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ARM的移动机器人运动控制研究

本文共计69页，30733字；
本文为硕士论文

摘 要
移动机器人是机器人研究领域的一个重要分支，而移动机器人的运动控制则是整个机器人系统的核心部分，对机器人的平稳运行起着至关重要的作用。随着新的智能控制算法的不断涌现，移动机器人正向着智能化方向发展，这就对运动控制系统性能提出了更高的要求。
本文首先建立了三轮轮式移动机器人的运动学模型和运动学模型。基于该模型，推算出了机器人的航位，然后按照控制系统的要求，选择高性能ARM微处理器LPC2114作为核心进行底层运动控制系统的设计。硬件部分，按照模块化的思想，主要设计了以LPC2114为核的最小系统和直流电机驱动模块；软件部分，在硬件平台基础上编制了各个模块的软件程序，给出了各模块的程序框图，并且经过比较最终选择积分分离PI控制算法进行速度闭环控制，实验曲线表明控制效果良好。
文章最后，还针对机器人底层运动控制的重要问题¬¬---轨迹跟踪，进行了深入的分析和研究。首先根据轨迹跟踪控制原理设计了一种非线性反馈跟踪控制器，然后针对这种控制器的不足，设计了全局渐近跟踪控制器，并给出了仿真曲线。
论文的特色之处在于将低功耗、高性能的嵌入式微处理器与控制算法相结合应用到了机器人控制领域，简化了系统设计，改善了机器人控制效果。


关键字：移动机器人， 运动控制，ARM，轨迹跟踪
Abstract
The research of Mobile robot is an important branch in the field of robot, in the main time, control of Mobile robot is the core part of the entire robot system, which effects the stabilization of the robot evidently. With the emergence of new intelligent control algorithms, the Mobile robot is developing in the intellectualized direction, which requires the move-
ment control system to possess more advanced capacity.
目 录
1 绪论 1
1.1机器人概述 1
1.1.1移动机器人的关键技术 1
1.1.2 国内外移动机器人发展状况 3
1.2嵌入式系统发展情况 4
1.3嵌入式系统在机器人方面的应用 4
1.4基于ARM的移动机器人底层控制思想 5
1.5本论文主要内容及其安排 5
1.6本章小结 6
2 双轮驱动移动机器人建模 7
2.1移动机器人的运动结构 7
2.2 移动机器人运动学模型 8
2.3移动机器人航位推算 10
2.4机器人动力学模型 14
2.5本章小结 15
3 移动机器人底层控制系统硬件设计 16
3.1移动机器人控制系统概述 16
3.2微处理器选型 17
3.3 ARM最小系统电路设计 19
3.3.1 电源电路设计 19
3.3.2 复位电路设计 20
3.3.3 时钟电路设计 21
3.3.4 JTAG调试电路 22
3.3.5 串口通信电平转换电路 23
3.4电机驱动模块 23
3.4.1 驱动电机选型 23
3.4.2 PWM调速原理 24
3.4.3 L298原理及控制 27
3.4.4 光电隔离电路 28
3.4.5 电机驱动电路 29
3.5测速模块 30
3.6硬件的可靠性设计 31
3.7本章小结 32
4底层控制系统软件设计 33
4.1底层控制系统总体设计 33
4.1.1初始化模块 33
4.1.2 运行模块 34
4.2 运行模块设计 35
4.2.1测速模块 35
4.2.2 PID控制 38
4.2.3 电机驱动模块 42
4.3实验效果 43
4.4 本章小结 44
5移动机器人轨迹跟踪控制研究 45
5.1轨迹跟踪控制概述 45
5.2轨迹跟踪控制定义 46
5.3非线性状态反馈跟踪控制分析与设计 47
5.3.1非线性状态反馈控制器设计 47
5.3.2仿真实验分析 48
5.4全局渐近跟踪控制分析与设计 53
5.5本章小结 56
6总结与展望 57
致　谢 59


部分参考文献
[1]王宏,艾海舟. 移动机器人体系结构与系统设计. 机器人,1993,15(1):49-54.
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