基于STM32的六足机器人系统设计及模糊PID控制

发布时间：2017-10-12 21:19

  本文关键词：基于STM32的六足机器人系统设计及模糊PID控制

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【摘要】：六足机器人在复杂环境中行走时,由于未知地形容易对机器人的控制系统引入不可预知的扰动,影响机器人的运行平稳性,为了减少机器人因运动的不稳定性对机器人机身结构造成的冲击,需要采用合适的控制方式控制机器人各关节位姿适应复杂地形,保证机器人系统具有良好的动态稳定性。本文以处于复杂多变环境中的六足机器人为研究对象,设计了机器人机身结构,开发了其控制系统,并以其关节运动平稳性、响应快速性和位姿准确性的提高为目的,重点对机器人关节模糊PID控制算法进行了研究。本文主要研究内容为:首先,对六足机器人的机身结构进行了优化设计,并对机器人样机进行了运动学分析,得出了机器人足部的运动范围以及关节变量与机器人足部位姿的关系。其次,在机器人运动学分析的基础上,规划了机器人纵向和横向直行的三角步态;给出了当机器人采用三角步态直行时,能保持机器人静态稳定的步长计算方法;结合机器人行走步长,分析了机器人纵向和横向直行步态的稳定性。当机器人采用三角步态直行时,若其步长小于能保持步态静态稳定的临界步长,机器人的步态是静态稳定的,否则不是静态稳定的。再次,设计了六足机器人控制系统,实现了机器人的无线通讯、远程调试、关节闭环驱动控制、触觉检测、避障检测、方向检测以及机身振动检测等功能;在软件上采用常规PID控制算法对机器人关节位姿进行控制,并对其进行Simulink仿真,提高机器人机身运动过程中的平稳性。最后,针对常规PID控制器在机器人平稳性控制上的缺陷,提出了机器人关节位姿的模糊PID控制算法,并对其进行Simulink仿真,设计了该控制算法的基本参数。通过对比仿真实验数据发现,机器人关节的模糊PID控制器,对阶跃信号的响应超调量小,反应迅速,动态稳定性好。通过对机器人直线行走的数据分析得出,当机器人关节运用模糊PID控制算法进行控制时,机器人关节响应快速准确,机器人行走的方向性好,机身的振动小,可有效地减少机器人运动过程中惯性力的冲击,提高了机器人整体在运动过程中的动态稳定性与运动品质。
【关键词】：六足机器人 控制系统 PID 模糊PID
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 课题研究背景9-10
• 1.2 课题研究目的及意义10
• 1.3 课题国内外研究现状10-16
• 1.4 本文的研究内容16-18
• 第二章 六足机器人的结构介绍及其运动学分析18-27
• 2.1 引言18
• 2.2 六足机器人样机结构简介18-19
• 2.3 六足机器人足部关节的正向运动学分析19-23
• 2.3.1 六足机器人运动学坐标系的建立19-20
• 2.3.2 建立连杆坐标系变换矩阵20-22
• 2.3.3 六足机器人足部末端点的运动范围22-23
• 2.4 六足机器人第i足逆向运动学分析23-26
• 2.4.1 建立关节角度θ_(i1),θ_(i2),θ_(i3) 的求解方程24-25
• 2.4.2 求解六足机器人关节变量25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第三章 六足机器人步态规划及其静态稳定性分析27-37
• 3.1 引言27
• 3.2 六足机器人横向与纵向行走步态规划27-31
• 3.2.1 六足机器人纵向直行三角步态规划28-29
• 3.2.2 六足机器人横向行走三角步态规划29-30
• 3.2.3 六足机器人直线行走三角步态相序30-31
• 3.3 机器人直线行走步长的计算31-32
• 3.3.1 机器人横向纵向直线行走足部关节位姿确定31
• 3.3.2 机器人纵向横向直行步长的计算31-32
• 3.4 机器人行走的稳定性分析32-36
• 3.5 本章小结36-37
• 第四章 六足机器人控制系统设计37-57
• 4.1 引言37
• 4.2 六足机器人控制系统总体方案设计37
• 4.3 六足机器人控制系统硬件设计37-52
• 4.3.1 六足机器人控制器最小系统设计38-39
