【正文】 程中線速度和角速度與左右兩邊驅(qū)動輪角速度之間的關(guān)系方程，為通過電機驅(qū)動機構(gòu)完成速度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)移動機器人運動方向和速度的實時控制提供了理論依據(jù)。 然而，在實際應用中，由于編碼器檢測車輪的旋轉(zhuǎn)的分辨誤差、負載使車輪的等7效半徑產(chǎn)生變化、加速度及旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使車輪的等效半徑變化以及路面的凹凸和傾斜等因素的影響，使上述公式并非嚴格成立。按照公式(22)計算得到 和 即可實現(xiàn)移動機器人的運動控制。圖 2. 3 中， 代表機器人質(zhì)心的線速度； 和 分別是左右輪的線速度；R 為VVL左右輪的半徑；L 為兩輪的間距；規(guī)律、運動方程 (21)x，y 代表機器人質(zhì)心的二維平面坐標。副搖臂逆時針轉(zhuǎn)動，前輪下降，中輪上升。六輪搖臂吊杠懸架由主搖臂和副搖臂組成，左、右懸架的主搖臂與車體差速齒輪的中心軸固聯(lián)，借助差速輪系相對于車體轉(zhuǎn)動。車輪移動方式的技術(shù)相對成熟，控制也較為容易實現(xiàn)；步行式控制難度較大，但隨著傳感器技術(shù)和微控制器技術(shù)的快速發(fā)展，該種移動方式也得到了較大的發(fā)展。第 4 章移動機器人模糊控制研究，結(jié)合移動機器人控制存在的難點，簡要概述了模糊控制的概念和特點及主要應用領(lǐng)域。另外，本課題設計的移動機器人控制系統(tǒng)，由于集成有通用微控制器開發(fā)平臺、電機驅(qū)動模塊等多種功能單元，因此，可作為數(shù)字電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、路徑規(guī)劃及人工智能等多學科多領(lǐng)域的通用實驗平臺。 本課題的意義本課題設計并實現(xiàn)的移動機器人控制系統(tǒng)，具有很高的系統(tǒng)集成度和廣泛的功能擴展空間，很好的兼顧了控制系統(tǒng)的通用性和實用性要求。(5)控制系統(tǒng)的智能化技術(shù)。(4)控制系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)。內(nèi)部傳感器主要包括:編碼器、線加速度計、陀螺儀、磁羅盤等。(2)控制系統(tǒng)中的傳感技術(shù)。 移動機器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)目前，移動機器人控制技術(shù)的研究熱點和發(fā)展趨勢主要包括：(1)運動控制中的路徑規(guī)劃技術(shù)。我國上海交大機器人研究所也在國家“863”計劃和公安部聯(lián)合投資下，與上海消防所合作開發(fā)消防機器人的產(chǎn)品樣機。該機器人的控制系統(tǒng)，綜合運用了多傳感器信息融合、模式識別、避障、電機控制和人機接口等技術(shù)。丹蒂計劃的最終目標是，為實現(xiàn)在充滿碎片的月球或其它星球的表面進行探險提供一種運動機器人解決方案。移動機器人從最初的示教模仿型向具備環(huán)境信息感知、在線決策等功能的自治型智能化方向發(fā)展。移動機器人按運動方式分為輪式移動機器人、步行移動機器人、履帶式移動機器人、爬行機器人等。1一種輪式移動機器人的控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文第一章 緒論 移動機器人技術(shù)概述機器人是一自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能操作機。按功能和用途分為醫(yī)療機器人、軍用機器人、清潔機器人等 。移動機器人控制系統(tǒng)性能不斷提高，各類新型移動機器人也紛紛面世。輪椅機器人是指使用了移動機器人技術(shù)的電動輪椅。