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多功能移动机器人运动机构及控制系统的研究与实现

作者：华亮 Publish: 2007-11-6 Hits:-

【中文题名】

多功能移动机器人运动机构及控制系统的研究与实现

【英文题名】

Research and Implementation of Movement Mechanism and Control System of Versatile Mobile Robot

【学科专业】

控制理论与控制工程

【论文级别】

硕士论文

【投稿时间】

2007-11-6

【中关键词】

移动机器人,PWM驱动,超声波传感器,红外传感器,步进电机,导航策略

【英关键词】

mobile robot,PWM drive,ultrasonic sensor,infrared sensor,stepper motor,navigation strategy,traveling wave ultrasonic motor,high precise angular displacement sensor,

【分类导航】

工业技术>自动化技术、计算机技术>自动化技术及设备>机器人技术>机器人>智能机器人

【论文摘要】

移动机器人是机器人领域中的一个重要分支，它是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。本文以自行设计加工的移动机器人本体为对象，完成了移动机器人运动控制系统、感测导航系统、移动机械臂精密定位控制系统的软硬件设计，并对移动机器人导航策略、行波超声波电机精密定位控制等问题进行了研究。此外，本文还提出了一种新型高精度角位移传感器。本文的主要工作和研究内容如下： (1)概述了国内外移动机器人领域的研究成果，并对移动机器人领域研究的热点问题进行了分析，提出了本论文的研究内容和创新点。 (2)针对轮式移动机器人的移动机构展开研究，运用AUTOCAD设计了移动机器人的机械本体机构，并对机器人运动学、动力学进行了分析。在对电机、传感器、控制器选型工作的基础上，完成了控制系统总体方案设计。 (3)设计了两轮差速驱动机器人运动控制系统。设计了一种新颖的基于单片机和CPLD的直流电机PWM驱动器。此外文中对双轮驱动机器人的速度位置控制进行了实验研究。 (4)完成了机器人感测系统软硬件设计并进行了实验研究，对实验中出现的问题进行了分析处理。 (5)针对...

