畢設(shè)論文暫定稿

1、基于DSP的變電站巡檢機器人系統(tǒng)以及定位控制算法的確定目錄摘要：3關(guān) 鍵 詞：3ABSTRACT：4KEYWORDS:4緒論4第一章 DSP的簡介661.2 C281xCPU內(nèi)核組成71.3 C281x外設(shè)簡介10第二章 機器人總體結(jié)構(gòu)的介紹142.1機器人機械結(jié)構(gòu)的簡介142.2機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡介14第三章 機器人運動控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計163.1常用控制方案的簡介163.2 針對全向輪式機器人控制方法的概述18第四章 全向輪式巡檢機器人定位算法的設(shè)計194.1機器人幾種定位方式的簡介194.2 本次設(shè)計的一些背景194.3 算法的提出與論證204.4 算法的不足與該進(jìn)24第五章 幾

2、種全向輪驅(qū)動方式的比較265.1三種不同的驅(qū)動方式的簡介265.2 在不同的驅(qū)動的方式下驅(qū)動表達(dá)式的推導(dǎo)275.3 三種驅(qū)動形式優(yōu)缺點的比較365.4 最終驅(qū)動形式的確定與原因36第六章 全向輪式機器人的控制算法的設(shè)計376.1基本想法的簡介376.2 PID控制方法簡介386.3位置式 PID控制39第七章 結(jié)果與展望447.1總結(jié)447.2 展望44致謝45參考文獻(xiàn)46附錄47摘要：變電站設(shè)備種類繁多，各類設(shè)備的安全運行對整個輸變電系統(tǒng)的安全有重大影響，為保證變電站設(shè)備的安全運行，需對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢測。針對上面出現(xiàn)的情況設(shè)計了相應(yīng)的巡檢機器人控制系統(tǒng)，并且研究了相應(yīng)的定位和控制算法，該機器

3、人控制系統(tǒng)式基于DSP2812系列芯片。采用光電傳感器矩陣為定位檢測元件，檢測相應(yīng)的路徑。本文重點討論了利用光電傳感器矩陣來獲取機器人位置信息的算法。該機器人采用全向輪驅(qū)動，本文還針對幾種不同的驅(qū)動方式討論了各個方案的有優(yōu)缺點，并根據(jù)本機器人的工作環(huán)境和設(shè)計要求選擇了一種適合的方式。在此基礎(chǔ)上得出了機器人的控制算法，利用PID控制原理，討論了如何控制各個驅(qū)動輪來走設(shè)定的軌跡線。最終得出基于DSP的巡檢機器人最優(yōu)控制方法。關(guān) 鍵 詞：變電站，巡檢機器人，DSP2812，PID控制算法，全向輪，驅(qū)動方式ABSTRACT：There are kinds of facilities in a tran

4、sformer station，the safty of all facilities are very important to the safty of transformer station，we have to make arounds of inspection to insure the safty of all kinds of facilities of the transformer station.This article design a system of controling as a way to solve the problem,some kinds of al

5、gorithms are also designed to solve the problem,we call them situated and leading algorithm.This robot is based on DSP2812,uses photocells to form a photocall-matrix to check the route it follows.This article pays attention on the algorithm how to use the photocall-matrix to get the accurate message

6、 of the situation of the robot.The robot is drived byfree-wheels.So this article also study the different kinds of methods of driving.Forthermore this article compared the all the methods, and we select a best one as our choose to drive the robot.The specical algorithm is designed to suit the drivin

7、g method.PID controling method is applied in the algorithm.Considering the situated method we work out a final plan on how to control the robot.KEYWORDS:transformal station,patrol robot,DSP2812,PID algrithm,Omni wheel Soccer Robot，driving method.緒論隨著科技進(jìn)步和電力體制改革的不斷深人發(fā)展,電力系統(tǒng)自動化程度已有很大提高,變電站值班也逐漸趨于無人化或少

8、人化。變電站設(shè)備的電氣信號可以通過監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高壓設(shè)備絕緣檢測、繼電保護等裝置獲得,而實現(xiàn)了變電站主設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控,即“四遙 ”遙測、遙信、遙控、遙調(diào)功能。但是,“四遙 ”在一定程度上忽略了事后對事故發(fā)展的準(zhǔn)確判斷并降低了對事故處理的快速反應(yīng)能力。一旦變電站發(fā)生異常,調(diào)度人員必須先通知分局變電運行班有的稱為操作隊趕到現(xiàn)場了解真實情況、事故波及設(shè)備范圍,再由變電運行班人員向調(diào)度員、分局領(lǐng)導(dǎo)匯報,分局才組織維護班或檢修公司進(jìn)行搶修 。人員不到變電站就無法準(zhǔn)確了解或根本不掌握現(xiàn)場詳細(xì)情況,這樣一來一往,大大延誤了排除缺陷的時間,影響了供電局的售電量和服務(wù)承諾。因此,很多變電站增加了“第五遙”

9、遙視功能,即在變電站內(nèi)安裝攝像機及各類探頭,將無人值班變電站的防火、防盜以及設(shè)備運行、發(fā)熱和事故直觀情況及波及范圍,通過站內(nèi)電話線或光纖等通道傳到調(diào)度所,以便調(diào)度人員做出正確的決策。雖然這種遠(yuǎn)程監(jiān)視實現(xiàn)了圖像、聲音信號的數(shù)字化以及遠(yuǎn)距離傳送,為解決變電站遠(yuǎn)程多媒體監(jiān)控系統(tǒng)提供了全面的技術(shù)支持,但是,這種遠(yuǎn)程監(jiān)視只是將變電站的多媒體信息上傳,不進(jìn)行處理,又由于每個可見光電荷耦合器件攝像機視野的限制、網(wǎng)絡(luò)通信帶寬有限等,制約了遠(yuǎn)程監(jiān)視的推廣應(yīng)用。第一章 DSP的簡介數(shù)字信號處理（簡稱DSP）是一門涉及多門學(xué)科并廣泛應(yīng)用于很多科學(xué)和工程領(lǐng)域的新興學(xué)科。 數(shù)字信號處理是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字

