本文關(guān)鍵詞：基于STM32的六足機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)及模糊PID控制

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【摘要】：六足機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中行走時(shí),由于未知地形容易對機(jī)器人的控制系統(tǒng)引入不可預(yù)知的擾動(dòng),影響機(jī)器人的運(yùn)行平穩(wěn)性,為了減少機(jī)器人因運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性對機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)造成的沖擊,需要采用合適的控制方式控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)位姿適應(yīng)復(fù)雜地形,保證機(jī)器人系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。本文以處于復(fù)雜多變環(huán)境中的六足機(jī)器人為研究對象,設(shè)計(jì)了機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu),開發(fā)了其控制系統(tǒng),并以其關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、響應(yīng)快速性和位姿準(zhǔn)確性的提高為目的,重點(diǎn)對機(jī)器人關(guān)節(jié)模糊PID控制算法進(jìn)行了研究。本文主要研究內(nèi)容為:首先,對六足機(jī)器人的機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并對機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,得出了機(jī)器人足部的運(yùn)動(dòng)范圍以及關(guān)節(jié)變量與機(jī)器人足部位姿的關(guān)系。其次,在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)上,規(guī)劃了機(jī)器人縱向和橫向直行的三角步態(tài);給出了當(dāng)機(jī)器人采用三角步態(tài)直行時(shí),能保持機(jī)器人靜態(tài)穩(wěn)定的步長計(jì)算方法;結(jié)合機(jī)器人行走步長,分析了機(jī)器人縱向和橫向直行步態(tài)的穩(wěn)定性。當(dāng)機(jī)器人采用三角步態(tài)直行時(shí),若其步長小于能保持步態(tài)靜態(tài)穩(wěn)定的臨界步長,機(jī)器人的步態(tài)是靜態(tài)穩(wěn)定的,否則不是靜態(tài)穩(wěn)定的。再次,設(shè)計(jì)了六足機(jī)器人控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的無線通訊、遠(yuǎn)程調(diào)試、關(guān)節(jié)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制、觸覺檢測、避障檢測、方向檢測以及機(jī)身振動(dòng)檢測等功能;在軟件上采用常規(guī)PID控制算法對機(jī)器人關(guān)節(jié)位姿進(jìn)行控制,并對其進(jìn)行Simulink仿真,提高機(jī)器人機(jī)身運(yùn)動(dòng)過程中的平穩(wěn)性。最后,針對常規(guī)PID控制器在機(jī)器人平穩(wěn)性控制上的缺陷,提出了機(jī)器人關(guān)節(jié)位姿的模糊PID控制算法,并對其進(jìn)行Simulink仿真,設(shè)計(jì)了該控制算法的基本參數(shù)。通過對比仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),機(jī)器人關(guān)節(jié)的模糊PID控制器,對階躍信號的響應(yīng)超調(diào)量小,反應(yīng)迅速,動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性好。通過對機(jī)器人直線行走的數(shù)據(jù)分析得出,當(dāng)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)用模糊PID控制算法進(jìn)行控制時(shí),機(jī)器人關(guān)節(jié)響應(yīng)快速準(zhǔn)確,機(jī)器人行走的方向性好,機(jī)身的振動(dòng)小,可有效地減少機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中慣性力的沖擊,提高了機(jī)器人整體在運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與運(yùn)動(dòng)品質(zhì)。
【關(guān)鍵詞】：六足機(jī)器人 控制系統(tǒng) PID 模糊PID
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP242
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 緒論9-18
• 1.1 課題研究背景9-10
• 1.2 課題研究目的及意義10
• 1.3 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-16
• 1.4 本文的研究內(nèi)容16-18
• 第二章 六足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)介紹及其運(yùn)動(dòng)學(xué)分析18-27
• 2.1 引言18
• 2.2 六足機(jī)器人樣機(jī)結(jié)構(gòu)簡介18-19
• 2.3 六足機(jī)器人足部關(guān)節(jié)的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析19-23
• 2.3.1 六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)坐標(biāo)系的建立19-20
• 2.3.2 建立連桿坐標(biāo)系變換矩陣20-22
• 2.3.3 六足機(jī)器人足部末端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)范圍22-23
• 2.4 六足機(jī)器人第i足逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析23-26
• 2.4.1 建立關(guān)節(jié)角度θ_(i1),θ_(i2),θ_(i3) 的求解方程24-25
• 2.4.2 求解六足機(jī)器人關(guān)節(jié)變量25-26
• 2.5 本章小結(jié)26-27
• 第三章 六足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及其靜態(tài)穩(wěn)定性分析27-37
