（檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置專業(yè)論文）移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf

摘要移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究摘要移動(dòng)機(jī)器人是目前機(jī)器人領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一，它有著巨大的應(yīng)用潛力。運(yùn)動(dòng)控制是移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的核心部分，對機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。目前，隨著應(yīng)用的深入和技術(shù)的發(fā)展，對運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提出了越來越高的要求，因此研究并設(shè)計(jì)出精確、實(shí)時(shí)、開放的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有重要的意義。本文以三輪輪式機(jī)器人( 后兩驅(qū)動(dòng)輪，前一萬向輪) 作為研究對象，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，然后按照控制系統(tǒng)的要求，選擇高性能a r m 9 微處理器$ 3 c 2 4 1 0 作為處理器核心設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)平臺，系統(tǒng)擴(kuò)展f l a s h 、s d r a m 和鍵盤、l c d ，i n t e m e t 等外圍功能器件，選取l 2 9 8 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，采用內(nèi)電流環(huán)、外速度環(huán)的控制策略和積分分離的p i d 控制算法，文中詳細(xì)介紹了各個(gè)硬件芯片型號的選取、硬件的性能參數(shù)、硬件引腳和寄存器參數(shù)，設(shè)計(jì)了各個(gè)硬件之間的接口電路。系統(tǒng)的軟件部分采用嵌入式l i n u x 作為操作系統(tǒng)，移植了引導(dǎo)程序、裁剪后的l i n u x 系統(tǒng)和文件系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了直流電機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、電流環(huán)控制子程序、速度環(huán)控制子程序和改進(jìn)的積分分離p i d 控制算法等，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精確、實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠較好的實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，具有較好的穩(wěn)定性和應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人，運(yùn)動(dòng)控制，a r m 9 ，l i n u x ，電機(jī)控制，設(shè)備驅(qū)動(dòng)a b s t r a c tr e s e a r c ho nm o t i o nc o n t r o lo fm o b i l er o b o ta b s t r a c tr e c e n t l y , m o b i l er o b o ti so d eo fi m p o r t a n tf i e l d so fr o b o tr e s e a r c h i th a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s t h em o t i o nc o n t r o li sh a r dc o r eo fm o b i l er o b o ts y s t e ma n dh a sav i t a li n f l u e n c eo ns m o o t hr u n n i n go fr o b o t n o w , i ta s k sah i g h e ra n dh i g h e rr e q u e s tf o rm o t i o nc o n t r o ls y s t e mw h i l ed e v e l o p i n go fa p p l i c a t i o na n dt e c h n o l o g y s o ，i th a sai m p o r t a n ts e n s et os t u d ya n dd e v i s eap r e c i s e 、r e a l t i m ea n do p e n i n gm o t i o nc o n t r o ls y s t e m t h ep a p e rc h o o s e3 - w h e e lr o b o t ( t w od e r i v i n gw h e e lo nb a c ka n do n eu n i v e r s a lw h e e lo nf r o n t ) a sr e s e a r c ho b j e c ta n ds t u d yk i n e m a t i c sm o d e l a f t e rt h a t ，w ec h o o s eh i g h p e r f o r m a n c ea r m 9p r o c e s s o r $ 3 c 2 410a sc e n t r a lp r o c e s s o rt od e v i s es y s t e mp l a t f o r mb a s e do nd e m a n d t h ef l a s h 、s d r a m 、k e y b o a r d 、l c d 、i n t e r n e ta n do t h e rp e r i p h e r a lf u n c t i o nd e v i c e sa r ea d d e dt ot h es y s t e m t h em o t i o nc o n t r o lp a r tc h o o s el 2 9 8a sd e r i v i n gc h i pf o rd cm o t o ra n ds e l e c ts t r a t e g yo fd o u b l e - l o o p ( i n s i d ec u r r e n tl o o pa n do u t s i d ev e l o c i t yl o o p ) a n dp i da l g o r i t h m ( i n t e g r a ls e p a r a t i o n ) t h ep a p e ra l s od e s c r i b es e l e c t i n go ft h eh a r d w a r e ，t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s 、h a r d w a r ep i n s 、r e g i s t e rp a r a m e t e r sa n dd e s i g nt h ei n t e r f a c eb e t w e e nv a r i o u sh a r d w a r e e m b e d d e dl i n u xi sa d o p t e da so p e r a t i n gs y s t e ma n db o o tp r o g r a m 、r e d u c e dl i n u xa n df i l es y s t e mi st r a n s p l a n t e dt ot h et a r g e tb o a r d d cm o t o ri i i北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文d e v i c ed r i v e rp r o g r a m ，c u r r e n tl o o pc o n t r o lp r o g r a m ，v e l o c i t yl o o pc o n t r o lp r o g r a ma n dp i da l g o r i t h m ( i n t e g r a ls e p a r a t i o n ) i sd e s i g n e db a s e do nt h et a r g e tb o a r d i ta c h i e v et h ep r e c i s e 、r e a l t i m ec o n t r o lo nm o t i o n e x p e r i m e n t sp r o v e dt h a tt h es y s t e mc a na c h i e v et h ed e s i r e df u n c t i o n sa n dh a v eg o o ds t a b i l i t ya n dp r o s p e c t k e y w o r d s ：m o b i l er o b o t ，m o t i o nc o n t r o l ，a r m 9 ，l i n u x ，m o t o rc o n t r o ld e v i c ed r i v e ri v北京化工大學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。