面向巡检应用的全向轮式机器人的运动控制系统设计与实现

发布时间：2017-03-31 00:10

  本文关键词：面向巡检应用的全向轮式机器人的运动控制系统设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：巡检应用的轮式机器人采用多种传感器技术,以轮式架构为基础,机动灵活、定位精度高。能够实现既定目标自主定位、巡检,准确无误地完成任务,本论文巡检机器人主要用于完成对变电站仪器设备的检测。巡检机器人可实时监测设备的运营状况,对出现的异常情况能够及时发出警报,提醒工作人员检修该设备,不致出现安全隐患。变电站只需投入很少的人力、物力便可正常运转,提高了变电站的运行效率。本论文首先结合国内外对巡检应用的机器人的运动构架及运动机理进行了简单的阐述。详细介绍了以麦克纳姆轮(Macanum wheel)或全方位轮为架构的差速驱动方式下的机器人存在的优缺点,设计了一种全驱全向方式运动的轮式机器人,构建了运动系统的数学模型,运用数学公式及刚体运动学相关原理建立了运动系统的运动学方程,分析了该机器人的运动特性,为整个运动控制系统的设计和实际应用提供可靠的理论依据。本文机器人运动控制系统基于STM32微处理器,通过步进电机实现转向、直流电机实现移动,构成全驱全向运动控制系统。硬件电路采用模块化设计并考虑电磁兼容性设计(EMC),软件系统以PID控制算法为基础,通过防失步控制算法和四轴联动控制算法矫正四轮全驱方式的控制缺陷,提高控制系统的鲁棒性和舒适度,使其能在电子地图的引导下实现自主导航、智能充电、自主巡检。该机器人方便了操作人员的工作,减少了劳动力输出,是变电站运营、管理向无人化方向发展的标志之一
【关键词】：STM32 EMC 全驱全向运动 四轴联动
【学位授予单位】：中国科学院大学(工程管理与信息技术学院)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究背景与意义10-11
• 1.2 本课题的研究进展11-16
• 1.2.1 国外巡检机器人研究发展现状11-14
• 1.2.2 国内巡检应用的机器人研究发展现状14-16
• 1.2.3 发展趋势16
• 1.3 本文主要研究内容16-18
• 第二章 运动控制系统需求分析与整体方案设计18-36
• 2.1 巡检机器人结构与运动理论18-30
• 2.1.1 巡检机器人整机组成结构和原理18-21
• 2.1.2 巡检机器人运动理论模型构建21-27
• 2.1.3 分析模型27-30
• 2.2 运动控制系统需求分析30-31
• 2.3 运动控制系统整体设计31-35
• 2.3.1 运动控制系统组成31-32
• 2.3.2 主元器件选型分析32-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第三章 机器人运动控制系统的硬件电路设计36-48
• 3.1 供电系统设计36-37
• 3.2 核心控制模块设计37-40
• 3.2.1 STM32最小系统板设计37-39
• 3.2.2 AB相编码器反馈电路设计39
• 3.2.3 通信电路设计39-40
• 3.3 智能功率驱动模块设计40-43
• 3.3.1 H桥式PWM驱动电路41-42
• 3.3.2 电流采集电路设计42-43
• 3.4 磁编码器模块设计43-44
• 3.5 EMC设计44-46
• 3.6 本章小结46-48
• 第四章 机器人运动控制系统的软件设计48-66
• 4.1 运动控制系统软件总体架构48-52
• 4.1.1 软件架构流程图分析49-50
• 4.1.2 STM32初始化程序50
• 4.1.3 中断服务程序分析50-52
• 4.2 底盘矢量分解52-54
• 4.3 PID控制算法设计54-65
• 4.3.1 增量式PID控制算法54-57
• 4.3.2 防失步控制算法57-58
• 4.3.3 四轴联动控制算法58-63
• 4.3.4 智能充电模块设计63-65
• 4.4 本章小结65-66
• 第五章 系统测试与分析66-76
• 5.1 整机联动测试66-73
• 5.1.1 运动状态下性能分析66-71
• 5.1.2 定位功能测试71-73
• 5.2 本章小结73-76
• 第六章 结论及展望76-78
• 6.1 结论76
• 6.2 展望76-78
• 参考文献78-82
• 致谢82-84
• 个人简历、在学期间发表的论文与研究成果84

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