10、的形式對信號進(jìn)行分析、采集、合成、變換、濾波、估算、壓縮、識別等加工處理，以便提取有用的信息并進(jìn)行有效的傳輸與應(yīng)用。 數(shù)字信號處理是以眾多學(xué)科為理論基礎(chǔ)，所涉及的范圍極其廣泛。如數(shù)學(xué)領(lǐng)域中的微積分、概率統(tǒng)計、隨機過程、數(shù)字分析等都是數(shù)字信號處理的基礎(chǔ)工具。它與網(wǎng)絡(luò)理論、信號與系統(tǒng)、控制理論、通信理論、故障診斷等密切相關(guān)。DSP可以代表數(shù)字信號處理技術(shù)（Digital Signal Processing）,也可以代表數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor）。前者是理論和計算方法上的技術(shù),后者是指實現(xiàn)這些技術(shù)的通用或?qū)Ｓ每删幊涛⑻幚砥餍酒?

11、數(shù)字信號處理器（DSP）是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號處理運算的微處理器，主要用于實時快速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理的算法。 在20世紀(jì)80年代以前，由于受實現(xiàn)方法的限制,數(shù)字信號處理的理論還不能得到廣泛的應(yīng)用。直到20世紀(jì)80年代初，世界上第一塊單片可編程DSP芯片的誕生，才使理論研究成果廣泛應(yīng)用到實際的系統(tǒng)中，并且推動了新的理論和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。可以毫不夸張地講，DSP芯片的誕生及發(fā)展對近20年來通信、計算機、控制等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展起到十分重要的作用。 .主要特點數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，簡稱 DSP）是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世

12、紀(jì)60年代以來，隨著計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運而生并得到迅速的發(fā)展。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。 數(shù)字信號處理是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對信號進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。 數(shù)字信號處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)，因此具有數(shù)字處理的全部優(yōu)點： (1) 接口方便。DSP 系統(tǒng)與其他以現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)或設(shè)備都是相互兼容的，與這樣的系統(tǒng)接口以實現(xiàn)某種功能要比模擬系統(tǒng)與這些系統(tǒng)接口要容易得多； (2) 編程方便。DSP 系統(tǒng)中的可編程DSP 芯片可使設(shè)計人員在開發(fā)過

13、程中靈活方便地對軟件進(jìn)行修改和升級； (3) 穩(wěn)定性好。DSP 系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小，可靠性高； (4) 精度高。16位數(shù)字系統(tǒng)可以達(dá)到 510-的精度； (5) 可重復(fù)性好。模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能變化比較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測試、調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)； (6) 集成方便。DSP 系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。 當(dāng)然，數(shù)字信號處理也存在一定的缺點。例如，對于簡單的信號處理任務(wù)，如與模擬交換線的電話接口，若采用DSP 則使成本增加。DSP 系統(tǒng)中的高速時鐘可能帶來高頻干擾和電磁泄漏等問題，而且DSP 系統(tǒng)消耗的功率也較大

14、。此外，DSP 技術(shù)更新的速度快，數(shù)學(xué)知識要求多，開發(fā)和調(diào)試工具還不盡完善。 雖然DSP 系統(tǒng)存在著一些缺點，但其突出的優(yōu)點已經(jīng)使之在通信、語音、圖像、雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)控制、儀器儀表等許多領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。 1.2 C281xCPU內(nèi)核組成為了快速地實現(xiàn)數(shù)字信號處理運算，DSP 芯片一般都采用特殊的軟硬件結(jié)構(gòu)。下面以TMS320 系列為例介紹DSP 芯片的基本結(jié)構(gòu)。 TMS320 系列DSP 芯片的基本結(jié)構(gòu)包括：（1）哈佛結(jié)構(gòu)；（2）流水線操作；（3）專用的硬件乘法器；（4）特殊的DSP 指令；（5）快速的指令周期。 外部管理數(shù)據(jù)總線外部管理地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)地址總線程序數(shù)據(jù)總線

15、程序地址總線CPUI/O口ROM串行接口RAM并行接口外部存儲器接口圖1.2 哈佛結(jié)構(gòu)外部管理數(shù)據(jù)總線外部管理地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)地址總線程序數(shù)據(jù)總線程序地址總線 圖1.3 TMS320F281x系列DSP功能框圖C281x內(nèi)核主要包括中央處理器單元（CPU），測試單元和存儲器及外設(shè)接口單元三個部分。CPU單元完成數(shù)據(jù)/程序存儲器的訪問的產(chǎn)生，譯碼和執(zhí)行指令。算術(shù)，邏輯和移位操作，控制DSP的各個部分及運算狀態(tài)，以方便調(diào)試。而接口信號單元完全是存儲器，外設(shè)，時鐘，CPU以及調(diào)試單元之間的信號通道。 CPU單元主要包括以下幾個面，如下圖所示： 圖 1.3算術(shù)邏輯單元（ALU）：32位ALU完成2

16、的補碼的算術(shù)運算和布爾運算。通常請況下，中央處理器單元對以用戶是透明的。例如，完成一個算術(shù)運算，用戶只需要些寫一個命令和相應(yīng)的操作數(shù)據(jù)，讀取相應(yīng)的結(jié)果寄存器的數(shù)據(jù)就可以了。乘法器：乘法器完成32×32的2的補碼的乘法運算，產(chǎn)生64位的乘法器能夠完成兩個符號數(shù)，兩個無符號數(shù)或一個符號數(shù)和一個無符號數(shù)的乘法運算。移位器:完成數(shù)據(jù)的左移或右移操作，最大可以移16位，在C281x的內(nèi)核中，總計有3個位移寄存器：輸出數(shù)據(jù)定標(biāo)位移寄存器，輸出數(shù)據(jù)定標(biāo)寄存器和乘積定標(biāo)位移寄存器。尋址運算單元（ARAUj）：主要完成數(shù)據(jù)存儲器的尋址運算以及地址的產(chǎn)生。獨立的寄存器空間：CPU內(nèi)的寄存器包含獨立的寄存