作者簽名：立上l 日期：立號乙孚l 衄關(guān)于論文使用授權(quán)的說明學(xué)位論文作者完全了解北京化工大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬北京化工大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。保密論文注釋：本學(xué)位論文屬于保密范圍，在上年解密后適用本授作者簽名：星煎日期：遞! z 毒厶& 生旦導(dǎo)師簽名：一) 習(xí)耋支。日期：迦善壘盈壘蟊第一章緒論1 1 課題研究的背景第一章緒論機(jī)器人技術(shù)是- l - j 跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，機(jī)器人的研究、開發(fā)和應(yīng)用涉及多剛體動(dòng)力學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感技術(shù)電氣液壓驅(qū)動(dòng)、控制工程、智能控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、人工智能和仿生學(xué)等學(xué)科。早在2 0 世紀(jì)6 0 年代初，美國就制造出了第一臺工業(yè)機(jī)器人，目前已經(jīng)發(fā)展到了第三代一智能機(jī)器人。由于機(jī)技術(shù)和機(jī)器人的重要作用，各工業(yè)化國家近幾年都把它的研究和開發(fā)列為國策，制訂一系列規(guī)劃，采取多方面的措施，以加快發(fā)展。許多發(fā)展中國家也紛紛建立技術(shù)開發(fā)中心，應(yīng)用和生產(chǎn)機(jī)器人，掀起一個(gè)世界范圍的機(jī)器人研制熱潮【l 】。以嵌入式計(jì)算機(jī)為技術(shù)核心的嵌入式系統(tǒng)是繼網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，又一個(gè)i t 領(lǐng)域新的技術(shù)發(fā)展方向。由于嵌入式系統(tǒng)具有體積小、性能強(qiáng)、功耗低、可靠性高以及面向行業(yè)具體應(yīng)用等突出特征，目前己經(jīng)廣泛地應(yīng)用于軍事國防、消費(fèi)電子、信息家電、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制等各個(gè)領(lǐng)域。嵌入式的廣泛應(yīng)用可以說是無所不在。就我們周圍的日常生活用品而言，各種電子手表、電話、手機(jī)、p d a 、洗衣機(jī)、電視機(jī)、電飯鍋、微波爐、空調(diào)器都有嵌入式系統(tǒng)的存在，如果說我們生活在一個(gè)充滿嵌入式的世界，是毫不夸張的【2 l 。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般家用汽車的嵌入式計(jì)算機(jī)在2 4 個(gè)以上，豪華汽車的在6 0 個(gè)以上。據(jù)推測人們在2 0 1 0 年每天接觸的嵌入式計(jì)算機(jī)有望達(dá)到8 0 0 個(gè)以上。難怪美國汽車大亨福特公司的高級經(jīng)理也曾宣稱，“福特出售的計(jì)算能力己超過了i b m ”，由此可見嵌入式計(jì)算機(jī)工業(yè)的應(yīng)用規(guī)模、應(yīng)用深度和應(yīng)用廣度。1 2 移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展概況移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支，是一種能夠通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中，面向目標(biāo)自主運(yùn)動(dòng)，從而完成一定功能的機(jī)器人系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)器人研究始于2 0 世紀(jì)五、六十年代，在這個(gè)階段，人們首先以室內(nèi)環(huán)境為背景，開始了移動(dòng)機(jī)器人的探索性研究。例如：斯坦福研究院( s r i ) 的美國s t a n f o r d研究所的n i l sn i l s s e n 和c h a r l e sr o s e n 等人，在1 9 6 6 年至1 9 7 2 年研制出取名為s h a l ( e y的自主移動(dòng)機(jī)器人【引，如圖1 1 所示，此時(shí)并沒有針對具體的任務(wù)或應(yīng)用背景，而是面向室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境的基本技術(shù)預(yù)研。進(jìn)入2 0 世紀(jì)八十年代后，在計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和人工智能理論的推動(dòng)下，國際上廣泛開展了對移動(dòng)機(jī)器人的研究。一方面，人們把目光集中于面向?qū)嶋H應(yīng)用背景的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人研制：另一方面，人們把室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的研究拓寬到室外移動(dòng)機(jī)器人的研究。對于室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人，比如：辦公機(jī)器人、圖書館機(jī)器人、醫(yī)院機(jī)器北京化t 大學(xué)碩l 學(xué)位論業(yè)人，家庭服務(wù)機(jī)器人等的研究都取得了很大的進(jìn)展。圖l 一2 所示為t r c 公司生產(chǎn)的h e l p m a t e t 3 醫(yī)用輪式移動(dòng)機(jī)器人【。該機(jī)器人由行走部分、行駛控制器及大量的傳感器組成?？稍卺t(yī)院中以0 7 米秒左右的速度自生運(yùn)動(dòng)，往返于病房與醫(yī)務(wù)室之間，分發(fā)藥品和換洗的衣物等。圈1 1s h a k e yf i g1 - ls h a k e y圖1 - 2h e l p m a t ef i g 1 - 2h e l p m a t e進(jìn)入2 0 世紀(jì)9 0 年代巳上研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)、高適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)、真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開始了移動(dòng)機(jī)器人更高層次的研究?？臻g機(jī)器人r s p a c em o b i l er o b o t ) 、遠(yuǎn)程操作機(jī)器人( r e m o t eo p e r a t i o nm o b i l er o b o t ) 、自主車輛( a u t o n o m o u sl a n dv e h i c l e ) 這些有著不同應(yīng)用背景和功能的室外移動(dòng)機(jī)器人紛紛亮相。最具代表性的當(dāng)數(shù)美固火星探測器“勇氣”號和“機(jī)遇”號，這對孿生兄弟先后繹歷了半年多，數(shù)以億公早的星際旅行后，分別于2 0 0 4 年1 月4 幾和1 月2 4 同成功著陸在u 的地。“勇氣”號和“機(jī)遇”號火星探測器是兩個(gè)具有6個(gè)獨(dú)立懸掛車輪的移動(dòng)機(jī)器人，能夠在崎嶇的火星表面孥實(shí)地前進(jìn)。圖1 3 l 一4 分別是“勇氣”號和“機(jī)遇”號的照片。第一章緒論圖1 - 3 “勇氣”號探剎車f i g 1 - 3 “s p i r i t ”m a r sr o v e r圖1 4 “機(jī)遇”號探測1f i g1 - 4 o p p o r t u n i t y m a r sr o v e r我國移動(dòng)機(jī)器人的研究相對而占起步較晚，但也取得了很大的進(jìn)展。從2 0 世紀(jì)9 0 年代開始，許多科學(xué)院所和高等院校丌展移動(dòng)機(jī)器人的研究，并取得重要進(jìn)展。