轮式移动机器人路径识别的研究

论文摘要

机器人的研究涉及到自动控制、机械工程、电子技术、计算机技术等许多学科,是一门多学科的综合科学。这一领域的研究,大多集中在机器人结构设计、路径规划、控制方法、各种模型的建立、智能技术应用等方面。移动机器人作为机器人学的一个重要分支,是一项既有很多年历史而且具有广泛应用前景的技术。本论文在分析移动机器人的技术特点及发展现状的基础上,设计了两轮差速驱动机器人小车及运动控制系统。移动机器人车体结构和运动控制系统决定了它的运动能力。本设计以ATmega168V为核心的运动控制部分,包括传感器模块、路径识别模块、避障模块、电源模块、执行模块、驱动控制模块等。利用ATmega168V的PWM输出功能,方便实现了直流电机的转速控制。移动机器人的位置和姿态识别是移动机器人导航控制中的一个最基本的问题。本论文根据两轮差速驱动机器人的运动方程,以内传感器提供的信息为基础,推导了一种简介实用的航位推算公式。这种方法可以在性能较高的微处理器中采用,进行实时推算,具有一定的效率优势。系统在电动机控制模块中采用了数字PID控制器,该控制器技术成熟,结构简单,参数容易调整,不一定需要系统的确切数字模型,在工业中有着很广泛的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 自主移动机器人研究的历史与现状
• 1.2 研究的基本内容
• 1.2.1 导航与定位
• 1.2.2 机器人结构
• 1.2.3 路径规划
• 1.2.4 跟踪控制
• 1.2.5 反馈镇定
• 1.2.6 多传感器信息融合
• 1.2.7 分布式机器人系统
• 1.2.8 智能技术
• 1.3 移动机器人发展状况的分析
• 1.4 我的主要研究工作
• 2 移动机器人的硬件设计
• 2.1 移动机器人运动机构的选择
• 2.2 运动控制系统的硬件设计
• 2.3 微控制器 ATmega168V
• 2.4 电机驱动模块
• 2.4.1 驱动电机
• 2.4.2 转速控制方法
• 2.4.3 驱动电机的控制电路
• 2.5 路径识别模块
• 2.5.1 路径识别模块方案的选择
• 2.5.2 光电传感器的硬件设计
• 2.5.3 信号的采集
• 2.6 障碍检测模块
• 2.6.1 避障传感器的选择
• 2.6.2 避障检测模块电路图
• 2.7 测速传感器模块
• 2.7.1 测速传感器方案选型
• 2.7.2 测速传感器设计及安装
• 2.7.3 硬件电路设计
• 3 轮式移动机器人的运动学分析
• 3.1 位姿识别方法
• 3.1.1 内传感器位姿识别
• 3.1.2 外传感器位姿识别
• 3.2 轮式移动机器人的运动控制
• 3.2.1 运动学分析
• 3.2.2 轮式移动机器人几种经典运动的控制
• 4 系统软件设计
• 4.1 驱动电机控制算法
• 4.1.1 PID 控制算法
• 4.1.2 前进速度的控制
• 4.1.3 转向 PID 控制
• 4.2 路径识别模块的软件设计
• 4.2.1 轮式移动机器人的路径识别
• 4.2.2 环境参数设定的设计
• 4.2.3 路径识别抗干扰处理
• 4.3 避障模块的实现
• 4.3.1 直线型障碍物避障算法
• 4.3.2 非直线障碍物避障算法
• 4.4 转速测量
• 4.4.1 测速方法
• 4.4.2 速度检测软件设计
• 5 实验结果与分析
• 5.1 路径识别实物试验
• 5.2 避障实物试验
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 在学期间发表学术论文
• 附录 B 轮式移动机器人系统电路原理图
• 附录 C 轮式移动机器人系统PCB 图