多用途特殊移动作业机器人控制系统设计

论文摘要

课题源于南京科技局的实际工程项目“多用途特殊移动作业机器人”，根据项目要求，结合国内外移动机器人控制技术和方法，对机器人的车体控制系统进行了设计与开发。首先，根据项目要求，对机器人控制系统进行分析，通过对不同控制方式的比较，构建了基于CAN总线的一主多从的分布式驱动控制系统方案。在主从方式下，以带有CAN适配卡的嵌入式单板计算机为主节点，其余4个电机驱动控制器为从节点，编写了CANopen应用层协议的CAN通信程序。其次，设计了机器人内外传感器数据采集系统，通过对主控计算机的3个RS-232串口和8个通用I／O口编程来实现传感器数据的采集，并根据超声波信息为模拟量的特点设计了以AT89C51为控制核心的超声波信息采集模块。通过模拟平台的实验，证明了该传感器采集模块能够满足机器人对环境信息的采集要求。最后，设计了与机器人传感信息相结合的机器人运动控制系统，针对机器人运行环境的复杂性，编写了基于超声波传感器和红外光电开关信息的机器人避障程序，推导出了基于机器人俯仰信息的机器人爬坡控制算法，并编写了基于机器人姿态信息的运动控制程序。机器人控制系统通过传感信息和运动控制的结合，保证了机器人在复杂环境的生存能力，基本满足了项目的设计要求。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究的意义和目的
• 1.2.1 课题研究的意义
• 1.2.2 课题研究的目的
• 1.3 国内外研究现状及发展趋势
• 1.3.1 国外移动机器人发展现状
• 1.3.2 国内移动机器人发展概况
• 1.4 课题背景来源
• 1.5 论文的研究内容和组织结构
• 2 多用途特殊移动机器人控制系统总体构架设计
• 2.1 多用途特殊移动机器人控制系统总体方案设计
• 2.1.1 控制系统设计原则
• 2.1.2 控制系统方案选择
• 2.2 多用途特殊移动作业机器人控制系统硬件构成
• 2.2.1 多用途特殊移动作业机器人电机、编码器、驱动器选择
• 2.2.2 多用途特殊移动作业机器人传感系统选择
• 2.2.3 嵌入式单板计算机 PCM-9375
• 2.2.4 CAN 通信适配卡
• 3 基于 CAN 总线的多用途特殊移动作业机器人驱动控制系统设计
• 3.1 CAN 总线技术概述
• 3.1.1 CAN 总线的概念
• 3.1.2 CAN 总线的特点
• 3.1.3 CAN 的分层结构
• 3.1.4 CAN 报文的数据帧结构
• 3.2 CAN 总线的应用层协议 CANopen
• 3.2.1 CANopen 对象字典
• 3.2.2 CANopen 协议的通信模型
• 3.3 多用途特殊移动作业机器人驱动控制系统 CAN 总线设计
• 3.3.1 CANopen 对象字典的建立
• 3.3.2 基于 CAN 适配卡 PCM-3680 的 PDO 通讯
• 3.3.3 基于 CAN 通信的驱动控制程序设计
• 4 多用途特殊移动作业机器人传感器采集系统设计
• 4.1 HMR3000 数字磁罗盘信息采集
• 4.1.1 HMR3000 与单板计算机的连接
• 4.1.2 数字磁罗盘的安装
• 4.1.3 数字磁罗盘的标定
• 4.1.4 HMR3000 控制语句与输出特性
• 4.1.5 利用单板计算机串口采集 HMR3000 信息
• 4.2 CXTILT02EC 倾角传感器信息采集
• 4.3 红外光电开关信息采集
• 4.4 超声波信息采集模块设计
• 4.4.1 超声波信息采集模块硬件设计
• 4.4.2 超声波信息采集模块软件设计
• 4.5 基于磁罗盘和倾角传感器的机器人姿态信息融合
• 4.5.1 自适应加权数据融合算法
• 4.5.2 算法的流程
• 4.6 传感器采集系统实验分析
• 4.6.1 超声波测距实验分析
• 4.6.2 磁罗盘和倾角传感器信息采集实验
• 5 基于传感器信息的移动机器人运动控制
• 5.1 基于超声波和红外光电开关的避障控制
• 5.2 基于磁罗盘和倾角传感器信息的运动控制
• 5.2.1 基于俯仰信息的机器人爬坡控制算法
• 5.2.2 基于磁罗盘和倾角传感器的机器人运动控制程序设计
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献