反恐排爆机器人控制系统设计

论文摘要

?反恐排爆机器人主要用于爆炸物及疑似爆炸物等危险物品的检测、搬运和处置,是减少处置现场人员伤亡、维护社会稳定的重要公安装备。机器人以柴油发动机和发电机为动力,采用履带式行走机构,配备大尺寸多自由度作业机械臂（手）,能抓取大型的危险物品或危险物品检测设备,在较为复杂的物理空间中完成复杂的抓取动作,其动力方式可满足了机器人长时间连续工作的要求。本论文基于上海市科委重点攻关课题“反恐排爆机器人系统研究”的任务书要求,研制用于该机器人的控制系统。由于排爆现场路面情况复杂,非结构化障碍物多,对机器人的自主行走和作业带来了困难,因此所研制的机器人系统采用了遥控与局部自主相结合的控制模式。针对移动载体、机械臂等多轴协调运动及远程遥操作等控制需求,采用了基于RS-485总线的分布式上、下位机控制系统架构。以上位机ARM控制器为主站,下位机的SPN移动载体控制器和2台PC104机械臂关节控制器为从站,采用多通道冗余的有线/无线通信方式远距离控制机器人;采用上位机为主导、下位机实时响应和反馈的通信机制,制定了各子系统之间的通信协议,设计了多节点通讯时的数据冲突解决方案,实现了移动载体、机械臂之间的协调控制;针对机械臂实施检测和危险品处置环节复杂、手动操作易出错?等缺陷,通过底层自主控制软件的设计,实现了机器人的局部自主功能;此外,采用上位机辅助计算机系统作为机器人远距离遥控的备份,并采用数据库存储的方式,大大加强了控制系统的可靠性和排爆过程的可追溯性。本文研制的机器人控制系统已在反恐排爆机器人上成功应用,能有效地控制机器人移动载体的行走和多自由度机械手的复杂作业,满足了反恐排爆机器人的各项控制要求,为反恐排爆机器人顺利通过上海市科委的验收奠定了技术基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 项目的研究背景和意义
• 1.3 国外排爆机器人研究现状
• 1.4 国内排爆机器人研究现状
• 1.5 国内外排爆机器人技术现状分析
• 1.6 相关技术的主要研究和发展方向
• 1.6.1 导航和定位
• 1.6.2 路径规划
• 1.6.3 多传感器信息融合方面的研究
• 1.6.4 多机器人系统与网络机器人
• 1.6.5 移动机器人传感技术
• 1.6.6 仿人机器人及仿生学与机构的研究
• 1.7 本课题主要目标与本文主要研究内容
• 1.7.1 课题主要研究目标
• 1.7.2 本文主要研究内容
• 1.8 本章小结
• 第二章 反恐排爆机器人整体设计
• 2.1 机器人总体设计及对控制的要求
• 2.1.1 机器人的总体设计
• 2.1.1 总体设计对控制系统的要求
• 2.2 移动载体设计及对控制的要求
• 2.2.1 移动载体结构的设计选型
• 2.2.2 移动载体对控制系统的要求
• 2.3 机械手设计及对控制的要求
• 2.3.1 6+1 自由度机械手整体结构
• 2.3.2 主要技术指标
• 2.3.3 机械臂的设计
• 2.3.4 各自由度空间和驱动空间的相互关系
• 2.3.5 交流发电机的选择
• 2.3.6 机械手对控制系统的要求
• 2.4 探测设备的选择
• 2.5 控制系统总体设计
• 2.5.1 反恐排爆机器人本体（下位机）
• 2.5.2 后方控制台（上位机）
• 2.5.3 通信系统
• 2.7 本章小结
• 第三章 下位机控制系统设计
• 3.1 硬件连接
• 3.2 移动载体的控制
• 3.2.1 控制要求
• 3.2.2 系统构成
• 3.2.3 控制模块的配置
• 3.2.4 控制功能的实现
• 3.3 机械手的控制
• 3.3.1 控制要求
• 3.3.2 系统构成
• 3.3.3 控制模块的配置
• 3.3.4 控制功能的实现
• 3.4 本章小结
• 第四章 上位机控制系统设计
• 4.1 上位机控制系统的组成
• 4.2 上位机操作功能设定
• 4.3 上位机硬件设计
• 4.4 上位机软件设计
• 4.5 辅助计算机系统
• 4.6 本章小结
• 第五章 通信系统设计
• 5.1 OSI 模型
• 5.2 分布式系统
• 5.3 通信系统设计
• 5.3.1 通信系统硬件设计
• 5.3.2 通信协议
• 5.4 通信机制
• 5.5 冗余通信
• 5.6 本章小结
• 第六章 试验验证
• 6.1 移动载体操作试验
• 6.2 机械手操作试验
• 6.3 机械手复现路径试验
• 6.4 抓取车底可疑物体
• 6.5 自动抓取探测设备试验
• 6.6 辅助计算机系统试验
• 6.7 本章小结
• 第七章 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文和专利