家用伙伴机器人控制系统的研制

论文摘要

家用机器人作为服务机器人的一种,有着广阔的市场前景,随着研究的不断深入,越来越多的机器人已经走进家庭服务于人类。家用伙伴机器人是近年来出现的一种新型的家庭服务机器人,作为家庭的友好“伙伴”,此类机器人一般具有娱乐、安保、教育、看护等功能。如何能够做到低成本、可靠性高、智能化程度高是当前家用伙伴机器人研究的重点。基于伙伴机器人的设计要求,首先对机器人的控制系统进行了总体规划,将控制系统大致分为如下几个模块:人机交互界面模块、语音识别模块、无线网络控制模块、电机驱动模块、位置测距模块、温湿度检测模块、无线遥控模块和电源模块。本文控制系统选用性价比合适的平板电脑作为控制系统的上位机,下位机选用ATmega128单片机,上下位机采用串口通信方式,完成了电源模块、电机驱动模块、位置测距模块、温湿度检测模块、无线遥控模块和串口通信模块的研制,具体包括各模块的方案设计、硬件电路设计以及相关软件程序的设计,最终实现伙伴机器人控制系统平台的搭建。在此基础上,本文实现了伙伴机器人在家庭环境中的局部自主避障功能。本文研制出了价格低廉的避障传感单元,采用了倒车雷达超声波传感器加红外光电传感器的组合对环境进行检测。基于传感器检测的信息,本文应用模糊控制方法建立了机器人模糊避障系统,制定了伙伴机器人的避障策略。同时,利用MATLAB软件的模糊工具箱对机器人避障的模糊推理系统进行了分析验证。最后,采用合成推理的查表法通过C语言编程完成了伙伴机器人自主避障的软件设计。最后,本文建立了伙伴机器人的实验平台,在此平台上进行相关实验验证研究成果。具体包括:各种传感器数据接收实验、串口通信实验、机器人漫游模式下的自主避障实验、无线遥控实验。最终证明该控制系统应用在家用伙伴机器人上的可行性,并体现出了成本低、可靠性高、实时性好、功能丰富的优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源及背景
• 1.2 课题的研究目的与意义
• 1.3 家用伙伴机器人的研究现状
• 1.4 机器人控制系统的研究现状
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 家用伙伴机器人控制系统的总体设计
• 2.1 家用伙伴机器人的设计要求
• 2.2 机器人控制体系框架及整体结构
• 2.3 电源模块的设计
• 2.4 电机驱动模块的设计
• 2.4.1 电机的选型
• 2.4.2 驱动方式的选择
• 2.5 位置测距模块的设计
• 2.5.1 红外光电传感器的选型
• 2.5.2 超声波传感器检测单元的方案设计
• 2.6 温湿度检测模块的设计
• 2.7 无线遥控模块的设计
• 2.8 无线网络远程控制模块的设计
• 2.9 本章小结
• 第3章 控制系统各模块的软硬件设计
• 3.1 电源模块
• 3.2 电机驱动模块
• 3.2.1 电机驱动模块的硬件电路设计
• 3.2.2 电机PWM 控制的程序设计
• 3.3 位置测距模块
• 3.3.1 继电器开关电路的设计
• 3.3.2 红外光电传感器接口电路的设计
• 3.3.3 红外光电传感器数据接收程序设计
• 3.3.4 倒车雷达超声波测距单元的硬件电路设计
• 3.3.5 超声波传感器数据接收程序设计
• 3.4 温湿度检测模块
• 3.4.1 温湿度传感器硬件电路的设计
• 3.4.2 温湿度传感器数据接收程序设计
• 3.5 串口通信模块
• 3.5.1 串口通信硬件电路的设计
• 3.5.2 串口通信的程序设计
• 3.5.3 系统通信协议的制定
• 3.6 无线遥控数据接收程序设计
• 3.7 主控电路板
• 3.8 本章小结
• 第4章 家用伙伴机器人模糊避障策略的研究
• 4.1 模糊控制的理论基础
• 4.1.1 模糊集合及模糊推理
• 4.1.2 语言变量
• 4.2 模糊控制系统
• 4.3 基于传感器信息的模糊避障系统
• 4.3.1 输入输出变量的确定
• 4.3.2 模糊化
• 4.3.3 模糊控制规则与模糊推理
• 4.3.4 基于MATLAB 模糊控制系统的建立
• 4.3.5 模糊避障策略的实现
• 4.4 本章小结
• 第5章 家用伙伴机器人实验系统
• 5.1 家用伙伴机器人实验平台的搭建
• 5.2 各传感器数据接收实验
• 5.2.1 温湿度传感器数据接收实验
• 5.2.2 超声波与红外光电传感器的数据接收实验
• 5.3 机器人自主避障实验
• 5.4 无线遥控控制实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