教育机器人硬件系统的设计与开发

论文摘要

教育机器人是一种辅助教学设备,它是将智能机器人设计成一个通用的教育平台,用于相关学科教学或参加各类科技创新比赛活动。通过使用侧重点不同的教育机器人产品,学生可以比较全面地了解现代工业设计、机械、电子、传感器、计算机软硬件、仿生学、人工智能等诸多领域的先进技术。在学生获得科学知识的同时,培养他们的想象力、创造力及动手能力,在教学过程中达到一种寓教于乐的效果。目前教育机器人在欧美日等国家已经得到了大力的发展,但国内的教育机器人产品还非常少,特别是应用于高等院校的教育机器人产品在国内基本上处于空白阶段。在这种背景下,本人所在的科研团队开发了一种适合国内高等院校教学的教育机器人产品。论文依托东北大学“985工程”流程工业综合自动化科技创新平台,在对当前国内外教育机器人研究现状全面综述的基础上,设计和开发了满足功能要求的教育机器人硬件系统,并对硬件系统的有效性进行了实验验证。本文的主要研究内容如下：1.分析国内外教育机器人硬件系统的优势和不足,提出了教育机器人硬件系统的设计要求和需求分析,设计了教育机器人硬件系统的整体结构和开发方案,并最终完成了教育机器人硬件系统的开发工作。2.设计并开发了教育机器人硬件系统,硬件系统由控制系统和驱动系统两个子系统组成,其中控制系统的开发包括：电源模块、处理器模块、A／D模块、无线通讯模块、传感器模块、接口模块等功能模块的开发,驱动系统的开发包括：驱动芯片的选型及DSP芯片与驱动系统的接口设计等。3.设计并开发了底层软件程序,底层软件程序是实现硬件系统功能的保障,所以在进行硬件系统开发的同时必须编写相应的软件程序来支持硬件系统的功能。4.开发了硬件系统与软件系统和实验系统的接口,可以实现快速原型控制和实时控制,并且通过速度控制和位置控制两个控制实验验证了快速原型控制在硬件系统上的可行性,通过正弦信号的跟随实验验证了实时控制在硬件系统上的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 教育机器人研究背景及概述
• 1.1.1 本文研究背景
• 1.1.2 教育机器人概述
• 1.2 教育机器人发展现状
• 1.3 教育机器人硬件系统研究现状
• 1.4 本文主要工作及论文结构
• 1.4.1 本文主要工作
• 1.4.2 论文结构
• 1.5 本章小结
• 第2章 教育机器人硬件系统设计
• 2.1 引言
• 2.2 教育机器人平台介绍
• 2.2.1 机械系统
• 2.2.2 软件系统
• 2.2.3 实验系统
• 2.2.4 硬件系统
• 2.3 硬件系统在教育机器人平台上的作用
• 2.4 硬件系统功能介绍
• 2.5 教育机器人控制系统设计
• 2.5.1 控制系统功能介绍
• 2.5.2 教育机器人控制系统器件选型
• 2.6 教育机器人驱动系统设计
• 2.6.1 驱动电路的分类
• 2.6.2 PWM型驱动电路的设计
• 2.6.3 驱动电路器件选型
• 2.6.4 直流电机选择
• 2.7 硬件系统抗干扰性设计
• 2.7.1 电路系统中干扰的产生途径及解决办法介绍
• 2.7.2 教育机器人硬件系统中所采用的抗干扰性设计
• 2.8 教育机器人硬件系统的联合工作
• 第3章 教育机器人硬件系统开发
• 3.1 引言
• 3.2 教育机器人控制系统开发
• 3.2.1 TMS320F2812DSP芯片介绍
• 3.2.2 DSP最小系统开发
• 3.2.3 电源模块开发
• 3.2.4 复位电路的开发
• 3.2.5 编码器扩展接口开发
• 3.2.6 无线通讯模块开发
• 3.2.7 A/D模块开发
• 3.2.8 串行接口（SCI）开发
• 3.3 教育机器人驱动系统开发
• 3.3.1 PWM驱动原理
• 3.3.2 L298工作原理
• 3.3.3 TMS320F2812DSP与L298的连接
• 3.4 本章小结
• 第4章 教育机器人底层软件系统的设计与开发
• 4.1 引言
• 4.2 CCS3.3软件介绍
• 4.3 教育机器人底层软件系统架构设计
• 4.4 主程序开发
• 4.5 初始化子程序模块开发
• 4.5.1 时钟寄存器初始化
• 4.5.2 GPIO初始化
• 4.5.3 SCI模块的初始化
• 4.5.4 EVENT-A/B初始化
• 4.5.5 系统中断初始化
• 4.6 系统中断子程序开发
• 4.6.1 串口中断子程序开发
• 4.6.2 无线通讯中断子程序开发
• 4.7 A/D子程序开发
• 4.8 速度检测子程序的开发
• 4.9 PID算法开发
• 4.9.1 控制系统建立
• 4.9.2 采样周期选择
• 4.9.3 控制器设计
• 4.9.4 电机控制效果描述
• 4.10 本章小结
• 第5章 教育机器人软件系统及实验系统在硬件系统上的实验验证
• 5.1 引言
• 5.2 教育机器人实验系统与硬件系统的联合控制实验
• 5.2.1 DSP系统与Matlab联合开发实现方法介绍
• 5.2.2 基于Matlab CCSLink的系统级设计方法介绍
• 5.2.3 基于Matlab RTW功能的快速原型设计方法介绍
• 5.2.4 硬件系统与实验控制系统的接口
• 5.2.5 以Quanser设备为控制对象的硬件系统与实验系统的联合控制实验
• 5.3 教育机器人软件系统与硬件系统的联合控制实验
• 5.3.1 教育机器人软件系统与硬件系统的接口
• 5.3.2 以Quanser设备为控制对象的硬件系统与软件系统的联合控制实验
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 以后研究工作展望
• 参考文献
• 致谢