摘要摘要移動機器人是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的熱點研究領(lǐng)域，包含了多個研究分支。其中，移動機器人控制技術(shù)致力于構(gòu)造機器人的?？刂浦袠小保哂兄匾难芯恳饬x和應(yīng)用價值。本文主要涉及基于數(shù)字信號處理器DIGITALSIGNALPROCESSOR，DSP和嵌入式實時操作系統(tǒng)REALTIMEOPERATINGSYSTEM,RTOS的機器人控制器的構(gòu)建，以及基于該控制器的機器人運動平衡、負趨光和避障控制的實現(xiàn)，取得了以下主要的研究結(jié)果第一，設(shè)計了一種基于數(shù)字信號處理器和嵌入式實時操作系統(tǒng)的移動機器入控制器。論文分析了TKS320F2812型數(shù)字信號處理器和嵌入式實時操作系統(tǒng)UCOS一的體系結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)造了一種嵌入式移動機器人控制決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可獨立執(zhí)行具有一定復(fù)雜度的控制任務(wù)，又適用于主從式或者分布式控制結(jié)構(gòu)，具有一定的開放性。第二，基于本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了倒立擺的運動平衡控制。論文分析了單級直線倒立擺的機電結(jié)構(gòu)及其不同運動階段的運動特性，然后，利用所設(shè)計的控制器應(yīng)用經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論實現(xiàn)了倒立擺起擺和穩(wěn)擺控制第三，基于本文所設(shè)計的控制器實現(xiàn)了移動機器人避障與負趨光控制。論文分析了控制論中關(guān)于維納蟲的思想實驗然后，設(shè)計了環(huán)境信息采集電路，以一個三輪小車為載體實現(xiàn)了移動機器人的負趨光和避障控制。本課題研究得到了國家自然科學(xué)基金60375017、北京市人才強教計劃的支持?；诒菊n題的研究工作所撰寫的兩篇學(xué)術(shù)論文嵌入式移動機器人控制器設(shè)計、基于DSP的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計已分別被中文核心期刊計算機工程與應(yīng)用和控制工程錄用，并取得了軟件著作權(quán)一項，所申請的一項實用新型專利已通過初審。關(guān)鍵詞移動機器人；控制器；數(shù)字信號處理器；運動平衡；負趨光北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文ABSTRACTRESEARCHONMOBILEROBOTISAHOTSPOTOFTHEMODEMSCIENCEANDTECHNOLOGY,COMPRISINGOFSEVERALBRANCHESONEOFTHESESUBFIELDSISROBOTCONTROLTECHNOLOGY,WHICHI3DEDICATEDTOCONSTRUCTROBOTSCENTRALCONTROLHINGEANDOFGREATVALUEOFBOTHRESEARCHANDAPPLICATIONTHEPAPERMAINLYINVOLVESTHECONSTRUCTIONOFDSPRTOSBASEDROBOTCONTROLLER,ROBOTBALANCECONTROLLIGHTAVOIDANCEANDOBSTACLEAVOIDANCEONTHEBASISOFTHEABOVECONTROLLERN地ACHIEVEMENTSINTHISTHESSCANBESUMMARIZEDASFOLLOWSFIRST,DESIGNANDREALIZATIONOFMOBILEROBOTCONLOLLERUSINGDSPANDIHOS，11”PAPERANALYZESTHEARCHITECTUREOFTM320F2812DSPANDEMBEDDEDREALTIMEOPERATINGSYSTEMI_TCOSII，USINGTHEMCONSTRUCTSANEMBEDDEDMOBILEROBOTCONTROLSYSTEMTHCSYS觚ISNOTONLYCAPABLEOFCARRYINGOUTSOMETASKSOFCERTAINCOMPLEXITYBYITSCLBUTALSOAPPLICABLETOTAKEAPARTINAMASTERSLAVEORTHEDISTRIBUTEDCONTROLSYSTELNASASUBSYSTEM,ITSOPENIN日明MDEGREESSECOND，REALIZATIONOFINVERTEDPENDULUMCONTROLUSINGTHEABOVEMENTIONEDCON舡JOHER11“PAPERANALYZESTHESINGLEPENDULUMSELECT工OMECHENICALSTMCTEANDMOTION印ECIA蜥鶴SEPARATELYRELATEDTOITSBOTHSTAGESOFMOTION,APPLIESCLASSICALANDMODERNCYB就LLATION也LRI齠TOMAKEASINGLEPE,NDMLLMTOSWINGUPANDHELDSTEADY,USINGHEABOVEMENTIONEDCONTROLLERTHIRD,REALIZATIONOFMOBILEROBOTOBSTACLEAVOIDANCEANDTIGHTAVOIDANCE11“PAPERANALYZESTHEVIRTUALEXPE琉MENTABOUTELECTROMECHANICALREFLEXA砧DESERIBEDINCYBERNETICSDESIGNSCIRCUMSTANCEDETECTINGEIRCOITANDREALIZES8THROEWHEELEDCARTOBSTACLEAVOIDANCEANDLIGHTAVOIDANCE,USINGTHEABOVEMENTIONEDCONLROLIEF11地RESEARCHDESCRIBEDINTHEPAPERWASSUPPORTEDBYNATIONALNATURESCIONCEFOUNDATIONOFCHINA60375017、FUNDINGPROJECTFORACADEMICHUMANR崩的IOES一一DEVELOPMENTININSTITUTIONSOF碰GB髓LEARNINGUNDERTHEJURISDCTONOFB面虹LGMUNICIPALITY口卸R砌KEYWORDSMOBILEROBOT；CONTROLLELR,DSP；MOTIONBALAN；LIGHT4VOIDANCE獨創(chuàng)性聲明本人聲明所星交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京工業(yè)大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意，簽名鎣鑫日期關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解北京工業(yè)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，ELLL學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定簽名蛆導(dǎo)師簽名；2絲塾旦日期竺墨上第1章緒論第1章緒論11移動機器人學(xué)及其研究內(nèi)容移動機器入學(xué)是機器入學(xué)的一個重要分支，主要研究在復(fù)雜壞境下機器人系統(tǒng)的實時控制問題。