机器人化工程机械的超声波避障与惯性导航系统研究

机器人化工程机械的超声波避障与惯性导航系统研究

论文摘要

移动机器人作为机器人学科中一个比较活跃的研究分支,一直以来得到了学界的关注。移动机器人的避障,导航和定位是移动机器人研究领域内一个重要的研究方向,同时也是移动机器人研究的关键技术。随着信息技术,自动化技术,计算机技术和导航技术的不断发展,各个学科间不断地交叉融合。这也极大地推动了移动机器人在避障、导航和定位方面研究的发展。本文以工作在部分未知或者完全未知环境下的移动机器人为研究对象,从工程应用和理论两个方面对移动机器人的超声波避障与惯性导航进行了研究,并且着重研究了系统的硬件设计。通过综合国内外现有的技术文献,提出了一种融合超声波避障与惯性导航的综合导航平台系统方案。导航平台具有超声波避障探测、模拟信号采集、MEMS惯性导航模块和与GPS模块进行通信等功能。为了能够在满足系统性能要求的基础上尽可能地降低系统成本,该导航平台是以MSP430F135为核心。在完成其外围电路的基础上,采用T/R40作为超声波传感器,并对超声波的发送和接收电路进行了设计。该导航平台对模拟信号的采集可分为对高频模拟信号和低频模拟信号的采集。其中高频模拟信号采集是由AT89S52控制8位高速A/D-TLC5540INSR来实现的,而低频模拟信号采集是由MSP430F135控制其集成的12位ADC来实现。为了能够建立起主CPU和同样由MSP430F135作为主控CPU的MEMS惯性导航模块间的通信,文中采用同步SPI作为主从CPU通信方式。另外,为了能够扩展系统功能,文中采用RS232作为通信接口,实现主MSP430F135与GPS模块之间的通信。然后,在完成以上硬件设计的基础上进行了系统软件的仿真与调试。在实现各个模块的基本功能之后,初步进行了系统的综合调试。为了提高惯性导航的导航精度,本文从理论上对惯性导航系统中的MEMS陀螺仪的漂移问题和卡尔曼滤波中的野值问题进行了理论分析,并研究了野值剔除方法和修正野值的卡尔曼滤波算法。论文最后对全文进行了总结并对移动机器人在避障和惯性导航方向的研究进行了展望,阐明了移动机器人未来可能的研究方向。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 课题研究背景及目的
  • 1.2 智能移动机器人国内外研究现状
  • 1.2.1 国外研究现状
  • 1.2.2 国内研究现状
  • 1.3 移动机器人中的关键技术研究
  • 1.3.1 体系结构
  • 1.3.2 信息感知与融合处理
  • 1.3.3 路径规划
  • 1.3.4 移动机器人导航技术
  • 1.3.5 移动机器人智能控制技术
  • 1.4 论文的主要研究内容和文章总体结构
  • 1.4.1 论文的主要研究内容
  • 1.4.2 文章总体结构
  • 第二章 移动机器人的避障与惯性导航系统设计方案
  • 2.1 移动机器人避障与惯性导航系统的总体设计思想
  • 2.2 系统总体设计方案
  • 2.2.1 多路超声波避障探测系统设计方案
  • 2.2.2 惯性导航系统设计方案
  • 2.2.3 数据采集系统设计方案
  • 2.2.4 通信系统设计方案
  • 2.3 本章小结
  • 第三章 移动机器人避障与惯性导航系统硬件设计及实现
  • 3.1 移动机器人避障与惯性导航平台硬件概述
  • 3.2 TI 的MSP430F135 单片机的介绍
  • 3.3 障碍物探测的硬件设计与实现
  • 3.3.1 超声波电路的设计与实现
  • 3.3.2 检测电路的设计与实现
  • 3.4 其他外围电路的设计与实现
  • 3.4.1 电源模块的设计与实现
  • 3.4.2 A/D 转换设计与实现
  • 3.4.3 通信模块设计与实现
  • 3.4.4 16 位并行输入输出I/O
  • 3.4.5 存储模块的设计与实现
  • 3.4.6 JTAG 接口电路
  • 3.5 MEMS 惯性传感器及其应用
  • 3.5.1 惯性加速度传感器
  • 3.5.2 陀螺仪
  • 3.5.3 导航系统中的惯性传感器应用
  • 3.6 本章小结
  • 第四章 避障与惯性导航系统底层软件设计及实现
  • 4.1 软件环境介绍
  • 4.2 避障与惯性导航系统底层软件设计
  • 4.2.1 超声波测距程序设计
  • 4.2.2 信号采集程序设计
  • 4.2.3 与惯性导航单元的SPI 通信程序设计
  • 4.2.4 与GPS 模块的RS232 通信程序设计
  • 4.3 本章小结
  • 第五章 系统仿真与综合调试
  • 5.1 系统部分电路原理仿真
  • 5.1.1 仿真工具
  • 5.1.2 仿真电路及其参数设置
  • 5.1.3 仿真结果及其分析
  • 5.2 系统硬件调试
  • 5.2.1 硬件调试设备
  • 5.2.2 硬件调试过程
  • 5.2.3 硬件调试结果
  • 5.3 系统软件仿真与调试
  • 5.3.1 软件仿真
  • 5.3.2 系统软件调试
  • 5.4 本章小结
  • 第六章 惯性导航系统理论基础及其Kalman 滤波在惯性导航中的应用
  • 6.1 惯性导航系统(INS)理论基础及其在机器人领域的应用策略
  • 6.1.1 常用坐标系及转化关系
  • 6.1.2 惯性导航基本理论
  • 6.2 Kalman 滤波理论
  • 6.2.1 Kalman 滤波问题描述
  • 6.2.2 Kalman 滤波问题的提法
  • 6.2.3 离散系统Kalman 滤波问题
  • 6.3 Kalman 滤波在MEMS 陀螺仪随机漂移信号处理中的应用
  • 6.3.1 Kalman 滤波在MEMS 陀螺仪随机漂移陀螺漂移数据建模
  • 6.3.2 抗野值Kalman 滤波算法
  • 6.3.3 抗野值Kalman 滤波算法流程
  • 6.4 本章小结
  • 第七章 总结与展望
  • 7.1 总结
  • 7.2 展望
  • 参考文献
  • 附件I:低频模拟数据采集与处理原理图
  • 附件II:高频模拟数据采集与处理原理图
  • 附件III:低频模拟数据采集与处理PCB 图
  • 附件IV:高频模拟数据采集与处理PCB 图
  • 攻读学位期间发表学术论文情况
  • 致谢
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