基于ARM&Linux平台的排水管道检测机器人控制系统设计与实现

论文摘要

排水管道检测机器人是一种新兴的机器人,属于特种机器人的范畴,主要用于地下排水管道的检测与维修,随着人类文明程度的提高,研发一种机器代替工人在下水道中进行排水管道的检测,已是社会发展的趋势。本文在研究国内外排水管道检测机器人发展现状与应用情况的基础上,结合相关管道机器人的发展历程,设计了一种轮式的排水管道检测机器人控制方案,该机器人采用有线的通信方式在下水道当中进行管道检测,本文重点介绍的则是排水管道检测机器人的控制系统的设计与实现。在对排水管道检测机器人实地工作环境分析的基础上,提出了排水管道检测机器人的控制方案,上位机采用ARM9处理器作为核心处理器,设计了人机操作界面;下位机以两片Atmega8单片机为核心处理器,以烟雾传感器电路和倾角传感器等设计了相应的数据采集电路,以专门的电机驱动芯片设计了电机驱动电路;上下位机之间的通信采用了半双工模式的RS-485通信协议;将嵌入式Linux操作系统引入到控制系统当中,实现了嵌入式Linux操作系统在上位机ARM9处理器上的移植;为了保证机器人在恶劣的环境当中行走安全,本文在分析模糊控制和PID控制的基础上,结合两者的优缺点,设计了基于两者相结合的控制模式,使机器人行走更稳定;并用U-T参数转化的方法对传统的kalman滤波算法进行了改进,使得机器人的定位结果更加准确。设计的轮式机器人不但满足排水管道检测机器人的功能要求,也为以后车载机器人的发展提供了开放式控制平台。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.1.1 排水管道进行检测清洁的重要性
• 1.1.2 排水管道检测机器人研制的迫切性
• 1.2 管道机器人的分类
• 1.2.1 液压驱动管道检测机器人
• 1.2.2 蠕动式管道检测机器人
• 1.2.3 振动式管道检测机器人
• 1.2.4 轮式和履带式管道检测机器人
• 1.3 管道机器人研制的关键技术
• 1.4 管道机器人的国内外研究现状及发展趋势
• 1.4.1 国外管道机器人的研究现状
• 1.4.2 国内管道机器人的研究现状
• 1.5 本文的研究内容以及论文组织情况
• 第2章 排水管道检测机器人功能及整体方案介绍
• 2.1 排水管道检测机器人的性能参数
• 2.2 排水管道检测机器人的主体结构
• 2.2.1 上位机结构
• 2.2.2 下位机结构
• 2.3 排水管道检测机器人的工作原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 排水管道检测机器人控制系统硬件设计
• 3.1 上位机硬件电路设计
• 3.1.1 上位机处理器选型
• 3.1.2 S3C2410 最小系统设计
• 3.2 上下位机通信模块设计
• 3.2.1 串行通信和并行通信区别
• 3.2.2 同步通信和异步通信区别
• 3.2.3 通信电路设计
• 3.3 下位机硬件电路设计
• 3.3.1 Atmega8 最小系统
• 3.3.2 倾角测量电路设计
• 3.3.3 超声波测距电路设计
• 3.3.4 烟雾检测电路设计
• 3.3.5 电机驱动电路设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 排水管道检测机器人控制系统软件设计
• 4.1 管道检测机器人控制系统软件整体设计
• 4.2 上位机控制系统软件设计
• 4.2.1 嵌入式linux 操作系统简介
• 4.2.2 bootloader 移植
• 4.2.3 Linux 内核移植
• 4.2.4 根文件系统移植
• 4.2.5 PS/2 键盘接口设计
• 4.3 异步串行RS-485 通信实现
• 4.3.1 RS-485 通信数据格式简介
• 4.3.2 RS-485 通信软件设计
• 4.4 下位机控制系统软件设计
• 4.4.1 PID 控制原理
• 4.4.2 模糊控制原理
• 4.4.3 基于模糊PID 控制器的电机驱动设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于kalman 滤波的机器人定位算法改进
• 5.1 常规kalman 滤波算法改进
• 5.1.1 常规kalman 滤波方程的缺点
• 5.1.2 U-T 参数变换
• 5.1.3 改进型kalman 滤波算法
• 5.2 改进型kalman 滤波算法实验模型建立
• 5.3 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录