本文關鍵詞：球形機器人嵌入式運動控制系統(tǒng)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：球形機器人是一種以滾動為運動方式的新型移動機器人,它依靠內部驅動裝置偏移改變重心來獲得前進的動力。球形機器人將機械機構及控制電路安裝在球殼內部,能有效地起到保護作用,使其具備適應惡劣工況的能力,同時球形機器人具有類似不倒翁的特性,可實現(xiàn)全方位的行走,具有廣闊的應用前景。球形機器人的運動控制問題一直是球形機器人領域研究的重點,本論文以北京交通大學和北京郵電大學聯(lián)合設計的球形機器人為研究對象,在對其機械系統(tǒng)及動力學特性進行詳細分析的基礎上,設計了一套基于ARM處理器的球形機器人嵌入式運動控制系統(tǒng),并進行了相關試驗,本文主要研究內容如下：(1)本論文針對球形機器人機械結構設計方案及其運動原理,進行純滾動約束下動力學建模和分析,并根據(jù)動力學方程研究恒力矩輸入和恒轉矩輸入時機器人的狀態(tài)響應,為后續(xù)機器人運動控制器設計提供理論基礎。(2)根據(jù)動力學模型,設計閉環(huán)反饋的PID運動控制器；并對抑制重擺振蕩的方法進行研究,設計基于重擺抑振策略的球形機器人速度控制算法以及姿態(tài)控制算法；利用Matlab Simulink對機器人速度和姿態(tài)控制進行仿真,驗證控制算法有效性,并對PID控制算法的數(shù)字實現(xiàn)進行研究。(3)設計球形機器人嵌入式運動控制系統(tǒng)整體方案。硬件系統(tǒng)設計方面,本論文主要進行硬件平臺設計,包括核心控制模塊、電機驅動模塊、傳感器模塊、通信等模塊；軟件系統(tǒng)設計方面包括：主程序及各子系統(tǒng)程序的編寫,以及上位機軟件的設計。(4)對球形機器人運動控制系統(tǒng)進行實驗研究。對慣性測量單元數(shù)據(jù)進行處理,實現(xiàn)了準確的姿態(tài)信息采集；實現(xiàn)了對球形機器人的速度和姿態(tài)進行控制,驗證了運動控制算法的有效性,實現(xiàn)了機器人的直線運動和圓弧轉彎運動。
【關鍵詞】：球形機器人 動力學建模 PID控制器 嵌入式系統(tǒng)
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP242
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 緒論12-22
• 1.1 研究背景與意義12
• 1.2 球形機器人研究現(xiàn)狀12-18
• 1.2.1 國外球形機器人的研究現(xiàn)狀12-15
• 1.2.2 國內球形機器人的研究現(xiàn)狀15-18
• 1.3 嵌入式系統(tǒng)18-19
• 1.3.1 嵌入式系統(tǒng)概述18
• 1.3.2 嵌入式系統(tǒng)應用領域18-19
• 1.4 本論文主要研究內容19-22
• 2 球形機器人結構與動力學建模分析22-34
• 2.1 球形機器人機械結構方案22-24
• 2.1.1 球形機器人機械結構22-23
• 2.1.2 球形機器人驅動原理23-24
• 2.2 球形機器人動力學建模分析24-31
• 2.2.1 恒轉矩輸入球形機器人動力學分析24-29
• 2.2.2 恒轉速輸入球形機器人動力學分析29-31
• 2.3 本章小結31-34
• 3 球形機器人運動控制算法研究34-42
• 3.1 機器人運動控制研究34-38
• 3.1.1 球形機器人速度控制算法34-35
• 3.1.2 重擺抑振控制策略35-37
• 3.1.3 球形機器人姿態(tài)控制算法37-38
• 3.2 PID算法及其數(shù)字實現(xiàn)原理38-41
• 3.3 本章小結41-42
• 4 球形機器人嵌入式控制系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)42-56
• 4.1 控制系統(tǒng)整體硬件設計42-43
• 4.2 核心控制子系統(tǒng)43-46
• 4.2.1 處理器選擇43-44
• 4.2.2 最小系統(tǒng)外圍電路44-46
• 4.3 執(zhí)行子系統(tǒng)46-48
• 4.3.1 電機選型介紹46-47
• 4.3.2 電機驅動器介紹47-48
• 4.4 傳感器子系統(tǒng)48-50
• 4.4.1 慣性測量單元48-49
• 4.4.2 姿態(tài)角卡爾曼濾波融合49-50
• 4.5 通信系統(tǒng)子系統(tǒng)50-52
• 4.5.1 外遙控通信51-52
• 4.5.2 無線數(shù)據(jù)傳輸52
• 4.6 電源子系統(tǒng)52-54
• 4.7 本章小結54-56
• 5 球形機器人嵌入式控制系統(tǒng)軟件設計56-70
• 5.1 控制系統(tǒng)軟件總體結構56-57
• 5.2 本體控制軟件設計57-66
• 5.2.1 本體控制軟件總體規(guī)劃57-58
• 5.2.2 主程序58-59
• 5.2.3 中斷服務子程序59
• 5.2.4 通信子程序59-61
• 5.2.5 卡爾曼濾波子程序61-62
• 5.2.6 PID控制程序62-63
• 5.2.7 電機驅動子程序63-66
• 5.3 上位機管理顯示軟件設計66-68
• 5.4 本章小結68-70
• 6 實驗與結果分析70-80
• 6.1 實驗平臺搭建70-71
• 6.2 慣性測量單元姿態(tài)解算實驗71-72
• 6.3 球形機器人速度控制實驗72-73
• 6.4 球形機器人姿態(tài)控制實驗73-75
• 6.5 直線運動及圓周運動實驗75-79
• 6.5.1 直線運動實驗75-76
• 6.5.2 圓弧轉彎運動實驗76-79
• 6.6 本章小結79-80
• 7 結論和展望80-82
• 7.1 論文主要工作總結80-81
• 7.2 存在的問題及下一步工作展望81-82
• 參考文獻82-86
• 作者簡歷86-90
• 學位論文數(shù)據(jù)集90

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