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四足机器人控制系统设计及其仿真.doc
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四足机器人控制系统设计及其仿真.doc
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摘 要
本次设计课题为基于 STM32单片机的优秀性能对四足机器人进行控制系统设计与编程,设计中
STM32单片机是核心部分。目的是一个能将目的动作通过 STM32单片机作为控制系统将编写代码转输
出为电信号,再由这些电信号对四足机器人上的配电板连接的电机进行控制,由此达到机械腿上的电
机能按照预定工作时间段进行工作,驱使连接四足机器人腿上的连轴杆正常转动。连接连轴杆上的电
调驱动机械腿上的电机按照规定转动相应角度,达到机械腿按目标轨迹行走的目的。与 STM32单片机
相连的还有陀螺仪,陀螺仪会根据自身内部的三个定位基准轴对四足机器人自身目前与水平定位偏差
进行反馈,它反馈给单片机后再由控制系统对相应电机进行调节达到修补偏差的目的。
关键字:腿式机器人、STM32 单片机、电调、陀螺仪;
2
Design and Simulation of the Control System of Quadruped Robot
Abstract
This design project is based on the excellent performance of the STM32 microcontroller to design and
program the control system of the quadruped robot. The STM32 microcontroller is the core part in the design.
The purpose is to be able to use the STM32 microcontroller as a control system to convert the written code
into electrical signals, and then use these electrical signals to control the motor connected to the power
distribution board on the quadruped robot, thereby reaching the motor on the mechanical leg It can work
according to the predetermined working time period, and drive the connecting rod on the leg of the
quadruped robot to rotate normally. The ESC connected to the connecting rod drives the motor on the
mechanical leg to rotate the corresponding angle according to the regulations to achieve the purpose of the
mechanical leg walking according to the target trajectory. There is also a gyroscope connected to the STM32
single-chip microcomputer. The gyroscope will feedback the current positioning deviation of the quadruped
robot according to its three internal positioning reference axes. After the feedback to the single-chip
microcomputer, the control system will adjust the corresponding motor The purpose of patching deviations.
Keywords: Leg robot, STM32 microcontroller, ESC, gyroscope;
目 录
1 机器人控制系统概述.......................................................................................................................................1
1.1 机器人控制系统研究的背景 ............................................................................................................................1
1.1.1 机器人控制系统的特点 ................................................................................................................................2
1.2 基于单片机四足机器人控制系统的优点......................................................................................................2
1.2.1 基于单片机机器人控制系统的优点..........................................................................................................2
1.2.2 基于单片机机器人控制系统的缺点..........................................................................................................3
2 基于 STM32 单片机四足机器人控制系统研发的可行性..........................................................................4
2.1 价格低廉.................................................................................................................................................................4
2.2 方便安装.................................................................................................................................................................4
2.3 市场性......................................................................................................................................................................4
2.4 研究分析.................................................................................................................................................................4
2.4.1 基本思路............................................................................................................................................................4
2.4.2 技术路线............................................................................................................................................................4
2.4.3 设计方案............................................................................................................................................................5
3 四足机器人控制系统分析 ..............................................................................................................................6
3.1 单片机简介 ............................................................................................................................................................6
3.1.1 单片机分类 .......................................................................................................................................................6
3.1.2 STM32F407 简介.............................................................................................................................................6
3.2 KEIL 简介 .......................................................................................................................................................................7
3.3 PROTEUS 简介 ...............................................................................................................................................................8
4 基于 STM32 单片机的四足机器人控制系统的硬件设计..........................................................................9
4.1 主要电路结构........................................................................................................................................................9
4.1.1 电源.....................................................................................................................................................................9
4.1.2 分电板 ................................................................................................................................................................9
4.1.3 陀螺仪..............................................................................................................................................................10
4.1.4 电调 ..................................................................................................................................................................10
4.1.5 电机 ..................................................................................................................................................................11
5 程序部分编程.................................................................................................................................................12
5.1 遥控接收处理函数 ............................................................................................................................................13
5.2 电机与陀螺仪数据接收发送函数.................................................................................................................16
5.3 姿态控制...............................................................................................................................................................18
5.4 步行步态...............................................................................................................................................................21
5.5 停下........................................................................................................................................................................21
5.6 原地跳跃...............................................................................................................................................................22
6 使用 PROTEUS 进行系统的调试.................................................................................................................23
6.1 仿真的注意事项.................................................................................................................................................23
6.2 KEIL 与 PROTEUS 联调 ...............................................................................................................................................24
6.3 调试方法...............................................................................................................................................................24
7 结 论 .............................................................................................................................................................25
参考文献...................................................................................................................................................................26
附录 1........................................................................................................................................................................28
附录 2........................................................................................................................................................................31
附录 3........................................................................................................................................................................38
附录 4........................................................................................................................................................................53
附录 5........................................................................................................................................................................56
致 谢.......................................................................................................................................................................58
北京理工大学珠海学院 2020 届本科生毕业设计
1
1 机器人控制系统概述
1.1 机器人控制系统研究的背景
国内外研究现状和发展趋势:随着机器人技术的发展,机器人应用领域的不断扩大,对机器人
的性能提出了更高的要求,因此,如何有效地将其他领域(如图像处理、声音识别、最优控制人工
智能等)的研究成果应用到机器人控制系统的实时操作中,是一项富有挑战性的研究工作。而具有
开放式结构的模块化、标准化机器人,其控制系统的研究无疑对提高机器人性能和自主能力,推动
机器人技术的发展具有重大意义。
图 1-1 四足机器人
随着机器人控制技术的发展,针对结构封闭的机器人控制器的缺陷,开发“具有开放式结构的
模块化、标准化机器人控制器”是当前机器人控制器的一个发展方向。近几年,日本、美国和欧洲
一些国家都在开发具有开放式结构的机器人控制器,如日本安川公司基于 PC 开发的具有开放式结
构、网络功能的机器人控制器。我国863计划智能机器人主题也已对这方面的研究立项。
由于适用于机器人控制的软、硬件种类繁多和现代技术的飞速发展,开发一个结构完全开放的
标准化机器人控制器存在一定困难,但应用现有技术,如工业 PC 良好的开放性、安全性和互联网
相同性,标准的实时多任务操作系统,标准的总线结构,标准接口等,打破现有机器人控制结构封
闭的局面,开发结构开放性、功能模块化的标准机器人控制器是完全可行的。
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南抖北快东卫
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