建筑爬壁检测机器人的控制研究

摘要

爬壁检测机器人是一种用于高层建筑壁面检测的极限作业机器人。在现代社会中，随着经济的高速发展和科技的不断进步，高层建筑物越来越多，建筑物高度和复杂程度也越来越高，因此对建筑立面的质量要求也相应提高。为了了解建筑物立面的质量情况，需要对建筑物立面进行检测，以便能及时发现问题和安全隐患。目前，对于建筑物立面的检测大都还是通过传统的人工目测来进行，这种方式效率低、可靠性不高、工作安全性差而且易发生事故。鉴于目前存在的这种情况，本文研究了一种可代替人工目测进行高层建筑物立面检测的爬壁检测机器人，并对其涉及的控制理论和技术进行了分析与研究。
　　 本文以数字信号处理器DSP为控制器核心芯片进行机器人控制系统的设计，研究了基于DSP的爬壁检测机器人控制系统的具体实现方案，对机器人系统的硬件结构、软件流程及控制算法进行了分析与设计。
　　 首先，本文提出了上位计算机+DSP下位机主从两级结构的控制系统，详细叙述了实验平台上、下位机的总体设计，然后给出了下位机DSP控制系统的硬件电路设计，其中包括DSP外围基本硬件电路、DSP扩展存储器电路、控制器电源电路、串行通信电路、电机驱动电路等，并且分析总结了一些系统设计中应该注意的问题事项。
　　 其次，在TI公司的CCS3.0编程环境基础上，按照模块化的设计思想，利用汇编语言和C语言混合编写了机器人各控制模块的软件程序，其中包括主程序、系统初始化程序、系统解析程序、系统控制程序以及系统通信程序等。
　　 再次，详细推导了机器人驱动轮电机数学模型的建立，并通过仿真确定了机器人的PID控制方式，分析并设计了位置环、速度环、电流环三闭环的电机控制结构。
　　 最后，搭建了爬壁检测机器人的实验平台，对机器人进行实验测试，验证机器人硬件电路以及软件程序的有效性和合理性。通过实验测试表明，该爬壁检测机器人控制系统的软硬件设计方案合理，移动、吸附、控制性能可靠，达到了预期要求。

目录

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论文说明：图表目录

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第一章 绪论

1.1课题研究的背景、目的及意义

1.2爬壁机器人的分类

1.3爬壁机器人的国内外研究现状

1.3.1爬壁机器人的国外研究现状

1.3.2爬壁机器人的国内研究现状

1.4机器人控制系统的研究现状

1.5本文主要研究内容

第二章 爬壁检测机器人的总体结构

2.1引言

2.2设计要求

2.2.1设计原则

2.2.2技术目标

2.3机器人总体结构

2.3.1机器人本体机械结构

2.3.2机器人吸附结构

2.3.3机器人感知机构

2.3.4机器人移动机构

2.4机器人控制系统

2.4.1基于DSP为核心的控制系统

2.4.2爬壁检测机器人控制系统总体结构

2.4.3机器人下位机控制系统

2.5本章小结

第三章 爬壁检测机器人控制系统硬件结构设计

3.1 DSP控制系统设计

3.1.1 TMS320LF2407的结构特点

3.1.2 DSP控制系统设计

3.2下位机硬件电路设计及实现

3.2.1电源电路设计

3.2.2时钟电路设计

3.2.3存储器扩展模块

3.2.4串行通信模块

3.2.5 CAN总线模块

3.2.6 JTAG模块

3.2.7电机驱动模块

3.2.8硬件设计应注意的问题

3.3上位机监控系统硬件结构设计

3.4本章小结

第四章 爬壁检测机器人控制系统的软件设计

4.1引言

4.2 DSP软件开发简介

4.2.1软件工具及编程语言

4.2.2 DSP软件开发流程

4.3控制系统软件结构体系

4.4上位机软件监控系统

4.5下位机软件控制系统

4.5.1系统初始化模块

4.5.2系统解析模块

4.5.3系统控制模块

4.5.4系统通信模块

4.6软件抗干扰设计

4.7本章小结

第五章 爬壁检测机器人动力学模型仿真

5.1驱动轮电机数学模型分析

5.2控制算法分析

5.2.1 PID算法原理

5.2.2 PID参数选择

5.3控制器模型仿真分析

5.4机器人控制系统模型仿真

5.5本章小结

第六章 爬壁检测机器人实验与分析

6.1实验系统组成

6.2爬壁检测机器人机器人吸附性能测试

6.3机器人移动性能测试

6.3.1机器人移动速度测试

6.3.2机器人直线运动测试

6.3.3机器人越障能力测试

6.4机器人负重性能测试

6.5机器人控制及检测性能测试

6.6本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文