對移動機器人技術(shù)的研究始于20世紀(jì)六十年代，以斯坦福研究所的自主式移動機器人SHALE為標(biāo)志【1心目前，移動機器人技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于城市作戰(zhàn)、排爆、反恐、消防、空間探測等領(lǐng)域。一般地說，一個移動機器人通常由感知系統(tǒng)、控制決策系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)三大部分組成。其中感知系統(tǒng)獲取并向控制決策系統(tǒng)提供有效的環(huán)境信息，控制決策系統(tǒng)則對這些信息進行運算，最后做出決策并向執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)出控制指令，執(zhí)行系統(tǒng)根據(jù)指令執(zhí)行諸如行走、轉(zhuǎn)向、抓取等動作，最終達成目標(biāo)。按照移動方式的不同，可將移動機器人分為足式移動機器人和輪式移動機器人。足式移動機器人主要是模仿動物以及人類的行走方式，主要研究內(nèi)容是機器人本體控制運動平衡問題，即機器人運動過程的平穩(wěn)性。輪式移動機器人按其結(jié)構(gòu)又可分為單輪、雙輪、三輪、四輪及履帶式。輪式移動機器人的研究熱點是導(dǎo)航、路徑規(guī)劃以及單輪和雙輪機器人的運動平衡等課題。除按照移動方式分類外，移動機器人的分類方法還有很多，比如按移動機器人控制器的體系結(jié)構(gòu)來分、按功能和用途來分、按作業(yè)空間來分、按“智能”程度來分。不同種類的移動機器人由于其工作環(huán)境、任務(wù)目標(biāo)等的不同會對機器人的各個組成部分產(chǎn)生不同的要求譬如足式機器人的控制系統(tǒng)主要關(guān)注機器人的運動平衡控制。而空間探測機器人由于要攜帶大量的勘探設(shè)備，所以執(zhí)行結(jié)構(gòu)比較繁雜。而某些特種機器人要求系統(tǒng)具有視覺功能等。12移動機器人控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展移動機器人控制技術(shù)主要涉及控制器的體系結(jié)構(gòu)、導(dǎo)航以及足式或輪式機器北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文人的運動平衡控制等課題I2。1機器人控制器的體系結(jié)構(gòu)控制器的體系結(jié)構(gòu)是一個工程背景很強、涉及領(lǐng)域較多的綜合性課題。包括硬件和軟件兩個方面從硬件的角度來看，移動規(guī)。器人控制系統(tǒng)有如下三種結(jié)構(gòu)方式I集中式控制結(jié)構(gòu)，用一臺功能比較強大的計算機實現(xiàn)全部的控制功能。2主從式控制結(jié)構(gòu)，有上下兩級計算機，其中上位機利用其強大的運算能力和龐大的系統(tǒng)資源完成坐標(biāo)變換、軌跡插補、圖形仿真等功能，并把數(shù)據(jù)傳送給下位機，下位機完成一些相對簡單的具體控制，并把相關(guān)數(shù)據(jù)上傳給上位機。3分布式控制結(jié)構(gòu)，主要為工業(yè)機器人、多機器人系統(tǒng)所采用。上一級計算機完成整個系統(tǒng)的管理和坐標(biāo)變換以及軌跡插補運算_等。下位機由多個微控制器組成，他們并行工作。上下位機之間以及下位機之間通過總線交換信息。這是一種開放型的控制系統(tǒng)31。從軟件的角度來看，移動機器人控制體系主要有三種結(jié)構(gòu)，分別是基于知識的功能式結(jié)構(gòu)又稱為水平分解型、基于行為的行為式結(jié)構(gòu)又稱為垂直分解型和混合式結(jié)構(gòu)。基于知識的體系結(jié)構(gòu)是一種按信息流向?qū)⒐δ苣K依序分解排列的結(jié)構(gòu)，在這種系統(tǒng)中，感知、建模、規(guī)劃、任務(wù)執(zhí)行和驅(qū)動控制等模塊次序分明，前者的輸出結(jié)果即為后者的輸入，所以又稱為SMPASENSEMODELPLANACT結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有利于研究人員按照模塊功能與自己的專長劃分設(shè)計任務(wù)，同時比較容易實現(xiàn)高層次的智能?；谥R的體系結(jié)構(gòu)遵循的是從感知到動作的串行功能分解控制路線，如圖卜1所示。翻LI基于知識的體系結(jié)構(gòu)丘G1一LKNOWLEDGE4MSEDSROHIMEMM第L章緒論卡內(nèi)基梅隆大學(xué)CARNEGIEMELLONUNIVERSITY，伽研制的NAVLAB系統(tǒng)就是一種基于功能分解型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)存在一些嚴(yán)重問題，其中之一是可靠性低，一旦這種串行結(jié)構(gòu)中的某個模塊出現(xiàn)故障，就可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓。另外，由于信息串行傳遞處理所導(dǎo)致的一個致命缺陷是實時性較差，無法實現(xiàn)特殊的快速反射功能?；谛袨榈捏w系結(jié)構(gòu)將控制器依據(jù)行為能力劃分成在功能上逐層迭加的層次結(jié)構(gòu)，每個層次都根據(jù)自身的目標(biāo)處理相應(yīng)的信息，并給出相應(yīng)的控制命令。盡管高層次會對低層次施加影響，但低層次本身具有獨立控制機器人運動的功能，而不必等待高層次完成處理。基于行為的體系結(jié)構(gòu)以移動機器人的被動式行為控制為算法框架，重點突出“感知一動作”行為控制見圖12。從物理結(jié)構(gòu)上來說，系統(tǒng)中存在著多個并行控制回路，構(gòu)成各種基本行為，傳感數(shù)據(jù)根據(jù)需求以一種并行方式給出，各種行為通過協(xié)調(diào)配合后作用于驅(qū)動裝置，產(chǎn)生有目的的動作圖12基于行為的體系結(jié)構(gòu)矗G12ACTIONBASEDARCHITECTU基于行為的體系結(jié)構(gòu)具有響應(yīng)快、魯棒性強與靈活性高等特點。但是這種結(jié)構(gòu)需要設(shè)計一個協(xié)調(diào)機制來解決各個控制回路對同一執(zhí)行裝置控制權(quán)的競爭，工程難度較大。