吸盘电脑鼠的设计与控制算法研究

发布时间：2020-03-19 08:02

【摘要】：随着工业自动化的不断发展,机器人应用领域不断扩大,越来越多的自动化机器人代替人力劳动成为社会发展趋势。电脑鼠作为轮式机器人的典型代表,涉及运动控制、路径规划、传感器应用、机械设计等诸多技术,在国内外获得了广泛关注。国内电脑鼠存在诸如控制稳定性差、速度慢、算法落后等问题,本文对当前国际流行的吸盘电脑鼠展开研究,增设吸盘机构,增加了电脑鼠运动的稳定性,改进了电脑鼠的传统控制方式,设计电脑鼠的运动控制方案,通过分析模拟红外传感器的电气特性及其测距方法,提高了吸盘电脑鼠测距的准确性。深入研究了吸盘电脑鼠冲刺算法,最终完成吸盘电脑鼠系统设计。主要研究工作如下:(1)吸盘电脑鼠机械结构设计及控制方案研究。针对传统电脑鼠高速运行下转弯打滑的问题,设计了吸盘机构,详细分析了吸盘的原理及作用,并对电脑鼠传统控制方案深入分析,在传统电脑鼠速度闭环的基础上加入了位置闭环,提高了吸盘电脑鼠坐标更新的准确性和整体运行的稳定性;研究了吸盘吸力与电脑鼠运行速度的关系,采用PWM脉宽调制技术控制吸盘电机转速,增大电脑鼠与迷宫间的摩擦力,并采用梯形转弯策略,避免了吸盘电脑鼠高速转弯时的打滑,从而实现了不减速转弯;创新设计了长直道加减速冲刺策略,实现了吸盘电脑鼠高速冲刺,缩短了冲刺运行时间。(2)吸盘电脑鼠的红外测距方法研究。分析红外传感器在吸盘电脑鼠中的位置及作用,采用模拟红外,摆脱了数字红外只能检测挡板有无的弊端,深入研究了模拟红外传感器的特性,提出一阶对数法与二阶对数法的红外测距方法,并利用线性插值法近似得出所测AD值与距离的关系,减轻主控制器的运算负担。(3)吸盘电脑鼠八方向斜向冲刺算法研究。建立迷宫数学模型,研究墙壁资料的存储方法,及相对方向与绝对方向之间的转化关系。通过分析传统搜索算法与冲刺算法,针对传统冲刺算法转弯动作多、路径长等不足,提出一种八方向斜向冲刺算法,并对冲刺过程中的各种误差深入分析,实现吸盘电脑鼠斜向冲刺。(4)吸盘电脑鼠系统搭建及实验分析。设计吸盘电脑鼠的硬件电路,搭建实验样机,利用IEEE标准迷宫对吸盘电脑鼠的速度响应、吸盘吸力、位置响应、红外测距、冲刺算法进行实验验证,实验表明本文所设计的吸盘电脑鼠有效地提高了运行的稳定性及冲刺速度,冲刺算法优良。
【图文】：

机器人,嵌入式,智能

一个在自动化领域发展中的研究热点是机器人，从大型的机械设备，到越来越小逡逑型化、智能化的实用型设备，机器人扮演着越来越重要的角色，其应用领域也更逡逑加广泛，随着科技水平的提升，智能嵌入式机器人步入人们的生活，如图１－１所逡逑示，家用扫地机器人、抗灾救火机器人、快递分拣机器人等不仅方便了人们的生逡逑活，更推动了机器人事业的发展１＂。为了学习和促进相关技术的发展，国内外各逡逑大高校相继举办机器人比赛，如擂台车比赛、机器人高尔夫比赛、机器人田径比逡逑赛、飞思卡尔竞赛等，而电脑鼠作为融合人工智能、嵌入式系统、运动控制、路逡逑径规划、智能算法等多个领域的微型迷宫机器人，是提高学生学习嵌入式自动机逡逑器人开发的最佳平台［５］。逡逑Ｅｍ邋！逡逑１邋ａ）邋－！逦（ｂ）救灾机器人逡逑．．}逡逑（ｃ）快递分拣机器人逦（ｄ）空中运送机器逡逑图１－１智能嵌入式机器人逡逑Ｆｉｇ．１－１邋Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ邋ｅｍｂｅｄｄｅｄ邋ｒｏｂｏｔ逡逑ｌ逡逑

迷宫,国际标准

满足人们对生活日益提高的需要。随着机器人餐厅规模及范围的不断扩大，许多逡逑商家看到了自动机器人发展的商机，各种功能的机器人如雨后春笋般不断涌现，逡逑如海尔公司投资研发的第一代家庭机器人“哇哦”，具有陪伴、监测和家居控制逡逑的作用；上海惊鸿公司研发的跟随机器人，能够陪伴孩子玩耍，防止孩子走丢。逡逑这些机器人最大的特点就是能够自动按照设定的程序运行，不需要人为干扰。自逡逑动化机器人己成为人类生活不可缺少的一部分［７］。逡逑电脑鼠是一个具有探索未知区域的轮式机器人，它融合了红外传感器、陀螺逡逑仪角速度传感器等多种传感器设备［８］，能在一个１６Ｘ１６个迷宫格的区域内自主探逡逑索路径［９＿１＜）５。电脑鼠首先从迷宫格起点出发，，根据智能搜索算法搜索迷宫［１１］，直逡逑至ＩＪ电脑鼠搜索到迷宫终点，完成搜索过程，其中电脑鼠起点位置可以是迷宫的四逡逑个角的任意位置，终点为迷宫中心的四个迷宫格区域。电脑鼠到达终点后，自动逡逑计算从终点到起点的最短路径，然后返回起点，电脑鼠比赛作为一种竞速类竞赛，逡逑最终会以最快的速度冲向终点，完成冲刺［１２］。每个迷宫格边长为１８０ｍｍ，迷宫挡逡逑板高５０ｍｍ、厚１２ｍｍ，挡板颜色为白色，迷宫地面为黑色。ＩＥＥＥ国际标准迷宫逡逑如图１－２所示。逡逑
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242

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