17、器，并不映射到數(shù)據(jù)存儲空間。寄存器主要包括系統(tǒng)控制寄存器，算術(shù)寄存器和數(shù)據(jù)指針。系統(tǒng)控制寄存器可以通過專用的指令訪問，其他的寄存器可以采用專用的指令或特定的尋址模式（寄存器尋址模式）來訪問。帶保護流水線：帶保護的流水線能夠同時對一個地址空間的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀/寫1.3 C281x外設(shè)簡介 由于C281x數(shù)字信號處理器集成了很多內(nèi)核可以訪問和控制的外部設(shè)備，c281x內(nèi)需要通過某種方式來讀/寫外設(shè)。為此，處理器將所有的外設(shè)映射到了數(shù)據(jù)存儲器空間每個外設(shè)被分配一段相應(yīng)的地址空間，主要包括配置寄存器，輸入寄存器，輸出寄存器，狀態(tài)寄存器。每個外設(shè)只要通過簡單的訪問存儲器就可以使用該設(shè)備。 外設(shè)通過外設(shè)總線（

18、PBUS）連接到CPU的內(nèi)部存儲器接口上，如圖1.4所示。所有的外設(shè)包括看門狗和CPU時鐘在內(nèi)，在使用 前都必須配置相應(yīng)的控制寄存器。 圖1.4鎖相環(huán)（PLL）模塊主要用來控制DSP內(nèi)核的工作頻率，外部提供一個參考時鐘經(jīng)過鎖相環(huán)倍頻或是分頻后提供給DSP內(nèi)核。C281x數(shù)值信號處理器能夠?qū)崿F(xiàn)0.510倍的倍頻。時鐘模塊提供兩種操作模式，如圖1.5所示： 圖1.5 內(nèi)部振蕩器：如果使用內(nèi)部振蕩器，準(zhǔn)則必須在X1/XCLIN和X2兩個引腳之間連接一個石英晶體。 外部時鐘源：如果采用外部是時鐘，可以將輸入的時鐘信號直接接到X1/XCLKIN引腳上，而X2懸空。在這種情況下，不使用內(nèi)部震蕩器。 C28

19、1x數(shù)字信號處理器上的ADC模塊將外部的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，ADC模塊可以將一個控制量進(jìn)行濾波或者實現(xiàn)運動系統(tǒng)的閉環(huán)控制。尤其是在電動機控制系統(tǒng)當(dāng)中，采用模塊采集電動機的電流或電壓實現(xiàn)電流環(huán)的閉環(huán)控制。 圖1.6 ADC模塊功能框圖TMS320F281x數(shù)字信號處理器支持多種外設(shè)中斷，外設(shè)中斷擴展模塊最多支持96個獨立的中斷。并將這些中斷分成8組，每一組有12個中斷源，根據(jù)中斷向量表來確定產(chǎn)生的中斷類型。CPU將自動獲取的中斷向量，在響應(yīng)中斷時，CPU需要9個系統(tǒng)時鐘完成中斷向量的獲取和重要CPU寄存器的保護（中斷響應(yīng)延時為9個系統(tǒng)時鐘）。因此，CPU能夠相當(dāng)快的相應(yīng)外設(shè)產(chǎn)生的中斷。 圖 1

20、.7C281x數(shù)字信號處理器與F24xx系列信號處理器的儲存器編址有很大的區(qū)別。F24xx 采用程序，數(shù)據(jù)和I/O分開編址，而C281x采用同一編址方式。芯片內(nèi)部提供18KB的SARAM和和128KB的Flash存儲器。并在F2812等處理器傻瓜提供外部存儲器擴展接口，外部最高可達(dá)1MB的尋址空間。 圖 1.8 外部接口框圖第二章機器人總體結(jié)構(gòu)的簡紹2.1機器人機械結(jié)構(gòu)的簡介變電站設(shè)備巡檢機器人 為一個全向輪式的的可巡線移動的具有三個自由度的機器人底座，外加上底座上面的可執(zhí)行機構(gòu)，機器人采用DSP為控制元件，采用巡線移動定點監(jiān)測的方式來進(jìn)行工作。整個底座以DSP為中心，在外部設(shè)備光電矩陣和步進(jìn)

21、電動機的協(xié)同作用下來完成整個機器人的定位和驅(qū)動，DSP作為整個機器人的控制中心預(yù)留有一些接口來完成對于上面執(zhí)行機構(gòu)的控制。它可以攜帶紅外熱像儀 、可見光攝像機等有關(guān)的電站設(shè)備檢測裝置 ,以自主和遙控的方式 ,代替人對室外高壓設(shè)備進(jìn)行巡檢 ,以便及時發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備的內(nèi)部熱缺陷、外部機械或 電氣問題 ,例如異物 、損傷 、發(fā)熱 、漏油等 ,給運行人員提供診斷電力設(shè)備運行 中的事故隱患和故障先兆的有關(guān)數(shù)據(jù) 。經(jīng)過現(xiàn)場工業(yè)運行表明 ,該機器人系統(tǒng)的非接觸式移動檢測與變電站綜合 自動化的接觸式監(jiān)控結(jié)合 ,可 以真正形成全監(jiān)控方式 ,大大提高變電站設(shè)備運行的安全可靠性 。整個機器人的結(jié)構(gòu)可以表示如下：2.2

