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人体消化道检查微型机器人控制模块研究

作　者: 吕高利
导　师: 曹建
学　校: 中南大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 微型机器人 无线通信 电机控制 形状记忆合金 低功耗
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


消化道检查微型机器人的研究有助于突破传统胶囊内窥镜的技术瓶颈。本文研究了用于消化道检查的微型机器人的控制模块,提出消化道检查微型机器人系统的总体方案,包括体外的PC机、主控板和人体内的微型机器人模块。将直流无刷电机和形状记忆合金作为微型机器人模块的运动机构,选择适用的微控制器及驱动元器件,完成控制电路的搭建。硬件电路设计的重点聚焦在实现功能和缩小物理尺寸,以及降低系统的总体功耗。研究直流无刷电机的无传感器控制算法,通过检测反电动势代替位置传感器实现电机的换相操作。在MATLAB的Simulink中搭建直流无刷电机仿真模型,对无传感控制和PID调速过程进行仿真。形状记忆合金的驱动通过电流加热和自然冷却实现,在Simulink中对其温度状况建立仿真模型,并仿真其加热、冷却以及温度保持的过程。仿真结果表明控制算法可以达到对直流无刷电机和形状记忆合金的控制目的。设计基于轮询和中断的微型控制电路软件系统。在软件系统内对各个任务的标志位进行循环查询,并做出相应操作,以达到对多项任务进行响应的目的。优先级高的任务可借助中断方式优先执行。采用CPU运行时间分段共享的思想,以达到尽可能好的实时效果。从硬件的电源管理和软件优化两方面考虑微型电路的低功耗性能。针对控制芯片的特点,选定恰当的供电模式,优化系统的电源管理电路。在软件设计中,对系统工作状态进行合理配置以求充分节约能源,延长工作的时间。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
1 绪论  9-15
  1.1 课题背景与意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-13
    1.2.1 被动式胶囊内窥镜  10-11
    1.2.2 主动式检查系统  11-13
    1.2.3 可组装的微型机器人  13
  1.3 本文的主要内容安排  13-15
2 系统总体方案设计  15-27
  2.1 系统需求分析  15-16
  2.2 控制电路总体方案  16-17
  2.3 元器件选型  17-18
    2.3.1 微控制器芯片  17-18
    2.3.2 微型电机  18
    2.3.3 形状记忆合金  18
  2.4 微型控制电路设计  18-25
    2.4.1 微控制器外围电路  19
    2.4.2 无线收发电路  19-22
    2.4.3 微型电机驱动电路  22-24
    2.4.4 SMA控制电路  24-25
  2.5 PCB绘制  25-26
  2.6 本章小结  26-27
3 直流无刷电机及SMA控制算法  27-41
  3.1 直流无刷电机的无传感控制  27-32
    3.1.1 直流无刷电机原理  27-28
    3.1.2 反电动势原理及检测  28-31
    3.1.3 反电动势换相  31-32
  3.2 直流无刷电机运行仿真  32-37
    3.2.1 直流无刷电机仿真模型  33-35
    3.2.2 电机PID运行仿真  35-37
  3.3 形状记忆合金控制仿真  37-40
    3.3.1 仿真模型建立  37-38
    3.3.2 电流加热仿真  38-40
  3.4 本章小结  40-41
4 系统软件设计  41-49
  4.1 软件系统结构  41-42
  4.2 PC端和控制台  42-43
  4.3 微型模块软件设计  43-48
    4.3.1 软件系统架构  43-44
    4.3.2 软件系统流程  44-46
    4.3.3 无线通信  46-47
    4.3.4 运动机构软件控制  47-48
  4.4 本章小结  48-49
5 电源管理及低功耗优化  49-55
  5.1 电源管理  49-52
    5.1.1 电池选择  49-50
    5.1.2 电源管理电路  50-52
  5.2 低功耗优化  52-53
    5.2.1 微控制器  52
    5.2.2 无线收发  52-53
    5.2.3 运动机构  53
  5.3 功耗性能分析  53-54
  5.4 本章小结  54-55
6 结论与展望  55-57
  6.1 论文结论  55
  6.2 课题研究展望  55-57
参考文献  57-62
附录  62-63
学位期间主要的研究成果  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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