球形机器人嵌入式运动控制系统研究

发布时间：2017-06-03 20:20

  本文关键词：球形机器人嵌入式运动控制系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：球形机器人是一种以滚动为运动方式的新型移动机器人,它依靠内部驱动装置偏移改变重心来获得前进的动力。球形机器人将机械机构及控制电路安装在球壳内部,能有效地起到保护作用,使其具备适应恶劣工况的能力,同时球形机器人具有类似不倒翁的特性,可实现全方位的行走,具有广阔的应用前景。球形机器人的运动控制问题一直是球形机器人领域研究的重点,本论文以北京交通大学和北京邮电大学联合设计的球形机器人为研究对象,在对其机械系统及动力学特性进行详细分析的基础上,设计了一套基于ARM处理器的球形机器人嵌入式运动控制系统,并进行了相关试验,本文主要研究内容如下：(1)本论文针对球形机器人机械结构设计方案及其运动原理,进行纯滚动约束下动力学建模和分析,并根据动力学方程研究恒力矩输入和恒转矩输入时机器人的状态响应,为后续机器人运动控制器设计提供理论基础。(2)根据动力学模型,设计闭环反馈的PID运动控制器；并对抑制重摆振荡的方法进行研究,设计基于重摆抑振策略的球形机器人速度控制算法以及姿态控制算法；利用Matlab Simulink对机器人速度和姿态控制进行仿真,验证控制算法有效性,并对PID控制算法的数字实现进行研究。(3)设计球形机器人嵌入式运动控制系统整体方案。硬件系统设计方面,本论文主要进行硬件平台设计,包括核心控制模块、电机驱动模块、传感器模块、通信等模块；软件系统设计方面包括：主程序及各子系统程序的编写,以及上位机软件的设计。(4)对球形机器人运动控制系统进行实验研究。对惯性测量单元数据进行处理,实现了准确的姿态信息采集；实现了对球形机器人的速度和姿态进行控制,验证了运动控制算法的有效性,实现了机器人的直线运动和圆弧转弯运动。
【关键词】：球形机器人 动力学建模 PID控制器 嵌入式系统
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 绪论12-22
• 1.1 研究背景与意义12
• 1.2 球形机器人研究现状12-18
• 1.2.1 国外球形机器人的研究现状12-15
• 1.2.2 国内球形机器人的研究现状15-18
• 1.3 嵌入式系统18-19
• 1.3.1 嵌入式系统概述18
• 1.3.2 嵌入式系统应用领域18-19
• 1.4 本论文主要研究内容19-22
• 2 球形机器人结构与动力学建模分析22-34
• 2.1 球形机器人机械结构方案22-24
• 2.1.1 球形机器人机械结构22-23
• 2.1.2 球形机器人驱动原理23-24
• 2.2 球形机器人动力学建模分析24-31
• 2.2.1 恒转矩输入球形机器人动力学分析24-29
• 2.2.2 恒转速输入球形机器人动力学分析29-31
• 2.3 本章小结31-34
• 3 球形机器人运动控制算法研究34-42
• 3.1 机器人运动控制研究34-38
• 3.1.1 球形机器人速度控制算法34-35
• 3.1.2 重摆抑振控制策略35-37
• 3.1.3 球形机器人姿态控制算法37-38
• 3.2 PID算法及其数字实现原理38-41
• 3.3 本章小结41-42
• 4 球形机器人嵌入式控制系统硬件设计与实现42-56
• 4.1 控制系统整体硬件设计42-43
• 4.2 核心控制子系统43-46
• 4.2.1 处理器选择43-44
• 4.2.2 最小系统外围电路44-46
• 4.3 执行子系统46-48
• 4.3.1 电机选型介绍46-47
• 4.3.2 电机驱动器介绍47-48
• 4.4 传感器子系统48-50
• 4.4.1 惯性测量单元48-49
• 4.4.2 姿态角卡尔曼滤波融合49-50
• 4.5 通信系统子系统50-52
• 4.5.1 外遥控通信51-52
• 4.5.2 无线数据传输52
• 4.6 电源子系统52-54
• 4.7 本章小结54-56
• 5 球形机器人嵌入式控制系统软件设计56-70
• 5.1 控制系统软件总体结构56-57
• 5.2 本体控制软件设计57-66
• 5.2.1 本体控制软件总体规划57-58
• 5.2.2 主程序58-59
• 5.2.3 中断服务子程序59
• 5.2.4 通信子程序59-61
• 5.2.5 卡尔曼滤波子程序61-62
• 5.2.6 PID控制程序62-63
• 5.2.7 电机驱动子程序63-66
• 5.3 上位机管理显示软件设计66-68
• 5.4 本章小结68-70
• 6 实验与结果分析70-80
• 6.1 实验平台搭建70-71
• 6.2 惯性测量单元姿态解算实验71-72
• 6.3 球形机器人速度控制实验72-73
• 6.4 球形机器人姿态控制实验73-75
• 6.5 直线运动及圆周运动实验75-79
• 6.5.1 直线运动实验75-76
• 6.5.2 圆弧转弯运动实验76-79
• 6.6 本章小结79-80
• 7 结论和展望80-82
• 7.1 论文主要工作总结80-81
• 7.2 存在的问题及下一步工作展望81-82
• 参考文献82-86
• 作者简历86-90
• 学位论文数据集90

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