發(fā)布時(shí)間：2017-06-03 20:20

  本文關(guān)鍵詞：球形機(jī)器人嵌入式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：球形機(jī)器人是一種以滾動(dòng)為運(yùn)動(dòng)方式的新型移動(dòng)機(jī)器人,它依靠?jī)?nèi)部驅(qū)動(dòng)裝置偏移改變重心來獲得前進(jìn)的動(dòng)力。球形機(jī)器人將機(jī)械機(jī)構(gòu)及控制電路安裝在球殼內(nèi)部,能有效地起到保護(hù)作用,使其具備適應(yīng)惡劣工況的能力,同時(shí)球形機(jī)器人具有類似不倒翁的特性,可實(shí)現(xiàn)全方位的行走,具有廣闊的應(yīng)用前景。球形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制問題一直是球形機(jī)器人領(lǐng)域研究的重點(diǎn),本論文以北京交通大學(xué)和北京郵電大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)的球形機(jī)器人為研究對(duì)象,在對(duì)其機(jī)械系統(tǒng)及動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一套基于ARM處理器的球形機(jī)器人嵌入式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn),本文主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)本論文針對(duì)球形機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及其運(yùn)動(dòng)原理,進(jìn)行純滾動(dòng)約束下動(dòng)力學(xué)建模和分析,并根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程研究恒力矩輸入和恒轉(zhuǎn)矩輸入時(shí)機(jī)器人的狀態(tài)響應(yīng),為后續(xù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。(2)根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型,設(shè)計(jì)閉環(huán)反饋的PID運(yùn)動(dòng)控制器；并對(duì)抑制重?cái)[振蕩的方法進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)基于重?cái)[抑振策略的球形機(jī)器人速度控制算法以及姿態(tài)控制算法；利用Matlab Simulink對(duì)機(jī)器人速度和姿態(tài)控制進(jìn)行仿真,驗(yàn)證控制算法有效性,并對(duì)PID控制算法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。(3)設(shè)計(jì)球形機(jī)器人嵌入式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)整體方案。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面,本論文主要進(jìn)行硬件平臺(tái)設(shè)計(jì),包括核心控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、通信等模塊；軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面包括：主程序及各子系統(tǒng)程序的編寫,以及上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。(4)對(duì)球形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)慣性測(cè)量單元數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的姿態(tài)信息采集；實(shí)現(xiàn)了對(duì)球形機(jī)器人的速度和姿態(tài)進(jìn)行控制,驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)控制算法的有效性,實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)和圓弧轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。
【關(guān)鍵詞】：球形機(jī)器人 動(dòng)力學(xué)建模 PID控制器 嵌入式系統(tǒng)
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP242
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 緒論12-22
• 1.1 研究背景與意義12
• 1.2 球形機(jī)器人研究現(xiàn)狀12-18
• 1.2.1 國(guó)外球形機(jī)器人的研究現(xiàn)狀12-15
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)球形機(jī)器人的研究現(xiàn)狀15-18
• 1.3 嵌入式系統(tǒng)18-19
• 1.3.1 嵌入式系統(tǒng)概述18
• 1.3.2 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域18-19
• 1.4 本論文主要研究?jī)?nèi)容19-22
• 2 球形機(jī)器人結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)建模分析22-34
• 2.1 球形機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)方案22-24
• 2.1.1 球形機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)22-23
• 2.1.2 球形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)原理23-24
• 2.2 球形機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模分析24-31
• 2.2.1 恒轉(zhuǎn)矩輸入球形機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析24-29
• 2.2.2 恒轉(zhuǎn)速輸入球形機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析29-31
• 2.3 本章小結(jié)31-34
• 3 球形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法研究34-42
• 3.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究34-38
• 3.1.1 球形機(jī)器人速度控制算法34-35
• 3.1.2 重?cái)[抑振控制策略35-37
• 3.1.3 球形機(jī)器人姿態(tài)控制算法37-38
• 3.2 PID算法及其數(shù)字實(shí)現(xiàn)原理38-41
• 3.3 本章小結(jié)41-42
• 4 球形機(jī)器人嵌入式控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)42-56
• 4.1 控制系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)42-43
• 4.2 核心控制子系統(tǒng)43-46
• 4.2.1 處理器選擇43-44
• 4.2.2 最小系統(tǒng)外圍電路44-46
• 4.3 執(zhí)行子系統(tǒng)46-48
• 4.3.1 電機(jī)選型介紹46-47
• 4.3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器介紹47-48
• 4.4 傳感器子系統(tǒng)48-50
• 4.4.1 慣性測(cè)量單元48-49
• 4.4.2 姿態(tài)角卡爾曼濾波融合49-50
• 4.5 通信系統(tǒng)子系統(tǒng)50-52
• 4.5.1 外遙控通信51-52
• 4.5.2 無線數(shù)據(jù)傳輸52
• 4.6 電源子系統(tǒng)52-54
• 4.7 本章小結(jié)54-56
• 5 球形機(jī)器人嵌入式控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)56-70
• 5.1 控制系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)56-57
• 5.2 本體控制軟件設(shè)計(jì)57-66
• 5.2.1 本體控制軟件總體規(guī)劃57-58
• 5.2.2 主程序58-59
• 5.2.3 中斷服務(wù)子程序59
• 5.2.4 通信子程序59-61
• 5.2.5 卡爾曼濾波子程序61-62
• 5.2.6 PID控制程序62-63
• 5.2.7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序63-66
• 5.3 上位機(jī)管理顯示軟件設(shè)計(jì)66-68
• 5.4 本章小結(jié)68-70
• 6 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析70-80
• 6.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建70-71
• 6.2 慣性測(cè)量單元姿態(tài)解算實(shí)驗(yàn)71-72
• 6.3 球形機(jī)器人速度控制實(shí)驗(yàn)72-73
• 6.4 球形機(jī)器人姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn)73-75
• 6.5 直線運(yùn)動(dòng)及圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)75-79
• 6.5.1 直線運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)75-76
• 6.5.2 圓弧轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)76-79
• 6.6 本章小結(jié)79-80
• 7 結(jié)論和展望80-82
• 7.1 論文主要工作總結(jié)80-81
• 7.2 存在的問題及下一步工作展望81-82
• 參考文獻(xiàn)82-86
• 作者簡(jiǎn)歷86-90
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集90

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