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基于ARM/DSP的双足机器人控制系统研究

作　者: 鲁宝宏
导　师: 魏世民
学　校: 北京邮电大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 双足机器人 控制系统 控制器 数字信号处理器(DSP)
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


双足步行机器人技术是一门集仿生学、机械学及控制工程等多学科融合交汇的综合性学科,不仅涉及到非线性、基于多传感器信息融合和图像处理等技术,而且还囊括了复杂机电系统的建模、数字仿真及混合系统的控制等方面的技术,是当代机器人研究领域中重要的分支,可以反应一个国家综合技术实力的强弱。中国要成为现代化的工业大国,发展机器人,尤其是双足步行机器人是十分必要的。双足步行机器人实现实时稳定行走的关键是控制系统的设计。随着微电子技术的发展,伺服系统所用的微处理器的性能不断提高。近年来,数字信号处理器(DSP)已经成为信号处理系统开发的主流处理器,广泛地应用于许多领域。由于数字信号处理器具有:(1)高速运算能力使很多复杂的控制算法和功能得以实现;(2)将实时处理能力和控制的外设功能集于一身的优点,所以它在位置控制中越来越被广泛应用。本文以TMS320F2812 DSP为核心,研究了并设计了一种基于ARM+DSP的双足步行机器人控制系统,完成了对控制系统硬件结构、软件模块的分析与设计,主要包括以下内容:首先,本文设计了运动控制系统的结构及主要的硬件电路,详细介绍了双足步行机器人控制系统的总体设计、DSP功能分析以及芯片的选型;讨论了运动控制系统的功能结构,针对主要的电路结构进行了详细设计和分析,其中包括:电源转换电路、DSP上电复位电路及时钟电路、控制信号输出隔离电路、A/D转换电路、串行通信接口电路、CAN总线通讯接口电路。其次,本文提出了运动控制系统的软件设计和编程思路。论文中介绍了控制系统软件的总体结构和功能模块,详细介绍了各个功能模块的程序编写流程和必要的DSP芯片寄存器设置,其中包括:系统主程序、A/D采样模块、控制信号输出模块、正交编码脉冲(QEP)电路及码盘反馈模块、控制算法模块、CAN总线通信程序模块以及串口通信程序。最后,本文简单介绍了电机的闭环控制方法,讨论了电机的PID控制器、自整定模糊PID控制器的设计,介绍了PID参数的选择和确定方法,并进行了结果仿真。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章 绪论  11-21
  1.1 课题研究背景和意义  11
  1.2 国内外双足机器人的研究现状和发展趋势  11-20
    1.2.1 日本双足机器人的研究概况  12-16
    1.2.2 美国双足机器人的研究概况  16-17
    1.2.3 其他国家的研究概况  17-19
    1.2.4 双足机器人的发展趋势  19-20
  1.3 课题主要研究内容  20-21
第二章 控制系统分析和控制策略研究  21-33
  2.1 控制系统分析  21-26
    2.1.1 控制系统整体结构设计  21-23
    2.1.2 ARM+DSP控制模式的优点  23-24
    2.1.3 控制系统的组成  24-26
  2.2 双足机器人控制理论简介  26-31
    2.2.1 多智能体技术  26-27
    2.2.2 人工智能  27-28
    2.2.3 神经网络  28-29
    2.2.4 ZMP稳定性原则  29-31
  2.3 双足机器人控制策略  31-33
第三章 控制系统硬件设计  33-47
  3.1 数字信号处理器(DSP)简介  33-38
    3.1.1 DSP的基本特征介绍  33-35
    3.1.2 DSP芯片选型  35-36
    3.1.3 TMS320F2812芯片的特点  36-38
  3.2 基于TMS320F2812的控制器硬件电路设计  38-47
    3.2.1 电源转换电路  39-40
    3.2.2 DSP的复位电路和时钟电路  40-42
    3.2.3 控制输出信号隔离电路  42-43
    3.2.4 A/D转换电路  43-44
    3.2.5 串行通信接口电路  44-45
    3.2.6 CAN总线通讯接口电路  45-47
第四章 控制系统软件设计  47-61
  4.1 DSP的软件开发基础  47-48
  4.2 控制系统软件结构  48-51
    4.2.1 控制系统软件整体设计  48-50
    4.2.2 主程序设计  50-51
  4.3 功能模块程序设计  51-61
    4.3.1 A/D采样模块  51-53
    4.3.2 控制信号输出模块  53-54
    4.3.3 正交编码脉冲(QEP)电路及码盘反馈模块  54-55
    4.3.5 控制算法模块  55-58
    4.3.6 CAN总线通信模块  58-59
    4.3.7 串口通信程序设计  59-61
第五章 机器人关节控制及仿真  61-65
  5.1 PID控制  61-62
  5.2 自整定模糊PID控制器  62-65
    5.2.1 模糊PID控制器的结构  63
    5.2.2 仿真试验  63-65
第六章 结论与展望  65-67
  6.1 结论  65-66
  6.2 展望  66-67
参考文献  67-71
致谢  71-72
攻读硕士学位期间发表的学术论文  72

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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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