履带式移动机器人运动控制系统设计

论文摘要

履带式移动机器人有着特殊的机械结构,具有更大的作用面,可以适应各种复杂多样的路面,也可以在恶劣环境下或野外作业,尤其是在越野、爬坡、爬楼梯能力方面,履带式移动机器人要比其他移动机器人更胜一筹。本文以一款履带式移动机器人产品研制为背景,设计并实现了以TMS320F2812DSP处理器为核心的履带式移动机器人运动控制系统,并通过对履带式移动机器人运动学模型的研究为进一步增强机器人的自主性能提供理论基础。论文的主要内容与研究成果包括以下几个部分：首先,结合设计要求,给出了基于TMS320F2812 DSP处理器的履带式移动机器人运动控制系统总体设计方案,对其中车体和云台两大控制单元的驱动器、执行机构以及传感器的选型进行了分析和说明,并根据系统性能指标,对电机和驱动器进行了参数核算。其次,采用模块化的设计思想设计了履带式移动机器人运动控制系统的硬件部分,给出了中央处理模块、驱动模块、通信模块、换档控制模块、位置检测模块的电路设计方案,并进行了硬件的调试与分析。利用CCS3.3软件开发了基于CANopen协议的运动控制软件,并对机器人运动控制系统中车体和云台两大控制单元的软件流程和实现方法进行了详细说明,并根据性能指标对软件进行了调试与分析。最后,对基于运动学模型的履带式机器人控制方法进行了研究,建立了履带式机器人直线行驶的运动学模型,设计了机器人的直线路径跟踪控制器,并通过仿真实验验证了所设计控制器的有效性,为产品能够在下一步改进中增加机器人的自主性能提供理论分析基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 履带式移动机器人的研究现状与应用前景
• 1.2.1 履带式移动机器人的研究现状
• 1.2.2 履带式移动机器人运动控制系统关键问题
• 1.2.3 履带式移动机器人应用前景
• 1.3 移动机器人的发展趋势
• 1.4 论文主要研究内容
• 2 履带式移动机器人运动控制系统总体设计
• 2.1 履带式移动机器人的总体设计结构
• 2.2 车体运动控制单元的组成与选型
• 2.2.1 车体运动控制单元的组成
• 2.2.2 车体运动控制单元器件选型
• 2.3 云台运动控制单元的组成与选型
• 2.3.1 云台运动控制单元的组成
• 2.3.2 云台运动控制单元器件选型
• 2.4 电机及驱动器参数核算
• 2.4.1 电机参数核算
• 2.4.2 电机驱动器的参数核算
• 2.5 本章小结
• 3 履带式移动机器人运动控制系统的硬件设计
• 3.1 车体运动控制单元硬件设计
• 3.1.1 车体运动控制单元整体结构
• 3.1.2 车体核心控制模块
• 3.1.3 车体控制单元电源转换模块
• 3.1.4 车体控制单元通信模块
• 3.1.5 车体电机驱动模块
• 3.1.6 换档控制模块
• 3.2 云台运动控制单元硬件设计
• 3.2.1 云台运动控制单元整体结构
• 3.2.2 云台核心控制模块
• 3.2.3 云台控制单元电源转换模块
• 3.2.4 云台位置检测模块
• 3.3 硬件系统测试与分析
• 3.3.1 电源、复位与系统时钟测试
• 3.3.2 CAN总线通信测试
• 3.3.3 信号发生器输出波形测试
• 3.4 本章小结
• 4 履带式移动机器人运动控制系统的软件设计
• 4.1 履带式移动机器人运动控制系统软件开发环境简介
• 4.2 车体运动控制单元软件设计
• 4.2.1 车体运动控制单元软件流程
• 4.2.2 基于CANopen协议的电机控制
• 4.2.3 车体运动控制单元初始化
• 4.2.4 车体控制指令解析与执行
• 4.2.5 步进电机换档软件实现
• 4.3 云台运动控制单元软件设计
• 4.3.1 云台运动控制单元软件流程
• 4.3.2 云台运动控制单元初始化
• 4.3.3 云台控制指令解析与执行
• 4.3.4 云台位置检测软件实现
• 4.4 软件系统调试与分析
• 4.4.1 车体运动控制系统的软件调试
• 4.4.2 云台运动控制系统的软件调试
• 4.5 本章小结
• 5 履带式移动机器人运动学分析
• 5.1 履带式移动机器人运动学模型
• 5.2 控制器的设计
• 5.2.1 控制系统结构
• 5.2.2 机器人路径跟踪误差模型
• 5.2.3 控制律的设计
• 5.3 仿真实验及结果分析
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献