22、機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡介機器人才有DSP作為系統(tǒng)的控制元件，看中的是DSP較快的處理速度和DSP對于實時控制較快的反應(yīng)速度還有DSP較多的外部設(shè)備，簡化了我們在外部接口方面電路的設(shè)計。在上述的控制系統(tǒng)中采用DSP為主控元件，I/O空間由 16個輸入口和16個輸出口組成。這些口可提供全 16 位并行 I/O 接口。輸入（IN）和輸出（OUT）操作典型的是2 個周期，但若用重復(fù)指令，可變成單周期指令。I/O器件映射到I/O地址空間，其方式與存儲器映射方式相同。本設(shè)計中采用32個光電傳感器，每個傳感器如果在軌跡線上方傳感器有信號輸入那么就輸出1，如果不在軌跡線上方就沒有信號輸入就會輸出0。最終會形成

23、2X16bit的數(shù)據(jù)，通過DSP的I/O將數(shù)據(jù)讀入DSP，經(jīng)過處理后在內(nèi)部建立一個坐標(biāo)上，得出那些輸出為1的光電管的位置坐標(biāo)。在經(jīng)過一些特定的算法處理得出機器人的位置信息。在DSP中每一個通用定時器都可以獨立提供一個PWM輸出通道，因此事件管理器最多可以提供6通道的PWM輸出。這些PWM的輸出可以通過所需的周期來設(shè)置TxCON寄存器，確定計數(shù)器模式和時鐘源，還有輸出波形的頻率。機器人在運動中可以通過旋轉(zhuǎn)編碼器在捕捉車輪的速度，并與在DSP內(nèi)部設(shè)置的速度進(jìn)行比較，進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。第三章 機器人運動控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計3.1常用控制方案的簡介隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了愈來愈多的控制芯片，這為

24、機器人的控制帶來了相當(dāng)大的好處。而且這些系列的芯片功能越來越強大，功能越來越全面，處理速度會越來越高，這樣給機器人控制帶來了相當(dāng)大的潛力空間。以前在設(shè)計機器人控制系統(tǒng)時必須充分考慮到處理器芯片的處理速度，現(xiàn)在高新能的處理芯片簡化了算法也簡化了系統(tǒng)設(shè)計的負(fù)擔(dān)。一般將來機器人的控制系統(tǒng)經(jīng)歷過如下的幾個階段：一，單片機控制階段。單片機已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中普遍采用的智能化控制工具-小到玩具、家電行業(yè)，大到車載、艦船電子系統(tǒng)，遍及計量測試、工業(yè)過程控制、機械電子、金融電子、商用電子、辦公自動化、工業(yè)機器人、軍事和航空航天等領(lǐng)域。為滿足不同的要求，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強運算能力和多機通信能力的8位、1

25、6位、32位通用型單片機，小型廉價型、外圍系統(tǒng)集成的專用型單片機，以及形形色色各具特色的現(xiàn)代單片機。可以說，單片機的發(fā)展進(jìn)人了百花齊放的時代，為用戶的選擇提供了空間。這一時期的特點為：在體系結(jié)構(gòu)(RISC)、電磁兼容性能(EMC)、開發(fā)環(huán)境(高級語言支持ISP、IAP等)、功耗管理等諸方面得到了提高。根據(jù)控制單元設(shè)計的方式與采用的技術(shù)不同，目前市場上的這些單片機可區(qū)分為兩大類型：繁雜指令集結(jié)構(gòu)(CISC架構(gòu))和精簡指令集結(jié)構(gòu)(RISC架構(gòu))。繁雜指令集結(jié)構(gòu)(CISC)的特點是指奪數(shù)量多，尋址方式豐富，較適合初學(xué)者系統(tǒng)學(xué)習(xí)，如INTEL的80C51或80C196、MC68K；而精簡指令集結(jié)構(gòu)(R

26、ISC)具有較少的指令與尋址模式，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，執(zhí)行程序的速度較快，成為單片機的后起之秀，如PIC、EM78XXX和Z86HCXX。ISP(In System Programming)和IAP(In Application Programming)方式是兩種先進(jìn)的實時在線開發(fā)方式。它們無須傳統(tǒng)的開發(fā)裝置，借助計算機和單片機的高性能，實現(xiàn)了真正的在線仿真。單片機普遍支持C語言編程，為后來者學(xué)習(xí)和應(yīng)用單片機提供了方便；高級語言減少了選型障礙，便于程序的優(yōu)化、升級和交流。盡可能選擇專用單片機；綜合考慮下進(jìn)行合理的選擇。二 DSP芯片控制階段這種控制方式為未來發(fā)展的主要趨勢，由于DSP芯片采用并

27、行化的哈弗總線結(jié)構(gòu)，故其在實時信號的處理方面有著很大的潛力。具體來說它有如下的 幾個方面的優(yōu)點：(1) 精度高，抗干擾能力強，穩(wěn)定性好。精度僅受量化誤差即有限字長的影響，信噪比高，器件性能影響小。 (2) 編程方便，易于實現(xiàn)復(fù)雜算法(含自適應(yīng)算法)。DSP 芯片提供了高速計算平臺，可實現(xiàn)復(fù)雜的信號處理。 (3) 可程控。當(dāng)系統(tǒng)的功能和性能發(fā)生改變時，不需要重新設(shè)計、裝配、調(diào)試。如實現(xiàn)不同的數(shù)字濾波(低通、高通、帶通)；軟件無線電中不同工作模式的電臺通信；虛擬儀器中的濾波器、頻譜儀等。 (4) 接口簡單。系統(tǒng)的電氣特性簡單，數(shù)據(jù)流采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。 (5) 集成方便。 DSP芯片的應(yīng)用幾乎已遍及電子

