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救援机器人导航定位控制系统设计与研究

作　者: 魏小景
导　师: 嵇启春
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 机器人定位路径规划组合导航仿真 TMS320F2812
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

救援机器人在灾难发生时能有效的提高救援工作效率，减少救援时二次伤亡发生的概率，在救援现场起着越来越重要的作用，将其作为研究对象具有较高的理论与实践意义。课题对机器人的导航定位和路径规划算法进行了相关研究，同时对系统进行了详细设计。论文研究的主要内容分为三个部分：1.以TI公司TMS320F2812为核心，配以外部INS(Inertial Navigation System)采集电路，给出了机器人导航控制系统设计方案，对主要功能模块进行了详细设计。由于TI系列DSP芯片所提供的标准异步串行通信UART口非常有限，课题设计采用了TL16C550与MAX490进行RS-422异步串行通信，实现DSP与无线收发模块之间的数据交换，同时丰富系统的外部通信接口。2.基于四元数法建立了捷联惯性导航系统的数学模型，组合导航采用惯性导航与GPS非耦合的组合模式。利用Matlab平台对组合导航系统进行仿真验证。通过仿真结果和原始轨迹比较验证了导航算法的可行性。采用迷宫算法对路径规划算法进行仿真，在介绍常用迷宫算法的基础上提出一种优化的向心深度优先搜索算法。仿真结果表明，该算法不仅提高了搜寻效率，而且具有占用内存空间少，对处理器的速度要求低等特点。3.对救援机器人导航及路径规划算法进行半实物实验。实验分为静态和动态两部分，分别对其结果进行详细分析。动态实验误差率控制在4%以内，根据实验经验，误差率满足设计要求。由此得出，本课题所研究的系统设计方案与相关算法具有一定的可行性。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
1 绪论  9-14
  1.1 论文研究的背景与意义  9-10
  1.2 国内外研究现状及水平  10-12
    1.2.1 机器人定位研究现状  10-11
    1.2.2 机器人路径规划研究现状  11-12
  1.3 本文内容安排  12-14
2 机器人导航定位控制系统硬件设计  14-28
  2.1 硬件系统总体框架  14
  2.2 惯性导航模块  14-16
    2.2.1 三轴陀螺仪——L3G4200  15
    2.2.2 三轴加速度计——ADXL345  15-16
  2.3 GPS 接收模块  16-17
    2.3.1 GPS 导航原理  16-17
    2.3.2 GPS 模块硬件连接  17
  2.4 路径检测模块  17-18
    2.4.1 传感器安装  18
    2.4.2 传感器电路设计  18
  2.5 DSP 处理器模块和外围电路  18-22
    2.5.1 DPS 处理器——TMS320F2812  19-20
    2.5.2 电源模块  20-21
    2.5.3 晶振接口  21
    2.5.4 JTAG 接口  21-22
  2.6 基于 PTR2000 无线通信模块  22-23
  2.7 DSP 异步串行通信设计  23-27
    2.7.1 McBSP 工作于 SPI 模式  24-25
    2.7.2 并行总线扩展 UART  25-27
  2.8 系统 PCB 设计  27
  2.9 小结  27-28
3 导航系统设计理论基础  28-34
  3.1 导航常用计算参数  28-29
  3.2 三维捷联导航系统的基本分析  29-31
    3.2.1 相对于固定坐标系的导航  29-30
    3.2.2 相对于旋转坐标系的导航  30
    3.2.3 导航坐标系选取  30
    3.2.4 加速度计测量值的分解  30-31
  3.3 捷联系统工作原理及优点  31-32
  3.4 系统更新周期  32-33
  3.5 小结  33-34
4 惯性导航算法及组合模式研究  34-49
  4.1 算法设计-姿态算法  34-39
    4.1.1 四元数  34-36
    4.1.2 四元数与姿态阵间的关系  36-38
    4.1.3 四元数构造的微分方程  38-39
  4.2 姿态更新的其他算法及各种算法的比较  39-41
    4.2.1 欧拉角法  39-40
    4.2.2 方向余弦法九参数法  40-41
    4.2.3 姿态修正算法的比较  41
  4.3 导航系统模型建立  41-44
  4.4 微分方程的求解  44-45
  4.5 SINS/GPS 组合导航系统组合方式  45-48
    4.5.1 非耦合方式  46
    4.5.2 松耦合方式  46-47
    4.5.3 紧耦合方式  47-48
  4.6 小结  48-49
5 机器人路径规划算法设计  49-54
  5.1 常用迷宫算法介绍  49-50
  5.2 优化的向心深度优先搜寻法  50-53
  5.3 小结  53-54
6 系统仿真及半实物实验  54-70
  6.1 导航定位系统仿真  54-58
    6.1.1 系统仿真概述  54-55
    6.1.2 系统仿真流程  55
    6.1.3 系统仿真结果  55-58
  6.2 系统主要模块软件设计  58-61
  6.3 系统调试  61-64
    6.3.1 电源与接地系统调试  62
    6.3.2 接口模块调试  62-63
    6.3.3 模数转换模块调试  63
    6.3.4 串口通信模块调试  63-64
    6.3.5 DSP 与接口模块的通信调试  64
  6.4 半实物系统实验  64-69
    6.4.1 路径规划算法实验验证  64-65
    6.4.2 导航定位系统实验  65-69
  6.5 小结  69-70
7 总结与展望  70-72
致谢  72-73
参考文献  73-75
附录 A 硕士研究生学习阶段发表论文  75-76
附录 B 系统硬件原理设计图  76-77
附录 C 系统硬件 PCB 设计图  77-78
附录 D 导航定位控制系统实物图  78

救援机器人导航定位控制系统设计与研究

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