轮式移动机器人运动控制系统研究与设计.pdf

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西安电子科技大学硕士学位论文轮式移动机器人运动控制系统研究与设计姓名：

赵世强申请学位级别：

硕士专业：

机械电子工程指导教师：

牛海军20090101摘要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AbstractAsanimportantbranchsubjectofrobotics，themotioncontrollertechnologyofmobilerobothasalonghistoryandwillbewidelyusedinthefuture，BasedOnreferringtoagreatdealoftheinformationandtheresearchofthetechnologyanddevelopmentofmobilerobotavailable，atwowheeldifferentialdrivingmobilerobotwasdesignedintheworkpresentedhereTheidentityoflocationandpositionisafundamentalproblemofthemotioncontrollersystemofmobilerobot。

Inthispaper，basedOntheresearchoftwowheeldifferentialdrivingmobileSmotiveequation，acompactandpracticablyequationwasinducedThismethodCallbeusedinahi曲performancemicrocontrollertoperformrealtimecalculationandwinshowitsefficientadvantageThemotionabilltyofawheeledmobilerobotiSdeterminedbyitsmotioncontrollersystemBasedontheutilizationofaPCandaslavermicrocomputer，acontrolsystemforawheeledmobilerobotwithtwosteppingmotorsisdesignedandimplementedThecontrolsystemisabletocontroltheturningandspeedofthetwomotorsbyinterpolationtechniqueThesourcemotioncontrolprogramiswrittenwiththesemotionfunctionsonPCanditiscompliedtoobjectcodeThecodeistransmittedtoRAMofmicrocontrollerthroughserialportofPCThemicrocontrollerhastwomainfunctionsThefirstiSreceivingdataorinstructionsfromPCThesecondisexecutingtheinstructionsThestepmotorCanbecontrolledbySTC89LE52withitsoutputmodule，ThiskindofmotioncontrollerhasthefeaturesoflowercostandpowerfulfunctionSoithaswideapplicationprospect，Keyword：

MotioncontrolCoursecalculationInterpolatingSteppingmotorMicrocontroller西安电子科技大学学位论文独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。

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日期西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：

研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。

学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。

同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。

（保密的论文在解密后遵守此规定）本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。

本人签名：

导师签名：

第一章绪论第一章绪论11题目的来源及研究意义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体的综合系统，它集中了传感器技术，机械工程，电子工程，计算机工程，自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。

随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业，农业，国防，医疗，服务等行业中得到广泛的应用，而且在排雷，搜捕，救援，辐射和空间领域等有害与危险场合得到很好的应用。

因此，机器人技术的研究和发展受到了越来越多的重视。

移动机器人是一个对外界环境高度开放的智能系统，能够在执行预先给定的任务指令的同时，根据行进中不断感知到的周围局部环境信息，自主地做出各种决策，自动避开障碍物，引导自身安全地行使到指定的目标位置。

这对解决工业中危险地区的标本采集和故障处理等问题有着实际的指导意义。

移动机器人控制技术是当今自动化领域技术发展的热点之一，受到了各方面的关注。

社会经济的飞速发展和各个行业对自动化程度要求的提高，都极大地推动了机器入技术的发展。

机器人的关键技术是机器人的控制。

为了控制各种机器人的动作，国内外已经研究了多种控制算法。

轮式移动机器人（WheeledMobileRobot以下简称WMR）的发展正处于快速成长的阶段。

由于具有较强的活动能力，良好的稳定性等特点，在工业，农业，国防等各个领域得到了广泛的应用，如WMR在办公机器人、仓储搬运、危险物处理、医疗保健、军用和特种机器人等领域的广泛应用前景，文献【1-7为国内外许多专家学者对轮式移动机器人进行了系统深入的研究。

由于移动机器入应用领域和范围的不断扩展，使机器人技术面临的新需求和新问题层出不穷。

移动机器人视觉导航系统具有探测信号范围宽，获取信息完整等优点，是未来移动机器人的一个主要发展方向，但同时存在目标和背景难以区分的难点。

为了将障碍物与背景分开，所需的图像计算量很大，导致系统的实时性较差。

目前移动机器人多采用双目视觉系统，机器人根据CCD像机对周围环境实时探测所获得的信息，规划出所需路径，并沿着该路径在没有人工干预的情况下，移动到预定目标，这种基于视觉导航的方式在交通运输，自动化仓库，柔性生产线的运料小车等方面己取得了较好的应用。

移动机器人运动控制算法主要是PID控制算法和模糊逻辑控制算法。

由于PID控制在实际系统中存在控制参数难以调整、模糊控制存在难以建立完善的推理规则等问题，移动机器人运动控制算法有待进一步发展。

2轮式移动机器人运动控制系统研究与设计尽管这几年来DSP（DigitalSignalProcessor）技术和FPGA（FieldProgrammableGateArray）芯片技术得到高速发展，但是近年来高性能的单片机也在不断推出，再加上用单片机开发产品的技术非常成熟，开发工具丰富且功能强大，开发成本相对低廉，这使传统的以单片机作为基础的运动控