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单轮机器人的控制器设计与侧平衡实验验证

作　者: 董文浩
导　师: 闫纪红
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 独轮机器人机器人控制器侧平衡实验 DSP
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 38次
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内容摘要

控制器是机器人系统中最核心的部件，不论是能够完成单一、重复动作的工业机器人，还是可以实现自主判断、运动，具有一定智能性的机器人，都少不了一个功能完善的控制器。随着计算机技术、电子技术、传感技术等相关技术的发展，控制器对于机器人的技术水平的提高和应用起到越来越重要的作用。本文针对垂直转子结构形式的独轮机器人模型，根据平衡控制算法设计了具有偏角和偏角速度反馈的独轮机器人控制器。按照功能划分，将控制器划分为状态检测单元、平衡控制单元和电机控制单元。其中状态反馈单元采用加速度计和陀螺仪这样双传感器结构对偏角和偏角速度进行检测，提高了检测精度，降低了漂移效应的影响。平衡运动控制单元和电机控制单元选用高速的数字信号处理芯片，保证了控制器的运算能力和运算速度。为具有非线性、欠驱动、强耦合特点的平衡控制实现提供了硬件保障。另外，控制器还采用了CAN总线通信方式实现运动控制器和电机控制器之间的通信。侧平衡作为独轮机器人平衡控制和轨迹跟踪实现的关键环节，具有欠驱动的结构特点，导致其平衡实现相对困难、鲁棒性差。本文在硬件设计的基础上对侧平衡进行实验验证。在软件结构设计中主要编写了对平衡效果影响较大的传感器数据处理程序、电机控制程序和侧平衡PD控制程序。另外本文还编写了CAN通信程序，实现了控制器的通信，以及UART串口通信程序，用于观测数据、检测程序问题和辅助实验调试。在实验调试过程中，先后实现了串口通信、电机控制、状态检测和CAN通信，并通过调节PD参数逐步实现独轮机器人的侧平衡控制。独轮机器人的侧平衡实验获得了较好的实验结果，在简单方法的控制下，机器人的侧平衡控制效果明显，验证了基于高性能DSP和带有偏角和偏角速度状态反馈的控制器设计的正确性，其功能基本满足机器人对平衡控制的要求。本次控制器的设计工作也为今后的独轮机器人的进一步研究提供了重要支持。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-20
  1.1 引言  8-10
  1.2 独轮机器人研究现状  10-19
    1.2.1 多形态独轮机器人研究  10-17
    1.2.2 独轮机器人控制策略研究  17-19
  1.3 主要研究内容  19-20
第2章独轮机器人运动控制器硬件设计  20-32
  2.1 引言  20
  2.2 设计要求  20-21
    2.2.1 功能分析  20-21
    2.2.2 设计原则  21
  2.3 控制器方案设计  21-26
    2.3.1 总体方案设计  21-22
    2.3.2 核心处理器  22-23
    2.3.3 传感器系统  23-25
    2.3.4 通讯网络设计  25-26
  2.4 运动控制器硬件电路设计  26-31
    2.4.1 电源模块设计  26-27
    2.4.2 处理器外围电路设计  27-28
    2.4.3 传感器系统电路设计  28-29
    2.4.4 UART 串口电路设计  29
    2.4.5 CAN 总线电路设计  29-31
  2.5 控制器电路板的绘制及加工  31
  2.6 本章小结  31-32
第3章无刷直流电机驱动控制器的设计  32-43
  3.1 引言  32
  3.2 无刷直流电动机的控制原理  32-34
    3.2.1 无刷直流电动机简介  32
    3.2.2 无刷直流电动机的换相原理  32-34
    3.2.3 PWM 控制原理  34
  3.3 控制系统硬件设计  34-41
    3.3.1 电源稳压模块  35-36
    3.3.2 逆变桥电路  36-37
    3.3.3 驱动芯片电路设计  37-38
    3.3.4 微处理器控制单元  38-41
  3.4 驱动控制器硬件的实现  41-42
  3.5 本章小结  42-43
第4章独轮机器人的侧平衡控制程序设计  43-58
  4.1 引言  43
  4.2 程序开发环境  43
  4.3 控制器程序设计  43-53
    4.3.1 主程序方案设计  43-44
    4.3.2 初始化程序  44-45
    4.3.3 平衡控制程序  45-50
    4.3.4 状态反馈处理程序  50-52
    4.3.5 CAN 通信程序  52-53
  4.4 电机控制程序  53-57
  4.5 本章小结  57-58
第5章独轮机器人侧平衡实验  58-66
  5.1 引言  58
  5.2 实验平台  58-59
  5.3 实验测试  59-65
    5.3.1 UART 模块测试  59
    5.3.2 传感器系统测试  59-61
    5.3.3 CAN 通讯测试  61-62
    5.3.4 侧平衡控制联合实验  62-65
  5.4 本章小结  65-66
结论  66-67
参考文献  67-71
致谢  71

单轮机器人的控制器设计与侧平衡实验验证

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