近幾年已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了一些基于行為的體系結(jié)構(gòu)的改進方法和變異結(jié)構(gòu)。PATTIEMAES己在研制開發(fā)一種分節(jié)式的學(xué)習(xí)算法，試圖尋求一條通過經(jīng)驗學(xué)習(xí)行為的控制與協(xié)調(diào)的途徑。STEELS提出了一種突發(fā)框架識別的思想并據(jù)此建立了一個框架識別系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上研制了具有避障、沿墻行走、目標(biāo)追蹤等感知北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文I_行為的機器人川?；旌鲜襟w系結(jié)構(gòu)的目標(biāo)就是把基于知識的體系結(jié)構(gòu)和基于行為的體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點有效地結(jié)合在一起。122移動機器人導(dǎo)航技術(shù)導(dǎo)航是移動機器人研究的一個重要課題。移動機器人有多種導(dǎo)航方式，根據(jù)環(huán)境信息的完整程度、導(dǎo)航指示信號類型、導(dǎo)航地域等因素的不同，可以分為基于地圖導(dǎo)航、基于路標(biāo)導(dǎo)航、基于視覺導(dǎo)航、基于感知器導(dǎo)航嘲昀等?；诘貓D的導(dǎo)航是指機器人掌握完整的環(huán)境信息，在全局路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上，采用路徑跟蹤和避障技術(shù)，實現(xiàn)機器人導(dǎo)航，涉及環(huán)境地圖模型建造和模型匹配兩大問題【刀嘲。當(dāng)所掌握的環(huán)境信息并不完全時，則可采用基于路標(biāo)的導(dǎo)航策略，將全局路線分解成陸標(biāo)與陸標(biāo)之聞的片段，機器入通過對陸標(biāo)的探測來定位叨。在環(huán)境信息完全未知的情況下，可通過攝像機或傳感器探測環(huán)境信息以實現(xiàn)機器人導(dǎo)航。在相對規(guī)整的環(huán)境中，可以采用尋跡導(dǎo)航的方式，機器人在行走韻過程中對標(biāo)志線進行探測，并據(jù)此調(diào)整行進路線，最終在標(biāo)志線的指引下到達指定目的地。無論采用何種方式，移動機器人的導(dǎo)航主要涉及定位、路徑規(guī)劃和避障等技術(shù)1M瑚。123移動機器人運動平衡控制與倒立擺移動機器入運動平衡控制屬于移動機器人本體控制范疇，是足式機器人和單輪或雙輪機器人的研究熱點，目的是保持機器人在行走過程中的整體平衡性。足式機器人研究的難點是雙足式機器人的運動平衡控制，目前已取得突破性進展，達到了實用水平。比如日本本田公司研制的服務(wù)機器人ASIMO和機器人足球比賽中使用的人形球員等。輪式機器人的運動控制主要以雙輪式機器人為研究對象2002年，瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的FELIXGRASSER等研制出可遙控的兩輪自平衡機器人JOE見圖L3，其最大運動速度可以達到15MS，超過了人的行走速度。2004年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)成功研制了兩輪自平衡電動代步車FREEMOVER見圖14它可以實現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn)，操作者經(jīng)LO分鐘的訓(xùn)練后就可以駕駛其行走。身體前傾時車子自動加速，后傾時自動減速，時速可達10公里【”雙輪式移動機器人的運動平衡控制過第L章緒論III一程與直線型倒立擺的控制過程類似，故又稱倒立擺機器人或者輪式倒立擺【15】【閽。倒立擺是20世紀(jì)50年代由麻省理工學(xué)院MRR的控制論專家根據(jù)火箭發(fā)射助推器原理設(shè)計的。這是一種典型的快速、多變量、非線性、自然不穩(wěn)定的高階系統(tǒng)，按運動方式可以分為直線型、平面型和環(huán)形倒立擺，按照擺桿級聯(lián)的數(shù)量可以分為單級、二級和多級倒立擺。直線型倒立擺在結(jié)構(gòu)和運動特性上與足式機器人、雙輪機器人的相似性，使其能夠比較真實地模擬機器人的運動平衡控制。因此，倒立擺系統(tǒng)的運動控制對于移動機器人控制技術(shù)的研究具有重要的參考價值我國對倒立擺系統(tǒng)的研究始于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過20余年的探索，已經(jīng)走在了世界的前列。北京師范大學(xué)李洪興教授分別于2001年6月和2002年8月分別完成了四級倒立擺系統(tǒng)的仿真和實物實驗【MPSI，是目前世界上控制成功的多級倒立擺系統(tǒng)中級數(shù)最多的翻13自平衡機囂入JOE19LFIGL一3BALANCINGROBOTJOE19J圖14自平衡兩輪代步電動車FREEHOVERPOJFIG“SELFBALAUCINGVEHICLEFRM01腳L124機器人控制器研究的發(fā)展方向目前市場上的機器人控制器主要存在以下4個方面的缺陷。首先是開放性北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文差，“專用計算機、專用機器人語言、專用微處理器”的封閉式結(jié)構(gòu)使其具有特定的功能、適應(yīng)于特定的環(huán)境，但是不便予對系統(tǒng)進行擴展和改進第二是軟件獨立性差，軟件功能及其邏輯結(jié)構(gòu)依賴于處理器硬件，難以在不同的系統(tǒng)間移植。第三，容錯性差，多處理器協(xié)同工作時，其中一個處理器出故障可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓。第四，擴展性差，由于結(jié)構(gòu)的封閉性，難以根據(jù)需要對系統(tǒng)進行擴展，如增加傳感器等功能模塊【211。歸根結(jié)底，這四種缺陷都是由于控制器體系結(jié)構(gòu)的開放性差造成的，由此決定了今后機器入控制器的主要研究方向是開發(fā)。具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機器人控制器”。目前，日本、美國和歐洲一些國家都已著手開發(fā)具有開放式結(jié)構(gòu)的機器人控制器。開放式結(jié)構(gòu)機器人控制器是指控制器設(shè)計的各個層次對用戶開放，用戶可以方便的擴展和改進其性能，其主要思想是嘲1采用非封閉式計算機平臺。有效利用標(biāo)準(zhǔn)計算機平臺的軟、硬件資源為控制器擴展刨造條件。