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基于ARM的嵌入式系统在竞赛机器人设计方案.docx
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基于 ARM 的嵌入式系统在竞赛机器人设计方案
第 1 章 绪论
人们对机器人的幻想与追求已有 3000 多年的历史。当时人类总希望制造一
种像人一样的机器,以便代替人类完成各种工作。西周时期,我国的能工巧匠偃
师就研制出了能歌善舞的伶人,这是我国最早记载的机器人。公元前 2 世纪,亚
历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人——自动机,它是以水、空气和蒸
汽压力为动力的会动的雕像,它可以自己开门,还可以借助蒸汽唱歌。随着现代
工业文明的发展,那么按现代的定义究竟什么是机器人呢?
1987 年国际标准化组织(ISO)对工业机器人进行了定义:“工业机器人是一
种具有自动控制的操作和移动功能,能完成各种作业的可编程操作机”。
1988 年法国的埃斯皮奥将机器人定义为:“机器人是指能根据传感器信息实
现预先规划好的作业系统”。
我国科学家对机器人的定义是:“机器人是一种自动化的机器,所不同的是
这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力,如感知能力、规划能力、动作能
力和协同能力,是一种具有高度灵活性的自动化机器”。
前中国工程院院长宋健指出:“机器人学的进步和应用是 20 世纪自动控制最
有说服力的成就,是当代最高意义上的自动化”。机器人技术综合了多学科的发
展成果,代表了高技术的发展前沿,它在人类生活应用领域的不断扩大,正引起
国际上重新认识机器人技术的作用和影响。
机器人是一种通过编程,可以自动完成一定操作或移动作业的机械装置。或
者更确切地说,有像人的上肢那样高度灵活,能做复杂动作的机械。有视觉、听
觉等感觉功能,有识别功能、能行动的装置。
1.1 国外机器人发展状况
当今世界各国以高新技术为代表的综合国力的竞争日趋激烈。随着机器人的
发展诞生了一门跨多学科、综合性技术很强的学科——机器人学,它广泛涉及自
动控制、计算机、电子技术、通讯、新材料、传感器、人工智能和机械工程等学
科技术,特别是新一代计算机芯片处理速度的飞跃和人工智能技术的发展为机器

人技术的发展提供了强劲动力。现代机器人的研究始于 20 世纪中期,其技术背
景就是计算机和自动化的发展以及原子能的开发利用。
随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展,使机器人在功能和技术层次上
有了很大的提高,移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由
于这些技术的发展,推动了机器人概念的延伸。80年代,将具有感觉、思考、决
策和动作能力的系统称为智能机器人,这是一个概括的、含义广泛的概念。这一
概念不但指导了机器人技术的研究和应用,而且又赋予了机器人技术向深度和广
度发展的巨大空间,水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小
型机器人等各种用途的机器人相继问世,许多梦想成为了现实。将机器人的技术
(如传感技术、智能技术、控制技术等)扩散和渗透到各个领域形成了各式各样
的新机器——机器人化机器。当前与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器
人”、“网络机器人”等名称,这也说明了机器人所具有的创新活力。
竞赛机器人作为机器人的一个重要分支越来越受到世界各国的重视。它一般
以某个竞赛主题为背景,通过发挥参赛者各种智慧和知识,设计制作出具有一定
功能和一定对抗能力的机器人。举办这样的活动可以增强国民对机器人的了解,
提高青少年的创新和动手能力。正因为如此,大凡机器人发展得比较好的国家都
要举办一些类似的全国性的比赛。
1.2 竞赛的主题和规则
总结以前比赛的经验以及参赛要求,增强系统的通用性、可移植性和可扩展
性,设计目标是开发一套基于 ARM 的高性能的嵌入式机器人控制系统。
机器人大赛比赛场地如图1和图2所示。马来西亚的88层、高452米的
PETRONAS 双子塔楼(KLCC)是当今世界上最高的双子塔,是吉隆坡市政中心最著
名的标志性建筑。大赛的主题是比赛双方各自以一组机器人搬运聚苯乙烯积木模
仿建造双子塔及其周边建筑。
比赛中每个队需要设计制作一个手动机器人和至少一个自动机器人。手动机
器人由一名参赛队员手动操作手动机器人在外围手动区将外围的积木搬到己方
的主塔上,每放上一个积木得1分;自动机器人预装好积木后从自动启动区(图中
四方格)出发将积木按自己策略通过规定的运动区域和自己选择的路径放置到场
地中间的三个柱子(桥墩)上,边上的两个桥墩上每放一个积木得2分,最中间

