两轮移动机器人平衡控制系统的研发

论文摘要

两轮移动机器人是轮式机器人的一个分支。由于其体积小,运动灵活等优点,在多个领域有重要的用途；同时由于它具有非线性,多变量耦合,欠驱动等特点,因而成为各种高级控制算法的理想验证平台,对它的研究有着重要的学术价值。本文旨在设计开发完整的两轮移动机器人的实验平台,为两轮移动机器人的应用和研究提供实验系统。本文主要的工作内容包含如下：(1)对两轮移动机器人进行运动学和动力学分析,为总体设计提供了理论依据。(2)在硬件系统设计中基于快速原型思想,以DSP芯片为控制核心,设计完成了控制电路和直流电机驱动电路。本文设计的硬件系统接口丰富,扩展性强,同时支持MATLAB/Simulink环境下的快速开发调试。(3)在软件系统设计中采用了卡尔曼滤波原理和LQR控制原理,实现了传感器噪声信号的过滤和对机器人平衡运动的控制。(4)针对目前DSP的算法开发主要依赖手工编写C代码,不但工作量大,而且程序的下载依赖于专门的昂贵的仿真器的问题,本文提出并实现了基于MATLAB/Simulink环境的DSP算法开发,并利用串口通信实现程序下载的综合方案。该方案能很好地利用MATLAB现有的功能模块,通过图形化编程实现对硬件的控制和控制算法设计,大大降低了DSP的算法开发难度,利用RTW技术,可将算法模型自动生成C代码,提高了设计开发的效率。利用串口通信下载调试程序,方便有效,节约了系统开发的成本。(5)最后在两轮移动机器人系统上完成直流电机的闭环控制和两轮移动机器人的平衡控制实验。实验结果表明,本文设计的两轮移动机器人取得较理想的平衡控制效果,从而验证了两轮移动机器人系统设计的合理性和可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 研究趋势分析
• 1.3 本文主要内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 系统总体设计
• 2.1 机器人数学模型
• 2.1.1 机器人驱动电机模型
• 2.1.2 机器人车轮模型
• 2.1.3 机器人车身运动模型
• 2.1.4 机器人模型分析
• 2.2 总体架构设计
• 2.2.1 硬件系统总体设计
• 2.2.2 软件系统总体设计
• 2.3 本章小结
• 第3章 硬件系统开发
• 3.1 系统方案比较
• 3.2 控制电路开发
• 3.2.1 最小控制单元开发
• 3.2.2 采样电路开发
• 3.2.3 串行接口开发
• 3.3 驱动电路开发
• 3.3.1 PWM驱动原理
• 3.3.2 H桥式电路原理
• 3.3.3 驱动电路实现
• 3.4 硬件设计总成
• 3.5 本章小结
• 第4章 软件系统开发
• 4.1 算法设计
• 4.1.1 卡尔曼滤波设计
• 4.1.2 平衡控制算法设计
• 4.2 基于MATLAB的开发平台设计
• 4.2.1 快速开发方法
• 4.2.2 硬件驱动模块开发
• 4.2.3 开发环境配置
• 4.3 串口下载
• 4.3.1 数据流
• 4.3.2 引导函数
• 4.3.3 程序下载实现
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验研究
• 5.1 电机闭环速度控制实验
• 5.1.1 程序实现
• 5.1.2 实验结果及分析
• 5.2 机器人平衡控制实验
• 5.2.1 程序实现
• 5.2.2 实验结果及分析
• 5.3 本章小结
• 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文