基于分布式的机器人控制系统的研究

论文摘要

现代机器人技术是当前自动化领域的研究热点之一。随着科学技术的不断发展,机器人将越来越多地被应用于工业、农业、国防、科学实验及服务业等人类社会的各个方面,其中移动机器人就是机器人学的一个重要的分支,由于它本身具有一个更大的灵活性已经成为目前机器人技术研究的一个热点。本文重点研究了基于TMS320F2812DSP控制器的智能移动机器人控制系统。主要研究内容包括:智能机器人控制系统体系结构研究:系统采用多CPU分布式体系结构,将控制系统按功能划分为3个智能模块,每个模块有各自的CPU,可以自主决策,模块之间相互协调协作,实现对智能机器人的控制。控制系统设计与开发:研制了轮式移动机器人实验样车,样车由控制部分和机械部分构成。设计以DSP芯片为核心的超声波测距传感器和光电脉冲编码器的接口电路;并论述了障碍物、转速和速度检测工作原理;同时,设计了DSP芯片外围电路(包括DSP工作电源、CAN通信、直流电机驱动和存储等硬件模块)。根据轮式移动机器人系统的特点,论述了障碍物空间完全未知或部分未知的情况下的路径规划理论和算法。并提出了多路冗余超声波避障路径规划控制策略和控制方法。最后,为了验证以上方法的可行性,在室内进行了各种实物避障的实验。机器人能够根据距离值的远近灵活地判断是否遇到了存在碰撞危险的障碍物,并有效地选择合适的避障方式,使移动机器人在顺利躲避碰撞的前提下能快速地规划路径,并达到移动机器人行进时的平稳及其避障轨迹的圆滑。采用多DSP的分布式体系结构的智能机器人控制系统简化了系统的设计与开发,有利于实现复杂的实时性智能控制任务。课题建立了较为完善的智能机器人控制系统平台,为深入研究智能机器人控制系统打下了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 移动机器人的研究背景
• 1.2 移动机器人控制技术概述
• 1.3 课题研究的意义
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 智能机器人系统的总体方案设计
• 2.1 分布式的体系结构
• 2.2 超声波导航技术在移动机器人领域的应用
• 2.2.1 超声波传感器在智能移动机器人技术上的应用
• 2.2.2 基于超声波的移动机器人定位技术
• 2.2.3 基于超声波测距的移动机器人路径规划技术
• 2.3 智能移动机器人的运动控制
• 2.3.1 运动控制技术概述
• 2.3.2 几种运动控制系统实现方法的比较
• 2.3.3 运动控制系统的设计要求
• 2.3.4 DSP控制系统
• 2.3.5 驱动电机的选用
• 2.4 智能移动机器人系统的硬件设计方案
• 2.5 智能移动机器人系统软件设计方案
• 2.6 本章小结
• 第3章 智能机器人运动控制系统的硬件设计与实现
• 3.1 DSP控制器最小系统设计
• 3.1.1 电源设计
• 3.1.2 复位电路
• 3.1.3 晶体振荡接口电路
• 3.1.4 存储器扩展
• 3.1.5 在线仿真和测试接口（JTAG）设计
• 3.2 车轮电机功率驱动模块设计
• 3.3 电机位置与速度信息检测模块设计
• 3.4 信号隔离电路
• 3.5 智能机器人运动控制系统的通讯接口
• 3.5.1 智能机器人运动控制系统与上位机通讯接口
• 3.5.2 TMS320F2812 DSP CAN接口硬件电路
• 3.6 本章小结
• 第4章 智能机器人运动控制系统软件设计
• 4.1 运动控制系统软件的结构
• 4.2 智能机器人运动控制系统的主程序设计
• 4.3 智能机器人运动控制系统串行通讯软件设计
• 4.4 智能机器人运动控制系统 CAN接口软件设计
• 4.5 PWM输出控制软件的设计及实现
• 4.5.1 PWM信号的产生
• 4.5.2 PWM产生的寄存器设置
• 4.6 车轮电机闭环控制策略
• 4.7 转速测量
• 4.8 本章小结
• 第5章 智能机器人外部环境信息的获取与处理
• 5.1 超声波传感器在机器人避障中的应用
• 5.1.1 使用超声波传感器获取外部环境信息
• 5.1.2 超声波传感器的布置
• 5.2 环境信息检测系统的数据处理
• 5.3 环境信息检测系统的硬件电路设计
• 5.3.1 DSP模数转换（ADC）模块
• 5.3.2 环境信息检测
• 5.4 环境信息检测系统的软件设计
• 5.5 超声波传感器获取数据的误差分析
• 5.6 移动机器人路径规划的控制算法
• 5.7 移动机器人路径规划的控制策略
• 5.7.1 基于障碍物信息深度的避障控制策略
• 5.7.2 基于障碍物区域避障控制策略
• 5.8 多路冗余超声波避障控制策略的软件设计及实现
• 5.9 机器人路径规划的实验结果及分析
• 5.10 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