球形機(jī)器人嵌入式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究.pdf

1、球形機(jī)器人是一種以滾動(dòng)為運(yùn)動(dòng)方式的新型移動(dòng)機(jī)器人，它依靠內(nèi)部驅(qū)動(dòng)裝置偏移改變重心來獲得前進(jìn)的動(dòng)力。球形機(jī)器人將機(jī)械機(jī)構(gòu)及控制電路安裝在球殼內(nèi)部，能有效地起到保護(hù)作用，使其具備適應(yīng)惡劣工況的能力，同時(shí)球形機(jī)器人具有類似不倒翁的特性，可實(shí)現(xiàn)全方位的行走，具有廣闊的應(yīng)用前景。球形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制問題一直是球形機(jī)器人領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，本文以北京交通大學(xué)和北京郵電大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)的球形機(jī)器人為研究對象，在對其機(jī)械系統(tǒng)及動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)

2、計(jì)了一套基于ARM處理器的球形機(jī)器人嵌入式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對球形機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及其運(yùn)動(dòng)原理，進(jìn)行純滾動(dòng)約束下動(dòng)力學(xué)建模和分析，并根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程研究恒力矩輸入和恒轉(zhuǎn)矩輸入時(shí)機(jī)器人的狀態(tài)響應(yīng)，為后續(xù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。⑵根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)閉環(huán)反饋的PID運(yùn)動(dòng)控制器;并對抑制重?cái)[振蕩的方法進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)基于重?cái)[抑振策略的球形機(jī)器人速度控制算法以及姿態(tài)控制算法;利用Ma

3、tlab Simulink對機(jī)器人速度和姿態(tài)控制進(jìn)行仿真，驗(yàn)證控制算法有效性，并對PID控制算法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。⑶設(shè)計(jì)球形機(jī)器人嵌入式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)整體方案。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，主要進(jìn)行硬件平臺設(shè)計(jì)，包括核心控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、通信等模塊;軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面包括:主程序及各子系統(tǒng)程序的編寫，以及上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。⑷對球形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。對慣性測量單元數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的姿態(tài)信息采集;實(shí)現(xiàn)了對球形機(jī)器人