28、與信息的每一個領(lǐng)域，常見的典型應(yīng)用如下。 (1) 通用數(shù)字信號處理：數(shù)字濾波、卷積、相關(guān)、FFT、希爾伯特變換、自適應(yīng)濾波、窗函數(shù)和譜分析等。 (2) 語音識別與處理：語音識別、合成、矢量編碼、語音鑒別和語音信箱等。 (3) 圖形/圖像處理：二維/三維圖形變換處理、模式識別、圖像鑒別、圖像增強、動畫、電子地圖和機器人視覺等。 (4) 儀器儀表：暫態(tài)分析、函數(shù)發(fā)生、波形產(chǎn)生、數(shù)據(jù)采集、石油/地質(zhì)勘探、地震預(yù)測與處理等。 (5) 自動控制：磁盤/光盤伺服控制、機器人控制、發(fā)動機控制和引擎控制等。 (6) 醫(yī)學(xué)工程：助聽器、X射線掃描、心電圖/腦電圖、病員監(jiān)護和超聲設(shè)備等。 (7) 家用電器：數(shù)字電

29、視、高清晰度電視(HDTV)、高保真音響、電子玩具、數(shù)字電話等。 (8) 通信：糾錯編/譯碼、自適應(yīng)均衡、回波抵消、同步、分集接收、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)、軟件無線電和擴頻通信等。 (9) 計算機：陣列處理器、圖形加速器、工作站和多媒體計算機等。 (10) 軍事：雷達(dá)與聲吶信號處理、導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)、保密通信、全球定位、電子對抗、情報收集與處理等。 3.2 針對全向輪式機器人控制方法的概述全向輪是一種近年才出現(xiàn)的新型的機器人驅(qū)動方式，它以兩個自由度，能都在平面內(nèi)實現(xiàn)各個方向的滑動，移動方式靈活，控制方式多樣而著稱。但是全向輪由于其構(gòu)造上的特殊性導(dǎo)致其在使用壽命過短和磨損量過大。這些缺點限制了全向輪的適用

30、范圍。但是對以在室內(nèi)比較平整的路面上使用的機器人全向輪的運用還是比較廣泛的?；谌c確定一個平面還有全向輪在平面內(nèi)有兩個自由度的事實，本文討論了幾種不同的驅(qū)動方法。對以幾種驅(qū)動方法都會有如下的幾個共同點一，由于定位方式采用巡線定位，可以不斷采集機器人的位置信息，對以機器人的位置累積誤差沒有要求。但是對以機器人瞬時的定位精度有較高的要求，這要求本機器人控制系統(tǒng)擁有較好的定位方法。本文討論了利用光電傳感器矩陣確定機器人位置的算法，并對兩種不同的算法做出了比較，確定了較好一種布置方式。二，由于機器人采用巡線的定位方式，對于各個驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動速度有較高的實時控制要求。為了控制機器人各個驅(qū)動輪的速度，本系

31、統(tǒng)加上了編碼器來實時監(jiān)測機器人的各個輪子的轉(zhuǎn)動速度，并用PID算法調(diào)節(jié)速度。三，對以位置偏差的消除，本系統(tǒng)擬用PID控制方法，這種控制方法可以較好的消除偏差，防止速度位置的波動。第四章 全向輪式巡檢機器人定位算法的設(shè)計4.1機器人幾種定位方式的簡介目前機器人技術(shù)的發(fā)展不斷成熟，各種各樣的定位方法層出不窮，總結(jié)以下大概有如下的三種：一， 世界坐標(biāo)定位方式，以機器人出發(fā)的地點為世界坐標(biāo)的原點，累計機器人XY坐標(biāo)，還有機器人的方向信息，通過積分的方式最終確定機器人的位置。這種做法結(jié)構(gòu)上會比較簡單，但是由于各種各樣的誤差的累積在長距離上或者長時間運行的時候會引入較大的誤差。二， 巡線定位的的方式，這種

32、做法可以不斷地修正機器人的姿態(tài)。沒有累計誤差，定位的精度很高，但是需要采集路徑的信息系統(tǒng)的設(shè)計會比較復(fù)雜，對于中央處理器的要求也會相應(yīng)的搞一些。這種方式的最大缺點是，需要巡線，只能在室內(nèi)運行，不能適應(yīng)室外的定位要求。三， 全景式攝像機定位。這種方式是目前最有前景的定位方式。機器人采用攝像機拍攝周圍環(huán)境的信息。通過特定的算法提取特征信息，與儲存在數(shù)據(jù)庫里的信息相比較，得出相應(yīng)的結(jié)論，或者與計算機通信，通過人來指揮機器人的運動。這種做法可以靈活的控制機器人的各種各樣的運動。可以適應(yīng)各種各樣的復(fù)雜環(huán)境。但是對以機器人系統(tǒng)要求會大大的加強。這種方式未來機器人發(fā)展的趨勢，在未來大部分的機器人都會采用這種

33、方式。4.2 本次設(shè)計的一些背景隨著科技進(jìn)步和電力體制改革的不斷深入和發(fā)展，電力系統(tǒng)自動化程度已有了很大提高，變電站設(shè)備的電氣信號可以通過監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 高壓設(shè)備絕緣檢測 繼電保護等裝置獲得，從而也實現(xiàn)了變電站主設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控 即使目前很多變電站實現(xiàn)了遙測 遙信 遙控 遙調(diào)功能，為少人或無人值班變電站，但一定程度上都還存在因無人在現(xiàn)場及時監(jiān)視巡視而帶來的一系列問題，甚至留下隱患 為了解決這種矛盾，兼顧變電站傳統(tǒng)的運行方式，利用機器人技術(shù)，我們開發(fā)了變電站巡檢智能機器人產(chǎn)品樣機平臺本文主要介紹巡檢機器人控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，利用嵌入式操作系統(tǒng)，采用 DSP 模塊組成多板式嵌入式系統(tǒng)，運用該嵌入

34、式系統(tǒng)完成變電站巡檢機器人本體的運動控制 數(shù)據(jù)采集 與上位機通信和實現(xiàn)控制算法等功能 相比于原有的基于Windows CE的控制系統(tǒng)具有非常高的可靠性和實時性，并且可以在產(chǎn)品化以后降低成本。本機器人為面向變電站的巡檢機器人，屬于場地相對固定，地面狀況相對較好的情況。由于變電站為高危場合，所以對以機器人的定位要求很高，對以機器人的實時控制要求也很高?？紤]到系統(tǒng)設(shè)計的情況還有技術(shù)方面的要求，故選著方式二的定位方式。4.3 算法的提出與論證基本環(huán)境簡介：機器人按照預(yù)定的軌跡巡檢線路，在標(biāo)有紅點的地方會停下來，重點檢測完成預(yù)定的任務(wù)。如圖所示 圖 4.1基本設(shè)想：利用32個光電傳感器組成一個光電傳感器

