复合轮腿移动平台的嵌入式控制系统设计

论文摘要

国家自然科学基金项目《具有轮腿复合功能的移动平台新机构研究》课题研一种基于球齿轮机构的新型移动平台,该平台能够实现跨步和轮式移动的复合功能。该基金项目的研究包括移动平台的机构设计与加工、以及移动平台控制系统的设计两个部分。本论文研究移动平台控制系统的设计,是该项目的重要研究内容。论文首先简单分析了轮腿机械结构和移动平台驱动原理,明确了移动平台控制系统的控制对象。然后,建立了的单腿姿态描述的坐标系,研究了单腿姿态与驱动机构姿态的变换关系,得到了单腿姿态控制插补算法;在分析移动平台的各种移动方式的基础上,研究了平台的各种移动方式与各单腿动作之间的关系,得到了各单腿姿态参数。在得到了控制系统算法之后,论文采用了功能设计思维和过程设计思维相结合的方法,从系统功能模块入手着重研究了基于AT91R40008的硬件设计。首先详细分析和设计了控制系统中的各个功能模块;然后,进行了电路芯片的选型和各个硬件模块的具体电路设计,构建了基于AT91R40008微控制器芯片的嵌入式硬件系统平台。最后,针对系统功能比较复杂,实时性要求高等特点,选用了μC/OS-II实时操作系统。实现了μC/OS-II在AT91R40008的移植,研究了μC/OS-II多任务管理在复合轮腿移动平台控制系统中的应用。通过本论文的研究,开发出了基于AT91R40008微控制芯片和μC/OS-II实时操作系统的复合轮腿移动平台控制系统。该系统可以根据远程控制系统的指令控制移动平台的移动,实现复合移动功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 论文研究背景及意义
• 1.2 复合式移动平台的研究现状
• 1.2.1 新型轮—腿—履带复合移动机构（一）
• 1.2.2 新型轮—腿—履带复合移动机构（二）
• 1.2.3 复合运动模式四足机器人
• 1.3 论文研究的主要内容以及组织结构
• 1.3.1 论文研究的核心问题
• 1.3.2 论文的组织结构
• 1.4 本章小结
• 第二章 具有轮腿复合功能的移动平台概述
• 2.1 渐开线式球齿轮机构分析
• 2.1.1 渐开线式球齿轮的形成
• 2.1.2 球齿轮的啮合原理
• 2.1.3 正确啮合条件
• 2.1.4 连续传动条件
• 2.2 柔性手腕简介
• 2.3 基于柔性轴机构的复合移动平台
• 2.3.1 平台的基本结构
• 2.3.2 基于柔性轴机构的复合移动平台的基本功能和指标
• 2.4 本章小结
• 第三章 复合轮腿移动平台控制系统总体方案设计
• 3.1 机电系统设计方法简介
• 3.1.1 机电一体化产品基于功能的设计思维
• 3.1.2 机电一体化产品基于过程的设计思维
• 3.2 复合轮腿移动平台控制系统的功能设计
• 3.2.1 复合轮腿移动平台控制系统的功能定义
• 3.2.2 复合轮腿移动平台控制系统的功能分解
• 3.3 复合轮腿移动平台控制系统的过程设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 复合移动平台姿态算法研究
• 4.1 单轴轮腿姿态插补算法研究
• 4.1.1 单腿姿态坐标系的建立
• 4.1.2 轮腿驱动机构原理
• 4.1.3 单腿姿态插补算法
• 4.1.4 单腿旋转运动参数求解
• 4.2 轮式移动插补算法研究
• 4.2.1 直线行进
• 4.2.2 斜向行进
• 4.2.3 转弯
• 4.3 跨步行进插补算法研究
• 4.3.1 跨步行进的整体规划
• 4.3.2 算法分析
• 4.4 复合移动平台姿态算法总结
• 4.5 本章小结
• 第五章 复合轮腿移动平台的控制系统硬件设计
• 5.1 嵌入式系统的选型
• 5.1.1 嵌入式硬件平台的选择
• 5.1.2 嵌入式操作系统的选型原则
• 5.1.3 μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统简介
• 5.1.4 基于ARM和uc/osⅡ的嵌入式开发平台
• 5.1.5 AT91R40008 内部资源分配
• 5.2 嵌入式系统开发方法
• 5.2.1 嵌入式系统开发的流程
• 5.2.2 嵌入式系统的软/硬协同设计技术
• 5.3 控制系统的硬件平台设计
• 5.3.1 主控制系统的硬件总体结构设计
• 5.3.2 单腿控制子系统的硬件总体结构设计
• 5.3.3 控制系统的硬件设计
• 5.3.4 硬件设计中注意的问题
• 5.4 基于MCP2515 CAN控制器的通信接口设计
• 5.4.1 CAN总线概述
• 5.4.2 MCP2515 CAN控制器介绍
• 5.4.3 MCP2515 的SPI接口的设计
• 5.4.4 基于TJA1050CAN总线驱动电路设计
• 5.4.5 CAN通信SPI工作方式设计
• 5.5 底层硬件API函数设计
• 5.5.1 I/O操作函数
• 5.5.2 电机操作函数
• 5.5.3 串口操作函数
• 5.5.4 CAN操作函数
• 5.6 本章小结
• 第六章 复合轮腿移动平台控制系统软件设计
• 6.1 软件设计方法介绍
• 6.2 μC/OS-Ⅱ在AT91R40008 上的移植及仿真环境介绍
• 6.2.1 μC/OS-Ⅱ在AT91R40008 上的移植
• 6.2.2 Embest IDE for ARM仿真环境介绍
• 6.3 控制系统中通讯协议的设计
• 6.3.1 复合轮腿移动平台控制系统与远程控制系统的通信设计
• 6.3.2 复合轮腿移动平台控制系统中CAN协议设计
• 6.4 主控制系统软件设计
• 6.4.1 主控制控制系统软件功能分析
• 6.4.2 主控制控制系统的工作流程
• 6.4.3 主控制控制系统的多任务规划
• 6.5 单腿控制子系统软件设计
• 6.5.1 单腿控制子系统软件功能分析
• 6.5.2 单腿控制子系统软件工作流程设计
• 6.5.3 单腿控制子系统的多任务规划
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果