2采用標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)的控制語言，從而改變各種專用機器人語言并存且互不兼容的局面。3采用標(biāo)準(zhǔn)總線結(jié)構(gòu)，簡化為擴展控制器性能所需的集成工作。4利用網(wǎng)絡(luò)通訊，實現(xiàn)資源共享或遠程通訊，提高系統(tǒng)變化的柔性。因此，新型的機器人控制器應(yīng)具有以下特點1開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用開放式軟件、硬件結(jié)構(gòu)，可以方便地剪裁系統(tǒng)功能，使其適用于不同類型機器入剛嗍。2合理的模塊化設(shè)計嗍。對硬件來說，根據(jù)系統(tǒng)要求和電氣特性，按模塊化設(shè)計，這不僅方便安裝和維護，而且提高了系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也更為緊湊。53有效的任務(wù)劃分。不同的子任務(wù)由不同的功能模塊實現(xiàn)，以利于剪裁系統(tǒng)功能。4實時性、多任務(wù)能力。機器人控制器必須能在確定的時間內(nèi)完成對外部中斷的處理，并且可以使多個任務(wù)同時進行。5網(wǎng)絡(luò)通訊功能。利用網(wǎng)絡(luò)通訊功能，以便于實現(xiàn)資源共享或多機器人協(xié)第1蘋緒論同工作。6形象直觀的人機接口。由于傳感器和處理器等產(chǎn)品的新種類層出不窮，開發(fā)一個具有絕對開放式結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化機器人控制器存在一定困難閱嘲，因此，所謂開放式體系結(jié)構(gòu)必然是一個歷史的、相對的概念。13課題來源及研究內(nèi)容20世紀(jì)中葉以來，計算機科學(xué)、控制理論、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)等的飛速發(fā)展極大地推動了機器入學(xué)的發(fā)展。時至今日，移動機器人的應(yīng)用已經(jīng)深入到國計民生的各個領(lǐng)域。同時，移動機器人控制技術(shù)對于機器人系統(tǒng)的整體性能有著決定性的作用，因此，對移動機器人控制系統(tǒng)進行研究具有重要的理論與實踐意義。本課題來源于國家自然科學(xué)基金項目基于達爾文自動機和運動神經(jīng)內(nèi)膜理論的運動控制技能進化認知模型與自治機器人AGENT的研究COGNITIVEMODELSBASEDONDARWINAUTOMATIONFORMOTORSKILLANDAUTONOMOUSROBOTAGENTS60375017，并得到了北京市人才強教計劃的支持。本課題主要研究內(nèi)容包括；1基于DSP和盯0S構(gòu)建具有一定開放性的移動機器人控制系統(tǒng)。2單級直線倒立擺運動控制。3移動機器人負趨光與避障控制。北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第2章控制器系統(tǒng)硬件設(shè)計本章針對機器人控制中的常用器件和技術(shù)設(shè)計了移動機器人控制器的硬件系統(tǒng)。首先，確定了系統(tǒng)設(shè)計方案。然后，分析了TMS320F2812型數(shù)字信號處理器的體系結(jié)構(gòu)并設(shè)計了DSP最小系統(tǒng)。最后，分析了與機器人控制相關(guān)的接口技術(shù)并設(shè)計了接口電路。21系統(tǒng)硬件設(shè)計方案控制系統(tǒng)硬件設(shè)計遵循機器人控制器的開放性原則，在保證目標(biāo)系統(tǒng)能夠獨立完成一定控制功能的基礎(chǔ)上，兼顧系統(tǒng)硬件的可擴展性。在控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，所謂目標(biāo)系統(tǒng)的可擴展性包括向目標(biāo)系統(tǒng)中添加傳感器等資源和以目標(biāo)系統(tǒng)為模塊組成更高級系統(tǒng)的能力考慮到系統(tǒng)造價，本文確定目標(biāo)系統(tǒng)的功能如下第_，可實現(xiàn)兩臺直流電機的閉環(huán)調(diào)速，包括編碼器信號采集和P刪脈沖信號的輸出；第二，可采集O“5V的模擬信號、開關(guān)量信號；第三，可實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的光電顯示和繼電器控制；第四，可以適用于集中式單板方式、主從式和分布式控制結(jié)構(gòu)。因此，采用如下設(shè)計方案。首先，采用TMS320F2812DSP為核心設(shè)計最小系統(tǒng)。F2812是美國德州儀器TEXASINSTRUMENT，TI公司出產(chǎn)的一款面向控制的新型高性能數(shù)字信號處理器，由于TI的DSP產(chǎn)品在國際市場上所占份額較大，所以采用該公司產(chǎn)品作為控制核心可以增強系統(tǒng)軟件的可移植性。第二，充分利用DSP的片內(nèi)資源，設(shè)計接口電路完成模擬信號采集、開關(guān)量信號采集、編碼器脈沖信號采集、直流電機脈沖控制、狀態(tài)顯示、繼電器控制。第三，利用DSP的外部存儲器擴展接口擴展一片DA轉(zhuǎn)換器DAC7724，作為控制電機驅(qū)動器的信號接口第四，利用DSP的串行通信接口SCL，采用一片MAX3232設(shè)計GS一232C串行通信接口，以實現(xiàn)目標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信能力第2章控制器系統(tǒng)硬件設(shè)計LI一第五，采用光電隔離方式確保系統(tǒng)安全第六，硬件設(shè)計采用模塊化方法。首先將系統(tǒng)劃分為DSP最小系統(tǒng)和接口部分，然后根據(jù)系統(tǒng)硬件資源見表21將各部分細化為若干個子模塊袁21控制器系統(tǒng)硬件資源T曲LE21H鋤DWA磚R啪M岱OFCONUOLLER序號資源數(shù)量功能L靜態(tài)RAM256KXL6位數(shù)據(jù)存儲囂2模擬量輸入通道8路模擬信號采集3數(shù)字量中斷輸入通道3路開關(guān)量信號采集4QEP輸入通道2路編碼器信號采集5P疆信號輸出通道4路電機控制6數(shù)字量輸出通道6路繼電器控制7L功陣列4只光電顯示8LLS232C接口2路數(shù)據(jù)通信9IA轉(zhuǎn)換接口4路電機控制22DSP最小系統(tǒng)設(shè)計DSP的最小系統(tǒng)包括DSP及其時鐘、AG仿真接口、電源、存儲器擴展和系統(tǒng)配置電路，是照個系統(tǒng)硬件的核心部分。221TMS320F2812DSP的體系結(jié)構(gòu)DSP是對信號和圖像實現(xiàn)實時處理的一類高性能的處理器。