【论文题纲】

摘要	5-7
ABSTRACT	7-14
第一章绪论	14-33
1.1 机器人的定义、特点及分类	14-15
1.1.1 机器人的定义	14
1.1.2 机器人的特点和分类	14-15
1.2 移动机器人的发展现状和趋势	15-19
1.2.1 移动机器人发展简史	15-17
1.2.2 移动机器人的分类	17-18
1.2.3 目前移动机器人的发展趋势	18-19
1.3 移动机器人关键技术研究概况	19-26
1.3.1 移动机器人控制系统发展概况	19-20
1.3.2 移动机器人导航及定位系统发展概况	20-21
1.3.3 移动机器人感知系统及多传感器信息融合技术发展概况	21-23
1.3.4 多机器人控制系统研究概况	23
1.3.5 交互方面的研究概况	23-24
1.3.6 能源控制系统研究概况	24
1.3.7 移动机器人故障检测的研究概况	24-25
1.3.8 移动机械手的研究概况	25-26
1.4 进入实用领域的典型移动机器人介绍	26-31
1.4.1 进入实用领域的工业移动机器人	26-27
1.4.2 进入实用领域的个人和私用移动服务机器人	27-28
1.4.3 进入实用领域的军用移动机器人	28-30
1.4.4 进入实用领域的医用移动机器人	30
1.4.5 进入实用领域的空间移动机器人	30-31
1.5 本课题研究内容和意义	31-32
1.5.1 研究内容	31-32
1.5.2 研究意义	32
1.6 本课题创新点	32-33
第二章移动机器人系统总体设计	33-51
2.1 移动机器人本体设计方案选择	33-36
2.1.1 机器人运动方式方案选择	33-34
2.1.2 驱动轮机构方案选择	34-35
2.1.3 驱动轮及随动轮的选择	35
2.1.4 其它附件选择	35
2.1.5 机械臂结构选择	35-36
2.2 行走机构的运动学及动力学分析	36-40
2.2.1 行走机构的运动学分析	36-38
2.2.2 行走机构的动力学分析	38-40
2.3 移动机器人用电机和传感器的选择	40-42
2.3.1 电机的选择	40-41
2.3.2 机器人用传感器的选择	41-42
2.4 移动机器人本体机械结构设计	42-48
2.4.1 移动机器人实物图及装配图设计	42-45
2.4.2 移动机器人零件图	45-48
2.5 移动机器人的电气结构	48-50
2.5.1 移动机器人控制系统介绍	49
2.5.2 控制器总体方案设计	49-50
2.6 本章小结	50-51
第三章双轮驱动系统设计	51-73
3.1 控制系统总体设计	51-54
3.1.1 控制方案的选择	51
3.1.2 H型双极模式PWM系统分析	51-52
3.1.3 控制器件选取及控制系统总体设计	52-54
3.2 直流电机PWM控制	54-65
3.2.1 基于CPLD的直流电机PWM发生器设计	54-62
3.2.2 AT89S51配合EPM7128的硬件设计	62-64
3.2.3 PWM功率放大电路设计	64-65
3.3 测速传感器的控制	65-66
3.4 本系统的电磁兼容设计	66-68
3.5 移动机器人速度位置控制及运动实验	68-72
3.5.1 移动机器人速度位置控制	68-69
3.5.2 直线运行测试	69-70
3.5.3 转向测试	70-71
3.5.4 移动机器人运动误差分析	71-72
3.6 本章小结	72-73
第四章移动机器人感测系统设计	73-98
4.1 超声波传感器检测系统设计	73-91
4.1.1 超声波传感器概述	73-76
4.1.2 分立式超声波传感器测控系统设计	76-85
4.1.3 一体式超声波传感器及传感器转向用步进电机测控系统设计	85-91
4.2 避障用反射式红外传感器检测系统设计	91-93
4.2.1 红外传感器测距原理及方法	92
4.2.2 红外测距电路设计	92-93
4.3 引导用反射式红外光电传感器测控系统设计	93-95
4.4 跟踪用红外热释电传感器检测系统设计	95-97
4.4.1 传感器检测原理	95
4.4.2 红外热释电传感器测控系统	95-97
4.5 本章小结	97-98
第五章移动机器人导航策略研究	98-117
5.1 自主沿墙导航	98-111
5.1.1 沿墙走模式中超声波传感器测距分析	98-100
5.1.2 简单环境下沿墙导航	100-109
5.1.3 多区域覆盖式沿墙导航	109-110
5.1.4 有障碍物情况下的沿墙导航	110-111
5.2 红外引导控制(寻迹)	111-114
5.3 跟踪策略	114-116
5.4 本章小结	116-117
第六章移动机器人机械臂的精密定位控制	117-140
6.1 方案确定	117-118
6.1.1 执行机构	117
6.1.2 传动机构	117
6.1.3 驱动系统	117-118
6.2 行波超声波电机的结构及原理	118-119
6.3 USR30、USR60行波超声波电机及其驱动器简介	119
6.4 行波超声波电机控制方法选择	119
6.5 负载情况下行波超声波电机步进特性及微步控制实验研究	119-132
6.5.1 USR30带负载微步控制实验研究	119-132
6.5.2 USR60带负载微步控制实验研究	132
6.6 三相反应式步进电机新型控制器设计	132-139
6.6.1 细分方案选择	133
6.6.2 步进电机细分电流波形的选择	133-134
6.6.3 控制器的选择	134
6.6.4 步进电机细分控制系统构成	134-135
6.6.5 基于FPGA的细分电路设计	135-137
6.6.6 恒频斩波驱动电路设计	137-139
6.7 本章小结	139-140
第七章新型数字式高精度高分辨率角位移传感器的研制	140-164
7.1 各种角位移传感器分析比较及课题的提出	140-142
7.1.1 模拟式角位移传感器与数字式角位移传感器比较	140
7.1.2 按照工作机理划分的各种角位移传感器比较	140-142
7.2 传感器的结构	142
7.3 传感器的工作原理	142-153
7.3.1 被测转向与同步转向相同	143-148
7.3.2 被测转向与同步转向相反	148-153
7.3.3 同步转向固定、被测转向不定	153
7.4 新型角位移传感器接口电路设计	153-161
7.4.1 传感器所用的器件选型	153-154
7.4.2 传感器接口电路硬件设计	154-157
7.4.3 传感器接口电路软件设计	157-161
7.5 传感器性能分析	161-163
7.5.1 传感器精密度、准确度及分辨率分析	161
7.5.2 新型角位移传感器系统的优缺点分析	161-163
7.6 新型角位移传感器本体实物图	163
7.7 本章小结	163-164
第八章总结与展望	164-167
8.1 总结	164-165
8.2 今后研究工作的展望	165-167
参考文献	167-178
附录1:控制板1原理图	178-179
附录2:控制板1实物图	179-180
附录3:控制板2原理图	180-181
附录4:控制板2实物图	181-182
附录5:控制板3实物图	182-183
附录6:高精度角位移传感器接口电路原理图	183-184
附录7:高精度角位移传感器接口电路实物图	184-185
附录8:移动机器人实物图	185-186
附录9:单超声波传感器接近式沿墙走实物图	186-187
致谢	187-188
攻读学位期间参与的科研项目、发表的论文、申报的专利	188

【DOI】

LunWen.ID:2.2008.386371



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