移动机器人嵌入式控制系统研究

摘要

移动机器人是机器人领域中的一个重要分支，目前，移动机器人已经被广泛应用到航天、航海、医疗、工业自动化、家政服务、反恐排爆等多种领域。本文主要针对工业自动化领域中一种移动机器人，研究并设计了它的嵌入式控制系统，分别搭建了嵌入式控制系统的软件和硬件平台，并且设计了一种相关的控制算法，利用MATLAB进行仿真和实验验证。
　　本文以ARM9微处理器S3C2440A和运动控制芯片PCL6045BL为核心，研究设计了移动机器人的嵌入式控制系统。嵌入式控制系统分别搭建了硬件平台和软件平台。硬件平台提供丰富的接口电路，可以外接多种设备。软件平台以嵌入式Linux操作系统为核心，在其上开发相应的底层驱动程序和上层应用软件。
　　嵌入式控制系统硬件平台的搭建主要包括 CPU和存储器模块、电源与时钟模块、PCL6045BL运动控制模块、通信接口电路模块、LCD接口电路以及通用I/O接口。CPU与存储器模块选择了S3C2440A核心板模块，上面集成了SDRAM与NANDFlash芯片；运动控制模块以专用的DSP运动控制芯片PCL6045BL为核心，可提供多种运动控制功能，CPU只需要简单的控制命令就能实现精确的运动控制，最多可以同时控制多达4个轴进行复杂的插补运动；通信接口电路分为串口电路和USB接口电路，串口用来与PC机的连接和设备的调试，USB用来挂载图像采集摄像头等外接设备；LCD接口电路用于CPU与液晶屏的连接，为控制系统提供触控屏与显示屏。
　　嵌入式控制系统软件平台的搭建主要分为三大部分，嵌入式Linux操作系统的移植、底层硬件驱动程序的开发以及上层应用软件的开发。Linux操作系统的移植包括启动加载程序的移植、1inux内核的移植与yaffs2根文件系统的移植；底层硬件驱动程序主要是PCL6045BL驱动程序的开发，使控制系统完美支持运动控制模块；应用软件开发主要是嵌入式控制系统人机界面的开发，本文开发了移动机器人嵌入式控制系统的QT界面，用来实时显示焊缝图像并可以对机器人进行手动调整，以完成对焊缝的精确跟踪。
　　硬件平台与软件平台共同构成了移动机器人的嵌入式控制系统，本文对嵌入式控制系统进行了MATLAB仿真实验，跟踪了简单的圆弧焊缝，并对结果做了分析。
　　本文设计的移动机器人嵌入式控制系统实现简单，价格合理，可扩展性高，并且通过仿真和实验的验证，可以用做工业移动机器人的嵌入式控制系统。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 移动机器人发展现状和未来展望

1.3 本文的研究内容

1.4 本文章节安排

第2章 移动机器人嵌入式控制系统总体方案设计

2.1 移动机器人实现功能

2.2 移动机器人总体结构分析

2.3 移动机器人机械结构分析

2.4 移动机器人控制系统硬件部分总体设计

2.5 移动机器人控制系统软件总体设计

2.6 本章小结

第3章 嵌入式控制系统硬件平台

3.1 嵌入式控制系统的中央处理器

3.2 嵌入式控制系统的存储器

3.3 嵌入式控制系统电源与时钟电路设计

3.4 嵌入式控制系统的运动控制模块及其接口电路分析和设计

3.5 嵌入式控制系统通信模块电路设计

3.6 嵌入式控制系统图像采集模块

3.7 嵌入式控制系统LCD接口电路设计

3.8 本章小结

第4章 移动机器人嵌入式linux操作系统的移植

4.1 嵌入式linux操作系统的简介

4.2 交叉编译环境的搭建

4.3 嵌入式linux操作系统的移植

4.4 本章小结

第5章 移动机器人嵌入式控制系统驱动与应用软件开发

5.1 移动机器人嵌入式控制系统驱动程序的开发

5.2 嵌入式控制系统应用软件开发

5.3 系统平台的运动控制功能测试

5.4 本章小结

第6章 移动机器人的控制算法设计和仿真实验

6.1 移动机器人的控制算法设计

6.2 控制系统MATLAB仿真实验

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和取得的科研成果

致谢