所謂“實時REALTIME處理”，是指一個實際系統(tǒng)能在人們視覺、聽覺或任務(wù)要求所允許的時間范圍內(nèi)實現(xiàn)對輸入信號的處理并將運算結(jié)果輸出。目前，DSP已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、家電、航空航天、工業(yè)測量與控制、生物醫(yī)學(xué)工程及軍事等許多對實時性有較高要求的領(lǐng)域。TI自1982以來，已先后攉出了CIO、C20、C30，C40、C50、C80等6代TMS320系列DSP產(chǎn)品和C2000系列、C5000系列、C6000系列三大主流產(chǎn)品。TMS320F2812是TI最新推出的DSP芯片，是目前國際市場上最先進、功能最強大的32位定點型DSP芯片。它既有數(shù)字信號處理能力，又具有強大的事件管北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文JIIII理能力和嵌入式控制功能，特別適合像移動機器人控制、工業(yè)自動化控制等有大批量數(shù)據(jù)需要處理的測控場合。2211DSP的CPUT惦320F2812的CPU是一種低功耗的32位定點數(shù)字信號處理器。它集中了數(shù)字信號處理的諸多優(yōu)秀特性，具有精簡指令集RISC功能、微型控制器結(jié)構(gòu)、固件FIRMWARE及工具集等該CPU采用改進型的哈佛結(jié)構(gòu)，通過6條獨立的數(shù)據(jù)和地址總線實現(xiàn)流水線操作。這6條總線分別是程序地址總線PROGRAMADDRESSBUS，PAB、數(shù)據(jù)讀地址總線DATAREADADDRESSBUS，DRAB、數(shù)據(jù)寫地址總線DATAWRITEADDRESSBUSS，DWAB、程序讀數(shù)據(jù)總線PROGRAMREADDATABUS，PRDB、數(shù)據(jù)讀數(shù)據(jù)總線DATAREADDATABUS，DRDB和數(shù)據(jù)程序?qū)憯?shù)據(jù)總線DATAPROGRAMWRITEDATABUS，DWDB。CPU達到最高工作頻率150姍Z時的核心電壓僅需19V，IO口電壓為33V。F2812片內(nèi)有3個32位的CPU定時器TIM職0L2。每個定時器可以產(chǎn)生一個溢出中斷。2212DSP的中斷系統(tǒng)和復(fù)位F2812的中斷可以歸結(jié)為兩類1可屏蔽中斷這些中斷可以用軟件加以屏蔽或解除屏蔽。2非屏蔽中斷這些中斷不能被屏蔽，CP【I將立即響應(yīng)該中斷并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的服務(wù)予程序INTERRUPTSERVICEROUTINE，ISR中斷通常由硬件觸發(fā)，如果有多個硬件中斷同時被觸發(fā)，CPU則按照它們的優(yōu)先級來提供服務(wù)。此外，使用INTR、TRAP、僳IFR指令可以由軟件觸發(fā)中斷。F2812按如下的4個步驟處理中斷。1接受中斷請求。2測試當(dāng)前中斷源是否被允許，若是，轉(zhuǎn)至第3步，否則忽略該請求3準(zhǔn)備執(zhí)行中斷服務(wù)程序并保存寄存器值A(chǔ)完整地執(zhí)行完當(dāng)前指令，清除流水線中未到達第二階段的所有指令。B將寄存器STO、T、AH、AL、PII、PL、ARO、ARL、DP、STI、DBGSTT、PC、IER的內(nèi)容保存到堆棧中，以便自動保存主程序的大部分內(nèi)容。C取回中斷向量并將其放入到程序寄存器PC中。4執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。第2章控制器系統(tǒng)硬件設(shè)計II一F2812的中斷采用3級控制，分別是CPU級、PIE級和設(shè)備級可以通過程序在任一級別上使能或屏蔽相應(yīng)的中斷2213時鐘和系統(tǒng)控制F2812內(nèi)建了一個基于鎖相環(huán)PHASELOCKEDLOOP，PLL的時鐘模塊。該模塊為芯片提供了所有必要的時鐘信號，還提供了低功耗方式的控制入口。PLL具有4位比例控制，用來選擇不同的CPU時鐘頻率F2812器件有3種低功耗工作方式，分別是空閑IDLE方式、掛起STANDBY方式、暫停HALT方式。片內(nèi)外設(shè)的時鐘可以通過軟件使能或關(guān)斷。并可分別對高速外設(shè)和低速外設(shè)的時鐘頻率進行預(yù)定標(biāo)PRESCALE操作。F2812內(nèi)置了一個8位的看門狗定時器，該定時器可以通過軟件使能或關(guān)斷。當(dāng)被使能時，看門狗定時器將振蕩器時鐘512分頻后計數(shù)，當(dāng)8位計數(shù)器溢出時則數(shù)出一個脈沖，脈寬為512個振蕩周期。2214片內(nèi)外設(shè)的中斷擴展F2812芯片內(nèi)部的外設(shè)資源非常豐富，每種外設(shè)出于實時處理數(shù)據(jù)的需要往往占用一定數(shù)量的中斷資源因此，設(shè)計了3級中斷管理機制提供方便靈活的中斷管理，可以通過軟件分別在CPU級、PIE級和設(shè)各級對相應(yīng)的中斷源進行使能和關(guān)斷控制。外設(shè)中斷擴展PERIPHERSLINTERRUPTEXPANSION，PIE模塊將許多中斷源多路復(fù)用成一個較小的中斷輸入集。PIE模塊支持96個不同的中斷，這些中斷被分成12個組，每組8個中斷，每個組都被反饋到CPU的12條中斷線的一條上。當(dāng)前F2812的外設(shè)共使用了45個中斷。每個中斷都得到了各自的向量的支持，這些向量被保存在RAM中的PIE向量表中。PIE向量表自首地址OXOOOOOD00起連續(xù)存放在外設(shè)幀0中，每個32位中斷向量占用兩個特定存儲單元。當(dāng)CPU響應(yīng)中斷時，用PIE向量表中特定偏移量的地址中的內(nèi)容覆蓋程序計數(shù)器PC的數(shù)據(jù)。2215事件管理器事件管理囂模塊提供了眾多面向控制的功能和特性，他們在機器人運動控制和馬達控制中是十分有用的。事件管理器模塊包括4個16位通用定時器，6個全比較P珊單元、6個捕捉單元和2路正交編碼脈沖QUADRATUREENCODERPULSE，QEP電路等。6個全比較P聊單元共可產(chǎn)生6對互補的P喇信號，可控制6個L橋電路，北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文4個通用定時器共可產(chǎn)生4路獨立的PWM信號，因此，F(xiàn)2812可同時輸出16路PWM信號，并可編程控制互補P啊對的死區(qū)時間。摹件管理模塊的通用定時器共有4種工作模式，分剮是停止保持模式、連續(xù)增計數(shù)模式、定向增減計數(shù)模式和連續(xù)增減計數(shù)模式。通用定時器除完成自身的功能外，還為事件管理模塊中的其他設(shè)備提供時基。