的桥墩上每放一个积木得3分。首先建成本队所属的双塔之一和两个“天桥”桥
墩的参赛队,则实现了“竣工”,将获得胜利。如果在计时3分钟时间到而双方
没有队伍完成“竣工”,则比较双方各自所得分数束判定胜负。赛场地面用2mm
厚的聚乙烯片(PVC地板革)铺设。
图 1 场地投影图
图 2 场地平面图

1.3 课题的研究容及主要工作
机器人技术是一门跨多门学科的高新技术,研究和发展机器人技术可以推动
我国传统产业的改造和高新技术产业化的进程。机器人技术的核心是控制工程技
术。本次课程设计论文出发点是在吸取以往机器人大赛经验的基础上,设计开发
一套基于 LPC2131 的参赛机器人的嵌入式控制系统。
传统的参赛机器人控制平台都是基于8位或16位的C51系列单片机,为了提高
系统的高速实时性、可扩展性和可移植性,本次课程设计论文目标是在基于 ARM
的32位微处理器平台上设计制作的机器人能实现位置和姿态控制,并将其应用于
机器人路径引导,使机器人能在静止场景中实时高速完成预先选定的目标任务。
本次课程设计论文的研究容是:嵌入式的控制平台要能成功移植;系统具有
多路信号的采集、存储、处理和识别能力,并且接口要丰富,便于裁减和扩展;
软件应能实现预定的动作功能;能耗要低,电源容量要小;系统不仅对外界而且
对自身信号环境要具有一定的抗干扰能力。
本次课程设计论文的主要工作有以下几个方面:
(1)采用低功耗、高性能的嵌入式 ARM7TDMI-S 32位处理器作为核心代替以
前常用的C51系列单片机及多 CPU 控制,为参赛机器人设计支持实时仿真调试的
控制系统。。
(2)对系统的任务模块进行了规划,完成了行走驱动、工作提升、排障对抗
三大功能子系统的设计。
(3)设计控制流程,实现对各功能子系统的控制调度管理。系统硬件结构设
计主要包括有:电机的选择与控制;I/O信号隔离转换模块;位置及方向反馈模
块;机构运动控制电路;供电电源模块等。
(4)设计传感器接口和信号接口,如光电检测、行程开关、红外线等,使机
器人能够实时感知赛场上的位置和状态要素,并通过这些接口与其他控制单元构
成闭环控制系统。
(5)采用多传感器对机器人协调控制并设计相应的控制算法,对机器人的直
线纠偏和转弯算法进行重点研究。
(6)设计制作机器人机构,绘制制作控制系统的 PCB 原理图和电路板,对硬
件电路和软件进行调试。

第 2 章 基于 ARM 的嵌入式系统
计算机是应数值计算的要求而诞生的。在计算机发展的早期,电子计算机技
术一直是沿着满足高速数值计算的道路发展的。直到20世纪70年代,计算机在数
值计算、逻辑运算与推理、信息处理以及实际控制方面表现出非凡能力后,人们
对计算机在通信、测控和数据传输等领域给予更大的期望。这些领域的应用主要
是直接面向控制对象,控制系统嵌入到具体的应用体中而不以计算机的面貌出
现,能在现场可靠地运行,体积小,应用灵活,突出控制功能,特别是对外部信
息的捕捉与丰富的I/O功能等。从此可以看出,满足这些要求的计算机系统与满
足高速数值计算的计算机是不可兼得的。
2.1 嵌入式系统
通常把满足海量高速数值计算的计算机称为通用计算机系统;而把面向测控
对象,嵌入到实际应用系统中,实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系
统,简称嵌入式系统(Embedded System)。IEEE(国际电气和电子工程师协会)对
嵌入式系统的定义为:嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备
的装置"。从总体来说,通用计算机系统主要用于数值计算、信息处理,兼顾控
制功能;而嵌入式计算机系统主要用于控制领域,兼顾数据处理。在一个综合系
统中,会出现通用计算机系统与嵌入式计算机系统的结合,各自扮演不同的角色,
共同完成系统任务。
国对嵌入式系统普遍认同的定义为:以应用为中心、以计算机技术为基础、
软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的
专用计算机系统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和
各个行业的具体应用相结合后的产物。
2.1.1 嵌入式系统的组成
一个典型的嵌入式系统主要由四个部分组成:嵌入式处理器/微处理器、外
围硬件设备、嵌入式操作系统以及应用软件系统,如图3所示,其中的嵌入式微
处理器和外围硬件设备称为硬件部分,嵌入式操作系统和应用软件属于软件部
分。在实际应用中由操作系统控制应用软件与硬件的交互,由应用软件控制系统
的运作和行为。
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