如中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所研制的c a s i a i ：由國防科技大學(xué)、南京理工大學(xué)、浙江大學(xué)、清華大學(xué)、北京理工大學(xué)聯(lián)合研制的國家五年計(jì)劃a t b 1 室外移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)【4 】；清華大學(xué)研制的智能車t h m r - v ，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的車道線自動(dòng)跟蹤，以及復(fù)雜環(huán)境下的道理避障、道路停障，最高車速達(dá)到15 0 k m h ：國防科技大學(xué)研制c i t a v t - i v ，除此之外吉林大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等院校也開展了移動(dòng)機(jī)器人的研究。我國火星探測器“螢火一號”與俄羅斯“火衛(wèi)一土壤”探測器將于2 0 0 9 年l o 月發(fā)射，中俄聯(lián)合火星探測計(jì)劃命名為“螢火”計(jì)劃。隨著我國探月工程和火星探測計(jì)劃的進(jìn)展，必將推動(dòng)我國移動(dòng)機(jī)器人快速發(fā)展”刊。13 嵌入式系統(tǒng)13t 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展根據(jù)國際電氣和電子工程師協(xié)會( i e e e ) f f j 定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器和車間運(yùn)行的裝置。廣義上講，嵌入式系統(tǒng)被定義為：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，適合應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗要求的專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的堆普遍的形式，是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。e l 前基于嵌入式的系統(tǒng)大致_ j 分為3 類：基于單片機(jī)的微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t 簡稱m c u ) 系統(tǒng)：工業(yè)化的單板機(jī)：以3 2 位嵌入式處理器( m p u 或者d s p ) 為核心的高級專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”。北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文嵌入式微處理器是由通用c p u 演變而得，處理器在3 2 位以上，可以運(yùn)行操作系統(tǒng)，性能高，在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強(qiáng)。但是因?yàn)椴捎枚嗑€程，資源管理復(fù)雜。嵌入式微處理器目前主要有i n t e i ，a m d 及其他x 8 6兼容廠商生產(chǎn)的x 8 6 嵌入式c p u ，m o t o r o l a 的6 8 0 0 0 ，i b m 和m o t o r o l a 的p o w e rp c ，日立公司的s h ，s g i 公司的m i p s ，以及在嵌入式精簡指令體系( r e d u c ei n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r 簡稱r i s c ) 處理器市場占絕對優(yōu)勢的a r m 系列等。此外，隨著電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n 簡稱e d a ) 的推廣和超大規(guī)模集成電路( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n 簡稱v l s l ) 設(shè)計(jì)的普及化及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)更為復(fù)雜系統(tǒng)的時(shí)代已經(jīng)來臨，即片上系統(tǒng)( s y s t e mo nc h i p 簡稱s o c ) 。除個(gè)別無法集成的器件以外，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。嵌入式系統(tǒng)提供了一種靈活、高效和高性價(jià)比的解決方案。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和新的體積更小的控制芯片和功能更強(qiáng)大的操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，嵌入式技術(shù)己經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)研究、軍事技術(shù)、工業(yè)控制以及消費(fèi)電子產(chǎn)品等方面【i i 】。1 3 2 嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展在嵌入式應(yīng)用中，為了使嵌入式開發(fā)更方便、快捷，就需要具備相應(yīng)的管理存儲器分配，中斷處理、任務(wù)間通信和定時(shí)器響應(yīng)，以及提供多任務(wù)處理等功能的穩(wěn)定的、安全的軟件模塊集合，即嵌入式操作系統(tǒng)( e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m 縮寫e o s ) 。嵌入式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的全部軟件、硬件資源的分配、調(diào)度、控制、協(xié)調(diào)；它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過加載卸載某些模塊來達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。為了對復(fù)雜的嵌入式軟件系統(tǒng)進(jìn)行合理控制，嵌入式操作系統(tǒng)越來越重要。1 9 8 1 年，r e a d ys y s t e m 發(fā)展了世界上第一個(gè)商用嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核v r t x 3 2 。2 0世紀(jì)9 0 年代，現(xiàn)代操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想開始滲入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)( r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m 縮寫r t o s ) 領(lǐng)域，國內(nèi)的一些公司和科研院校也開始涉足嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并開發(fā)出一些優(yōu)秀的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。2 0 世紀(jì)9 0 年代中期，互聯(lián)網(wǎng)的流行推動(dòng)r t o s的發(fā)展，這個(gè)時(shí)候的代表作品有v x w o r k s ，w i n c e ，l i n u x 等。1 9 9 1 年，l i n u x 開發(fā)出l i n u x 操作系統(tǒng)并通過互聯(lián)網(wǎng)廣泛發(fā)行，當(dāng)時(shí)l i n u x 并不是為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。但是自從它首次公開發(fā)表以來，由于其源碼開放性和設(shè)備獨(dú)立性以及良好的移植性等特點(diǎn)，開發(fā)人員根據(jù)需要將l i n u x 系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的裁減和改進(jìn)，它的應(yīng)用范圍越來越廣泛。現(xiàn)在工作站、服務(wù)器都有應(yīng)用，已經(jīng)嵌入式系統(tǒng)中也越來越多的得到應(yīng)用。目前，常用的嵌入式操作系統(tǒng)主要可分為商用系統(tǒng)和開放系統(tǒng)。商用系統(tǒng)功能強(qiáng)大，輔助工具齊全，可以應(yīng)用于許多不同的領(lǐng)域。例如w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s ，4第一章緒論m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sc e ，3 c o m 公司的p a l mo s ，s y m b i a n 公司的e p o c ，中科院凱思集團(tuán)的h o p c n 等。