基于模糊控制的移动机器人导航系统设计

摘要

移动机器人是机器人技术领域中的一个重要分支，跨越了计算机、自动控制、机械、电子等多个学科。目前，越来越多的移动机器人被应用到物料自动传输、危险场合下的自动作业以及服务业等。这些应用对移动机器人在环境信息感知与理解、路径规划与自定位等方面的自主导航能力提出了更高的要求。为此，本论文以上海化工区有毒气体巡检机器人为对象，对自动导航系统的设计进行了研究。
　　论文主要工作包括：
　　首先，介绍了移动机器人起源和国内外发展现状，简要说明了所用移动机器人系统总体结构和导航系统组成模块。通过对移动机器人常用导航方式的分析，确定了采用磁阻传感器和超声波传感器采集实时导航信息、实现轨道跟踪的导航系统方案。该方案具有路径适应能力强、定位精度高、成本低等优点。
　　其次，对模糊控制算法进行了研究。在分析移动机器人导航常用控制方法和两轮差速移动机器人运动学模型的基础上，提出了移动机器人的角速度—线速度函数模型，将双输出系统转化为单输出系统，设计了两输入单输出模糊导航控制器，简化了控制系统结构；讨论了量化因子参数设置对系统稳定性和精度的影响；采用圆环轨道对移动机器人导航控制器进行了仿真。实现了移动机器人导航控制系统硬件和软件。通过对磁阻传感器基本原理的分析，改进了磁传感模块的控制电路设计。研究了环境因素对磁阻传感和超声波传感的影响，提出了具有针对性的测量方法、偏差估计方法和滤波方法。
　　最后，对仿真结果进行了分析，证明了模糊导航控制器在理论上是可行性的；对移动机器人导航系统的软硬件整体调试，经实地运行测试，验证了导航系统稳定、可靠，并具有较高的精度。

目录

基于模糊控制的移动机器人导航系统设计

THE NAVIGATION SYSTEM DESIGN OFMOBILE ROBOT BASED ON FUZZY CONTROL

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 课题研究的背景及意义

1.2.1 课题研究的背景

1.2.2 课题研究的意义

1.3 国内外现状及发展趋势

1.4 研究内容

第2章 移动机器人总体结构与运动模型

2.1 移动机器人系统

2.1.1 移动机器人系统的组成

2.1.2 移动机器人导航方式

2.2 移动机器人的运动学分析

2.3 移动机器人导航系统数学建模

2.4 本章小结

第3章 模糊导航控制方法与仿真

3.1 引言

3.2 模糊控制器的基本结构

3.2.1 模糊化

3.2.2 知识库

3.2.3 模糊推理

3.2.4 清晰化

3.2.5 模糊控制器的维数

3.3 模糊逻辑控制系统的基本原理

3.3.1 模糊化运算

3.3.2 数据库

3.3.3 规则库

3.3.4 清晰化计算

3.4 模糊导航控制系统的设计

3.5 导航系统仿真研究

3.5.1 仿真工具MATLAB简介

3.5.2 移动机器人模糊控制器仿真

3.5.3 仿真结果

3.6 本章小结

第4章 导航控制系统软硬件的设计与实现

4.1 控制系统硬件模块的实现

4.1.1 控制器的选型和开发应用

4.1.2 磁检测系统模块

4.1.3 超声波检测系统模块

4.1.4 电机驱动控制模块

4.2 控制系统软件设计与实现

4.2.1 软件整体设计方案

4.2.2 磁检测软件系统结构

4.2.3 超声避障软件系统结构

4.2.4 自动导航寻迹模块

4.3 导航系统性能测试及实验结果

4.4 本章小结

结论

参考文献

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致谢