35、矩陣，利用光電傳器得到一個01矩陣，再采用特殊的算法從01矩陣中提取出來相應(yīng)的信息，這個信息包括機器人與路徑的角度，機器人的中心與路徑的距離。相應(yīng)的光電傳感器矩陣如下圖所示：圖 4.2正好是處在路徑的上方，那么該光電傳感器就會檢測到信號，那么該光電傳感器就會輸出邏輯高電平1，其余的光電傳感器由于沒接收到信號的輸入，輸出邏輯低電平0.Dsp器件通過對相應(yīng)的存儲器地址進(jìn)行掃描。將結(jié)果儲存到相應(yīng)的矩陣?yán)锩嫒ィ?的位置就會填1，其余的位置就會填0.dsp將數(shù)據(jù)采集到內(nèi)部之后擬用特定的算法來計算出來機器人的中軸線與路徑的夾角以及機器人的中心位置與路徑的距離。下面就來說明如何進(jìn)行運算；對方案一：假設(shè)存儲矩

36、陣為A，i行j列的數(shù)值為下面采用曲線擬合的方法，確定經(jīng)過光電傳感器檢測之后的路徑的位子圖 4.3首先通過對于01矩陣的掃描，確定所存結(jié)果為1的位置的坐標(biāo)。將那些結(jié)果為1的各點表示為如下的形式：i表示從1到n的數(shù)。那么分別表示y軸的坐標(biāo)。現(xiàn)在定義直線y=ax+b,利用最小二乘法來求取最合適的a和b的值，由題意可以知道要使誤差最小就是要要求偏差的值是最小的等價于如下函數(shù)的最最小值；現(xiàn)在利用求取二元函數(shù)最小值的方法來求取上式（6）的最小值下面的幾步是在Maple中把相應(yīng)的表達(dá)式的值給計算出來，用封號結(jié)束是為了防止回顯下面通過解方程組 來求出a和b的值4.4 算法的不足與該進(jìn)上式就是經(jīng)過處理之后的表達(dá)

37、式，在DSP算法中將所得的數(shù)據(jù)帶入到上面的表達(dá)式中間就可以得到滿住要求的a和b的值·· 圖4.4上面所示有有兩種情況，現(xiàn)在來分別說明兩種方案的優(yōu)劣一般來說，機器人的由于機器人會巡線行走，機器人的控制芯片的處理速度較高，那么機器人的中軸線與軌跡線的交叉角度都不會很大，第五章 幾種全向輪驅(qū)動方式的比較 機器人的驅(qū)動方式一般認(rèn)為對于機器人的控制起著至關(guān)重要的影響，好的驅(qū)動方式不僅能夠正確的定位而且驅(qū)動算法簡單，驅(qū)動效果良好。所以一個好的驅(qū)動布置方式對于機器人的行走和定位都至關(guān)重要。可以說驅(qū)動方式的好壞直接決定著機器人控制性能的好壞。一般認(rèn)為，驅(qū)動方式的布置應(yīng)該滿足一下要求：能夠完

38、全控制機器人的行走，不會出現(xiàn)滑移，或者相互干涉的情況。所使用的算法簡單，能夠使最后的輸出表達(dá)式形式簡單，相對獨立。能夠最大限度的發(fā)揮電動機的性能所使用的電動機的數(shù)目應(yīng)該盡可能的少。5.1三種不同的驅(qū)動方式的簡介一般認(rèn)為全向輪式的機器人一般會有如下的三種驅(qū)動方式，如圖5.1所示：圖5.1方式一為四輪平行布置方式二為兩后輪平行布置，一個前輪垂直于兩后輪布置方式三位兩后輪成120度角布置，前輪平行于底座布置這三種方式為最基本的布置方式，但是不是每一種方式都能夠滿足特定情況的要求，下面對于每一種進(jìn)行討論，以確定最適合控制系統(tǒng)的驅(qū)動布置方式。5.2 在不同的驅(qū)動的方式下驅(qū)動表達(dá)式的推導(dǎo)針對如上的幾種方式

39、分別要論如下：方式一：根據(jù)自由度理論 每一個剛體要在平面上有確定的運動就使物體的自由度為一，對以沒一個全向輪可引進(jìn)兩個自由度，那么方式一擁有四個全向輪，由此引進(jìn)了8個自由度；圖5.2根據(jù)剛體體運動學(xué)，可以退出如下的關(guān)系；由上面的關(guān)系式可知我們僅需要確定V3，V4的速度即可，有由于V3，V4存在速度差那么就可以確定剛體轉(zhuǎn)動的角速度，如下圖所示：圖5.3在這種情況下小車就回圍繞圖中所示的轉(zhuǎn)動中心左復(fù)合運動，小車的運動史屏東加上圍繞轉(zhuǎn)動中心的轉(zhuǎn)動組合而成的，如下圖示；其中表示牽聯(lián)速度，表示相對速度;對以這種速度調(diào)節(jié)的方式有一個問題需要說明：這種方式?jīng)]有能夠控制牽連速度，所以運動是不確定的，也就是說這