開放系統(tǒng)主要有l(wèi) i n u x 和pc o s t l 2 1 ，它們的源代碼可以免費(fèi)獲得，降低了開發(fā)成本，在實(shí)際中也有著很多的應(yīng)用。1 4 運(yùn)動(dòng)控制1 4 1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)概述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是一種通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡目標(biāo)的電氣系統(tǒng)。典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、運(yùn)輸機(jī)械等n 3 。運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是- f l 融計(jì)算機(jī)、電子、機(jī)械、控制和傳感器等多門學(xué)科知識于一體的交叉技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、航空航天、能源勘探和醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域，它是自動(dòng)化領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。1 4 2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的分類運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的種類很多，根據(jù)控制原理與應(yīng)用的不同，可按下述幾種方法分。1 ) 按運(yùn)動(dòng)控制軌跡分類按照執(zhí)行機(jī)構(gòu)在空間中運(yùn)動(dòng)軌跡目標(biāo)的不同，可將運(yùn)動(dòng)控制器分為點(diǎn)位控制、直線控制和連續(xù)控制三種。( 1 ) 點(diǎn)位控制：這類控制系統(tǒng)要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)以最快的速度從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)并準(zhǔn)確定位。對于點(diǎn)與點(diǎn)之間的移動(dòng)軌跡( 路徑與方向) 并無嚴(yán)格要求，各坐標(biāo)軸之間的運(yùn)動(dòng)并不相關(guān)。( 2 ) 直線控制：這類控制系統(tǒng)不但要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)與點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，而且要求兩點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條直線，并且需要對運(yùn)動(dòng)的速度進(jìn)行控制。( 3 ) 連續(xù)控制：連續(xù)控制也稱為輪廓控制，其特點(diǎn)是能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)以上軸的位移和速度同時(shí)進(jìn)行相關(guān)控制，使末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)按一定的空間曲線軌跡運(yùn)動(dòng)。2 ) 按伺服控制方式分類運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用的伺服控制方式很多，主要分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制三種類型，此外還有開環(huán)補(bǔ)償型和半閉環(huán)補(bǔ)償型等混合控制方式。( 1 ) 開環(huán)運(yùn)動(dòng)控制：這類運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中沒有位移檢測反饋裝置，運(yùn)動(dòng)控制器的控制指令直接通過驅(qū)動(dòng)裝置控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，通過機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移。由于這種控制系統(tǒng)沒有反饋校正，因而多采用步進(jìn)電機(jī)作為控制對象，其控制結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉，廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)中。( 2 ) 閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控n - 此類運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的檢測裝置安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，用以直接北京化工大學(xué)碩上學(xué)位論文獲得執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)行位置，并將其與系統(tǒng)的指令位置相比較，用差值進(jìn)行控制。這種控制方式可以消除整個(gè)傳動(dòng)過程中的傳動(dòng)累計(jì)誤差，具有很高的定位精度。但由于它將絲杠、螺母等大慣量環(huán)節(jié)放在閉環(huán)之內(nèi)，系統(tǒng)穩(wěn)定性受到影響，調(diào)試?yán)щy而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴。( 3 ) 半閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制：這類運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的位置檢測元件安裝在伺服電機(jī)上，通過測量伺服電機(jī)的角位移間接計(jì)算出執(zhí)行部件的實(shí)際位置( 或位移) ，然后進(jìn)行反饋控制。由于將絲杠、螺母等大慣量環(huán)節(jié)排除在閉環(huán)控制系統(tǒng)之外，系統(tǒng)不能對它們的運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，精度受到影響，但系統(tǒng)穩(wěn)定性有所提高，調(diào)試比較方便，價(jià)格也較全閉環(huán)系統(tǒng)低。1 。4 。3 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展方向早期的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)多采用專用硬件控制設(shè)備，必須設(shè)計(jì)專用的芯片及其他硬件電路以滿足不同控制應(yīng)用的需要，世界各國的系統(tǒng)生產(chǎn)商也都分別設(shè)計(jì)自己的專用硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。這種封閉式結(jié)構(gòu)使運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)成本極高，開發(fā)周期很長，升級困難，可靠性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性和易用性差，二次開發(fā)困難：。隨著技術(shù)、市場、生產(chǎn)結(jié)構(gòu)等的快速變化，人們對運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)提出了更高的要求，希望能根據(jù)不同的應(yīng)用需求、迅速、高效、經(jīng)濟(jì)地構(gòu)筑面向客戶的控制系統(tǒng)：大幅度降低系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用，改變以往運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)封閉性設(shè)計(jì)模式，使底層生產(chǎn)控制系統(tǒng)的集成更為簡便和有效口1 。因此運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)朝著開放的、實(shí)時(shí)的、可靠的方向發(fā)展【5 1 。