三轮全向移动机器人运动控制研究

摘要

足球机器人涉及到多学科、多领域，为研究多智能体系统、人工智能等理论提供了一个很好的研究平台，引起了越来越多的科研机构和大专院校的关注，也吸引了越来越多的科研人员和学者的参与。
　　 论文主要对RoboCup中型组足球机器人——三轮全向驱动机器人的运动控制进行了研究。首先建立了三轮全向移动机器人非线性系统模型，通过分析它的运动特性，采用基于运动学模型的分层控制方案实现机器人的运动控制。为了验证底层运动控制系统和控制策略的合理性，在分析无刷直流电机数学模型的基础上，利用Matlab/Simulink建立了无刷直流电机转速、电流双闭环控制系统的仿真模型，通过仿真得到了与理论分析相一致的仿真试验结果，证明了该控制方案的可行性。其次，本文设计了三轮全向移动机器人的运动控制算法，包括基于Lyapunov直接法的姿态稳定控制算法和基于输入变换解耦的轨迹跟踪控制算法，使系统具有良好的全局稳定性，实现了移动机器人的位置和方位的跟踪控制。仿真实验中考虑了驱动电机的动态特性，检验了控制算法的鲁棒性和有效性。
　　 最后，根据RoboCup中型组足球机器人底层控制系统的基本任务，采用双DSP构架，选择高性能DSP处理器TMS320LF2407A作为核心进行底层运动控制系统的设计。硬件部分，按照模块化的思想，主要设计了以TMS320LF2407A为核心的控制电路和无刷直流电机驱动模块；软件部分，在硬件平台基础上编制了各个模块的软件程序，给出了各模块的程序框图。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题来源及研究意义

1.2 RoboCup中型组足球机器人系统简介

1.3全向移动足球机器人运动控制系统的研究现状

1.4本论文的主要内容及组织结构

1.5本章小结

第二章机器人系统模型研究与控制方案设计

2.1三轮全向移动机器人系统建模

2.1.1三轮全向移动机器人运动学建模

2.1.2三轮全向移动机器人动力学模型

2.2三轮全向移动机器人结构设计

2.2.1全向轮结构设计

2.2.2车体布局及驱动电机的选取

2.3轮式移动机器人运动系统控制方案选择

2.4本章小结

第三章基于Matlab的控制系统建模与仿真

3.1 BLDCM基本原理

3.2 BLDCM的数学模型

3.2.1电压方程

3.2.2电磁转矩方程和运动方程

3.3 BLDCM双闭环调速系统仿真模型的建立

3.3.1 BLDCM本体模块

3.3.2速度控制模块

3.3.3电流控制模块

3.3.4逆变器换向逻辑模块

3.3.5电源和逆变器模块

3.4实例仿真及结果

3.5本章小结

第四章机器人的姿态控制与轨迹跟踪

4.1轮式移动机器人的主要控制任务

4.2三轮全向移动机器人的控制特性

4.3三轮全向移动机器人的姿态控制

4.3.1基于Lyapunov直接法的机器人姿态控制

4.3.2姿态稳定控制仿真实验

4.4三轮全向机器人轨迹跟踪控制器设计

4.4.1基于输入变换解耦的跟踪控制器设计

4.4.2轨迹跟踪控制仿真实验

4.5本章小结

第五章机器人底层运动控制系统设计

5.1处理器单元选型

5.2运动控制系统的体系结构设计

5.3机器人底层运动控制系统硬件设计

5.3.1 DSP外围电路设计

5.3.2功率驱动及其逆变电路设计

5.3.3电流检测

5.3.4位置检测及转速计算

5.3.5保护电路设计

5.4机器人底层运动控制系统软件设计

5.4.1主程序设计

5.4.2中断服务程序设计

5.4.3电机控制算法的实现

5.5本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录