捕捉單元可以捕捉引腳上的電平變化并記錄兩次變化之問中的時間延遲正交編碼電路由通用定時器24提供時基，可以計數(shù)來自光電編碼器的脈沖信號，計數(shù)器的值是輸入的脈沖信號的4倍。22I6模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊F2812的ADC是一個12位分辨率的，具有流水線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。ADC模塊共有16路通道，可配置為2個8通道的獨立模塊，或級聯(lián)成一個16通道的模塊。2217串行通信接口串行通信接口SCI是一個雙線的異步串口，一般看作是UART。SCI模塊支持CPU與采用NRZ標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外圍設(shè)備之間的全雙工數(shù)據(jù)通信。SCI的接收和發(fā)送器各有一個16級深度的FIFO，發(fā)送FIFO寬度是8位而接收FIFO的寬度是12位。發(fā)送FIFO中各個單元的數(shù)據(jù)依次經(jīng)發(fā)送移位寄存器逐位發(fā)送到數(shù)據(jù)線上，而接收移位寄存器則逐位接收數(shù)據(jù)線上韻數(shù)據(jù)位，并將數(shù)據(jù)幀存儲到接收FIF0中。SCI有兩個多處理器通信協(xié)議，分別是空閑線IDLELINE多處理器模式和地址位ADDRESSBIT多處理器模式12S301。222最小系統(tǒng)電路設(shè)計如前所述，DSP的最小系統(tǒng)包括OSP及其時鐘、JTAG仿真接口、電源、存儲器擴展和系統(tǒng)配置電路系統(tǒng)電源采用二級穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)見圖21，外電源經(jīng)一片7805輸出穩(wěn)定的5V電壓，然后由一片TPS7333和一片TPS7301分別提供33V的IO口電壓和I9V的內(nèi)核電壓。系統(tǒng)時鐘及JTAG仿真接口電路如圖22所示。目標(biāo)層次的TI調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)使用5個標(biāo)準(zhǔn)的IEEEIL491NAG信號TRST、TCK、TRS、TDI、TDO和兩個TI擴展口刪0、髓U1。由予F2812內(nèi)建128K16位的FLASH存儲器，因此僅擴展了256K數(shù)據(jù)存儲第2章控制器系統(tǒng)硬件設(shè)計器見圖23IS61LV25616是一款高速靜態(tài)R刪，讀寫周期是LO微秒。數(shù)據(jù)存儲器擴展使用DSP存儲器區(qū)域2，以XZCS2為片選信號，基地址是OX080000圖2LDSP電源電路丘G21S咖刪血OFPOWERSUPPLY圖22JTAG仿真接口電路丘G22SCHEMATICDIA蓼日MOFJTAG北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文圈23R艟擴展電路23控制器接口電路設(shè)計231電機控制及脈寬調(diào)制由于其結(jié)構(gòu)和工作方式上的特點，移動機器人執(zhí)行機構(gòu)通常采用直流電機，并且通常采用嗍方法控制電樞電流。P蹦又稱脈寬調(diào)制PULSEWIDTHMODULATING，其原理是對電壓源輸出電壓采用斬波技術(shù)，產(chǎn)生占空比脈寬可變的脈沖序列口1】【32】。般來說，控制器的輸出功率較低，不能直接驅(qū)動電機。所以，電機控制電路一般包括電機驅(qū)動模塊。電機驅(qū)動電路又稱功率放大電路，其實質(zhì)是將控制器輸出的小功率信號進行功率放大。比較常用的直流電機驅(qū)動電路是如圖24所示的H橋結(jié)構(gòu)P嘣可逆驅(qū)動電路。BGI、BG4和BG2、BG3這兩組晶體管分剮由互補的P嘲信號PL和P2控制。當(dāng)PL的占空比大于P2的占空比時，由于電樞電流IA0，所以BG2、BG3不會導(dǎo)通，電機正轉(zhuǎn)。當(dāng)P1和P2的占空比相同時，IA的平均值為0，電機停轉(zhuǎn)。當(dāng)PL的占空比小予P2的占空比對，IA0、口，左側(cè)電機轉(zhuǎn)速高于右側(cè)電機，維納蟲轉(zhuǎn)向右方，即光照較弱的一側(cè)；反之亦然。維納蟲兩側(cè)光強差別越大，則轉(zhuǎn)向速度越高?？梢?，維納蟲的負趨光性實質(zhì)上是一種光線追蹤。該電路的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)極其簡單，但是致命的缺陷是系統(tǒng)性能嚴(yán)重依賴于器件參數(shù)的對稱性因此，本文以第二、三章設(shè)計的移動機器人控制器重構(gòu)維納蟲機電反射弧，實現(xiàn)其負趨光和避障控制。52維納蟲的信號采集電路設(shè)計為實現(xiàn)維納蟲的負趨光和避障功能，系統(tǒng)應(yīng)具備環(huán)境光檢測電路和障礙物檢測電路。521環(huán)境光檢測電路設(shè)計環(huán)境光檢測電路包括信號拾取和信號處理兩個模塊，如圖52所示。圈52維納蟲環(huán)境光檢測電路FIG52WORMWIENERSLIGHTDETECTCIRCUIT第5章移動機器人負趨光與避障控制信號拾取模塊由光敏電阻RPL、三位撥碼開關(guān)S2和三個不同阻值的分壓電阻R4、R5、R6組成。S2和R4、髓、筋可以實現(xiàn)8種不同的等效分壓電阻，以彌補光敏電阻的非線性特性，從而使系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的環(huán)境信號處理模塊是一個由R1、112、113、C1、C2、C3、D2和一片運算放大器LM358組成的放大倍數(shù)為1的二階壓控電壓源型低通濾波器該模塊對信號拾取模塊輸出的信號進行濾波，因為該輸出信號是非負的，所以放大器使用單電源供電，簡化了電路結(jié)構(gòu)。二極管D2的作用是降低放大器電源電壓，進而限制了本模塊電路的輸出信號的最大值不大于33V該電路的工作原理比較簡單。當(dāng)環(huán)境光強變化時，光敏電阻RPL的阻值隨之變化，信號拾取模塊的輸出電壓改變，所以濾波后的電壓信號也隨之變化。52。2障礙物檢測傳感器的選用按照仿生學(xué)的觀點，可以將機器人上各種傳感器劃分為感知型和非感知型兩大類，如圖53所示。廣觸覺行程開關(guān)等卜接近覺超聲波傳感器、紅外傳感器、激光測距儀等廠感知型斗視覺CCD4T懈包括黑白和彩色等IL姿態(tài)陀螺儀等傳感器一I廣距離光電編碼器等L非感知型測定環(huán)境定位信息士囂毛鐾籮；量動磁羅盤等圖53機器人傳感器分類堍53CATALOGUEOFROBOTREL咖DSENSORS對環(huán)境中的障礙進行探測，通常采用感知型傳感器。感知型傳感器，可以通過自身的敏感元件獲得環(huán)境輻射的信息如聲、光、電、磁或向環(huán)境發(fā)射自身調(diào)制的輻射信號，并接受其返回信號以獲取環(huán)境信息。