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基于DSP的移动机器人控制系统设计

作　者: 苏建中
导　师: 杨延西
学　校: 西安理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 移动机器人 PID 滑模控制 数字信号处理器
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


随着科学技术的发展,移动机器人正朝着高速、高精度、开放化、智能化、网络化发展,对运动控制系统也提出了更高的要求。移动机器人要实现高速、高精度的位置控制和轨迹跟踪,必须依赖先进的控制策略和优良的运动控制系统。本文以DSP(数字信号处理)控制器为核心芯片进行运动控制系统的设计,研究了基于DSP的移动机器人运动控制系统的具体实现方案,对系统的硬件结构、控制软件及速度算法进行了分析与设计。第一,对移动机器人的发展现状和运动控制技术进行了综述,同时介绍了本文的选题背景、主要研究内容和研究意义。第二,介绍了移动机器人控制系统的总体设计方案,简单分析了双轮差动轮式机器人的运动学和动力学系统模型,并在此基础上论述了机器人系统控制框架和控制器结构。第三,设计实现了下位机运动控制系统的结构、硬件电路及控制软件。论文中详述了下位机控制器和驱动器的设计,其中包括处理器DSP芯片的内核组成、外设和时钟电路、电机驱动、电机测速、A/D和D／A转换电路、反馈检测与供电电路等模块。此外,还介绍了软件控制的总体结构与功能模块,包括主程序、PWM产生、AD采样和速度反馈中断程序,并介绍了相应的程序流程图。第四,针对移动机器人运动控制系统非线性的特性,引入了一种滑模变结构的非线性控制器设计方法,并结合本课题所设计的机器人模型,进行了轨迹跟踪仿真实验,实验结果表明,非线性的滑模控制器能够较好的实现对机器人的轨迹跟踪控制。对研究过程中发现的问题及尚需完善之处,作者提出了进一步研究的设想和建议。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
1 绪论  8-12
  1.1 移动机器人发展现状  8
  1.2 移动机器人运动控制概述  8-9
  1.3 移动机器人运动控制系统实现方法的比较  9-10
  1.4 课题研究意义和内容  10-12
2 系统的整体方案设计  12-18
  2.1 双轮差动轮式移动机器人的系统模型  12-13
    2.1.1 双轮差动移动机器人的运动学模型  12
    2.1.2 双轮差动移动机器人的动力学模型  12-13
  2.2 轮式移动机器人系统的总体控制方案  13-15
    2.2.1 轮式移动机器人系统的控制方案  13-14
    2.2.2 控制方案的选择  14-15
  2.3 控制系统总体框架  15
  2.4 控制器的结构  15-18
3 机器人控制系统硬件设计  18-38
  3.1 控制系统处理器选型  18-23
    3.1.1 TMS320F2812概述  19-20
    3.1.2 TMS320F2812内核组成  20-21
    3.1.3 TMS320F2812外设  21-22
    3.1.4 JTAG接口  22-23
  3.2 驱动电路的设计  23-28
    3.2.1 电机的选择  23-24
    3.2.2 电机控制技术  24-27
    3.2.3 驱动电路设计  27-28
  3.3 电机测速电路设计  28-30
    3.3.1 编码器测量原理  29
    3.3.2 编码器方案  29-30
  3.4 AD转换  30-31
  3.5 DA转换  31-32
  3.6 数字通信接口  32-35
  3.7 控制器与驱动器供电电路  35-36
    3.7.1 电池的选择  35-36
    3.7.2 控制器供电  36
  3.8 电路板的设计  36-38
4 控制系统软件设计  38-50
  4.1 开发环境CCS 3.1  38-40
  4.2 软件流程  40-41
    4.2.1 DSP主程序  40-41
  4.3 数字PID控制策略  41-45
    4.3.1 直流电机的数字PID控制  41-43
    4.3.2 改进的积分分离PID控制  43-45
  4.4 中断服务程序设计  45-50
    4.4.1 PWM产生子程序  45-46
    4.4.2 电流环AD采样中断子程序  46-47
    4.4.3 速度环中断子程序  47-50
5 移动机器人路径探索  50-60
  5.1 双轮移动机器人的控制特性  50-53
    5.1.1 非完整移动机器人控制  50
    5.1.2 轨迹跟踪控制研究现状  50-52
    5.1.3 滑膜变结构控制  52
    5.1.4 轨迹跟踪控制器的设计  52-53
  5.2 双轮差动轮式移动机器人的路迹跟踪控制  53-60
    5.2.1 轨迹跟踪控制器的设计  54
    5.2.2 仿真结果及分析  54-56
    5.2.3 直线运动试验  56-60
6 总结与展望  60-62
致谢  62-64
参考文献  64-66

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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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