[信息与通信]基于DSP的履带机器人避障系统研究.doc
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1、目 录摘 要ABSTRACT第一章引言11.1 研究的目的和意义11.2 履带机器人避障系统研究的现状及发展趋势11.2.1 国内履带外机器人避障系统的研究现状11.2.2 国内外履带机器人避障路径规划研究现状.71.3 履带机器人研究存在的问题101.4 论文各部分内容10第二章 基于DSP的履带机器人避障系统硬件原理112.1 系统硬件总体设计方案112.2 履带机器人DSP控制器选择与介绍122.2.1 TMS320F2812芯片介绍132.2.2 系统外部扩展存储器132.3 传感器的选择与介绍142.3.1 声纳传感器142.3.2 航向角传感器162.3.3 速度传感器162.4
2、电机的选择与功率驱动主回路设计172.5 硬件系统抗干扰技术192.6 本章小结20第三章 履带机器人避障方法设计213.1 履带机器人避障控制的总体框图213.2 履带式移动机器人的运动学模型213.3 履带式移动机器人的环境建模223.4 覆盖式路径规划的数学描述243.5 覆盖式路径规划的方法设计253.6 轨迹控制算法的设计263.7本章小结27第四章 基于DSP的履带机器人避障控制算法的仿真284.1 控制算法284.2 避障控制算法的MATLAB仿真304.3 本章小结33第五章 基于DSP的履带机器人避障系统的软件设计345.1DSP开发环境介绍345.2 避障控制系统程序345
3、.2.1 主程序模块345.2.2 避障模块365.2.3 PID模块365.2.4 A/D转换模块385.3 本章小结39第六章 结论与展望406.1结论406.2 研究展望40致谢41参考文献42II基于DSP的履带机器人避障系统研究 摘要摘 要本文设计了基于DSP的履带式机器人避障系统系统。首先对履带机器人的国内外研究和使用现状进行了较为全面和详实的介绍,从而寻求出该课题的研究方向;同时介绍了机器人的各种避障控制算法。其次,介绍了履带机器人避障系统的总体结构方案设计。为实现整个系统的行走及避障功能要求,对系统控制芯片和车轮驱动电机的类型等进行了选择。确定了以 TMS320F2812 DS
4、P为核心控制器,直流电机为主要运动机构的机器人核心部分;同时,设计了机器人的主要硬件构造。本文随后根据控制要求分析了系统所需的硬件结构。搭建了一个基于DSP的机器人控制平台,概括了硬件电路设计中所必须考虑的抗干扰措施。之后阐述了控制系统的软件设计方法。以车轮电机控制采用增量式PID控制算法为重点,介绍了软件控制的总体策略与控制结构,并对仿真结果进行了比较;然后分块介绍各个模块程序与必要的寄存器的设置。最后,总结了作者的研究成果,并阐述需要进一步深入研究的工作。关键词:履带机器人,避障系统,自主导航,DSP系统,运动学模型。ABSTRACTThis article designed the sy
5、stem which has evaded based on the DSP marching robot bonds.First has carried on more comprehensive and a detailed introduction to the caterpillar band robots domestic and foreign research and the use present situation, thus seeks this topic the research direction. Simultaneously introduced robots e
6、ach kind evades bonds the control algorithm.Next, introduced the caterpillar band robot evades bonds systems gross structure project design. In order to realize overall systems walk and evade bonds the function request, actuated electrical machinerys type to the systems control chip and the wheel an
7、d so on to carry on the choice. Had determined take TMS320F2812 DSP as the core controller, the direct current machine for the main motion robot hard core. At the same time, has designed robots main hardware structure.This article has analyzed the hardware architecture which according to the control
