轮式移动机器人调速系统的控制研究

论文摘要

机器人技术的研究水平已成为目前衡量一个国家智能化发展状况的重要方面,代表了当今计算机技术、自动化技术和系统集成技术的最新发展。随着移动机器人的迅速发展,它在工业生产和生活等众多方面发挥出越来越重要的作用,对其调速系统的控制精度也有了更高的要求。论文以MT-UROBOT轮式移动机器人为研究对象,对其调速系统的控制进行了详细的研究。论文首先介绍了国内外移动机器人的应用与发展,简单阐述了移动机器人的分类和当前移动机器人研究的热点问题；接着论文对调速系统技术发展概况进行了介绍,包括直流调速系统的原理和方式问题；然后论文介绍了移动机器人MT-UROBOT。论文以MT-UROBOT为对象分析了两轮驱动机器人的机械结构和差速调速驱动方式,并在此基础上推导了其运动学模型和动力学模型,还对几种简单的运动方式进行了数学描述。随着电力电子技术和计算机技术的发展,基于DSP的全数字智能调速系统已成为当今最主要的调速方式。论文以TMS320LF2407A为微控制器,介绍了轮式移动机器人调速系统的硬件和软件构成。包括DSP芯片TMS320LF2407A的性能特点、PWM变换器的原理、电机驱动芯片LMD18200的结构和功能、增量式光电编码器ZKX-6-50BM7及其转速和转向检测的原理方式,并对调速系统初始化子程序和几个中断子程序进行了分析研究。控制算法是移动机器人调速系统控制的关键部分,算法的优劣直接决定了调速系统性能的高低。论文以传统PID算法为基础,详细分析了其控制原理和三个参数对调速系统控制性能的作用和影响,在此基础上设计了双闭环PID调速系统,并在MATLAB仿真环境下对其进行了仿真研究。根据仿真结果,按照调速系统的稳态和动态性能指标详细分析了其控制性能。参数整定是PID控制算法的一个重要环节,合适的参数能使系统性能达到最优,但由于实际系统存在滞后、非线性等因素影响,使得参数整定一直成为PID控制的难点。针对这一问题,论文将模糊控制策略和自适应控制引入到PID控制中。在分析了模糊控制理论的基础上完成了模糊推理系统的设计并仿真出了自适应模糊PID控制器,且将其应用到双闭环直流调速系统中。通过对仿真结果和性能指标的分析,表明论文所设计的自适应模糊PID调速系统的调速性能达到了预期目标。论文对轮式移动机器人调速系统进行的研究为移动机器人运动控制提供了一定的理论和实际基础,对其发展和应用有一定的积极意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 移动机器人的应用与发展
• 1.1.1 移动机器人国内外发展状况
• 1.1.2 移动机器人分类
• 1.1.3 移动机器人研究热点
• 1.2 调速系统技术概述
• 1.2.1 调速系统的发展概况
• 1.2.2 直流调速原理和方式
• 1.3 论文的主要研究内容
• 2 轮式移动机器人的系统结构和数学模型
• 2.1 轮式移动机器人MT-UROBOT
• 2.2 机械结构
• 2.3 驱动方式
• 2.4 运动学模型
• 2.5 动力学模型
• 2.6 基本运动方式的实现
• 2.6.1 直线运动
• 2.6.2 圆弧运动
• 2.6.3 移动机器人本体质心不变条件下的运动
• 3 轮式移动机器人调速系统硬件和软件构成
• 3.1 DSP芯片TMS320LF2407A
• 3.2 电机驱动模块
• 3.2.1 PWM变换器
• 3.2.2 电机驱动芯片LMD18200
• 3.3 光电编码器测速模块
• 3.3.1 转速测量
• 3.3.2 转向检测
• 3.4 调速系统软件构成
• 4 PID控制算法研究及其调速系统的MATLAB仿真
• 4.1 调速系统性能指标
• 4.1.1 稳态性能指标
• 4.1.2 动态性能指标
• 4.2 PID控制算法研究与仿真
• 4.2.1 PID控制器的基本原理
• 4.2.2 双闭环PID调速系统仿真
• 4.2.3 仿真结果及性能指标分析
• 4.2.4 PID控制算法流程
• 5 自适应模糊PID控制器的设计及其调速系统的MATLAB仿真
• 5.1 模糊控制基本理论
• 5.2 自适应模糊PID控制器设计与仿真
• 5.2.1 自适应模糊PID控制系统原理
• 5.2.2 模糊推理系统的设计与仿真
• 5.2.3 自适应模糊PID控制器仿真
• 5.3 自适应模糊PID调速系统仿真及结果分析
• 5.3.1 自适应模糊PID调速系统设计与仿真
• 5.3.2 仿真结果及性能指标分析
• 5.3.3 自适应模糊PID控制算法流程
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果