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仿人机器人关节控制器设计与控制算法研究

作　者: 李磊
导　师: 刘建平
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 仿人机器人关节控制器 PID控制 DSP PWM TMS320F2810
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 85次
引　用: 1次
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内容摘要

仿人机器人自问世以来一直吸引着人们的眼球。随着仿人机器人技术的发展和机器人的应用领域的不断扩大,其对控制的要求也越来越高。作为一个多输入多输出、强耦合的非线性系统,机器人为各种控制手段提供了一个很好的很好平台。本文以TI公司的TMS320F2810为核心研制了一款控制器,实验证明该控制器不仅驱动功率大、响应速度快,控制精度高,而且体积小,安装方便,适用于机器人及其它伺服控制。本论文首先介绍了仿人机器人的机械结构、控制系统结构、传感及反馈结构,建立了电机及关节轴系的数学模型,确定了系统的控制方案。其次,设计了控制器的各功能模块,包括功率放大模块、电流检测模块、AD转换模块以及CAN通讯模块,完成了印制电路板的设计。接着,在分析了软件开发环境的基础上,按照模块化的设计方法,设计了DSP的主程序及相关的功能子程序。采用模块化的设计方法这样不仅提高了软件的可读性和可移植性,还方便检查问题和错误,提高了软件开发的效率。最后,对仿人机器人关节控制系统的控制算法进行了研究。在研究PID控制器原理的基础上,分析PID控制器的几种改进方式,并重点研究了跟踪微分器,仿真和实验都验证了该算法的不仅能提高系统响应速度,还能有效抑制噪声。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-12
第一章绪论  12-19
  1.1 研究背景及意义  12-13
  1.2 国内外仿人机器人及其控制的研究现状  13-18
    1.2.1 国内外仿人机器人历史和研究现状  13-15
    1.2.2 国内外机器人运动控制器的现状和发展前景  15-18
    1.2.3 课题来源  18
  1.3 本文研究的主要内容  18-19
第二章仿人机器人系统分析  19-33
  2.1 仿人机器人的本体结构  19-23
    2.1.1 仿人机器人机械系统结构  19-20
    2.1.2 仿人机器人控制系统  20-21
    2.1.3 仿人机器人传感与反馈系统  21-23
  2.2 直流电机的控制数学模型及工作原理  23-28
    2.2.1 直流电机及关节轴系的数学模型  23-27
    2.2.2 直流电机PWM 控制的原理  27-28
  2.3 系统方案的确定  28-32
    2.3.1 关节控制器的需求性分析  28
    2.3.2 主控芯片的确定  28-29
    2.3.3 通讯协议的选定  29-31
    2.3.4 关节控制器的方案  31-32
  2.4 本章小结  32-33
第三章直流电机控制器硬件设计  33-48
  3.1 DSP 最小系统及外围电路设计  33-38
    3.1.1 供电电路设计  33-34
    3.1.2 DSP 复位电路设计  34-35
    3.1.3 PWM 波产生电路设计  35-36
    3.1.4 光电编码器脉冲捕获电路设计  36
    3.1.5 CAN 通讯节点电路设计  36-38
  3.2 AD 采样及电流检测电路设计  38-41
    3.2.1 AD 采样电路设计  38-40
    3.2.2 电流检测电路设计  40-41
  3.3 H 桥电路设计及驱动电路设计  41-45
    3.3.1 基本H 桥电路设计  41-42
    3.3.2 H 桥驱动电路设计  42-44
    3.3.3 H 桥缓冲电路设计  44-45
  3.4 抗干扰设计  45-47
    3.4.1 干扰的来源  45
    3.4.2 干扰的抑制  45-47
  3.5 本章小结  47-48
第四章系统软件设计  48-57
  4.1 软件开发环境介绍  48-50
    4.1.1 三种编程方式的优劣比较  48-49
    4.1.2 集成开发环境CCS3.3 及开发工具简介  49-50
  4.2 DSP 主程序设计  50-51
  4.3 各功能模块软件设计  51-56
    4.3.1 AD 采样模块设计  51
    4.3.2 PWM 波产生电路设计  51-53
    4.3.3 CAN 通讯模块软件设计  53-55
    4.3.4 系统运行指示灯软件设计  55-56
  4.4 本章小结  56-57
第五章控制算法研究、仿真  57-66
  5.1 引言  57
  5.2 PID 控制器简介  57-58
    5.2.1 PID 控制器的原理及特点  57
    5.2.2 PID 控制器的数字实现  57-58
  5.3 PID 控制算法的几项改进  58-62
    5.3.1 带有死区的PID 控制算法  58-59
    5.3.2 变速积分的PID 控制算法  59-60
    5.3.3 不完全微分的PID 控制算法  60-62
  5.4 带跟踪微分器的PID 控制算法  62-65
    5.4.1 经典PID 控制算法的不足  62
    5.4.2 跟踪微分器及其离散形式  62-65
  5.5 本章小结  65-66
第六章实验结果分析  66-69
  6.1 实验平台介绍  66
  6.2 控制器输出波形分析  66-69
    6.2.1 数字部分波形分析  66-67
    6.2.2 IR2110 的输出波形分析  67
    6.2.3 MOS 管输出波形对比  67-69
第七章总结与展望  69-71
  7.1 论文工作总结  69-70
  7.2 研究展望  70-71
致谢  71-72
参考文献  72-75
作者在学期间取得的学术成果  75

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