第一章 緒論2消防機器人是指能在高溫、強熱輻射、濃煙、地形復雜、障礙物多、化學腐蝕、易燃易爆等惡劣條件下進行滅火和救援工作的移動機器人。另外，隨著社會老齡化程度的不斷加劇，仿人機器人將彌補年輕勞動力的不足，解決老齡化社會家庭服務和醫(yī)療看護等社會問題。路徑規(guī)劃是移動機器人導航的基本環(huán)節(jié)之一，定義是按照某一性能指標搜索一條從起始狀態(tài)到目標狀態(tài)的最優(yōu)或近似最優(yōu)的無碰路徑。移動機器人傳感技術(shù)主要是對機器人自身內(nèi)部的位置和方向信息以及外部環(huán)境信息的檢測和處理。外部傳感器主要包括：視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸和接近傳感器等。重點研究開放式、模塊化控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的智能特征包括知識理解、歸納、推斷、反應和問題求解等內(nèi)容。該控制系統(tǒng)，適用于多種移動機器人平臺，如家用娛樂機器人、展覽用導游機器人等。 論文的主要內(nèi)容本論文的主要內(nèi)容包括以下幾個部分：第 1 章緒論，綜述了國內(nèi)外移動機器人研究和應用現(xiàn)狀，闡明本課題的研究背景和意義以及主要研究內(nèi)容。著重分析探討了模糊控制系統(tǒng)的原理和設計方法，并提出了模糊控制策略在運動控制中應用的具體方法。 本文研究的移動機器人采用車輪式移動機構(gòu)。當在不平路面上行駛時，通過主搖臂和副搖臂的擺動，能達到地面自適應、增強越障能力和行駛平順性的目的。后輪越障時，主搖臂逆時針轉(zhuǎn)動，前輪和中輪下降，后輪上升。則移動機器人滿足剛體運動和(22)成立。VLR 若將式(21)代入式(22)，可得， (23)RL???vLR2??而機器人的質(zhì)心運動方程為， ， (24)?cosvx? ?siny???將式(23)代入式(24)得 (25)????????????????? ??LRLRyxsin2cosi 方程(25)中各變量相互關(guān)聯(lián)，設計控制器時比較復雜，為此，先進行解耦處理。通常采用多種方法綜合采用的方案來完成移動機器人的運動控制。第二章 移動機器人的機械結(jié)構(gòu)和運動學模型8第三章 移動機器人的控制系統(tǒng)設計 移動機器人控制系統(tǒng)方案在移動機器人系統(tǒng)的總體設計中，控制系統(tǒng)的設計尤為重要。本課題設計的移動機器人控制系統(tǒng)，可進行速度檢測和調(diào)節(jié)、原地零半徑轉(zhuǎn)向、電源低電壓監(jiān)測和充電等功能，并可工作于實時手動遙控、預編程路徑運動及自動沿墻跟蹤等多種模式，從而完成機器人的直線行走，越障和轉(zhuǎn)向的功能。其中， 遙操作包括按鍵編解碼和無線收發(fā)部分，用于移動機器人遙控模式；第三章 移動機器人的控制系統(tǒng)設計10 微控制器模塊 在本課題中，采用微控制器(MicroControllerUnit，MCU)作為移動機器人控制系統(tǒng)的核心。與 CPU 相比，MCU 的最大特點是使 PC 機單片化，體積大大減小，功耗和成本下降，可靠性提高。在硬件平臺的設計過程中，對微控制器的選型往往需要考慮諸多因素，本課題的微控制器選用依據(jù)主要包括以下幾個方面：(1) 對于微控制器類型，目前國內(nèi)外移動機器人平臺采用的微控制器有多種，如飛思卡爾微控制器、東芝微控制器，甚至有的設計采用更高檔 16 位、32 位微控制器。此外，為便于日后擴展移動機器人的功能，微控制器應具有較強的 I/O 能力。ATmegal6 是基于增強的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 ATMEGA16 微控制器最小系統(tǒng)電路ATMEGA16 微控制器最小系統(tǒng)的硬件線路，主要包括復位線路、晶振線路、AD轉(zhuǎn)換濾波線路、ISP 下載接口和 JTAG 仿真接口等幾部分。