爬壁侦察机器人控制系统设计

论文摘要

爬壁机器人（Wall-Climbing Robot,WCR）是一种在壁面环境下工作的极限作业机器人,可代替人类在垂直壁面上从事诸如检测、维护、清洁甚至反恐侦察等危险、繁重的工作,能有效降低成本并提高作业效率。本论文爬壁机器人控制系统设计是中科院深圳先进技术研究院与深圳天之盾安全技术有限公司合作的横向课题,通过分析对比当前国内外各类先进的爬壁机器人,提出了反恐侦察用微小型爬壁机器人的创新型设计和控制系统整体方案。在分析了爬壁机器人各种移动方式和吸附方式后结合微小型爬壁机器人的项目要求提出基于同步带的四轮驱动和双风机负压吸附的方案。爬壁侦察机器人的工作性质决定了需要对其进行遥控操作,本文同时设计了无线的遥控盒,采用无线音视频收发模块和无线数传模块实现了侦察图像和控制指令的无线传输,并设计了抗干扰的通信系统。吸附是爬壁机器人最基本的功能。本文详细分析了负压形成的原因,建立了吸附力学模型并对吸附安全性能和压力优化配置进行了系统的分析,同时研究风机-吸盘系统动态特性,在此基础上提出该系统的模糊控制策略并设计模糊控制器,从而提高了负压的控制精度和吸附的安全性。爬壁机器人采用DSP芯片TMS320F2812作为主控芯片,本文在分析控制系统结构基础上提出了该控制系统方案,并详细介绍了整体硬件电路的设计。控制电路和驱动电路集成在同一个电路板上,简化了外部电路接线;控制系统软件设计是在集成开发环境CCStudio v3.3上采用C语言编程。本文最后介绍了该爬壁侦察机器人的实验情况,设计了在不同壁面环境下的吸附爬行和噪声测试实验,实验结果表明该机器人具有较强的壁面适应性和壁面行走能力,同时机器人的工作噪音也低于所要求技术指标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及背景意义
• 1.2 国内外发展现状研究
• 1.2.1 爬壁机器人简介
• 1.2.2 负压吸附爬壁机器人的发展概况
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 关键技术和难点
• 第2章 爬壁侦察机器人系统构成
• 2.1 引言
• 2.2 WCR本体结构系统设计
• 2.2.1 行走机构设计
• 2.2.2 吸附密封机构的设计
• 2.3 WCR传感器系统
• 2.3.1 负压传感器
• 2.3.2 红外测距传感器
• 2.3.3 光电开关
• 2.4 无线数传模块
• 2.5 无线视频系统
• 2.6 控制盒
• 2.6.1 控制盒设计
• 2.6.2 通讯协议设计
• 2.7 本章小结
• 第3章 负压吸附控制策略研究
• 3.1 引言
• 3.2 负压形成分析
• 3.3 吸附安全性与优化分析
• 3.3.1 力学模型
• 3.3.2 吸附安全性能分析
• 3.3.3 压力优化配置分析
• 3.4 风机闭环控制策略分析
• 3.4.1 风机吸盘系统动态特性
• 3.4.2 风机吸盘系统模型分析
• 3.5 风机闭环模糊PID控制器设计
• 3.5.1 模糊控制基本原理
• 3.5.2 模糊控制器结构设计
• 3.5.3 模糊控制器规则设计
• 3.5.4 模糊PID控制器
• 3.6 本章小结
• 第4章 控制系统硬件设计
• 4.1 引言
• 4.2 控制系统硬件方案选型
• 4.2.1 控制芯片选型
• 4.2.2 控制系统整体硬件电路方案
• 4.3 控制系统硬件电路设计
• 4.3.1 主电源供电电路
• 4.3.2 TMS320F2812 基本外围电路
• 4.3.3 直流电机驱动电路
• 4.3.4 电流检测电路
• 4.3.5 传感器电路
• 4.3.6 电源监测电路
• 4.4 控制板实物图
• 4.5 本章小结
• 第5章 控制系统软件设计
• 5.1 引言
• 5.2 集成开发环境CCStudio v3.3 简介
• 5.3 系统软件设计
• 5.3.1 初始化程序
• 5.3.2 主程序
• 5.3.3 中断服务程序
• 5.3.4 主要功能模块子程序
• 5.3.5 控制系统函数说明
• 5.4 系统实验
• 5.4.1 攀爬测试实验
• 5.4.2 噪声测试实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