嵌入式控制的爬壁机器人研究

论文摘要

以全自主移动机器人为研究平台,介绍了移动机器人的硬件体系结构、避障行为决策、避障运动控制等。随着机器人应用范围的不断扩展,机器人所面临的工作环境也越来越复杂,多数是未知的、动态的和非结构化的。通过对基于行为的机器人控制技术的研究,提出了一种实用的自主移动机器人智能避障控制方案。针对爬壁机器人及其作业环境的特点,文章介绍一种应用常见经济型器件构建的爬壁机器人平台,它满足低成本、装配简单、可扩展性好等要求。我们选择了高速低功耗的ARM芯片LPC2214作为处理器,为机器人设计了丰富的功能,并与上位机监控系统结合,使其适用于路径规划与定位、运动控制策略、多机器人系统体系结构与协作机制等领域研究。此项移动机器人平台的研究未来前景广阔。该机器人系统应用超声波传感器、压力传感器、接近传感器采集外部环境信息,采用RS485总线实现爬臂机器人与计算机通信,从而实现现场信息的反馈和计算机控制命令的发送。在软件操作系统的设计上,μC/OS-II被选作系统的实时内核。该内核是从一开始就以嵌入式实时应用的实时多任务内核而设计的,由于它的高效性和较低的硬件资源占用特性,已经在嵌入式应用中被广泛的采用。该内核可以同时管理最多达56个任务,在多数的嵌入式应用中这已经是足够用的了。该论文中移植的μC/OS-II支持文本切换,中断服务中更改人物的优先级,能有效地运行LPC2214上管理资源。为提高爬壁机器人的移动速度,有效避障,同时减少计算量,保证机器人决策的快速性,本文采用基于栅格法的路径规划算法。该算法的核心思想是采用类似图的遍历搜索法,即从给定的起点出发,按照一定的搜索顺序访问图中所有栅格的过程。最后对该气动爬壁机器人进行了实验研究,针对提出的算法将机器人的运动过程做了步骤分析。实验结果表明该机器人能够在平整的墙面上实现直线运动与转弯运动且吸附是可靠的。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 机器人运动控制技术的发展
• 1.2.1 系统实现方法
• 1.2.2 多传感器技术与嵌入式系统
• 1.2.3 自主导航和定位
• 1.3 多传感器信息融合在移动机器人中的应用研究
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 本文提出的方案和研究的内容
• 1.5 本章小结
• 2 机器人的原理样机
• 2.1 爬壁机器人工作环境分析
• 2.2 机器人动作分析
• 2.3 本章小结
• 3 控制系统的硬件设计
• 3.1 机器人的主控制器
• 3.1.1 硬件方案对比
• 3.1.2 嵌入式系统控制
• 3.2 功能模块设计
• 3.2.1 CPU 及存储系统设计
• 3.2.2 障碍检测及处理模块设计
• 3.2.3 气路真空的检测
• 3.2.4 电磁阀控制模块
• 3.2.5 步进电机的控制
• 3.2.6 伺服电缸驱动单元
• 3.2.7 通信模块设计
• 3.2.8 人机交互模块设计
• 3.2.9 电源模块设计
• 3.2.10 电路系统板级可靠性研究
• 3.3 本章小结
• 4 μC /QS-II 在ARM 上的移植
• 4.1 处理器移植条件
• 4.2 硬件启动程序
• 4.2.1 系统启动程序设计
• 4.2.2 驱动程序设计
• 4.3 嵌入式操作系统简介
• 4.3.1 嵌入式Linux 和,μC /QS-II
• 4.3.2 μC /QS-II 的特点和体系结构
• 4.4 μC /QS-II 的系统文件配置
• 4.4.1 设置与编译器有关的代码
• 4.4.2 编写与操作系统有关的函数
• 4.4.3 编写与MCU 相关的函数
• 4.5 任务的设计与划分
• 4.6 系统中任务状态与运行机制
• 4.6.1 任务状态
• 4.6.2 多任务运行机制与中断
• 4.7 本章小结
• 5 爬壁机器人运动控制实现
• 5.1 路径规划
• 5.1.1 环境建模
• 5.1.2 基于栅格法的路径规划算法
• 5.2 机器人运动过程分析
• 5.3 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 进一步的研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 附录：A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录