1 4 4 移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制移動(dòng)機(jī)器人一切功能的實(shí)現(xiàn)離不開它的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)是整個(gè)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有輪式、腿式、履帶式等。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)是移動(dòng)機(jī)器人中應(yīng)用最多的一種機(jī)器人，在相對平坦的地面上，用車輪移動(dòng)的方式是相當(dāng)優(yōu)越的。車輪的形狀或結(jié)構(gòu)取決于地面的性質(zhì)和地面的承載能力i i 引。在軌道上運(yùn)行的多采用實(shí)心的剛輪，室內(nèi)路面行駛的多采用充氣輪胎。輪式移動(dòng)機(jī)器人根據(jù)車輪的多少可分為l 輪、2 輪、3 輪、4 輪和多輪結(jié)構(gòu)。l 輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)上的障礙主要是穩(wěn)定性問題尚未解決，目前已經(jīng)有人致力于直立控制的研究。2 輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)，如摩托車和自行車等對象，因?yàn)橹绷⒎€(wěn)定性問題差而未進(jìn)入實(shí)用階段。3 輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)基本上具有直立穩(wěn)定性，其主要的問題是移動(dòng)方向的控制。代表性的車輪控制方法是一個(gè)前輪，兩個(gè)后輪。前輪操舵，采用前輪或后輪驅(qū)動(dòng)均可。也可以采用兩后輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)，靠兩輪的轉(zhuǎn)速差進(jìn)行操舵的控制方式，此時(shí)另外一個(gè)輪子只起到支撐作用，采用這種6第一章緒論輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的時(shí)候，可以使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪朝向不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可以使車體實(shí)現(xiàn)靈活的小范圍回轉(zhuǎn)。4 輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)，這種移動(dòng)結(jié)構(gòu)適用于高速行走，穩(wěn)定性好。如何使操舵性能進(jìn)一步提高，是目前研究的重要課題之一。根據(jù)適用目的，還有適用6 輪驅(qū)動(dòng)車和車輪直徑不同的輪胎車，也有人提出利用具有柔性機(jī)構(gòu)車輛的方案。最典型的6 輪機(jī)構(gòu)是火星探測車，它的輪子可以根據(jù)地形上下調(diào)整高度，提高其穩(wěn)定性，適合在外星表面行走【1 7 】。本文選用3 輪機(jī)構(gòu)為研究對象，移動(dòng)機(jī)器人底盤的左右兩側(cè)分別安裝直流伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。這樣，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制轉(zhuǎn)化為對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型的掌握以及對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制。1 5 本文所做的工作以及意義本文選取三輪式移動(dòng)機(jī)器人作為研究對象，分析其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，研究電機(jī)控制方法，介紹機(jī)器人控制算法并作改進(jìn)，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)相關(guān)知識，選取a r m 9 芯片s 3 c 2 4 1 0 作為主處理器，設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)硬件平臺，采用l 2 9 8 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，采用內(nèi)電流環(huán)加外速度環(huán)的控制策略以及積分分離的p i d 控制算法，實(shí)現(xiàn)三輪移動(dòng)機(jī)器人( 后兩驅(qū)動(dòng)輪+ 前一萬向輪) 的直線、自旋轉(zhuǎn)以及以及一定角度轉(zhuǎn)彎的功能。擴(kuò)展系統(tǒng)系統(tǒng)平臺外圍功能器件，主要有f l a s h 、s d r a m 、網(wǎng)絡(luò)、鍵盤和l c d 等，選取l i n u x 作為操作系統(tǒng)，進(jìn)行軟件開發(fā)環(huán)境的搭建和l i n u x 系統(tǒng)以及文件系統(tǒng)的移植，進(jìn)行系統(tǒng)軟件的分析，設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、電流環(huán)控制子程序和速度環(huán)控制子程序等，最后進(jìn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)試和系統(tǒng)試驗(yàn)。本課題設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，具有很高的系統(tǒng)集成度和廣泛的功能擴(kuò)展空間，很好的兼顧了控制系統(tǒng)的通用性和實(shí)用性要求?？赏ㄟ^控制單元的擴(kuò)充和升級，增加語音識別、人臉識別、視覺追蹤等交互性更強(qiáng)的功能。同時(shí)，該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成，對于降低上述各類型機(jī)器人的開發(fā)難度，縮短從客戶提出需求到完成最終產(chǎn)品的開發(fā)周期，具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。另外，本課題設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)。它可以在廣泛的領(lǐng)域中得到應(yīng)用，如商場導(dǎo)購服務(wù)、大型會展接待服務(wù)、觀光景點(diǎn)導(dǎo)游、傳染病房機(jī)器人、護(hù)士助手機(jī)器人、保安護(hù)衛(wèi)等。除此之外，由于集成有通用a r m 微控制器開發(fā)平臺、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等多種功能單元，因此，可作為數(shù)字電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、路徑規(guī)劃及人工智能等多學(xué)科多領(lǐng)域的通用實(shí)驗(yàn)平臺。7第二章相關(guān)技術(shù)理論第二章相關(guān)技術(shù)理論2 1 三輪輪式移動(dòng)機(jī)器人建模被控對象模型的建立是進(jìn)行控制的第一環(huán)節(jié)，也是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。模型建立的好壞對控制性能有重要影響，如果模型能精確建立，則能大大減輕控制難度，改善控制效果，在建立模型之前，先分析一下移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。2 1 1 運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)三輪移動(dòng)結(jié)構(gòu)是輪式移動(dòng)機(jī)器人的基本移動(dòng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有下述優(yōu)點(diǎn)：能夠可靠穩(wěn)定地運(yùn)動(dòng)、能量利用率高、機(jī)構(gòu)和控制相對簡單，并且可以借鑒現(xiàn)有的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)對其進(jìn)行控制。目前，三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)從結(jié)構(gòu)上看有以下三種不同的情況。如圖2 1 ，在該結(jié)構(gòu)中，前輪由操舵結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)合并而成，由于操舵和驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器都集中在前輪，所以該結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。