基于PID算法的双轮差动式移动机器人定位和导航研究

论文摘要

移动机器人学是一个年轻的领域,它的基础包含了许多工程和学科,从机械、电气到计算机和社会科学。自主移动机器人的出现,扩大了机器人的工作空间,代替人类工作于人类无法到达的空间和地域。本文研究对象为实验室内一台移动小车,论文分析了小车机械结构特点并推导了移动机器人运动学方程,为机器人实现点位运动控制提供了理论基础。车体安装了电子罗盘,对机器人的航向进行了全闭环控制,并在理论上提出了利用超声波传感器解决机器人定位问题的良好设想。整个控制系统采用分布式控制方式,以PC机为上位机,以单片机为下位机,编写了上、下位机之间的人机操作界面。土位机每隔一次采样周期,经过PID控制算法改变小车的转速差,从而达到实时监控并纠正机器人前进航向的目的。论文首先分析了差动式、铰轴式不同机械结构的优缺点,最终确定小车机械结构为双轮差动式。即采用三轮结构,后两轮为驱动轮,通过后两轮的转速差实现机器人转弯；前轮为万向轮起辅助支撑作用,不影响整个车体运动。然后推导了移动机器人运动学方程,实现了移动机器人直线运动、圆弧运动、螺线运动以及本体质心不变条件下运动。由于移动机器人的车轮与接触地面为非完整约束,机器人在运行过程中必然会产生打滑现象以至偏离正确航向,为了使机器人实现点位运动并且解决定位和导航问题,本文提出了一种利用电子罗盘实时监测机器人的前进方向,并通过PID算法对航向不断纠正和调整,利用超声波传感器实时向室内固定墙壁发射超声波以判断车体位置的方法。机器人控制系统整体上采用分布式,即由一台PC机作为上位机,它一方面负责接收从电子罗盘和超声波传感器反馈来的信息以判断车体当前的运动状态,另一方面经过PID算法计算向下位机传达下一步的运动指令；下位机由核心处理器为AT89C51的两块单片机组成,此两块单片机接收从PC传送来的指令,分别控制两台步进电机,以协调完成移动机器人的运动。由于机器人需要点位运动,上、下位机之间以及PC与传感器之间全部采用RS485串行协议。最后利用Visual Basic语言编写了人机操作界面。直线运动、圆弧运动、原地旋转、螺线等几种基本运动控制按钮包括其中。电子罗盘的航向参数和系统反馈信息清晰可见,为操作者提供帮助。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景情况
• 1.2 国内外AGV发展概况
• 1.2.1 国外AGV发展情况
• 1.2.2 国内AGV发展情况
• 1.3 AGV研究基本问题
• 1.4 本课题研究意义
• 1.5 论文主要完成任务
• 第2章 移动机器人机械结构及运动学
• 2.1 车体机械结构方案比较
• 2.2 车体机械结构方案确定
• 2.3 移动机器人运动学
• 2.3.1 运动学模型
• 2.3.2 标准轮运动学约束
• 2.3.3 运动学方程
• 2.3.4 几种基本运动轨迹
• 2.4 移动机器人运动学研究结论
• 第3章 移动机器人定位与导航
• 3.1 定位方式
• 3.1.1 常用相对定位方法及其原理
• 3.1.2 常用绝对定位方法及其原理
• 3.2 导引方式
• 3.3 本文定位导航方法
• 3.4 移动机器人传感器系统
• 3.4.1 移动机器人常用传感器
• 3.4.2 电子罗盘和超声波传感器
• 第4章 AGV控制系统总体方案
• 4.1 AGV控制方案比较
• 4.2 通信方式比较
• 4.3 核心处理器比较
• 4.4 控制算法比较
• 4.5 PID调节器设计
• 4.5.1 PID调节器简介
• 4.5.2 移动机器人模型PID调节
• 第5章 控制系统硬件设计
• 5.1 AT89C51单片机简介
• 5.2 电机10细分升速控制
• 5.3 AGV航向值监测
• 5.4 RS-485串行通信
• 5.5 电路板设计
• 第6章 控制系统软件设计
• 6.1 单片机C语言简介
• 6.2 波特率设置
• 6.3 AT89C51定时器设置
• 6.4 AT89C51中断设置
• 6.5 分布式控制串行协议
• 6.6 系统操作界面
• 6.6.1 MSComm控件
• 6.6.2 操作窗口
• 第7章 试验
• 7.1 导航试验
• 7.2 误差分析
• 第8章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