• 3.1 引言27
• 3.2 六足機(jī)器人橫向與縱向行走步態(tài)規(guī)劃27-31
• 3.2.1 六足機(jī)器人縱向直行三角步態(tài)規(guī)劃28-29
• 3.2.2 六足機(jī)器人橫向行走三角步態(tài)規(guī)劃29-30
• 3.2.3 六足機(jī)器人直線行走三角步態(tài)相序30-31
• 3.3 機(jī)器人直線行走步長的計(jì)算31-32
• 3.3.1 機(jī)器人橫向縱向直線行走足部關(guān)節(jié)位姿確定31
• 3.3.2 機(jī)器人縱向橫向直行步長的計(jì)算31-32
• 3.4 機(jī)器人行走的穩(wěn)定性分析32-36
• 3.5 本章小結(jié)36-37
• 第四章 六足機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)37-57
• 4.1 引言37
• 4.2 六足機(jī)器人控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)37
• 4.3 六足機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)37-52
• 4.3.1 六足機(jī)器人控制器最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)38-39
• 4.3.1.1 六足機(jī)器人控制系統(tǒng)處理器芯片介紹38-39
• 4.3.1.2 六足機(jī)器人硬件最小系統(tǒng)功能介紹39
• 4.3.2 六足機(jī)器人系統(tǒng)供電模塊設(shè)計(jì)39-40
• 4.3.3 機(jī)器人關(guān)節(jié)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)40-42
• 4.3.4 六足機(jī)器人方向感知模塊設(shè)計(jì)42-44
• 4.3.4.1 電子指南針模塊介紹42-43
• 4.3.4.2 六足機(jī)器人方向感知模塊接口及應(yīng)用43-44
• 4.3.5 六足機(jī)器人機(jī)身傾角感知模塊設(shè)計(jì)44-46
• 4.3.5.1 三軸陀螺儀傾角感知模塊介紹44-45
• 4.3.5.2 六足機(jī)器人機(jī)身傾角模塊接口以及應(yīng)用45-46
• 4.3.6 六足機(jī)器人避障單元設(shè)計(jì)46-48
• 4.3.6.1 超聲波避障模塊介紹46-47
• 4.3.6.2 六足機(jī)器人避障單元接口及其應(yīng)用47-48
• 4.3.7 六足機(jī)器人通訊模塊設(shè)計(jì)48-52
• 4.3.7.1 通訊過程介紹48-49
• 4.3.7.2 NRF24L01通訊模塊簡介49-50
• 4.3.7.3 六足機(jī)器人遠(yuǎn)程無線通訊50-51
• 4.3.7.4 串口調(diào)試模塊設(shè)計(jì)51-52
• 4.3.8 六足機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件主板52
• 4.4 六足機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)52-56
• 4.4.1 六足仿生機(jī)器人主程序52-53
• 4.4.2 六足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)中斷服務(wù)程序53-54
• 4.4.3 六足仿生機(jī)器人功能函數(shù)包54-55
• 4.4.4 六足仿生機(jī)器人Windows軟件設(shè)計(jì)55-56
• 4.5 本章小結(jié)56-57
• 第五章 六足機(jī)器人關(guān)節(jié)模糊PID控制設(shè)計(jì)57-78
• 5.1 引言57
• 5.2 六足機(jī)器人關(guān)節(jié)的PID控制57-65
• 5.2.1 PID控制原理57-58
• 5.2.2 PID控制各個(gè)環(huán)節(jié)對被控過程的影響58
• 5.2.3 數(shù)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控制器參數(shù)調(diào)節(jié)方法60-61
• 5.2.5 六足機(jī)器人足部關(guān)節(jié)的PID控制61
• 5.2.6 六足機(jī)器人PID控制器采樣周期選擇61
• 5.2.7 六足機(jī)器人關(guān)節(jié)PID控制Simulink仿真61-64
• 5.2.7.1 六足機(jī)器人舵機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立62
• 5.2.7.2 關(guān)節(jié)PID控制的Simulink仿真建立62-63
• 5.2.7.3 關(guān)節(jié)PID控制的參數(shù)調(diào)節(jié)63-64
• 5.2.8 六足機(jī)器人關(guān)節(jié)PID控制器程序設(shè)計(jì)64-65
• 5.3 六足機(jī)器人關(guān)節(jié)的模糊PID控制65-73
• 5.3.1 六足機(jī)器人關(guān)節(jié)模糊PID論域的確定66
• 5.3.1.1 輸入模糊變量以及量化因子的確定66
• 5.3.1.2 輸出量模糊論域以及量化因子確定66
• 5.3.2 六足機(jī)器人關(guān)節(jié)模糊PID隸屬函數(shù)的建立66-67
• 5.3.3 六足機(jī)器人關(guān)節(jié)模糊PID模糊規(guī)則表的建立67-69
• 5.3.4 六足機(jī)器人關(guān)節(jié)模糊PID控制過程69-70
• 5.3.4.1 輸入偏差以及偏差變化率模糊化69
• 5.3.4.2 確定偏差以及偏差變化率的隸屬度69
• 5.3.4.3 輸出模糊量pDK的模糊推理69-70
• 5.3.4.4 輸出量pDK的去模糊化70
• 5.3.5 六足機(jī)器人關(guān)節(jié)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的仿真結(jié)果分析72-73
• 5.3.5.4 六足機(jī)器人關(guān)節(jié)模糊PID控制器程序設(shè)計(jì)73
• 5.4 六足仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析73-77
• 5.4.1 六足仿生機(jī)器人直行實(shí)驗(yàn)結(jié)果74-76
• 5.4.2 六足仿生機(jī)器人直行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析76-77
• 5.5 本章小結(jié)77-78
• 第六章 結(jié)論及展望78-80
• 6.1 論文結(jié)論78-79
• 6.2 展望79-80
• 參考文獻(xiàn)80-82
• 致謝82-83
• 附錄83

【相似文獻(xiàn)】

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本文編號：1020966