动程序设计
• 3.4 本章 小结
• 第四章 机器人超声避障模块设计
• 4.1 超声波测距技术简介
• 4.1.1 超声波及其特性
• 4.1.2 超声波传感器
• 4.1.3 超声波测距原理
• 4.2 超声波测距模块电路设计
• 4.2.1 超声波发射电路
• 4.2.2 超声波接收电路
• 4.2.3 温度检测电路
• 4.3 多路超声波测距设计
• 4.4 超声波测距模块软件设计
• 4.5 超声波测距实验
• 4.6 本章 小结
• 第五章 神经模糊控制在嵌入式移动机器人避障中的应用
• 5.1 神经模糊控制器设计
• 5.2 神经模糊控制算法
• 5.2.1 精确量的模糊化
• 5.2.2 模糊控制规则BP 神经网络
• 5.2.3 输出量的解模糊化
• 5.3 避障仿真及算法移植
• 5.4 本章 小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 附录1 USB 和以太网接口电路
• 附录2 移植相关代码
• 附录3 训练样本
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文