基于ARM的机器人手臂控制系统的研究

论文摘要

拟人机器人是机器人研究领域的一个重要分支,而拟人机器人手臂控制系统则是整个机器人系统的核心部分之一,对机器人的平稳运行起着至关重要的作用。随着新的智能控制算法的不断涌现,拟人机器人正向着智能化方向发展,这就对拟人机器人臂部电机运动控制系统性能提出了更高的要求。因此,要使拟人机器人手臂能够准确、稳定、快速地在空间进行定位,就要求拟人机器人臂部电机控制的实时跟随性能较好,也就是说臂部电机给定转速一旦改变,系统能快速而准确地达到稳定状态。本文首先对拟人机器人臂部结构以及臂部节点的硬件作了一个整体的分析,然后按照控制系统的要求,选择高性能ARM微处理器LPC2214作为核心控制器进行底层控制子系统的设计。硬件部分,按照模块化的思想,主要设计了以LPC2214为核心的臂部节点控制电路、臂部电机驱动电路以及臂部电机测速模块;软件部分,在硬件开发平台上编制了各模块的软件程序,给出了各模块的程序流程图,并且搭建了拟人机器人系统的臂部节点与上位机通信的功能模块。论文最后在MATLAB中搭建了常规PID算法和模糊自适应PID算法构成的控制系统仿真模型,并在单位阶跃输入信号下对它们的仿真结果进行比较,最终选择模糊自适应PID算法对拟人机器人手臂控制系统的臂部电机进行速度闭环控制。通过在单位阶跃输入信号下反复调试,所得仿真曲线表明控制效果良好,此算法使电机速度控制的实时跟随性能较优。最后按梯形控制曲线进行仿真,得出拟人机器人手臂在实际精确定位过程中电机控制的实时跟随效果。本文将低功耗、高性能的嵌入式微处理器与先进的控制算法相结合并应用到了机器人控制领域,简化了系统设计,改善了机器人控制效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 机器人手臂概况
• 1.2 嵌入式系统概况
• 1.2.1 嵌入式系统的定义
• 1.2.2 嵌入式系统的特点
• 1.2.3 嵌入式系统的组成
• 1.2.4 嵌入式系统的现状和发展趋势
• 1.3 嵌入式系统在机器人中的应用现状
• 1.4 课题研究背景及具体内容
• 第2章 机器人臂部节点硬件设计
• 2.1 拟人机器人臂部结构
• 2.2 臂部节点硬件需求分析
• 2.3 微处理器选型
• 2.4 臂部节点控制电路
• 2.4.1 电源电路
• 2.4.2 滤波电路、时钟电路、复位电路
• 2.4.3 LPC2214接口电路
• 2.4.4 串行通信接口电路
• 2.4.5 JTAG调试电路
• 2.5 臂部电机驱动电路
• 2.5.1 驱动电机选型
• 2.5.2 PWM调速原理
• 2.5.3 L298N原理及控制
• 2.5.4 电机驱动电路
• 2.6 臂部电机测速模块
• 2.7 本章小结
• 第3章 机器人臂部节点软件设计
• 3.1 臂部节点软件功能概述
• 3.2 臂部节点软件流程
• 3.2.1 初始化模块
• 3.2.2 主循环模块
• 3.2.3 控制曲线模块
• 3.2.4 模糊自适应PID模块
• 3.2.5 PWM调节输出模块
• 3.3 臂部节点和上位机通讯程序的实现
• 3.3.1 上位机程序流程
• 3.3.2 LPC2214串口通信实现
• 3.3.3 通信协议
• 3.4 本章小结
• 第4章 机器人臂部电机的仿真研究
• 4.1 常规PID控制算法
• 4.2 模糊控制理论
• 4.2.1 概述
• 4.2.2 模糊控制系统
• 4.2.3 模糊控制器
• 4.2.4 模糊控制器设计的基本方法
• 4.3 模糊自适应PID控制算法的提出
• 4.4 直流电机物理模型
• 4.5 臂部电机控制系统的仿真分析
• 4.5.1 常规PID控制仿真
• 4.5.2 模糊自适应PID控制器的设计与仿真
• 4.6 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