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室内自主机器人的实时避障与导航系统的设计与实现.doc
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室内自主机器人的实时避障与导航系统的设计与实现.doc
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摘 要
本文根据 ABU2007 机器人大赛的规则要求,对机器人的控制系统和调试方
法做了比较深入的探索,并实际完成了所有机器人的软件控制系统。机器人采用
了 TI 公司的 TMS320LF2407A 作为核心控制器,使用 EP1C3T144C8 作为外设控
制器,很好地解放了核心对外设的接口控制,使得 DSP 能够更加高效地用于定
位计算。本文成功解决了机器人导航过程中的定位、累计误差修正、路径规划以
及避障等问题,使其运动多线多样化,提高了机器人的灵活性和可靠性。另外,
本文在机器系统中引入了无线调试系统,使得机器人在运行过程中的各种信息变
的可控可观测,极大地加快 了系统的调试进度。同时,调试系统的 PC 端程序可
以生成机器人的路线代码,使得机器人策略路线的制定更加方便可靠。整个机器
人系统在经过长时间的实地测试与改进后,基本达到了设计要求,为本次成功参
赛垫定了坚实基础,也为以后机器人控制系统的设计积累了十分宝贵的经验。
关键词:机器人,定位,路径规划,避障,无线调试,DSP
Design and Implementation of Real-Time Navigation and
Obstruction Avoidance for Indoor Autonomic Mobile Robot
Abstract
In this page, we have made a deep research about the robot control system and
the debug method according to the subject and rule of the ABU2007 contest, then we
finished the software control system of all the robots. The system use TI’s product
TMS320LF2407A to be the core controller, and the FPAG EP1C3T144C8 as the
assistant controller, which works very well to make the DSP computes more
effectively. This page resolves the localization, correcting of accumulative total error,
path plan and avoiding the obstruction successfully, which makes the robots have
more path to move, and improves the moving agility and reliability of the robots.
Additionally, we developed a wireless debug system, so that we have a real-time
program to watch the trace and parameters that we are interested in. We can change
the important parameters of the robots and set the path by the real-time control
program. The hole system has been tested and improved for a long time. It reach the
design goal basically, so that we can join the contest successfully, and also gives
much important experience to the following design.
Keywords: localization, path plan, obstruction avoidance, wireless debug, DSP
目录
1 绪论.........................................................................................................................1
1.1 室内自主机器人导航与壁障系统的发展现状 ..........................................1
1.2 ABU 大学生机器人电视大赛背景资料.....................................................1
1.3 赛事现状和技术概况 ..................................................................................2
2 课题背景.................................................................................................................3
2.1 比赛场地介绍 ..............................................................................................3
2.2 机器人 ..........................................................................................................4
2.3 积分规则 ......................................................................................................4
2.4 方案总体 ......................................................................................................4
2.5 具体方案 ......................................................................................................5
3 机器人控制电路分析与设计.................................................................................7
3.1 硬件选型 ......................................................................................................7
3.2 地址映射 ......................................................................................................7
3.3 FPGA 外设控制器 .......................................................................................8
3.4 电机驱动 ......................................................................................................8
3.5 印刷电路板 ................................................................................................10
4 机器人控制软件分析与设计...............................................................................13
4.1 定位方式介绍 ............................................................................................13
4.2 机器人定位系统 ........................................................................................15
4.3 机器人导航算法 ........................................................................................19
4.4 机器人避障策略 ........................................................................................20
4.5 路径规划算法 ............................................................................................21
4.6 超时处理 ....................................................................................................24
4.7 软件系统 ....................................................................................................25
5 无线调试系统.......................................................................................................27
5.1 无线串口收发器 ........................................................................................27
5.2 串口通讯协议 ............................................................................................27
5.3 PC 端控制程序 ..........................................................................................28
6 总结.......................................................................................................................30
致谢..............................................................................................................................32
参考文献......................................................................................................................33
附录..............................................................................................................................34
附录一:机器人实物图.......................................................................................34
1 绪论
机器人是一类能够自动完成某项功能的机械系统,机器人通过传感器和执行
机构与外界进行信息物理和交互,处理器负责处理传感器采集来的信息并将相应
的控制命令送给执行机构执行。机器人因其对环境的强适应性,使得他在很多领
域取代了人的劳动,将人从繁重、危险的环境中解放出来。机器人广泛应用于工
业生产、科学研究、危险品处理乃至国防领域
[1]
。机器人也是各国科学研究的一
个重要方向,它综合了精密机械制造、微电子电路、自动控制理论、传感器技术、
仿生学、人工智能等多门基础及新兴学科。从某种意义上讲,机器人技术水平的
高低,可以体现一个国家的综合科学技术水平。
1.1 室内自主机器人导航与壁障系统的发展现状
在机器人技术中的一个关键的目标就是让自动机器人能够在室内环境下完
成一系列的工作。为了达到这个目标,机器人必须能够感知周围的环境以及获得
它自己的定位信息
[2]
。
为了让机器人能够得到比较准确到达目标点,起到一定的导航效果,一般的
方法有寻线,视觉,惯性导航,编码器等
[3]
。这些方各有优劣,本文在第 4 章中
对其进行的详细的分析,并深入地研究了使用编码器的定位方式,在原有基础上
做出了很大的改进。
同时,为了使机器人具有感知环境的能力,一般在机器人身上安装了许多传
感器,如摄像头,编码器,光学测距仪,超声速信标,超声波传感器等
[4]
。而如
何将这些传感器信息很好地融合在一起,并处理好传感器所表现出来的不准确信
息,是研究的热点
[5]
。
1.2 ABU 大学生机器人电视大赛背景资料
全国大学生机器人电视大赛从 2002 年第一次举办至今,已经有 6 个年头了。
我们学校从 2004 年开始,已经成功参加了三届比赛。全国大学生机器人电视大
赛由中央电视台举办,该大赛也被称为“亚广联亚太地区机器人大赛”(ABU
ROBOCON)中国赛区的预选赛。“亚广联亚太地区机器人大赛”是由亚洲广播联
盟(Asia Broadcast Union)节目部发起倡导的,并于 1999 年在亚广联年会上正
式通过了该项目的提案。ABU ROBOCON 机器人大赛是一种借助得分机制而分
出胜负的机器人间接对抗型比赛,需要双方的机器人有智能较高的自动控制性能
和可靠的机械控制性能同时作为保证,才能在短短 3 分钟的比赛时间之内成功完
成比赛任务。接近 1 年的准备时间对每个学校的机器人设计者是一次严峻的考验,
也是工作能力提升的大好机会。
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