微控制器復位電路的原理圖如圖 3. 2 所示。但內(nèi)置 RC 振蕩的誤差受溫度影響波動較大，并且使用內(nèi)部 RC 振蕩所產(chǎn)生的功耗遠大于使用外部晶振，故本設計采用 8M 外部石英晶振作為系統(tǒng)振蕩源。考慮到線路的規(guī)范，設計時并未省略 CC2。 圖 3. 4 AD 轉(zhuǎn)換濾波電路原理圖ATMEGAI6 內(nèi)帶 標準參考電壓。(4)ISP 在系統(tǒng)編程和 JTAG 仿真接口ISP 下載接口，不需要任何的外圍零件，原理圖見圖 。 圖 3. 6 JTAG 仿真接口電路原理圖當需要在線下載程序或調(diào)試系統(tǒng)時，需將下載電纜或調(diào)試接線一端插入目標板相應插座，另一端連至計算機的 25 針并口，之后啟動相應軟件即可進行操作。該直流電機具有優(yōu)良的速度控制性能，具體來說，它有下列優(yōu)點： (1) 具有較大的轉(zhuǎn)矩，以克服傳動裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩； (2) 調(diào)速范圍寬，且運行速度平穩(wěn)； (3) 具有快速響應能力，可以適應復雜的速度變化； (4) 電機的負載特性硬，有較大的過載能力，確保運行速度不受負載沖擊的影響。現(xiàn)在，大多數(shù)應用場合都使用電樞控制方法。 絕大多數(shù)直流電動機采用開關(guān)驅(qū)動方式。電壓平均值 可用下式表示：Uav (31)UtSSonavT?? 式中 為開關(guān)每次接通的時間， 為開關(guān)通斷的時間周期， 為占空比，ton ?。占空比的方式，即脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，縮寫為 PWM)；另一種第三章 移動機器人的控制系統(tǒng)設計16方式為導通脈沖寬度，恒定，通過改變開關(guān)頻率( )來改變占空比，亦即脈沖頻率Tf1?調(diào)制(PulseFrequency Modulation，縮寫為 PFM)。本課題采用意法半導體公司的 L293D 專用電機驅(qū)動芯片作為移動機器人左、右驅(qū)動輪的直流電機的核心功率模塊。 圖 3. 7 L293D 內(nèi)部電路原理 其中，INl～IN4 為電機工作控制端分，通過不同的電壓邏輯組合，分別決定兩個電機的轉(zhuǎn)向；ENABLE 1～2 為電機工作使能端，分別連接至微控制器的兩路 PWM 輸17出信號；VS 為電機的工作電源輸入端，最高可達+36V，本設計按照電機的標稱值采用+12V 供電；VSS 為 L293D 的芯片工作電源輸入端，本設計中采用默認值，+5V 供電。具體電路如圖 3. 9 所示，微控制器的硬件 PWM 輸出端口 OClA 和 OC1B 分別接至 L293D 的 ENl 和 EN2 作為使能信號，通用 IO 口 PA2 和 PA3 通過反相器邏輯處理后，接至 L293D 的 INl～IN4 控制電機轉(zhuǎn)向。 設定定時/計數(shù)器 1 工作于快速 PWM 模式。輸出比較引腳 OClx 在 TCNTl 與 OCRlx 匹配時置位，在 TOP 時清零。19 圖 3. 9 微控制器內(nèi)置 PWM 信號時序圖因此，在運動過程中，只需改變 OCRlA/B 的值就可完成對左右兩個電機的實時調(diào)速。光電編碼器的基本結(jié)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤以及裝在圓盤兩側(cè)的發(fā)光元件和光敏元件組成。其中，Out_A 和 Out_B兩路信號相位差為 90 度，可通過 Out_A 和 Out_B 的相位關(guān)系，判斷主軸的轉(zhuǎn)動方向。 本設計中基于 T 法測量移動機器人驅(qū)動電機的實時轉(zhuǎn)速。實際編程中，使用微控制器定時器 0 產(chǎn)生的 1KHz 時基中斷產(chǎn)生固定時間段。