移動機器人上常用的幾種感知型傳感器是超聲波傳感器、紅外傳感器、視覺傳感器、激光測距儀器等。對于維納蟲的避障而言，僅需獲得其自身與障礙物的距離信息，因此，僅需配備一定數(shù)量的超聲波傳感器或者紅外傳感器即可滿足要求。超聲波傳感器和紅外傳感器的工作原理相同，都是利用信號反射的渡越時間來計算障礙物距離。超聲波傳感器是一種主動式傳感器。其工作原理是，向環(huán)境中發(fā)射一定頻率北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文通常為40KHZ的機械波，然后接收被障礙物反射回來的回波，以回波的渡越時間乘以聲速的05倍即可計算出障礙物的距離由于聲波在空氣中不斷擴散，所以超聲波傳感器方向性較差。但是其優(yōu)點是，環(huán)境適應(yīng)能力強，在陰影、灰塵、煙霧等環(huán)境下，應(yīng)用不受限制。紅外傳感器工作原理與超聲波傳感器類似，采用發(fā)射固定波長紅外線并接受同一回波的主動方式其缺點主要是兩方面，一是受環(huán)境影響較大，環(huán)境重的粉塵和熒光燈都會影響其工作的可靠性，其二是探測距離短，一般在2米以內(nèi)。但其優(yōu)點是探鋇J視角小、方向性強、測量精度高、反應(yīng)速度快【55鍘。本文采用夏普SHARP公司生產(chǎn)的GP2D12型的紅外測距傳感器檢測障礙物距離。該傳感器實際上是一個變送器，輸出信號為模擬電壓，接口簡單。53維納蟲的負趨光與避障控制531維納蟲的機電結(jié)構(gòu)本文采用一個3輪小車作為維納蟲的機械本體，小車采用差速驅(qū)動方式。在車體前端安裝兩個環(huán)境光檢測電路和紅外測距傳感器，小車前視圖如圖54所示。小車底盤為長方形，在兩側(cè)分別有一個驅(qū)動輪3、4，在前端安裝一個從動輪5。兩個驅(qū)動輪分別有一個直流電機驅(qū)動，直流電機的電樞電流由控制器9輸出的剛信號控制。圖54維納蟲小車前視圖FIG54FRONTVIEWOFCART第5章移動機器人負趨光與避障控制在車體的前端安裝兩個夏普SHARPGP2D12型的紅外測距傳摩器6，用于檢測前方的障礙物該型傳感器輸出信號為帖5V模擬電壓，電壓值與所測的距離成反比。紅外測距傳感器的輸出信號送入控制器的D電路接口兩個環(huán)境光檢測模塊7安裝于車體前端兩倜，并使光敏電阻的采光面向上，以檢測來自車體兩側(cè)上方的光照環(huán)境關(guān)檢測電路的輸出信號送入控制器的AD電路接口。系統(tǒng)由一個8“電池組8供電。控制器電路板通過定位孔安裝在小車車體上方。532控制程序設(shè)計基于實時內(nèi)核的多任務(wù)系統(tǒng)的軟件可劃分為兩個層次，即系統(tǒng)層和應(yīng)用層系統(tǒng)層由內(nèi)核和驅(qū)動程序庫組成，而應(yīng)用層包括用于達成機器人任務(wù)目標(biāo)的全部代碼。系統(tǒng)層的設(shè)計已經(jīng)在第三章完成，本小節(jié)將完成實現(xiàn)維納蟲負趨光和避障控制的應(yīng)用程序設(shè)計。維納蟲的特性是以環(huán)境光為導(dǎo)航信號，同時避開環(huán)境中的靜態(tài)障礙物或者低速運動的障礙物。因此，應(yīng)用程序應(yīng)包括3個任務(wù)，即高優(yōu)先級的避障任務(wù)TASZ_AROU|ND0、次優(yōu)先級的導(dǎo)航任務(wù)TASK_NAVIGATO和最低優(yōu)先級韻電機控制任務(wù)TASK_MOTOR0。優(yōu)先級的這種安捧是因為維納蟲在遇到障礙物時，應(yīng)首先繞開障礙物，然后再躲避光信號。另外，考慮到電機采用50HZ的PWM信號控制，因此反應(yīng)時間較長，所以為保證兩個應(yīng)用任務(wù)的決策得到有效執(zhí)行，任務(wù)的延時應(yīng)該足夠長。經(jīng)過反復(fù)多次實驗證明，控制器在兩次下達電機控制指令之問的時間間隔應(yīng)不低于200MS。TASK_AROUND0、TASK_NAVIGAT和TASK_MOTOR0的程序結(jié)構(gòu)和同步關(guān)系如圖55所示，其中共享數(shù)據(jù)PARA艇T職包括小車的運動方式參數(shù)和一個標(biāo)志該參數(shù)是否被鎖定的互斥型信號量FLAG。因為避障的優(yōu)先級高于導(dǎo)航，因此當(dāng)前方出現(xiàn)障礙物時，將由TASKARODND0控制小車的運動，而TASK_NAVIGAT的控制權(quán)被剝奪。只有當(dāng)前方?jīng)]有障礙物時，TASKNAVIGAT才取得對小車的控制權(quán)。TASK_A姍通過紅外測距傳感器檢測障礙物信息，并依據(jù)反應(yīng)式策略決定小車的運動方式。小車的運動方式包括左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、倒車、直行。當(dāng)前方無障礙物時，TASKAROUND將信號量FLAG置1，表示可以由TASK_NAVLGATO更改小北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文車的運動方式，否則，F(xiàn)ALG被清O，表示小車正在避障，暫時放棄對光信號的追蹤。TASK_AIOTASK_NAVIGAT0一豫晶OPAIC_唧ER黼TFALGH0眺110上調(diào)用計算障礙物距離運動參數(shù)I班叮，RIGLFRDRIVEDSTART上上執(zhí)行反壓蠹控制策IJ比較兩倜光強略上TASKMOTOR0設(shè)置信號量FLGR|嗽晶O執(zhí)行反應(yīng)式控制策略上延時200MS延時200MS延時600M上0圖553個用戶任務(wù)的結(jié)構(gòu)與同步關(guān)系FIG55S打UCHIRESANDSYNCHRONIZATIONOF3鉚NCAFIONTASKSTASK_NAVIGAT首先查詢信號量FLAG的狀態(tài)，如果FLAG為0，則掛起進入等待態(tài)。否則，TASK_NAVIGAT0接管小車的控制權(quán)，檢測兩側(cè)的光強，并依據(jù)反應(yīng)式控制策略嗍砸1】決定小車的運動方式TASKAROUND0或TASK_NAVIGAT的決策結(jié)果保存在共享數(shù)據(jù)PARAMETER中。TASKMCRROR根據(jù)這個共享數(shù)據(jù)設(shè)置PWM信號的占空比，并調(diào)用刪設(shè)備驅(qū)動函數(shù)DRIVE剛UPDATE改變相應(yīng)電機的轉(zhuǎn)速，從而改變小車的位姿。533實驗結(jié)果維納蟲在小型足球機器人場地中漫游的場景如圖56所示。圖56小車在機器人足球場地中漫游FIG56CAMWANDERINGINTHEROBCUPFOOTBALLGROUND小車基本可以實現(xiàn)對光信號的反向運動，并避開障礙物。圖56A所示為小車在場地拐角處轉(zhuǎn)向的場景，圖56B為小車在到達場點邊緣時轉(zhuǎn)向的場景。