一种具有新颖结构的自平衡、抗倾倒、单轴、双轮机器人的研制

摘要

本文根据北京邮电大学自动化学院研制的球形机器人运动学原理，提出了一种新颖的具有自平衡、抗倾倒的双轮、单轴、差动轮式结构的移动机器人。主要工作包括： 首先，分析了国内外移动机器人特别是新型移动机器人和双轮机器人的发展趋势；提出了双轮机器人的驱动原理和构型设计；其次，给出了双轮机器人的运动学和简化动力学算法。在运动学和动力学算法的基础上研制了双轮机器人原理样机一台。并完成了其硬件和软件控制系统的设计。采用模糊PID算法控制电机运动，上位机与控制端之间的通信采用无线通信的方式实现；利用软件仿真的方法实现了I2C总线通信协议；最后，对双轮机器人进行了简单的运动控制实验，证明了双轮机器人的运动学和动力学算法的正确性，并证明了双轮机器人具有一定的爬坡和越障能力。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1移动机器人概述

1.2新型移动机器人技术

1.3国内外双轮机器人研究现状

1.4本文双轮机器人的特点及其应用

1.5本文的研究内容

第二章双轮机器人的构形及其结构设计

2.1新颖的自平衡、抗倾倒双轮机器人驱动原理及其构形的提出

2.2双轮机器人的结构设计

2.2.1双轮机器人结构设计原则

2.2.2双轮机器人设计要求

2.3双轮机器人结构方案设计

2.4双轮机器人结构设计

2.4.1双轮机器人车轮的选择

2.4.2减速机构设计

2.4.3双轮机器人的驱动器选择

2.5双轮机器人的结构

2.6本章小结

第三章双轮机器人的动力学和运动学分析

3.1双轮机器人的运动学分析

3.1.1双轮机器人的运动学模型

3.1.2双轮机器人运动轨迹的讨论

3.2双轮机器人的简化动力学分析

3.3.1双轮机器人的圆盘简化模型

3.3.2平面动力学模型

3.3.3初步讨论

3.3本章小结

第四章双轮机器人的硬件控制系统设计

4.1硬件设计的任务

4.2 双轮机器人的控制设计方案

4.3 双轮机器人控制系统的硬件构成

4.4核心芯片的选择

4.4.1芯片功能及应用对比

4.4.2 TMS320LF2407的功能简介

4.5基于TMS LF2407ADSP的控制系统设计

4.5.1电源方案

4.5.2 3.3V和5V逻辑器件之间的接口

4.5.3 DSP的时钟和复位电路

4.5.4外部存储器高速SRAM的扩展

4.6电机驱动模块

4.6.1 LM18245特性简介

4.6.2直流电机的转速控制原理

4.6.3 双极性驱动模块设计

4.7串行通讯接口(SCI)模块

4.8超声波测距模块

4.8.1超声波传感的选择

4.8.2超声波测距原理简介

4.8.2超声波测距模块与TMS320LF2407的接口硬件设计

4.9本章小结

第五章双轮机器人的软件设计

5.1 双轮机器人控制软件系统总体结构

5.2航模遥控信号捕获中断

5.3无线异步串行通讯模块

5.3.1 SCI寄存器设置

5.3.2串行通信接口波特率计算

5.3.3串口通信程序

5.3.4 CRC-16校验程序

5.4模糊PID控制

5.4.1 PID控制原理

5.4.2模糊PID控制器

5.4.3 PID参数整定原则

5.4.4自适应模糊PID控制器设计

5.4.5模糊PID控制器仿真

5.5 I2C通信软件仿真

5.5.1 I2C工作原理

5.5.2 I2C通信协议的简化

5.5.3 I2C总线时序的软件实现

5.6本章小结

第六章总结与展望

一、总结

二、展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文

附录双轮机器人运动控制测试实验