通過對光電編碼器所輸出的相位差 90 度的兩路電壓脈沖信號 Out_A 和 Out_B 進行鑒相，就能夠判別車輪正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。圖 3. 12 示意了光電編碼器正轉(zhuǎn)時，Out_A、Out_B 的信號波形和鑒相電路的輸出。 實際電路設計中，將 D 觸發(fā)器的輸出端 Wl 與微控制器 PBO 引腳連接。 圖 3. 12 遙操作模塊工作原理圖 移動機器人遙操作模塊的工作原理如圖 所示。通過和編碼模塊配套使用的解碼模塊，即可從串行碼中分離出相應鍵值。只需將編碼器的數(shù)據(jù)輸出端與 RF 發(fā)射模塊的 DATA IN 引腳連接，RF 接收模塊的 DATA OUT 引腳與解碼器的數(shù)據(jù)輸入端 14 連接，系統(tǒng)即可正常工作。 編碼芯片 PT2262 發(fā)出的編碼信號由：地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個完整的碼字，解碼芯片 PT2272 接收到信號后，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對后，VT 腳才輸出高電平，與此同時相應的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平。當 17 腳為高電平時 315MHz 的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等幅高頻信號，當 17 腳為低平時 315MHz的高頻發(fā)射電路停止振蕩。BIT (K1)) {第三章 移動機器人的控制系統(tǒng)設計24//special functions for Klwhile (PINBamp。 綜合考慮移動機器人自重、單次工作時間以及電池體積、維護成本等多方面因素，我們將單節(jié)容量 600mAH，額定電壓 的鏗電池 4 節(jié)串連后使用，作為移動機器人的車載能源。而機器人控制電路需要+5V 直流供電，驅(qū)動電機部分則需要+12V 直流供電。 為了消除線性穩(wěn)壓的弊端，有效提高能源利用效率，本課題采用單片開關(guān)式 1A 穩(wěn)壓電路 LM257512 和 LM25755 作為系統(tǒng)電源的核心。25 圖 3. 13 移動機器人電源部分電路原理圖 其中，Vin 引腳是未穩(wěn)壓電壓輸入端；OUTPUT 引腳是開關(guān)電壓輸出，接電感及肖特基二極管；GND 引腳是電源地；FEEDBACK 引腳是反饋輸入端，將穩(wěn)壓輸出的電壓接到反饋輸入端的目的是同內(nèi)部電壓基準比較，若電壓偏低，則用放大器來控制內(nèi)部振蕩器以提高輸出占空比，從而提高輸出電壓；ON/OFF 引腳是控制輸入端，接低電平時，穩(wěn)壓電路工作；接高電平時，穩(wěn)壓電路關(guān)斷。輸入電容應大于 ，并要求盡量靠近電路；而輸出F?47電容推薦使用的電容量為 ～ ，其耐壓值應大于額定輸出的 ～2 倍。 (4)控制電路中，紅外一體化接收頭必須有良好的電源濾波，以減少電源紋波對傳感器內(nèi)部電路的干擾。最大第三章 移動機器人的控制系統(tǒng)設計26充電電流往往以電池容量的數(shù)值來表示。因此，埋電池的充電電路必須符合其充電特性要求，即對停止充電的判定必須嚴格準確。通常用于快速充電時的后備方案。通常與恒定電流充電配合使用。對于 NiCd 電池和 NiMH 電池本方法可以作為后備的判斷停止充電方案。這個方法通常用于恒定電流充電，適用于電池的快速充電。通過微控制器內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器實時采集電池電壓，當電池電壓的變化率出現(xiàn)負值，則通過繼電器切斷充電電路的輸入電源，停止充電，以防止埋電池過充電。R 的功率不小于電流的平方乘以電阻，因此必須選用合適的功率電阻，不能使用普通的 1/4W 電阻。二極管 D2 的作用是