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移动机器人行走系统多轴控制方法研究

作　者: 常铮
导　师: 王向军
学　校: 天津大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 移动机器人 多轴控制 运动学分析 单片机
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


移动机器人是机器人研究领域的一个重要分支。本文对四轮偏转式全向移动机器人的控制系统进行了研究,在详细分析了当前移动机器人控制系统的发展概况及发展方向后,设计了移动机器人多轴运动控制系统。该控制系统可以根据存储于SD卡中的策略库的内容,控制移动机器人按照特定路径行走或进行实时避障。本论文主要完成了以下工作:1.概括总结了移动机器人控制系统的发展状况,并对移动机器人控制系统的体系结构、运动控制系统、导航及避障算法等关键技术进行了分析。总结了当前移动机器人控制系统的发展方向。2.分析了移动机器人的运动模型,建立了在原地转向、差速驱动、四轮转向等情况下,机器人的期望路径与各被控参量间的关系。为实现对机器人的精确控制、避障算法和路径规划等提供了理论基础。3.对移动机器人控制策略进行了初步探索,设计了控制系统的体系结构。完成了移动机器人沿方形轨迹和圆形轨迹行走及避障的实验,并对其沿特定轨迹行走的精度作了初步研究。实验证明,本课题构建的控制系统具有可行性,但移动机器人在按照特定轨迹行进时,其误差较大,并对误差产生原因进行了分析。4.完成了移动机器人控制系统的硬件设计。包括步进电机、直流电机的选型及电机驱动模块的设计、电源模块、角度传感器的选型及传感信号调理电路的设计,单片机的选型及外围电路的设计。5.利用C语言完成了主从控制系统的程序设计。在主控制系统中,主要实现了SMBUS通信程序、SD卡读写程序、控制策略算法三大模块。在从控制体系中主要实现了SMBUS通信程序、步进电机升降速控制程序、直流电机控制程序。以及移动机器人原地转向、全向行走、四轮转向的控制算法。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-14
  1.1 引言  8-9
  1.2 移动机器人控制系统发展概况  9-10
  1.3 移动机器人控制系统的研究方向  10-12
    1.3.1 定位导航及避障技术的研究  10-11
    1.3.2 控制体系结构研究  11-12
    1.3.3 多算法的融合  12
  1.4 本课题研究内容  12-14
第二章 移动机器人的运动学分析  14-24
  2.1 移动机器人平台  14-17
    2.1.1 机器人平台简介  14-15
    2.1.2 移动机器人平台的运动系统  15-17
  2.2 移动机器人的性能指标  17
  2.3 移动机器人的运动学分析  17-23
    2.3.1 原地转向的运动学分析  17-18
    2.3.2 差速驱动转向的运动学分析  18-22
    2.3.3 四轮转向的运动学分析  22-23
  2.4 本章小结  23-24
第三章 移动机器人多轴控制系统设计  24-33
  3.1 控制系统的体系结构  24-25
  3.2 移动机器人的特定路径行进策略  25-27
  3.3 移动机器人的避障策略  27-32
    3.3.1 移动机器人避障算法简介  27-28
    3.3.2 基于区域分割思想的避障算法  28-31
    3.3.3 策略库的构建  31-32
  3.4 本章小结  32-33
第四章 控制系统软硬件设计  33-50
  4.1 步进电机驱动模块  34-36
    4.1.1 步进电机及驱动器  34-35
    4.1.2 步进电机的加减速程序设计  35-36
  4.2 直流电机驱动模块  36-37
  4.3 传感模块  37-39
    4.3.1 角度传感器  37-38
    4.3.2 角度传感器信号调理电路  38-39
  4.4 电源模块  39-40
  4.5 主从控制模块  40-49
    4.5.1 C8051F系列单片机的主要特点  41-42
    4.5.2 单片机模块的资源分配  42-44
    4.5.3 A/D转换功能实现  44-45
    4.5.4 SMBUS通信功能实现  45-46
    4.5.5 SD卡读写功能实现  46-48
    4.5.6 主从控制模块的程序流程图  48-49
  4.6 本章小结  49-50
第五章 控制系统的实验验证  50-58
  5.1 移动机器人特定路径行进策略的验证  50-53
  5.2 移动机器人避障策略的验证  53-57
  5.3 本章小结  57-58
第六章 全文总结与展望  58-60
  6.1 全文总结  58-59
  6.2 研究展望  59-60
参考文献  60-63
发表论文和参加科研情况说明  63-64
致谢  64

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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