40、樣的控制方式需要加上額外的控制器件才能夠?qū)崿F(xiàn)確定的運動。這樣的布置方式的好處在于由于四個輪子成對稱布置，各個輪子的受力較為均勻，在控制的時候每個輪子的最大驅(qū)動力矩是相等的，出現(xiàn)打滑等的可能性會比較小，控制的穩(wěn)定性會比較好。通過上面的分析可以看出，在上面的布置方式中僅有后面的兩個輪在驅(qū)動過程中起到了相應(yīng)的作用，前面的兩個輪僅僅起到了輔助支撐的作用，基于此對以全向輪的布置方式做一下該進(jìn)，形成如圖5.4示的全向輪的布置方式。A圖5.4如上圖所示，小車的速度有三個全向輪可以完全控制，在圖示的A點為小車的轉(zhuǎn)動中心A點的速度可以表示為那么小車上面的任意一點可以表示為其中為后兩輪的距離為車上任何一點到A點的

41、矢徑這是一中可行的的控制小車運動的方式，但是不足之處在于需要三個電機的協(xié)調(diào)運動才能控制機器人的運動方向，同時使用三部電動機也會消耗更多的能量。這樣導(dǎo)致了系統(tǒng)過于復(fù)雜，成本比較高，但是控制算法比較的簡單，這種算法還是有比較多的可取之處的下面來說明這樣做的好處為了盡量少的使用電動機，我們吸取上面布置的優(yōu)秀之處，經(jīng)過改進(jìn)設(shè)計了下面的一種全向輪的布置方法，同樣是采用三個全向輪，但是三個全向輪的輪軸互成120沿著圓周方向布置。在這種布置的情況下，由于任意兩個輪子的運動就足以使機器人按照確定的路線行走故對以電機布置會比較靈活，能夠充分利用到機器人上面的空間。下面我們來說明這樣的布置方式的而可行之處。鑒于在

42、表達(dá)式的推導(dǎo)過程中會涉及到比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)在這個地方使用MATLAB的符號運算功能。MATLAB是一款強大的數(shù)學(xué)運算軟件，其中的符號運算模塊可以用來解方程并進(jìn)行相關(guān)表達(dá)式的運算與推導(dǎo)，可以大量的節(jié)省運算的時間提高運算的精度，大大提高工作的效率。在圖示的方案中輪B和輪A是有電動機帶動的，有著確定的速度Vb1和Va1，由剛體的運動特性可以列出如下的方程：Va1=Vb1×sin()-Vb2×cos(); 式5.1Va2=Vb1×cos()+Vb2×sin()； 式5.2上述的方程只有兩個待定的未知數(shù)解，我們用Matlab解該方程組如下：Vb2=solve(&

43、#39;Va1=Vb1*sin(betal)-Vb2*cos(betal)','Vb2') Vb2 =-(Va1-Vb1*sin(betal)/cos(betal) 上步是利用solve這個命令，將式5.1中間的Vb2解出來Va2=sym('Vb1*cos(betal)+Vb2*sin(betal)') 上步是在MATLAB中定義符號變量Va2Va2 =Vb1*cos(betal)+Vb2*sin(betal) Va2=subs(Va2,sym('Vb2'),Vb2) Va2 =-(sin(betal)*Va1-Vb1)/cos(beta

44、l) 通過上面的運算我們求出了Vb2和Va2的值下面我們來尋找機器人牽連運動的中心，如下圖的方法所示：在圖示的狀態(tài)機器人繞著瞬時速度中心O旋轉(zhuǎn)，一般情況下瞬時速度中心并不在機器人上，特別是在機器人作直線運動的時候順數(shù)速度中心在離機器人無限遠(yuǎn)的地方。下面建立坐標(biāo)系推導(dǎo)機器人說是速度中心的表達(dá)式已知：A（xa，ya），B（xb，yb）假設(shè)：S（xs，ys）那么會有如下的方程組 顯然上述四個方程只有三個未知數(shù)，那么我們可以利用前面的三個方程解出未知數(shù)，利用最后一個方程來驗證，我們利用MATLAB來解上面的方程組：w,xs,yx=solve('Va1=w*(xs-xa)','V

45、a2=w*(ya-ys)','Vb1*cos(betal)+Vb2*sin(betal)=w*(ys-yb)','w','xs','ys') w =(Vb1*cos(betal)+Vb2*sin(betal)+Va2)/(ya-yb)xs =(Va1*ya-Va1*yb+xa*Vb1*cos(betal)+xa*Vb2*sin(betal)+xa*Va2)/(Vb1*cos(betal)+Vb2*sin(betal)+Va2)yx =(Va2*yb+ya*Vb1*cos(betal)+ya*Vb2*sin(betal)/(

46、Vb1*cos(betal)+Vb2*sin(betal)+Va2) 由上面的分析可以得出順時速度的中心以及我們需要知道的角速度，Vb2=sym('-(Va1-Vb1*sin(betal)/cos(betal)') Vb2 =-(Va1-Vb1*sin(betal)/cos(betal) Va2=sym('Vb1*cos(betal)+Vb2*sin(betal)') Va2 =Vb1*cos(betal)+Vb2*sin(betal) subs(w,sym('Vb2'),Vb2) ans =(Vb1*cos(betal)-(Va1-Vb1*si

47、n(betal)/cos(betal)*sin(betal)+Va2)/(ya-yb) 上步是為了簡化表達(dá)式，利用subs這個命令對結(jié)構(gòu)經(jīng)行了化簡Va2=subs(Va2,sym('Vb2'),Vb2) Va2 =Vb1*cos(betal)-(Va1-Vb1*sin(betal)/cos(betal)*sin(betal) Va2=simplify(Va2) Va2 =-(sin(betal)*Va1-Vb1)/cos(betal) xs=subs(xs,sym('Va2'),sym('Vb2'),Va2,Vb2) xs =(Va1*ya-Va

48、1*yb+xa*Vb1*cos(betal)-xa*(Va1-Vb1*sin(betal)/cos(betal)*sin(betal)-xa*(sin(betal)*Va1-Vb1)/cos(betal)/(Vb1*cos(betal)-(Va1-Vb1*sin(betal)/cos(betal)*sin(betal)-(sin(betal)*Va1-Vb1)/cos(betal) ys=subs(yx,sym('Va2'),sym('Vb2'),Va2,Vb2) ys =(-(sin(betal)*Va1-Vb1)/cos(betal)*yb+ya*Vb1*c

