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轮式机器人控制技术研究.docx
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轮式机器人控制技术研究.docx
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摘 要
移动机器人在军事和国民经济领域有着广泛的应用前景。移动机器人运动控
制技术作为机器人学的一个重要分支,是一项具有多年历史而且具有广泛应用前
景的技术。在查阅大量资料的基础上,分析了移动机器人运动控制技术特点及发
展现状,研究并设计了两轮驱动的机器人运动控制系统。移动机器人的位置和姿
态识别是移动机器人运动控制系统中的一个最基本的问题。本文根据两轮差速驱
动机器人的运动学方程,采用了一种简洁实用的航位推算公式。这种方法可以在
性能较高的微处理器中采用,进行实时推算,具有一定的效率优势。
移动机器人运动控制结构决定了它的运动能力。本文采用主从式控制结构,
即由主机完成复杂运算并将处理后的数据传递给从机,由从机完成小车本体的控
制,从机通过数控插补技术来实现机器人小车两驱动轮的联动;由运动函数构成
的运动控制源程序在 PC 机编写,经编译生成相应的目标代码并通过串口发送到
从机,从机的功能一是接收来自主机的数据和命令,二是根据主机发送的数据执
行
插补运算并驱动电机。从机是以 STC89LE52 为核心的运动控制器,利用 STC89LE52
芯片的控制功能,实现了移动机器人两驱动电机的控制。由从机构成的运动控制
器,成本低,功能强,使用方便,而具有十分广阔的应用前景。
关键词:运动控制,航迹推算,插补,步进电机,单片机
Abstract
As an important branch subject of robotics,the motion controller technology of
mobile robot has a long history and will be widely used in the future,Based On refer
ringto a great deal of the information and the research of the technology and
development of mobile robot available,a two-wheel differential driving mobile robot
was designed in the work presented here.
The identity of location and position is a fundamental problem of the motion
controller system of mobile robot。In this paper,based On the research of two-wheel
differential driving mobile’s motive equation,a compact and practicably equation was
induced.This method Call be used in a high performance micro-controller to perform
real-time calculation and win show its efficient advantage.
The motion abillty of a wheeled mobile robot iS determined by its motion controller
system . Based on the utilization of a PC and a slaver micro·computer , a control
system for a wheeled mobile robot with two stepping motors is designed and
implemented.The control system is able to control the turning and speed of the two
motors by interpolation technique.The source motion control program is written with
these motion functions on PC and it is complied to object code . The code is
transmitted to RAM of micro . controller through serial port of PC . The
micro—controller has two main functions.The first iS receiving data or instructions
from PC.The second is executing the instructions.The step.motor Can be controlled
by STC89LE52 with its out put module , This kind of motion controller has the
features of lower cost and powerful function.So it has wide application prospect.
Key words : motion, control course, calculation, nterpolating,stepping,motor,
micro-controlle
目录
第一章 绪论 .............................................................................................................................1
1.1 题目的来源及研究意义 ................................................................................................1
1.2 移动机器人国内外的研究历史与现状.........................................................................2
第二章 移动机器人系统概述 .................................................................................................5
2.1 移动机器人控制系统结构 ............................................................................................5
2.2 移动机器人传感器技术 ................................................................................................5
2.3 移动机器人感知系统 .....................................................................................................7
2.4 移动机器人路径规划技术 ...........................................................................................10
2.4.1 移动机器人的全局路径规划...............................................................................11
2.4.2 移动机器入的局部路径规划...............................................................................12
2.5 移动机器人运动学模型 ...............................................................................................13
2.6 移动机器人航迹推算 ...................................................................................................15
2.7 本章小结 .......................................................................................................................16
第三章 移动机器人系统设计 ...............................................................................................18
3.1 控制系统硬件结构 .......................................................................................................18
3.2 单片机的最小系统电路 ...............................................................................................20
3.3 步进电机驱动单元 .......................................................................................................22
3.5 本章小结 .......................................................................................................................28
第四章 算法优化及实验 .......................................................................................................29
4.1 速度调节 .......................................................................................................................29
4.2 平面运动速度 ...............................................................................................................30
4.3 上下位机的数据传输实验 ..........................................................................................31
4.4 机器人运动仿真 ..........................................................................................................32
4.4.1 MATLAB 编程 .........................................................................................................32
4.4.2 运行结果 ................................................................................................................33
4.5 本章小结 .......................................................................................................................37
第五章 结束语 .......................................................................................................................38
5.1 总结...............................................................................................................................38
参考文献 .................................................................................................................................39
致谢.........................................................................................................................................42
第一章 绪论
1.1 题目的来源及研究意义
移动机器人技术是机器人学中的一个重要分支,它的研究始于二十世纪六十
年代,以斯坦福大学研制的自主移动式机器人 SHAKEY 为标志,其主要目标是
研究在复杂环境下机器人系统的实时控制问题,涉及到任务规划、运动规划与导
航、目标识别与定位、机器视觉、多传感器信息处理与融合以及系统集成等多项
关键技术。
移动机器人可以作为研究其它领域如人工智能等的平台,同时移动机器人的
研究也提出了许多新的、挑战性的理论与工程技术课题,引起了越来越多的专家
学者和工程技术人员的兴趣。与任何一门现代技术分支一样,移动机器人研究的
兴起一方面是社会生产发展的需要,另一方面也是相关技术领域交叉互相促进发
展的结果。信息技术、人工智能技术、计算机以及机械电子技术的发展大大推动
了在移动机器人研究领域向纵深方向延伸。其中一个最直接的因素是计算机技术
的发展。计算机运算速度和存储能力的大幅度提高,为移动机器人运行更复杂的
实时控制算法创造了条件;另外计算机科学出现了一系列诸如人工智能、专家系
统等新兴技术分支学科,这些学科为移动机器人在未知或动态环境下的实时导航
开辟道路。移动机器人技术己经成为众多高新技术的产物,同时也为其它技术的
发展提供了广阔的应用场所。
随着机器人技术的不断发展,移动机器人的应用范围不断拓展,功能不断提
高,不仅在工业、国防、服务等行业中得到广泛的应用,而且在野外作业以及在
有害、危险环境作业中的应用也得到世界各国的高度重视。目前,由于移动机器
人具有更大的使用灵活性已使其成为机器人技术研究的一个热点。
机器人是一个集环境感知,动态决策与规划,行为控制与执行等多功能于一
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