第5章移動機器人負趨光與避障控制_II【實驗中，小車與障礙物的碰撞較多，原因是小車的機械結(jié)構(gòu)不合理，造成傳感器對環(huán)境的覆蓋率低、存在盲區(qū)，從而小車無法獲得全面的障礙物信息。改進的方發(fā)是采用專用的機器入底盤，這種底盤的邊緣應(yīng)具有一定的弧度并有足夠的傳感器安裝位置。54本章小結(jié)本章首先分析了維納在其控制論中所設(shè)想的機電反射弧的結(jié)構(gòu)和工作原理該電路的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)非常簡單，但是其對元件參數(shù)對稱性的過分依賴卻是致命性的。而且，該電路功能單一，不能實現(xiàn)避障這一移動機器人的基本技術(shù)。然后，比較了常用的測距傳感器并設(shè)計了用于環(huán)境光檢測的專門電路。該電路通過光敏電阻檢測環(huán)境光強，并通過可調(diào)的分壓電阻在一定程度上彌補了光敏電阻的非線性特性。最后，以本文第二、三章設(shè)計的移動機器人控制器為控制核心，以一個三輪小車為載體，應(yīng)用上述環(huán)境光檢測電路和紅外測距傳感器實現(xiàn)了維納蟲的負趨光和避障控制北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文一I一結(jié)論移動機器人控制技術(shù)是移動機器人學(xué)的一個重要分支，具有重要的研究意義和應(yīng)用價值，主要研究移動機器入在復(fù)雜環(huán)境下的實時控制，包括移動機器人導(dǎo)航與定位、控制器體系結(jié)構(gòu)和機器人本體控制運動控制等子課題。本論文在國家自然科學(xué)基金60375017、北京市人才強教計劃的支持下，研究了基于TM320F2812型數(shù)字信號處理器和嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)PCOII的移動機器人控制器的設(shè)計與實現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上，以直線型倒立擺為對象模型研究了移動機器人的運動平衡控制、以三輪式小車為載體研究了移動機器人的負趨光控制和避障控制。本文主要工作可以總結(jié)為如下三個方面第一，設(shè)計了種基于數(shù)字信號處理器和嵌入式實時操作系統(tǒng)的移動機器人控制器。論文分析了TKIS320F2812型數(shù)字信號處理器和嵌入式實時操作系統(tǒng)ILCOS的體系結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，以DSP為核心設(shè)計了系統(tǒng)硬件，并在其上移植了L_C08，構(gòu)造了一種嵌入式移動機器人控制決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可獨立執(zhí)行具有一定復(fù)雜度的控制任務(wù)，又適用于主從式或者分布式控制結(jié)構(gòu)，具有一定的開放性第二，基于本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了倒立擺的運動平衡控制。論文分析了單級直線倒立擺的機電結(jié)構(gòu)和不同運動階段的運動特性，然后，利用所設(shè)計的控制器應(yīng)用經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論實現(xiàn)了倒立擺起擺和穩(wěn)擺控制此外，采用VC設(shè)計了人機界面軟件，例立擺系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)角度、位置、速度等可以通過RS232串口上傳到PCIPC進行圖形化顯示和數(shù)據(jù)存檔。第三，基于本文所設(shè)計的控制器實現(xiàn)了移動機器人避障與負趨光控制。論文分析了控制論中關(guān)于維納蟲的思想實驗。然后，設(shè)計了環(huán)境信息采集電路，以一個三輪小車為載體實現(xiàn)了移動機器人的趨光和避障控制。實驗證明，采用主流高性能DSP和實時操作系統(tǒng)構(gòu)建的移動機器人的控制器，具有實時性、快速性、開放性和板卡尺寸小型化等優(yōu)點，具有很強的實用性。移動機器人控制技術(shù)是一門交叉性學(xué)科，涉及電子、機械、計算機、控制論、結(jié)論電機、傳感器等理論與技術(shù)。本文所做工作僅是對移動機器人控制領(lǐng)域的初步探討，仍有許多須改進和完善之處，主要包括如下兩點第一，直線倒立撂雖然在機電結(jié)構(gòu)和運動特性上與輪式自平衡機器人具有一定的相似性，但終究是一種簡化的模型，因此，對機器人運動平衡控制技術(shù)的進一步研究應(yīng)采用足式或輪式自平衡機器人實體作為控制對象第二，移動機器人的負趨光和避障試驗中所用的三輪小車在結(jié)構(gòu)、尺寸和傳感器安裝等方面不夠理想，進一步的工作應(yīng)專門設(shè)計合理的小車結(jié)構(gòu)和傳感器陣列以確保機器人盡可能全面地掌握環(huán)境信息。北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文參考文獻1NILSSONAMOBILEAUTOM碰ONANAPPLICADONOF硎I五CIALIN枷咖搬舡DQ峨INPROCUM2李磊，葉濤，譚民，陳細軍移動機器人技術(shù)研究現(xiàn)狀與未來機器人2002年，2454754803HUHS，13RADYMAPARALLEL卵暇鷂INGARCHITECTUREFORMORBUSEDNLZOLOFM協(xié)MGMTMOBILEROBOTSROBOTI髓ANDAUTONOMOUSSYSTEM,1996，I7235257P4賀煒移動機器人體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計和研究哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文20061155JIEHUANGTADAWATESUPAONGPRAPEAMODELBASEDSOUNDLOCALIZATIONSYSTEM柚DITSAPPLICATIONTOROBOTMVIGADEZROBOTICSANDAUTONOMOUSSYB岫S1999,27199209P6ROBERTLFRENCHHISTOFICELOVCRVIWOFAUTOMOBILENAVIGATIONTECLMOLOGYIEEEVECHNOIOGYCONFERENC219863503587CHONGKS，鋤缸LSONAFBASEDMAPBUILDINGFORAMOBILEROBOTPMOFIEEEINTERNCON011ROBOTICSANDAUTO,1997。2170017058EBOORQUE,GDUDEKAUTOMATEDIMAGE2BASEDMAM，INGINWORKSHOPP玳鬻咖FORCREATINGVIR