49、os(betal)-ya*(Va1-Vb1*sin(betal)/cos(betal)*sin(betal)/(Vb1*cos(betal)-(Va1-Vb1*sin(betal)/cos(betal)*sin(betal)-(sin(betal)*Va1-Vb1)/cos(betal) w=subs(w,sym('Va2'),sym('Vb2'),Va2,Vb2) w =(Vb1*cos(betal)-(Va1-Vb1*sin(betal)/cos(betal)*sin(betal)-(sin(betal)*Va1-Vb1)/cos(betal)/(ya-yb

50、) xs=simplify(xs) xs =1/2*(-Va1*ya*cos(betal)+Va1*yb*cos(betal)+2*xa*sin(betal)*Va1-2*xa*Vb1)/(sin(betal)*Va1-Vb1) ys=simplify(ys) ys =1/2*yb+1/2*ya w=simplify(w) w =-2*(sin(betal)*Va1-Vb1)/cos(betal)/(ya-yb) z最后將結(jié)果整理出來如下所示：5.3 三種驅(qū)動形式優(yōu)缺點的比較 通過上面對以三種驅(qū)動的方式進(jìn)行的比較可以看出三種方式各有優(yōu)缺點，方式一受力特性會比較好，但是沒有能夠完全確定機器人的各

51、個方向的運動，特別是對于側(cè)向滑移的速度沒有能夠限制，所以這種驅(qū)動方式存在缺陷。 方式二能夠完全確定各個方向的運動，由于三個驅(qū)動輪的布置方式?jīng)Q定三個輪可以分別控制各個運動分量，這樣對以運動的分析算法的確定都會比較有利。 方式三的一個最大優(yōu)點是只利用了兩個電動機，可以最大限度的節(jié)約能源，減輕重量。故這種布置方式適用對于重量有嚴(yán)格限制和對以能耗由嚴(yán)格要求的場合。但是這種布置方法有一個明顯的缺點，就是控制表達(dá)式很復(fù)雜，這樣帶來的直接后果就是對以處理器的要求會提高很多，在相同條件下控制的精度會差很多。故一般在選擇全向輪布置方式時如果不是有特殊的要求一般不會采用者這種方式。5.4 最終驅(qū)動形式的確定與原因

52、針對本控制系統(tǒng)的以及機器人運行環(huán)境的要求，選擇方式二，作為本系統(tǒng)的驅(qū)動輪布置方式，理由如下：一， 本系統(tǒng)式適應(yīng)于變電站的巡檢機器人的控制系統(tǒng)，在變電站中環(huán)境會比較復(fù)雜，各種干擾較多，需要系統(tǒng)有較好的糾錯能力。二， 變電站里有各種高壓設(shè)備，對以安全性的要求較高，這樣就要求機器人的控制精度較高，控制靈活。方式二可以橫好的實現(xiàn)上述要求。三， 變電站為室內(nèi)場合，對以功率和重量的限制不是太嚴(yán)。完全可以選用較大容量的蓄電池，來滿足三個電動機以及控制系統(tǒng)的耗能要求。第六章 全向輪式機器人的控制算法的設(shè)計6.1基本想法的簡介圖6.1上圖中機器人中心與路徑的距離用S表示，機器人在中軸線與路徑的夾角用 表示下面應(yīng)

53、用PID的控制算法來確定，機器人旋轉(zhuǎn)的角速度，以及機器人向路徑移動的平動的速度的大小。在上一章中間已經(jīng)根據(jù)光電傳感器矩陣得到的數(shù)據(jù)確定了利用最小二乘法的到得路徑擬合方程，現(xiàn)表示如下：y=a*x+b, 其中a和b由下面的表達(dá)式來確定：上面表達(dá)式的各個參數(shù)的含義已經(jīng)在前面一章有著清楚地表達(dá)大家可以參照以前的章節(jié)6.2 PID控制方法簡介將偏差的比例（Proportion） 、積分（Integral）和微分（Differential）通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對被控對象進(jìn)行控制，這樣的控制器稱 PID控制器。 在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是 PID 控制。圖中， 是給定值， 是

54、系統(tǒng)的實際輸出值，給定值與實際輸出值構(gòu)成控制偏差 其中： Kp 控制器的比例系數(shù) Ti 控制器的積分時間，也稱積分系數(shù) Td 控制器的微分時間，也稱微分系數(shù)6.3位置式 PID控制 由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差計算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量量，進(jìn)行連續(xù)控制。由于這一特點（6.1）中的積分項和微分項不能直接使用，必須進(jìn)行離散化處理。離散化處理的方法為：以T 作為采樣周期， 作為采樣序號，則離散采樣時間 對應(yīng)著連續(xù)時間 ，用矩形法數(shù)值積分近似代替積分，用一階后向差分近似代替微分，可作如下近似變換： 式6.1其中 k 采樣序號，k0，1，2，； 第 k次采樣

55、時刻的計算機輸出值； 第 k次采樣時刻輸入的偏差值； 第 k1次采樣時刻輸入的偏差值； 積分系數(shù)， 微分系數(shù)，如果采樣周期足夠小，則（式6.2）或（式6.3 ）的近似計算可以獲得足夠精確的結(jié)果，離散控制過程與連續(xù)過程十分接近。 增量式 PID算法 所謂增量式 PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量 。當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)需要的控制量是增量，而不是位置量的絕對數(shù)值時，可以使用增量式 PID控制算法進(jìn)行控制。 增量式 PID 控制算法可以通過（式 ）推導(dǎo)出。由（式 ）可以得到控制器的第 k1個采樣時刻的輸出值為： 式6.2式 6.36.4 機器人軌跡控制算法有第四章我們已經(jīng)知道通過本機器人底盤上的光電傳感器矩陣檢測地面上作為標(biāo)記的