該結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)半徑可以從0 到無限大連續(xù)變化，但是由于輪子和地面之間存在滑動(dòng)，絕對的0 轉(zhuǎn)彎半徑很難實(shí)現(xiàn)。箍動(dòng)緣輪裝置壩動(dòng)豫圖2 - 1 前驅(qū)動(dòng)輪，后從動(dòng)輪圖2 - 2 前方向輪，后驅(qū)動(dòng)輪f i g 2 - lf r o n td r i v e rw h e e l ，b a c ks l a v ew h e e lf i g 2 - 2f r o n td i r e c t i o nw h e e l ，b a c kd r i v e rw h e e l9北京化工大學(xué)碩上學(xué)位論文圖2 - 3 前萬向輪，后驅(qū)動(dòng)輪f i g 2 - 3f r o n tu n i v e r s a lw h e e l ，b a c kd r i v e rw h e e l如圖2 2 ，在該結(jié)構(gòu)中，前輪為操舵輪，后兩輪由差動(dòng)齒輪裝置驅(qū)動(dòng)，克服了圖2 1 中的缺點(diǎn)，但是該方法也不多用在移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中。如圖2 3 ，在該結(jié)構(gòu)中，前輪為萬向輪，僅起支撐作用，后兩輪分別由兩個(gè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單，而且旋轉(zhuǎn)半徑可以從零到無限大任意設(shè)定。其旋轉(zhuǎn)中心是在連接兩驅(qū)動(dòng)軸的直線上，所以旋轉(zhuǎn)半徑即使是0 ，旋轉(zhuǎn)中心也與車體的中心一致。鑒于該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、便于控制的優(yōu)點(diǎn)，本課題所研究的移動(dòng)機(jī)器人就采用這種三輪結(jié)構(gòu)，前輪為一萬向輪，后兩輪由兩臺電動(dòng)機(jī)分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。2 1 2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制問題主要指由d u r r a n t w h y t eh f 針對機(jī)器人導(dǎo)航提出的三個(gè)問題：i “我現(xiàn)在在何處? ；i i “我要往何處去? ；i i i “我應(yīng)該如何到達(dá)該目標(biāo)點(diǎn)? ”。其中，第一個(gè)問題可以通過外部傳感器獲取信息得到答案；第二個(gè)問題需要決策進(jìn)行思考；第三個(gè)問題是：給定一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的環(huán)境特征( 環(huán)境變量可以通過視覺子系統(tǒng)得到并沿決策途徑進(jìn)行傳遞) ，給定一個(gè)起點(diǎn)和一個(gè)期望終點(diǎn)，以及到達(dá)終點(diǎn)時(shí)需要具有的狀態(tài)，尋求一條連接起點(diǎn)和終點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且給出控制該運(yùn)動(dòng)軌跡的控制步驟。這三個(gè)問題的提出定義了運(yùn)動(dòng)控制在整個(gè)流程中的位置和角色。本文的機(jī)器人為兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的三輪輪式移動(dòng)機(jī)器人，對它的各種運(yùn)動(dòng)控制最終都要通過分別控制其左右輪速來實(shí)現(xiàn)，因此需分析機(jī)器人位姿與其左右輪速之間的約束關(guān)系，也就是建立機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。機(jī)器人的后兩輪為驅(qū)動(dòng)輪，前輪為萬向輪，萬向輪為隨動(dòng)輪，它僅在運(yùn)動(dòng)失衡時(shí)起支撐作用，在運(yùn)動(dòng)學(xué)中可以忽略不計(jì)，該模型可以簡化為兩輪移動(dòng)機(jī)器人的模型，建立模型時(shí)作如下假設(shè)：( 1 ) 機(jī)器人所在路面為光滑平面；1 0第二章相關(guān)技術(shù)理論( 2 ) 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，在縱向作純滾動(dòng)，沒有側(cè)向滑移；( 3 ) 機(jī)器人的有關(guān)參數(shù)，如左右輪半徑r ，左右輪之間的距離2 l 在機(jī)器人負(fù)載與空載情況下相同。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可以用圖2 - 4 抽象表示：y圖2 - 4 輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型f i g 2 - 4k i n e m a t i c sm o d e lo fw h e e l e dm o b i l er o b o t在圖2 _ 4 中，點(diǎn)o 為移動(dòng)機(jī)器人的幾何中心，點(diǎn)c 為兩驅(qū)動(dòng)輪的輪軸中心，車輪半徑為r ，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪輪心間的距離為2 l 。在笛卡兒坐標(biāo)系下，考慮c 點(diǎn)為參考點(diǎn)，我們用坐標(biāo)( x ，y ) 表示c 點(diǎn)坐標(biāo)，秒為機(jī)器人的姿態(tài)角，即機(jī)器人前進(jìn)方向相對于x 軸的方位角，y 是機(jī)器人的前進(jìn)速度，國是機(jī)器人車體的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，嵋、v r 分別為機(jī)器人左右輪的線速度，而q 、分別為機(jī)器人左右輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。機(jī)器人的位姿可以表示為：q = 【x ，y ，明1 ( 2 1 )在無滑動(dòng)、純滾動(dòng)的條件下，輪子在垂直于輪平面的速度分量為零，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)約束條件為：x s i n 0 一y c o s o = 0 ( 2 2 )如果運(yùn)動(dòng)約束方程不可能積分為有限形式，則稱為非完整約束，可以用反證法證明式( 2 2 ) 是一個(gè)非完整約束。證：假設(shè)式( 2 2 ) 是完整約束，即可以把它積分成有限形式f ( x ，y ，秒) = c ( 2 3 )其中c 為常量，對式( 2 3 ) 求導(dǎo)得：f x ( x ，y ，0 ) = s i n o ，f v ( x ，y ，0 ) = c o s 0 ，f o ( x ，y ，口) = 0 ( 2 4 )由厶( x ，y ，0 ) = 0 可知，f ( x ，y ，是一個(gè)與秒無關(guān)的函數(shù)。而這與l ( x ，y ，0 ) = s i n 0 ，北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文剛= l 翥。三1n 心6 ，彩：，y = 翌當(dāng)( 2 8 )，) t，由式2 8 可知，當(dāng)圪= 時(shí)，質(zhì)心的角速度為0 ，則機(jī)器人沿直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)吒= y r匡卜r- - c o s l 92r 一s l n 2r2 l里c o s 秒i2i扣瞄心ri2 li由式( 2 9 ) 可以看出，若知道吼和t o r 即可確定機(jī)器人的位姿，而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)角速度之間的關(guān)系為：國= 罷，則只要能測得左右輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以求出6 u吼和緲r ，進(jìn)而完成對機(jī)器人的直線、旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)彎等各種運(yùn)動(dòng)控制【1 8 】。