机场跑道检测多机器人系统控制技术研究

摘要

随着经济的发展以及科技水平的提高，人们越来越多地选择飞机作为自己的出行方式，不仅如此，航空货运需求也在逐年增长。飞机在生活中扮演着越来越重要的角色，飞机的安全也成为人们十分关注的问题。飞机能够在机场跑道安全地起飞和降落是机身安全的重要环节，对机场跑道进行安全检测非常重要。过去的机场跑道检测采用人工巡检的方式，需要花费很多的人力。国外对于机场跑道检测系统的研究尽管取得了一定的成果，但仍有改进的余地，特别是在利用多机器人合作的方式完成机场跑道检测这一方面，还有很多技术问题需要解决。本次课题设计并搭建一种能够全向移动的机场跑道检测多机器人系统，重点在于对机场跑道检测多机器人的控制。所设计的多机器人巡检效率高，为机场跑道的全自动巡检提供了实现的可能。
　　首先，本文给出了机场跑道检测多机器人系统的控制方案，包括多机器人控制系统的方案设计和机场跑道检测多机器人系统的工作流程。建立了机场跑道检测机器人的数学模型，包括模型参数、运动学模型以及全向运动图。对系统中用到的速度环PID算法、姿态环PI算法以及协同编队的模糊PID算法进行了详细的分析，并在MATLAB环境下对所设计的控制器进行了仿真实验。
　　其次，根据上述设计的总体方案，按照分层次、模块化的原则进行了硬件实现和软件实现，完成了机场跑道检测多机器人控制系统实物的搭建和远程PC监控系统的编写测试工作。对位置姿态采集模块、无线串口通信模块、超声波测距模块、室内定位模块、DSP运动控制平台、USB摄像头采集模块等各个子单元进行了硬件的搭建调试和软件程序的编写测试工作。完成了多机器人通信、多机器人控制等的调试工作。
　　最后，利用设计并实现的机场跑道检测多机器人系统进行运动控制、室内定位和协同编队三个实验，并对三个实验的结果和数据进行了分析，验证出所设计的机场跑道检测多机器人控制系统具有良好的控制效果。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题的研究背景和意义

1．2．1国外多移动机器人的研究现状

1．2．2国内多移动机器人的研究现状

1．3多移动机器人控制方式的研究现状

1．4多移动机器人控制算法研究现状

1．5课题的主要研究内容和章节安排

第2章机场跑道检测多机器人控制系统方案

2．1．1单体机器人控制系统方案设计

2．1．2多机器人控制系统方案设计

2．1．3机场跑道检测多机器人控制体系功能层次

2．1．4机场跑道检测多机器人工作流程

2．2．1机器人模型参数

2．2．2坐标系变换

2．2．3本体坐标系运动学模型

2．3控制方案分析

2．3．1控制方案总体框架

2．3．2PID闭环调速

2．3．3姿态环PI控制

2．3．4协同编队的模糊控制

2．4本章小结

第3章机场跑道检测多机器人控制器设计

3．1PID控制原理

3．2．1PID控制器设计

3．2．2PID仿真实验

3．3模糊PID控制器设计及仿真实验

3．3．1模糊PID控制器设计原理

3．3．2建立uE(|E|)、uC(|C|)与|E|、|C|的隶属函数图

3．3．3建立隶属度u(|E|，|C|)与uE(|E|)、uC(|C|)的关系

3．3．5模糊PID仿真实验

3．4本章小结

第4章机场跑道检测多机器人系统硬件设计

4．1运动控制子系统硬件实现

4．1．1双DSP主控板

4．1．2电机驱动板

4．2信息采集及控制子系统

4．2．1嵌入式ARM主控板

4．2．2串口扩展模块

4．3无线串口模块

4．3．1无线串口模块工作模式

4．3．2无线串口模块工作原理

4．3．3无线串口模块安装及测试

4．4超声波测距模块

4．4．1超声波测距模块工作原理

4．4．2超声波测距模块工作流程

4．4．3超声波测距模块工作模式

4．5位置姿态模块

4．5．1位置姿态模块硬件实现

4．5．2位置姿态模块数据处理

4．6室内定位模块工作原理

4．7本章小结

第5章机场跑道检测多机器人系统软件实现

5．1．1利用CCS开发DSP软件的流程

5．1．2DSP软件工程结构

5．2运动控制子系统软件实现

5．2．1PWM功能模块软件实现

5．2．2串口收发模块软件实现

5．2．3光电编码器测速软件实现

5．3ARM软件开发环境

5．4协同控制子系统软件实现

5．4．1Linux设备驱动程序实现原理

5．4．2ARM11协同控制程序设计

5．5远程监控系统软件实现

5．6本章小结

第6章机场跑道检测多机器人调试与实验

6．1．1DSP输出PWM波单元调试

6．1．2一键烧写Linux操作系统

6．1．3超声波测距和无线串口联合调试

6．1．4位置姿态单元调试

6．1．5WiFi模块USB摄像头视频通信调试

6．1．6串口扩展模块调试

6．2机场跑道检测多机器人实验

6．2．1运动平台速度闭环控制实验

6．2．2室内定位实验

6．2．3机场跑道检测多机器人协同编队实验

6．3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