• 4.3.1.1 六足机器人控制系统处理器芯片介绍38-39
• 4.3.1.2 六足机器人硬件最小系统功能介绍39
• 4.3.2 六足机器人系统供电模块设计39-40
• 4.3.3 机器人关节舵机驱动电路设计40-42
• 4.3.4 六足机器人方向感知模块设计42-44
• 4.3.4.1 电子指南针模块介绍42-43
• 4.3.4.2 六足机器人方向感知模块接口及应用43-44
• 4.3.5 六足机器人机身倾角感知模块设计44-46
• 4.3.5.1 三轴陀螺仪倾角感知模块介绍44-45
• 4.3.5.2 六足机器人机身倾角模块接口以及应用45-46
• 4.3.6 六足机器人避障单元设计46-48
• 4.3.6.1 超声波避障模块介绍46-47
• 4.3.6.2 六足机器人避障单元接口及其应用47-48
• 4.3.7 六足机器人通讯模块设计48-52
• 4.3.7.1 通讯过程介绍48-49
• 4.3.7.2 NRF24L01通讯模块简介49-50
• 4.3.7.3 六足机器人远程无线通讯50-51
• 4.3.7.4 串口调试模块设计51-52
• 4.3.8 六足机器人控制系统硬件主板52
• 4.4 六足机器人控制系统软件设计52-56
• 4.4.1 六足仿生机器人主程序52-53
• 4.4.2 六足仿生机器人控制系统中断服务程序53-54
• 4.4.3 六足仿生机器人功能函数包54-55
• 4.4.4 六足仿生机器人Windows软件设计55-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第五章 六足机器人关节模糊PID控制设计57-78
• 5.1 引言57
• 5.2 六足机器人关节的PID控制57-65
• 5.2.1 PID控制原理57-58
• 5.2.2 PID控制各个环节对被控过程的影响58
• 5.2.3 数字式PID控制算法58-60
• 5.2.3.1 位置式PID59
• 5.2.3.2 增量式PID59-60
• 5.2.4 PID控制器参数调节方法60-61
• 5.2.5 六足机器人足部关节的PID控制61
• 5.2.6 六足机器人PID控制器采样周期选择61
• 5.2.7 六足机器人关节PID控制Simulink仿真61-64
• 5.2.7.1 六足机器人舵机数学模型的建立62
• 5.2.7.2 关节PID控制的Simulink仿真建立62-63
• 5.2.7.3 关节PID控制的参数调节63-64
• 5.2.8 六足机器人关节PID控制器程序设计64-65
• 5.3 六足机器人关节的模糊PID控制65-73
• 5.3.1 六足机器人关节模糊PID论域的确定66
• 5.3.1.1 输入模糊变量以及量化因子的确定66
• 5.3.1.2 输出量模糊论域以及量化因子确定66
• 5.3.2 六足机器人关节模糊PID隶属函数的建立66-67
• 5.3.3 六足机器人关节模糊PID模糊规则表的建立67-69
• 5.3.4 六足机器人关节模糊PID控制过程69-70
• 5.3.4.1 输入偏差以及偏差变化率模糊化69
• 5.3.4.2 确定偏差以及偏差变化率的隶属度69
• 5.3.4.3 输出模糊量pDK的模糊推理69-70
• 5.3.4.4 输出量pDK的去模糊化70
• 5.3.5 六足机器人关节模糊PID控制器Simulink仿真70-73
• 5.3.5.1 模糊控制器的建立70-72
• 5.3.5.2 模糊PID控制器Simulink仿真模型的建立72
• 5.3.5.3 模糊PID控制器Simulink的仿真结果分析72-73
• 5.3.5.4 六足机器人关节模糊PID控制器程序设计73
• 5.4 六足仿生机器人运动实验及结果分析73-77
• 5.4.1 六足仿生机器人直行实验结果74-76
• 5.4.2 六足仿生机器人直行实验结果分析76-77
• 5.5 本章小结77-78
• 第六章 结论及展望78-80
• 6.1 论文结论78-79
• 6.2 展望79-80
• 参考文献80-82
• 致谢82-83
• 附录83

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本文编号：1020966