基于嵌入式系统的智能巡检机器人研制

论文摘要

本论文介绍了一种能够应用于工业复杂巡检场合的基于嵌入式系统的智能巡检移动机器人。在论文中讨论了移动机器人的建模、控制、本体设计以及监控软件设计等内容,为更加深入的研究移动机器人及其在巡检中的应用打下了基础。本论文建立了四轮驱动式移动机器人的数学模型,其中包括运动学模型、动力学模型和电机模型。在数学模型的基础上设计了基于反步法的鲁棒轨迹跟踪控制器。提出了一种包含运动学控制器和速度控制器的分层控制方案来解决机器人轨迹跟踪控制中的复杂计算问题。仿真结果表明:所设计的鲁棒轨迹跟踪控制器和分层控制方案是合理有效的。本论文设计了双电机驱动的四轮移动机器人,并分三步进行机器人本体的开发。第一步,设计机械本体。将机械本体分为运动系和支撑系两个部分,分别进行了详细设计,利用AutoCAD软件绘制了机器人的3D模型图和零部件的2D工程图。第二步,设计控制器硬件。控制器硬件包括通信模块、驱动模块、输入输出模块等,是在嵌入式系统基础上完成的。第三步,设计控制器软件。在嵌入式Linux操作系统的基础上,开发了设备驱动程序和应用程序。本论文针对巡检任务设计了基于JAVA平台的机器人监控软件,主要实现了简单的路径规划、地图存储、数据存储和巡检控制等任务。本文最后进行了机器人移动控制和巡检的实验,实验结果表明机器人能够完成巡检任务,设计是成功的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 研究目的及意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 机械结构现状
• 1.3.2 控制系统现状
• 1.3.3 轨迹跟踪控制现状
• 1.4 论文主要研究内容及结构组织
• 第2章 移动机器人建模、控制及仿真
• 2.1 移动机器人数学模型
• 2.1.1 运动学模型
• 2.1.2 动力学模型
• 2.1.3 驱动电机模型
• 2.2 基于Backstepping 的鲁棒轨迹跟踪控制
• 2.2.1 方法简介
• 2.2.2 控制器结构设计
• 2.2.3 运动学控制器设计
• 2.2.4 动力学控制器设计
• 2.2.5 电机控制器设计
• 2.2.6 仿真结果
• 2.3 分层控制方案设计
• 2.3.1 分层控制方案设计
• 2.3.2 运动学控制器设计
• 2.3.3 速度预测控制器设计
• 2.3.4 仿真结果和实验方案
• 2.4 本章小结
• 第3章 移动机器人本体设计
• 3.1 本体机械设计
• 3.1.1 设计要求和指导思想
• 3.1.2 综合设计
• 3.1.3 轴-轴承组合设计
• 3.1.4 同步轮-同步带组合设计
• 3.1.5 本体整体装配
• 3.2 控制器硬件设计
• 3.2.1 设计要求和整体架构
• 3.2.2 核心模块选型
• 3.2.3 通信模块与通信接口设计
• 3.2.4 输入输出接口电路设计
• 3.2.5 电机驱动电路设计
• 3.2.6 其他系统电路设计
• 3.2.7 制板与元器件焊接
• 3.3 控制器软件设计
• 3.3.1 嵌入式Linux 操作系统简介
• 3.3.2 构建嵌入式Linux 开发平台
• 3.3.3 嵌入式接口驱动程序设计
• 3.3.4 电机驱动程序设计
• 3.3.5 应用程序设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 监控软件设计
• 4.1 JAVA 简介
• 4.2 监控软件整体架构
• 4.3 功能模块实现
• 4.3.1 地图绘制与存储
• 4.3.2 路径规划
• 4.3.3 通信
• 4.4 监控软件界面效果
• 4.5 本章小结
• 第5章 实验
• 5.1 实验内容
• 5.2 实验结果
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的科研成果
• 致谢