8、 request the system needs. Has built one based on the DSP robot control platform, summarized the anti-jamming measure which in the hardware circuit design must consider. Afterward elaborated control systems software design method. Uses the differential motion actuation type caterpillar band robot co
9、ntrol algorithm takes the wheel motor control as the key point, introduced software controls overall strategy and the control structure, and has carried on the comparison to the simulation result. Then the piecemeal introduced that each module procedure and the essential registers establishment.Fina
10、lly, summarized authors research results, and elaborated that needs further deep research work.Key words: Caterpillar band robot, Obstacle avoidance, Autonomous navigation, DSP, Kinematics model.IV基于DSP的履带机器人避障系统研究 第一章 引言第一章 引言1.1 研究的目的和意义在人类文明的悠远长河中,我们看到了人类进步的脚印:各种机器的发明大大地减轻了人们的体力劳动;与此同时,电子计算机的发明与推
11、广应用也在很大程度上代替了人们所进行的脑力劳动;而机器人作为二者结合的产物则可以完成许多人类“力所不能及”的工作。机器人移动的研究始于60年代末期。斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和Charles Rosen等人,在1966年至1972年中研造出了取名Shakey的自主移动机器人。目的是研究应用人工智能技术,在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。与此同时,最早的操作式步行机器人也研制成功,从而开始了机器人步行机构方面的研究,以解决机器人在不平整地域内的运动问题,设计并研制出了多足步行机器人。其中最著名是名为General Electric Quadruped的步行机器人
12、。70年代末,随着计算机的应用和传感技术的发展,移动机器人研究又出现了新的高潮。特别是在80年代中期,设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台,这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台,从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。90年代以来,以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术,高适应性的移动机器人控制技术,真实环境下的规划技术为标志,开展了移动机器人更高层次的研究1。开发和研制建设机器人和传统建设机械的机器人化,是工业机器人和特种机器人发展的必然结果,也是建设机械设备发展的方向。随着改革的深入和科学技术的发展,在全行业的共同努力
13、下,我国在研制和开发建设机器人和机器人化的建设工程设备上必将在二十一世纪取得更大的发展。随着建设施工向高级化方向发展,高等级公路、高层建筑和铁路的施工要求愈来愈高,对建设施工设备的要求也日益上升,目前建设工程设备基本上实现了机械化,但一般多停留在人工操纵、控制上,由于施工过程中,所处理的信息量越来越大,人工控制很难达到建设施工的具体要求。必须提高建设机械的性能和功能,逐步使建设机械向着自动化和智能化方向发展【2】。1.2履带机器人避障系统研究的现状及发展趋势1.2.1 国内外履带机器人避障系统的研究现状1国外履带机器人避障系统的研究现状44基于DSP的履带机器人避障系统研究 第二章 系统硬件原
14、理从1959年美国第一台工业机器人到本世纪80年代初,机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90年代,随着计算机技术、微电子技术、网络技术等快速发展,机器人技术也得到了飞速发展。制造价格不断降低,而其质量与性能却在迅速提高。开拓了机器人行业的新进展。机器人是人类创造的一种特殊机器,在生产和生活等方面,特别是在危险和极限环境作业中,有着广泛的应用前景。机器人正发展成为一个庞大的家族,代替人们从事各种各样的工作。(1)足球机器人避障系统障碍物的描述对路径规划算法以及寻找路径的策略有很重要的意义机器人向目标点运动采用的策略是消除机器人在起始点的方向、位置与目标点之间的角度误差和距离误差,所走的
