基于RFID和超声波传感器的移动机器人研制及导航研究

论文摘要

智能移动机器人能够通过传感器感知外界环境和自身状态,实现在有障碍物环境中面向目标的自主运动,是一种具有高度自规划、自组织、自适应能力的机器人。本文以教育部博士基金项目为依托,研制了基于RFID和超声波传感器的自治移动机器人小车,并基于研制的小车开展了导航问题研究。本文首先概述了国内外移动机器人领域研究的成果,并对移动机器人领域研究的热点问题进行了分析。提出利用超声波传感器进行移动机器人的周围物体距离、形状等参量的测量。同时在已知环境地图的关键位置放置电子标签,结合RFID技术及其标签的唯一性,对装有RFlD读写器和超声波传感器的移动机器人实现导航。结合实际情况,在完成移动机器人总体方案设计后,采用前两轮为驱动轮、后两轮为导向轮,完成了四轮移动机器人小车实验平台的设计。考虑到超声波导航技术和RFID技术的应用及系统实时性要求,采用DSP2812为主控单元,C8051F040为辅助控制单元,并基于这两个控制单元实现该机器人控制系统的硬件电路的设计和软件算法的开发。硬件电路设计主要包括各种传感器接口电路的设计、通信电路设计、液晶显示界面的设计、以及电机驱动电路的设计。软件算法采用的是模糊自适应PID算法实现移动机器人的运动控制。主控单元DSP2812负责接收由辅助单元C8051F040通过CAN总线传送过来的各种传感器信息变量,进行传感器信息融合并用模糊自适应PID算法实现移动机器人的导航。辅助单元C8051F040负责传感器信号采集,具有多路超声波信号发射、接收和分析处理、RFID阅读器的读写控制以及速度控制等的现实,同时该移动机器人具备与上位PC机进行无线通信的接口。该四轮移动机器人为后续实验室研究提供了实验平台。在完成系统的整体设计后,对基于RFID和超声波的移动机器人导航系统性能进行了实验,在室内建立一个已知环境地图,开展了移动机器人在室内已知环境下的导航实验,通过分析实验过程和结果,证实了本文研制的移动机器人的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究的目的及意义
• 1.2 移动机器人导航在国内外发展与现状
• 1.3 论文研究的主要内容
• 第2章 移动机器人的总体设计及传感器选择
• 2.1 移动机器人控制系统的整体设计方案
• 2.2 移动机器人总体结构的设计
• 2.3 RFID技术及其应用
• 2.3.1 RFID概况
• 2.3.2 RFID工作原理
• 2.3.3 RFID应用领域
• 2.4 超声波技术及其应用
• 2.4.1 超声波测距原理
• 2.4.2 超声波测距应用
• 第3章 移动机器人的硬件电路设计
• 3.1 处理器的选择
• 3.1.1 主控制器
• 3.1.2 从控制器
• 3.2 系统电源设计
• 3.2.1 5V电压电路设计
• 3.2.2 DSP2812/C8051F040供电电源电路设计
• 3.3 超声波数据采集模块
• 3.3.1 超声波数据采集模块通信接口电路设计
• 3.3.2 超声波数据采集模块通信协议
• 3.4 RFID读写器模块模块
• 3.4.1 RFID读写器模块功能特点
• 3.4.2 RFID读写器模块接口电路设计
• 3.4.3 RFID读写器模块通信协议
• 3.5 速度采集模块电路设计
• 3.6 LCD显示模块的硬件电路设计及其实现
• 3.7 主控制器和从控制器通信的硬件电路设计
• 3.8 驱动电路的设计
• 第4章 导航控制算法设计
• 4.1 模糊自适应PID概述
• 4.1.1 常规PID控制
• 4.1.2 模糊控制和自适应学习法
• 4.1.3 模糊自适应PID控制
• 4.2 模糊自适应PID控制器的设计
• 4.2.1 输入输出变量的选取与模糊化
• 4.2.2 模糊控制器的控制规则的设计
• 4.2.3 模糊推理及清晰化
• 4.3 软件算法的实现
• 4.3.1 主程序设计与分析
• 4.3.2 初始化子程序设计与分析
• 4.3.3 中断程序设计与分析
• 第5章 实验和结果分析
• 5.1 移动机器人的速度和转向控制
• 5.2 移动机器人导航实验
• 5.3 移动机器人导航实验结果分析
• 第6章 结论和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文及参与的科研项目