机场跑道检测机器人控制系统设计与实现

摘要

随着现代航空业的迅速发展，飞机的运行安全问题受到了更多关注。机场跑道的检测是确保飞机起降安全的重要环节，具有十分重要的意义。国内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。因此，设计研究一款性能卓越的机场跑道检测机器人系统很有必要。 本课题设计了一种机场跑道检测机器人控制系统，重点研究机器人的运动控制。由于运动控制的效果直接影响机场跑道检测机器人的整体性能。因此，论文以运动控制为核心、以数学模型为基础，从控制算法设计到机器人软硬件的实现，使机器人达到良好的运行效果。 首先，本文给出了机场跑道检测机器人系统的整体设计方案，建立了机器人本体坐标系下的运动学模型和动力学模型，然后通过坐标系变换，建立全局坐标系下机器人的运动学模型和动力学模型，并详细分析了基于两种模型的运动控制系统方案。 其次，基于运动学模型，设计了一种双闭环分层式运动控制器，内环基于PI的速度控制，外环基于滑模变结构的位姿控制，并对滑模控制器产生的抖振进行优化处理。同时，基于动力学模型设计滑模位姿控制器，通过在MATLAB环境下进行仿真，对比基于运动学模型的位姿控制效果。综合考虑机器人硬件匹配度等系统实现问题，系统采用基于运动学的控制方案。 最后，对机场跑道检测机器人控制系统进行设计与实现，包括硬件设计和软件设计。根据系统功能采用分层式、模块化设计，采用ARM11主控单元与DSP28335运动控制单元、STM32位姿采集单元、WiFi通信单元等多系统协同工作的方式，完成机场跑道检测机器人控制系统的实现。值得说明的是，所设计的机器人具有支持在线调整优化控制器参数的功能。最终在基于LabVIEW远程监控系统的作用下，完成机器人的测试与实验，验证了所设计机场跑道检测机器人良好的控制性能。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 国内外研究发展现状

1.3 课题的主要研究内容和章节安排

第2章 机场跑道检测机器人控制系统方案

2.1 机场跑道检测机器人控制系统整体方案设计

2.2 运动控制系统的数学模型

2.3 运动控制方案分析

2.4 本章小结

第3章 机场跑道检测机器人运动控制器设计

3.1 基于运动学的位姿控制器设计

3.2 基于动力学的位姿控制器设计

3.3 本章小结

第4章 机场跑道检测机器人的设计实现

4.1 嵌入式ARM主控单元

4.2 运动平台控制子系统

4.3 位姿检测模块

4.4 WiFi通信模块

4.5 机器人控制程序设计

4.6 远程监控系统设计

4.7 本章小结

第5章 机场跑道检测机器人测试与实验研究

5.1 机场跑道检测机器人单元测试

5.2 机场跑道检测机器人实验

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