15、轨迹一般为一条曲线,曲率的大小取决于机器人在起始点的方向和目标点的位置,机器人的方向与起始点到目标点的方向一致时,曲率最小,机器人的方向与起始点到目标点的方向垂直时,曲率最大(因为机器人可以正、反两个方向运动)。为了缩小搜索空间,提高搜索速度,将曲率折衷,搜索范围确定为:目标点为G,避障机器人为R,R到G的距离为L,以L为长,以L/2为宽做一矩形,在矩形范围内的任何机器人(R除外)都视为是障碍,那么比赛场地中就存在一个障碍物的有限集合(由对方机器人以及我方的除避障机器人以外的机器人组成,用O表示),O=OR1,OR2,.,ORq其中q为搜索范围内的障碍物个数。采用检验交点数法判断比赛场上的其它
16、机器人是否为障碍物(避障机器人除外)。其算法为3:设机器人的中心点为P,由点P向下引一条与Y轴平行的射线,计算此射线与多边形ABCD的交点数。若交点数为偶数(包括0),则P点在多边形之外;若交点数为奇数,则点P在多边形之内。还有一些特殊情况要加以处理.如P向下作射线时,如与多边形的一边相交于其端点,可以用“左闭右开”法,即当一条线段两个端点的X坐标值小于或等于P射线端点的xp坐标值时,就不作射线与该线段的求交点运算.线段DC即属于这种情况,此时端点C虽然与射线相交,但不计人交点。反之,在线段两端点的X坐标值中,只要有一个小于射线的xp坐标值时,就进行求交点运算,DA,AB,BC线段。当射线与多
17、边形某线段重合时,线段DC属于t坐标值小于或等于xp的情况,因此也不做求交点运算。用此方法检验所有的机器人(避障机器人除外),如果机器人的中心点在ABCD内就认为它是障碍物。这样就确定了执行动作的机器人在其运动区域内是否有障碍物、有几个障碍物、障碍物的号码、与障碍物的距离等信息4。(2)蛇形机器人避障系统20世纪90年代初期,日本Hirose教授通过对自然界中蛇运动的长期分析和研究,提出蛇运动是肌肉以谐波振动的方式收缩与松弛的假设,用曲率显正弦变化的曲线来模拟蛇的运动曲线,于1993年制造出第一个蛇形机器人5,其运动曲线方程为: 公式(1.1)式中:根据蛇形机器人结构和运动特点,平面运动的蛇形
18、机器人可以简化为平面连杆模型。蛇形机器人在XOY平面上运动,相邻关节之间的相对转角i(s)为表征运动形状的关节变量,可由公式(1.1)积分得6: 公式(1.2)式中:从公式(1.2)中可以看出改变K1的大小,就可以改变运动方向;改变s的大小,则可以改变运动的速度。芮执元等人用蛇形机器人的左右摆动电机来改变K1的大小,即用模糊神经网络来控制蛇形机器人的左右摆动电机,从而达到改变K1大小,躲避障碍物,到达目标的目的7。2国内履带机器人避障系统的研究现状我国的机器人起步较晚,与国外发达国家相比还有一定的距离。 (1)可重构履带机器人根据调研发现北京航空航天大学机械工程及自动化学院的王田苗,邹丹,陈殿
19、生三人在可重构履带机器人方面有以下研究。可重构机器人是由模块化单元组成。模块化的含义是将复杂的系统转变成多个简单的模块组成。优点是有利于系统的设计和分析;同时模块具有即插即用的性能,互换性比较强。他们所设计的机构是由4个具有独立运动能力的基础模块,2个转动关节模块及3个连杆模块组成。机器人的行走机构采用履带式结构,因此具有地形适应能力强,平稳性好等优点,有利于机器人完成复杂地形环境下的侦察任务【8】。(a)电气连接结构设计电气连接部分的模块化设计为机器人机构的可重构提供了保证。两个基础运动单元模块间的电气连接采用即插即用的结构,分别用航空头连接运动模块的两端,为机器人结构的重构提供了方便。传输
20、线包括485总线的信号线,用于与主控系统之间的控制信息传输;机的信号线,用于主控系统与转动关节模块之间的信息传输;以及两路电源线,分别是24V和8.4V,用于电机和机的供电。(b)控制系统组成此系统采用分布式控制体系,由主控制系统、电机控制系统、传感器控制系统和云台控制系统组成。当各子控制系统接收到从主控制系统传送来的控制指令后,就独立地完成对模块的控制,同时各子控制系统将机器人本体的信息和传感器监测的信息返回给主控制系统,便于主控制系统的统一决策。如图1.1所示,主控制计算机系统通过无线数传模块直接和远程计算机系统交互。主控计算机系统采用基于ARM7系列微处理器和C/OS-II的嵌入式实时操
21、作系统,具有处理速度快、功耗低、价格低廉等优点,系统支持多任务管理和任务间的同步与通信,能够对多传感器信息进行实时处理,实现自主控制算法,满足侦察作业的需要。对于电机驱动控制采用ATMEGA128单片机系统实现,采用LM629 实现对电机的驱动,实现对直流电机的转速控制和位置控制。传感器的控制和云台的控制分别采用AVR的单片机系统,实现对传感器数据的接收、传送以及对云台的姿态控制。和主控制系统之间通过串行总线RS-485连接。控制系统的这种模块化的设计使得各个部分单独控制,方便调试和功能实现。485总线电机控制系统嵌入式主控制系统传感器控制系统云台控制系统无线通讯电机1电机4传感器1传感器4云
22、台1云台4图1.1 控制系统体系结构(2)深海履带机器车王随平、陈峰等教授在深海底履带机器车动力学模型方面有如下研究【9】。由于深海底履带机器车的工作环境和自身特性与普通履带车辆有很大不同,主要表现为履带车的低速性(0.5一1m/s)、海泥的高含水性和低的剪切强度、以及深海底的作业环境,深海底履带车的建模简化条件与普通履带车相比,也应该有所不同。与普通履带车相比,建模条件有以下特点:考虑水阻力:通常地面行走的低速履带车空气阻力可忽略不计,集矿机在1000m深的海底行走,海水的密度比空气大得多,必须考虑海水阻力;忽略离心力:由于集矿机的运行速度很低(0.5一lm/s),转向时离心力对其作用很小,
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