并联机构型多履带式移动机器人姿态检测及控制系统研究

论文摘要

移动机器人移动平台的设计与运动控制技术的研究是整个移动机器人系统研究的两大重要组成部分,它将为移动机器人更高层次的理论与方法研究提供一个可靠的实验平台及基础。开发研究以工业、国防及服务业等领域为应用背景的,且易于用户二次开发的移动机器人平台具有很好的市场潜力和研究意义。本文介绍了一种并联机构型多履带式移动机器人移动平台的设计和基于嵌入式工控机与DSP运动控制卡的运动控制系统具体实现方案,并对移动机器人的运动控制方法进行了研究。具体内容有:首先,创新性地提出了一种关节履带加履带足的复合移动机构,它将自主变位履带结构应用到关节履带机器人上,不仅具有关节履带机器人的诸多优点,而且克服了关节履带机器人无法自主越障以及越障高度低的缺陷,提高了机器人的越障自主性和障碍通过能力;并且机器人可以通过独立控制四条摆腿的摆动实现机器人自主水平姿态调整,提高了机器人的越障平稳性,保证了车身设备的正常工作。其次,提出了一种基于嵌入式工控机+DSP运动控制卡+驱动器的运动控制系统,采用分级控制的策略,它将运动控制系统的规划+伺服闭环+放大器有层次、模块化地体现出来,在决策规划、任务分级控制、实时性等方面其优势非常明显。介绍了机器人基于无线局域网（WLAN）技术的遥操作系统,对机器人多种运动模式进行了分析比较,并给出了基于三维数字罗盘的姿态调整控制策略。接着,介绍了采用模块化思想开发的控制系统软件程序设计,包括用C语言编写的DSP数据采集、PI速度闭环和基于RS-232的串口通信程序以及用VC语言编写的移动机器人人机交互界面程序。最后,论文对移动机器人系统进行了相关实验,实验结果证明了机器人的硬件系统和软件系统的有效性,同时验证了移动机器人的各项运行指标达到任务指标,结合实验结果提出了进一步的改进方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 移动机器人的研究概况
• 1.2 移动机器人移动机构研究概况
• 1.3 移动机器人运动控制技术研究
• 1.3.1 移动机器人运动控制概述
• 1.3.2 移动机器人运动控制系统的设计要求
• 1.3.3 几种运动控制系统实现方法的比较
• 1.4 课题研究的背景、意义和内容
• 1.4.1 课题研究的背景
• 1.4.2 课题研究的意义
• 1.4.3 课题研究的内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 机器人的机械系统特性及要求
• 2.1 引言
• 2.2 机器人机械结构总体设计
• 2.2.1 机械结构设计
• 2.2.2 机构设计创新点
• 2.2.3 机器人的结构尺寸
• 2.3 功率计算和电机系统的选择
• 2.3.1 驱动电机的选取
• 2.3.2 摆腿电机的选取
• 2.4 本章小结
• 第三章 控制系统设计
• 3.1 控制系统总体方案设计
• 3.1.1 功能特性说明
• 3.1.2 控制系统方案可行性研究
• 3.1.3 控制系统体系结构
• 3.1.4 控制方式的选择
• 3.2 运动模式和控制策略研究
• 3.2.1 运动模式及其特性分析
• 3.2.2 姿态调整的控制策略研究
• 3.3 本章小结
• 第四章 移动机器人控制系统硬件设计
• 4.1 控制部件选型
• 4.1.1 嵌入式工业级计算机
• 4.1.2 DSP多轴运动控制卡
• 4.1.3 电机驱动器
• 4.1.4 电池的选型
• 4.1.5 传感器的选型
• 4.2 电源管理控制电路设计
• 4.2.1 电源控制板
• 4.2.2 电源扩展板
• 4.2.3 侧面板
• 4.2.4 信号扩展板
• 4.2.5 ATX电源和DC/OC电压变换器
• 4.3 本章小结
• 第五章 移动机器人控制系统软件设计
• 5.1 机器人控制程序概述
• 5.2 组织级系统
• 5.2.1 运动和摆腿控制
• 5.2.2 无线通信
• 5.2.3 传感器信息
• 5.2.4 串口通信
• 5.3 协调级系统
• 5.3.1 主控程序
• 5.3.2 电机调速控制
• 5.3.3 传感器系统
• 5.3.4 串口通信
• 5.4 本章小结
• 第六章 移动机器人实验
• 6.1 闭环参数选择
• 6.1.1 采样时间
• 6.1.2 闭环PI参数
• 6.2 驱动器电流环设定
• 6.3 移动机器人运行实验
• 6.3.1 最大直线运行
• 6.3.2 爬坡实验
• 6.3.3 越障实验
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 未来工作展望
• 7.3 本章小结
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表学术论文、专利及学科竞赛情况
• 致谢