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移动探测机器人控制系统设计及避障研究

作　者: 田煜晖
导　师: 张菊香
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 移动机器人环境探测无线通信避障模糊控制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

作为机器人研究领域的一个重要分支,移动机器人是具有一定环境感知、思维以及行动能力,能够通过传感器感知自身状态和外界环境,实现运动到指定位置、执行特定任务的机器人系统,是一个涉及传感器技术、计算机技术、电子技术、自动控制、人工智能、机械工程、等多学科的综合系统。本设计首先进行了移动探测机器人控制系统的软、硬件设计与制作,采用两轮差动驱动结构,系统分为运动控制、环境探测、监控终端三个功能部分,由串口通信和无线通信完成三部分之间的信息交换,组成一个较为完整的系统。运动控制由主控制器STM32F103RCT6微控制器电路、电机驱动模块、速度检测模块、红外避障模块、超声波测距模块以及无线通信模块(接收)组成,实现了漫游模式下的自主移动、避障,遥控模式下接收遥控指令接收与执行。环境探测由从控制器STC12C5A60S2微控制器电路、温度、湿度、烟雾传感器电路以及无线通信模块(发送)组成,采集环境信息以及无线发送。监控终端由STM32F103RCT6微控制器电路、无线通信以及人机交互模块组成,实现了无线接收模式下的信息显示以及无线发送模式下的遥控指令发送。然后,根据移动机器人系统模型,引入模糊控制避障算法,利用MATLAB中的模糊控制工具箱建立模糊避障控制系统,并在Simulink中建立移动机器人运动模型进行验证。最后,进行移动探测机器人各项功能的实验测试,测试结果良好,基本达到设计要求。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-14
  1.1 课题的背景及研究意义  8
  1.2 移动机器人的国内外研究现状  8-11
    1.2.1 国外移动机器人研究现状  8-10
    1.2.2 国内移动机器人研究现状  10-11
  1.3 移动机器人的关键技术  11-12
  1.4 本文的主要研究内容与章节结构安排  12-14
第二章移动探测机器人控制系统总体方案  14-22
  2.1 移动机器人结构选择  14-15
  2.2 移动机器人运动模型  15-16
  2.3 移动机器人控制体系结构  16-21
    2.3.1 控制器选择  16-17
    2.3.2 传感器选择  17
    2.3.3 驱动电机选择及转速控制方法  17-19
    2.3.4 通信方案  19-20
    2.3.5 控制系统总体方案  20-21
  2.4 本章小结  21-22
第三章移动探测机器人控制系统硬件设计  22-36
  3.1 系统电源设计  22-23
  3.2 最小系统电路设计  23-25
    3.2.1 主控制器STM32最小系统  23-24
    3.2.2 从控制器STC12C5A60S2最小系统  24-25
  3.3 电机驱动控制模块设计  25-26
  3.4 传感器电路设计  26-32
    3.4.1 红外避障模块  26-27
    3.4.2 超声波测距模块  27-29
    3.4.3 速度检测模块  29-30
    3.4.4 环境参数采集模块  30-32
  3.5 通信模块设计  32-33
    3.5.1 串口通信模块  32-33
    3.5.2 无线射频通信模块  33
  3.6 监控终端人机交互接口设计  33-34
    3.6.1 液晶显示模块  33-34
    3.6.2 按键模块  34
  3.7 硬件组装与调试  34-35
  3.8 本章小结  35-36
第四章移动探测机器人控制系统软件设计  36-54
  4.1 软件开发环境  36
  4.2 系统软件总体架构  36-39
    4.2.1 系统软件的层次结构  36-37
    4.2.2 系统软件总体流程  37-39
  4.3 运动控制程序设计  39-42
    4.3.1 电机驱动  39
    4.3.2 速度检测  39-41
    4.3.3 PID调速控制算法  41-42
  4.4 避障模块程序设计  42-46
    4.4.1 红外检测  42-43
    4.4.2 超声波测距  43-44
    4.4.3 信息融合避障策略  44-46
  4.5 环境参数采集模块程序设计  46-47
    4.5.1 温度参数采集  46
    4.5.2 湿度参数采集  46-47
    4.5.3 烟雾浓度参数采集  47
  4.6 通信模块程序设计  47-51
    4.6.1 串口通信  47-48
    4.6.2 无线通信  48-51
  4.7 监控终端人机交互程序设计  51-52
    4.7.1 液晶显示模块  51
    4.7.2 按键模块  51-52
  4.8 本章小结  52-54
第五章移动机器人模糊控制避障算法研究  54-64
  5.1 移动机器人避障技术简介  54-55
  5.2 模糊控制基本理论  55-56
    5.2.1 模糊控制概述  55
    5.2.2 模糊控制器基本原理  55-56
  5.3 避障模糊控制系统设计  56-61
    5.3.1 模糊避障策略  56-57
    5.3.2 模糊避障控制器设计  57-61
  5.4 避障模糊控制系统验证  61-62
  5.5 本章小结  62-64
第六章移动探测机器人系统测试实验  64-70
  6.1 监控终端测试实验  64-65
    6.1.1 显示界面  64-65
    6.1.2 按键功能  65
  6.2 漫游模式测试实验  65-68
    6.2.1 无障碍物时的直线行走实验  65-66
    6.2.2 避障实验  66-68
  6.3 遥控模式测试实验  68-69
  6.4 本章小结  69-70
第七章总结与展望  70-72
  7.1 工作总结  70
  7.2 工作展望  70-72
致谢  72-74
参考文献  74-76
附录A 硬件实物图  76-77
附录B PID调速控制算法代码  77-79

移动探测机器人控制系统设计及避障研究

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