2 2 電機(jī)控制2 2 1 電機(jī)電機(jī)是移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力源泉，目前常用的控制電機(jī)有：電壓控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)( 制動(dòng)電動(dòng)機(jī)或兩相伺服電動(dòng)機(jī)) 、電壓控制直流電動(dòng)機(jī)( d c 伺服電動(dòng)機(jī)) 、頻率控制同步( s m ) 電動(dòng)機(jī)( 步進(jìn)型伺服電動(dòng)機(jī)) 、頻率控制感應(yīng)( i m ) 電動(dòng)機(jī)( 感應(yīng)型伺服電動(dòng)機(jī)) 、頻率控制磁阻電動(dòng)機(jī)( 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)) 等，每種電機(jī)又衍生出不同的小類型，不同的電機(jī)控制方式、特點(diǎn)和應(yīng)用場合也不相同。1 2第二章相關(guān)技術(shù)理論目前移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用較多的是步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)兩種。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移模擬量的控制電機(jī)，其輸出的位移大小與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比且時(shí)間上與脈沖同步，通過改變脈沖頻率調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電機(jī)一般分為反應(yīng)式( v r ) 、永磁式( p m ) 和混合式( h m ) 三種。反應(yīng)式結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、運(yùn)行頻率高但轉(zhuǎn)子阻尼大、噪聲大、步距角一般在“1 5 。 - 1 5 。 之間；永磁式功率小、效率高、價(jià)格低，步距角一般在“7 5 。1 8 ?！敝g；混合式介于二者之間，具有步距角小、頻率高、功率小等優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，步距角一般在“0 3 6。3 6 ?！敝g。直流電機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。長期以來，直流電動(dòng)機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能，高的效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，盡管近年來不斷受到其它電動(dòng)機(jī)( 如交流變頻電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等) 的挑戰(zhàn)，但目前為止，它仍然是大多數(shù)調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的優(yōu)先選擇。其調(diào)速方法有多種，如果采用p w m 控制，只需要通過軟件改變p w l v l 波的占空比就可實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這對提高移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中的靈活性非常有用。另外，隨著p w m輸出在機(jī)器人控制器中的廣泛應(yīng)用，采用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用也越來越多。對比二者的特點(diǎn)，尤其考慮使用嵌入式a r m 作為控制器時(shí)設(shè)計(jì)可靠性，本課題的驅(qū)動(dòng)電機(jī)就選用直流電機(jī)。2 2 2 直流電機(jī)控制直流電機(jī)具有良好的運(yùn)行和控制特性，長期以來，一直占據(jù)著壟斷地位，就其控制方法，也有多種，在討論之前先看一下他的供電原理圖，如圖2 5 所示e 三圖2 5 直流電機(jī)供電原理圖f i g 2 - 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fp o w e rf o rd cm o t o r1 3北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速方程為：n = 導(dǎo)= 掣：譬當(dāng)，式中o el e乙er = r 。+ r l + r 。由此可知，直流電機(jī)有三種調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法：( 1 ) 調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)節(jié)；( 2 ) 減弱勵(lì)磁磁通調(diào)速；( 3 ) 改變電樞回路電阻調(diào)速；一般工程上常用的主要是調(diào)節(jié)電壓調(diào)速。實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速，首先要有一個(gè)平滑可調(diào)的直流電源。常用的可調(diào)直流電源有以下三種：( 1 ) 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組：用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成的機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓；( 2 ) 靜止可控整流器：用靜止的可控整流器，如晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)直流電壓；( 3 ) 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器：用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的直流平均電壓。近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，已普遍采用由晶閘管整流器供電的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，以取代以前廣泛應(yīng)用的交流電動(dòng)機(jī)一直流發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)。但由于相控整流中電網(wǎng)輸入電流的功率因數(shù)直接與移相觸發(fā)角相關(guān)，在電機(jī)低速運(yùn)行整流器輸出電壓較低時(shí)，電網(wǎng)輸入電流功率因數(shù)底，諧波分量比較大，對電網(wǎng)特別是對公共直流電網(wǎng)有不利影響。而采用直流脈寬調(diào)制的調(diào)速系統(tǒng)，在許多方面有較大的優(yōu)點(diǎn)：主電路線路簡單，需要的功率元件少；開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較小；低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速范圍寬：系統(tǒng)快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)；主電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率較高；直流電源采用不可控三相整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)高。直流脈沖寬度調(diào)n ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 簡稱p w m ) 是指輸出一定周期的信號，通過調(diào)整基本周期內(nèi)的工作周期的大小來控制輸出電壓，從而調(diào)整直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖2 2 所示是脈寬調(diào)制型調(diào)速系統(tǒng)原理圖。圖中的開關(guān)s 表示脈寬調(diào)制器，調(diào)速系統(tǒng)的外加電源電壓u 。為固定的直流電壓，當(dāng)開關(guān)s 閉合時(shí)，直流電流經(jīng)過s 給電動(dòng)機(jī)m 供電：開關(guān)s 斷開時(shí)，直流電源供給m 的電流被切斷，m 的儲能經(jīng)二極管v d 續(xù)流，電樞兩端電壓接近為零。如果開關(guān)s 按照某一定頻率開閉而改變周期內(nèi)的接通時(shí)間時(shí)，控制脈沖寬度相應(yīng)改變，從而改變了電動(dòng)機(jī)兩端平均電壓，達(dá)到調(diào)速的目的。1 4第二章相關(guān)技術(shù)理論zu t圖2 _ 6 脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理圖f i g 2 _ 6s c h e m a t i cd i a g r a mo fp w mt i m i n g由圖2 - 6 的脈沖波形，其平均電壓為u d = 【u , d t = 等u 。