外文翻译--一种全方位移动机器人的控制设计 中文版.doc

小议一种全方位移动机器人的控制设计来源:中国硕士论文网-www.masterlw.com移动机器人的研究是机器人学中的一个重要分支，正朝着高速、高精度、开放性、智能化、网络化快速发展。移动机器人要实现高速、高精度的控制，必须依赖先进的控制策略和优良的运动控制系统。本文所述机器人基于Robocup足球机器人这个平台，采用TMS3202812作为机器人微处理器，采用模糊PID控制算法控制PWM波的占空比，以实现在动态环境下快速准确到达目标点的功能。轮式移动机器人由于结构简单、移动能力强，得到了广泛的应用。按照移动特性可分为非全方位和全方位两种。机器人在平面上的移动存在前后、左右和自转3个自由度的运动，若所具有的自由度少于3个，则为非全方位移动机器人，如文献介绍的两轮差动移动机器人，可以前进、拐弯而不能横向移动。若具有完全的3个自由度，则称为全方位移动机器人，可实现在平面上任意方向的移动，并且可在作直线运动的同时进行旋转运动，因而极大地提高了运动的灵活性。基于以上分析，全方位移动的轮式移动机器人成为足球机器人Robocup平台的最佳选择。相关阅读：计算机硕士论文1.机器人运动模型机器人能够全方位运动关键在于全方位轮的使用，全方位轮有效避免了普通轮子不能侧滑带来的非完整性约束，可以使机器人具有平面运动的全部3个自由度。本文所述全方位移动机器人采用三轮结构。当仅考虑平移运动，把机器人整体视为一个刚体，各部分的速度都是相等的，从而轮子中心的速度即为机器人的速度V，第i个轮子中心的速度由轮毂与辊子的速度分量Vli和Vgi合成。综上可以得出结论当机器人安装有三个全方位轮且轮子与mx轴成不同的角度排列时，对于机器人任意的期望速度矢量v,都有满足要求的全方位轮线速度矢量m，从而机器人可以实现全方位运动。2.运动控制器设计针对目前所开发的移动机器人控制系统大多存在运动精度不高、系统稳定性不好等缺点，本文设计的移动机器人控制系统，采用了TI公司最新推出的一种高性能、高精度，应用于工业控制、光网络、光通信等领域的32位TMS320F2812为主控芯片。本控制系统主要包括：DSP控制器模块、电源模块、直流电机驱动模块、串口通信模块、速度和电流反馈模块等。其中速度和电流反馈模块实现了对电机的双闭环反馈。本系统使用外部基准晶体与片内锁相环为CPU提供输入时钟信号，晶振频率为30MHZ，经PLL，4倍频后达到120MHZ的处理速度，它具有时钟精度高、稳定性好、处理能力快等特点。DSP发出三组六路独立的PWM信号对电机进行控制，DSP与上位机之间通过串行通信接口SCI进行通讯，传输上位机指令、反馈速度信号及传感器数据。在设计中，为了简化电路，常采用集成有桥式电路的电机专用驱动芯片，如L298、LMD18200、L6206PD，性能比较稳定可靠。L6206PD是拥有两个相互独立的桥式电路的驱动芯片。其单桥持续电流可达2.8A，容许两路并联输出（持续电流可达5.6A）。由于本设计中所选用电机，最大电流可达5A，因此最终选用了工作电流较大的L6206PD作为驱动芯片。系统采用PWM调速，通过改变PWM的占空比实现对电机速度的控制。3.系统软件设计该控制系统软件部分主要包括系统初始化模块、串行中断服务模块、外部中断处理模块、定时器中断处理模块、模糊PID控制控制模块五大模块组成。各程序模块又由多个子程序模块组成。系统初始化模块完成系统寄存器的设置和变量的初始化工作；外部中断处理模块根据根据编码器检测的信号，进行辨向和脉冲计数；定时器中断处理模块根据检测到的脉冲数、电流等信息进行速度控制、位置控制和电流控制；串行中断服务模块根据上位机指令所给的信息完成DSP和上位机的通讯。4.控制算法PID控制器具有通用性强与鲁棒性好的优点，在已有的各种控制手段中，它仍占有重要地位，具有很强的生命力。常规PID控制可以在一定程度上获得满意的响应特性，但由于系统参数固定，对于不同对象或同一对象的不同控制阶段，很难取得最佳响应，对环境的变化及系统中的不确定性也很难适应。本文所设计的模糊PID控制器，亦可称为模糊自适应PID控制器，是以模糊控制规则来实时调节PID参数的一种自适应控制系统。这种控制器是由一个线性的PID控制器和一个模糊推理机所组成，其中模糊推理机是以PID参数调整地专家经验知识为基础的。对于模糊控制器，从理论上讲，维数越高，控制越精细；但是，维数过高时，模糊控制规则就会变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。结合轮式移动机器人的实际情况，本文采用二维模糊控制器，以误差e和误差变化率e为输入变量，以所控PID参数的选取系数作为输出变量。本文将输入变量模糊化为为负大（NB）、负小（NS）、零（ZE）、正小（PS）和正大（PB）五个等级，将输出变量模糊化为正大（PB）、正小（PS）和零（ZE）三个等级。为保证电机的可靠运行，同时使计算简单，采用三角函数作为模糊控制器输入集合和输出集合的隶属度函数。PID三个参数选取的模糊规则的确定则主要根据其对控制性能的影响。由模糊控制规则求得KP、KI、KD三者的模糊值后，便可根据隶属函数求得具体的PID系数，用于PID控制。5.应用和结论该设计足球机器人参加了08江苏省以及在中山举办的Robocup机器人大赛，在实际比赛中发挥了良好的水平。本文基于合理的理论假设，分析了机器人的运动模型，介绍了基于DSP控制器的足球机器人运动控制的实现，并通过实际应用证明了设计的有效性和实用性。这种机器人运动控制的实现方法对全方位移动机器人有一定的普适性。因采用编码器进行电机的位置判别和对位置闭环控制的实现比较困难，今后可加入位置传感器，实现对机器人的精确位置控制。