循线智能车实验平台的建立和控制算法的研究

论文摘要

近年来,AGV(Automatic Guided Vehicle,自动引导车或自动搬运车)已经成为了国内外移动机器人领域广泛研究的热点,路径跟踪控制是AGV的主要研究的问题之一。目前国内大多数学者研究的循线智能车也是AGV的一种。在研究小车的路径跟踪控制算法时,许多学者仅仅建立了小车的转向模型和后轮电机的模型,并使用Simulink工具箱进行仿真。这种做法的缺点是不直观、难以模拟复杂的跑道情况。本文以循线智能车的路径跟踪问题为研究对象,设计并实现了智能车实验平台,并以此平台为基础对小车的路径跟踪控制进行了深入的研究。使用MATLAB软件建立智能车的仿真平台和建立小车的上位机监控系统是本文的创新点。首先,在研究小车运动学模型的基础上,使用MATLAB软件建立了循线智能车的仿真平台,充分利用了MATLAB软件数据处理能力强和GUI(Graphical User Interface,图形用户界面)可视化的优势,大大提高了研究智能小车路径跟踪技术的效率。其次,建立了以PIC16F877为微处理器的智能车硬件实验平台和基于LabVIEW软件的智能小车上位机监控系统。在进行实车实验时,可以通过上位机监视小车的运行状态,采集速度、舵机转角和偏差等数据,方便对控制算法进行分析和调整。此外,可以通过上位机发送启动和停止命令,提高小车运行的安全性。再次,本文在分析小车运动学模型的基础上,设计了后轮直流电动机速度PI控制器,转向PD控制器和转向模糊控制器以及速度给定模糊控制器,并在智能车软件平台上进行了仿真。通过仿真结果对转向PD控制器和转向模糊控制器进行了分析和对比,选择模糊控制器作为转向控制器。最后,编写了控制算法的PIC16F877的C语言程序代码,在实验平台上做了实车实验,通过分析实验数据析验证了仿真平台的合理性和路径跟踪控制算法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪 论
• 1.1 引言
• 1.1.1 机器人的发展
• 1.1.2 AGV 概述
• 1.2 课题的背景与研究意义
• 1.2.1 路径跟踪技术
• 1.2.2 国内外研究概况
• 1.2.3 研究意义
• 1.3 本文的研究内容
• 1.3.1 建立智能车实验平台
• 1.3.2 研究路径跟踪控制算法
• 1.4 本文的章节安排
• 第2章 智能车仿真平台的设计与实现
• 2.1 运动学模型
• 2.1.1 约束分析
• 2.1.2 智能车位置建模
• 2.1.3 转向机构数学模型
• 2.2 跑道绘制功能模块的设计与实现
• 2.2.1 跑道模型的简化
• 2.2.2 跑道绘制界面简介
• 2.2.3 跑道绘制界面的使用
• 2.3 智能车模块的设计与实现
• 2.3.1 智能车参数设置模块
• 2.3.2 路径检测功能的设计与实现
• 2.3.3 转向机构模块的设计与实现
• 2.4 软件平台界面
• 2.4.1 跑道加载模块
• 2.4.2 实时监测模块
• 2.4.3 仿真控制
• 2.5 智能车的循线运动的仿真实现
• 2.5.1 总体框架的设计
• 2.5.2 程序运行效果
• 2.6 本章小结
• 第3章 智能车硬件实验平台的设计与实现
• 3.1 实验平台总体框架
• 3.2 直流电源模块的设计
• 3.3 道路检测模块的设计
• 3.3.1 传感器排列方式的设计
• 3.3.2 传感器间距的设计
• 3.4 执行单元的设计
• 3.4.1 后轮电机调速系统的硬件设计
• 3.4.2 转向系统的设计
• 3.5 MCU 最小系统单元的设计
• 3.6 通信板的设计
• 3.6.1 无线通信模块的设计
• 3.6.2 串口通信模块的设计
• 3.7 上位机监控单元的设计
• 3.7.1 LabVIEW 软件简介
• 3.7.2 串口通信单元的设计
• 3.7.3 通信协议的设计
• 3.7.4 监控单元软件设计
• 3.7.5 监控单元前面板的设计
• 3.8 本章小结
• 第4章 路径跟踪控制策略的研究
• 4.1 常用控制策略介绍
• 4.1.1 PID 控制
• 4.1.2 模糊控制
• 4.1.3 神经网络
• 4.2 智能车速度控制
• 4.2.1 直流电动机转速的测量
• 4.2.2 直流电动机转速的PI 控制
• 4.3 智能车转向控制
• 4.3.1 转向机构近似模型
• 4.3.2 小车转向PD 控制器设计
• 4.3.3 小车转向模糊控制器设计
• 4.3.4 仿真结果对比分析
• 4.4 智能车速度给定的模糊控制
• 4.5 本章小结
• 第5章 实验结果与实验结果分析
• 5.1 PIC16F877 软件系统设计
• 5.2 循线智能车路径跟踪实验
• 5.2.1 模糊控制的软件实现
• 5.2.2 实验结果与分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