= 觸，式中，t 為脈工工沖周期，t 為接通時(shí)間，p 為占空比。可見，在電源u 。與p w m 波的周期t 固定的條件下，u 。可隨p 的改變而平滑調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速【1 9 之1 1 。本文中就是采用p w m 脈寬調(diào)速【2 2 2 3 1 。直流電機(jī)p w m 調(diào)速系統(tǒng)有可逆和不可逆之分。其中可逆p w m 系統(tǒng)可以控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，在工程上有更大的應(yīng)用價(jià)值?？赡鎝 w m 控制主要有三種工作模式：雙極模式、單極模式和受限單極模式。工程上常用雙極模式，雙極模式控制系統(tǒng)有t 型和h 型兩種，t 型電路結(jié)構(gòu)簡單，便于實(shí)現(xiàn)電能反饋，但要求雙電源供電，且晶體管承受的反壓較高，因此只適用于小功率低壓伺服系統(tǒng)。h 型p w m 功率轉(zhuǎn)換電路只需單一電源供電，晶體管耐壓相對較低，應(yīng)用較為廣泛，如圖2 7 所示。圖2 - 7 h 型雙極模式p w m 功率轉(zhuǎn)換電路f i g 2 7p w mp o w e rc o n v e r s i o nc i r c u i to fht y p eb i p o l a rm o d e ；臣北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文h 橋結(jié)構(gòu)又稱為全橋結(jié)構(gòu) 2 4 】，如圖上所示，他由兩個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器、四個(gè)功率開關(guān)和四個(gè)續(xù)流二極管組成。利用h 橋驅(qū)動(dòng)電路和p w m 控制可實(shí)現(xiàn)對直流電動(dòng)機(jī)正反兩個(gè)方向的調(diào)速和伺服控制。雙極方式的特點(diǎn)是四橋臂對角線兩組開關(guān)分別控制，v l和v 4 為一組同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷，v 2 和v 3 為一組，也是同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，在任一時(shí)刻最多只允許有一組是導(dǎo)通的。本文就是選用這種h 橋式控制結(jié)構(gòu)作為p w m 控制方案。2 3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，從伺服控制角度來看，主要有位置反饋控制和速度反饋控制。對于本文研究的雙輪驅(qū)動(dòng)+ 一個(gè)方向輪結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，對電機(jī)控制的好壞，直接影響到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。從理論上講，傳統(tǒng)的p i d 控制就能滿足控制的需要【l i 。p i d 控制由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛用于工業(yè)控制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在控制過程中，用計(jì)算機(jī)p i d 控制算法來實(shí)現(xiàn)數(shù)字p i d 控制器，可以靈活的改變p i d 參數(shù)，同時(shí)可以改變控制策略來達(dá)到控制目的。這是傳統(tǒng)的模擬p i d 控制器所無法實(shí)現(xiàn)的。數(shù)字p i d 控制算法，由于計(jì)算機(jī)控制的特點(diǎn)，需要對模擬p i d 算法離散化，假設(shè)采樣周期為t ，在采樣時(shí)刻t = k t ，可得數(shù)字p i d 控制算法如下：u c k t ) = k p ( e c k d + 吾喜e c ；t ，+ 孕c e c 燈，一e c 燈一t ，) ) c 2 - 。，為了書寫方便，將e ( k t ) 簡化成e ( k ) ，u ( k t ) 簡化成u ( k ) 省去t ，式( 2 1 0 ) 可簡化為：u c k ，= k ，( e c k ，+ 專喜e c i ，+ c e c k ，一e c k 一- ， c 2 - ，或ku ( k ) = k p e ( k ) + k i e ( i ) + k d ( e ( k ) - e ( k - 1 ) ) ( 2 1 2 )k 。為積分系數(shù)，k 。= k ，t t i ；k 。為微分系數(shù)，k d = k ，t d t 。只要采樣周期t足夠小，就能保證有足夠的精度。( 2 1 1 ) 以及( 2 1 2 ) 稱式為位置式p i d 算法【2 5 1 。2 4 嵌入式系統(tǒng)1 6第二章相關(guān)技術(shù)理論2 4 1 嵌入式系統(tǒng)概述所謂的“嵌入式系統(tǒng)是“嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”的簡稱，電氣工程師協(xié)會的一個(gè)定義是用來控制或監(jiān)視機(jī)器、裝備或工廠等大規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成。嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以分為三個(gè)階段：分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。分析階段是確定要解決的問題及需要完成的目標(biāo)；設(shè)計(jì)階段主要是解決如何在給定的約束條件下完成用戶的要求：實(shí)現(xiàn)階段主要是解決如何在所選擇的硬件和軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行整個(gè)軟、硬件系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。通常，硬件和軟件的選擇包括處理器、硬件部件、操作系統(tǒng)、編程語言、軟件開發(fā)工具、硬件調(diào)試工具，軟件組件等。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)一般包括硬件部分設(shè)計(jì)和軟件部分設(shè)計(jì)，由于嵌入式系統(tǒng)自身的特殊性，注定了它自身的資源和內(nèi)存空間都是十分有限，不可能像開發(fā)p c 軟件那樣在其上運(yùn)行所有的開發(fā)工具，而且很多嵌入式系統(tǒng)都沒有像顯示器那樣的輸出設(shè)備，這些都決定了嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)應(yīng)當(dāng)采用一種特殊的模式：主機(jī)一目標(biāo)機(jī)模式，使用交叉開發(fā)的方式進(jìn)行開發(fā)。開發(fā)環(huán)境就運(yùn)行在主機(jī)上，用戶所有的開發(fā)工作都在主機(jī)開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行，包括編輯源代碼、編譯、連接、下載和調(diào)試等。主機(jī)的操作系統(tǒng)是通用的w i n d o w s 或l i n u x系統(tǒng)，目標(biāo)機(jī)就是嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，它運(yùn)行嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。在主機(jī)上通過交叉編譯生成目標(biāo)平臺上可運(yùn)行的二進(jìn)制文件，通過串行口或i n t e r n e t 網(wǎng)口下載到目標(biāo)機(jī)。在目標(biāo)機(jī)執(zhí)行時(shí)，可以把執(zhí)行結(jié)果回顯到主機(jī)上，主機(jī)還可以通過開發(fā)環(huán)境提供的調(diào)試工具對代碼進(jìn)行調(diào)試。2 4 2a r m 微處理器嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元。目前流行的體系結(jié)構(gòu)包括m c u 、m p u 等l o 多個(gè)系列。嵌入式處理器課分為：嵌入式微控制器( e m c u ，e m b e d d e dm i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 、嵌入式微處理器( e m p u ，e m b e d d e dm i c r op r o c e s s o ru n i t ) 、通信領(lǐng)域的嵌入式