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轮式移动机器人控制系统设计

王珊珊  
【摘要】:随着计算机、控制理论、人工智能理论、传感器等技术的不断成熟和发展,移动机器人研究已经发展到一个崭新的阶段。其中室内移动机器人,因其所处的室内环境较室外环境,具有结构化程度高、受不确定因素影响较小等优点,从而降低了研究的复杂度,得到了国内外学术界的广泛重视。论文研究了一种基于差速驱动控制的室内轮式移动机器人,并设计了基于DSP和FPGA的轮式移动机器人控制系统。 首先,论文在分析机器人控制系统功能要求的基础上,进行了控制系统的方案设计与具体器件的选型。接着,设计了控制系统的硬件电路。硬件电路包括了DSP最小系统、FPGA最小系统、DSP与FPGA并行通信、FPGA信号采集、DSP驱动控制、人机交互、电源模块等。 然后,论文研究了机器人的定位和运动控制算法。定位和运动控制是移动机器人需要解决的两大首要问题,也是实现机器人功能的两个关键因素。论文重点研究了基于双编码器定位的导航控制算法,并进行了Matlab仿真验证。同时,研究了基于光纤传感器定位的寻迹导航的实现算法。 最后,在完成硬件电路设计和控制算法研究的基础上,论文完成了控制系统的软件设计。软件部分按照机器人控制任务展开,主要包括机器人的测试、基于双编码器的导航、基于光纤传感器的寻迹、抓取物体。在软件设计和实现过程中,使用F28335的CPU定时中断服务程序完成:各子任务模块的运动控制给定值更新和命令发送、手柄按键扫描、DSP读取FPGA传感器信息、以及SCI无线通信口给上位机发送数据的功能;采用F28335的eCAN模块以CANopen协议的方式与伺服驱动器进行通信,可以达到底盘电机的同步控制;采用有限状态机的思想设计了编码器的数据处理程序。同时,对基于双编码器定位的导航运动进行了实验验证。实验结果表明,设计的轮式移动机器人控制系统满足设计功能要求。在最大速度为1m/s的实验中,机器人导航控制效果良好,最终的定位精度可以达到1cm以内。


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