液压步行机器人嵌入式控制系统设计

摘要

本文基于已研制出的液压驱动双足步行机器人样机，设计了嵌入式控制系统以实现样机的步行功能。
　　首先根据机器人样机特性，结合当前发展趋势，提出了五点控制系统设计要求，根据需求确定了系统通信方案和嵌入式实时操作系统，采用分布式结构，将控制系统分为规划模块、传感模块和驱动模块三个部分。
　　其次根据控制系统三个模块的功能需求，完成了相关硬件电路设计，软件方面设计了实现规划模块功能的各项任务，可通过uC/OS-Ⅲ操作系统进行调度，利用实时以太网EtherCAT实现了不同模块的数据传输，使用姿态传感器内部的DMP完成了机器人姿态数据采集，移植文件系统FATFS，采用双缓冲区模式存储系统运行过程中的关键数据。
　　接着对机器人关节驱动控制方法进行了研究，考虑到传统PID控制方法的不足，使用自整定模糊PID控制驱动机器人关节，对机器人关节建模，详细分析了比例、积分、微分环节对系统的影响，再制定模糊规则，通过仿真说明模糊PID控制比传统PID控制在机器人关节控制上更具优势。
　　最后搭建实验平台，对嵌入式控制系统的相关性能进行了实验与分析。数据收发实验说明数据传输稳定、准确，数据采集实验验证了关键数据写入无丢失，机器人运动控制实验中，单关节控制实验证明模糊PID控制更适用于液压步行机器人，控制周期实验证明4ms以内的控制周期可以满足机器人控制需求，多关节联动实验表明机器人步态周期越长，控制效果越好，步态周期过短时机器人关节驱动能力不足，步行实验证明嵌入式控制系统可以满足机器人慢速平稳步行的需求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．2 课题背景及意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 双足步行机器人及其控制系统研究现状

1．3．2 双足步行机器人控制系统发展趋势

1．4 研究内容与组织结构

第二章 机器人嵌入式控制系统总体方案设计

2．1 引言

2．2 液压步行机器人样机简介

2．3 控制系统设计要求

2．4 控制系统通信方案选择

2．4．1 控制系统通信速率需求

2．4．2 现场总线

2．4．3 实时工业以太网

2．5 实时操作系统选择

2．6 控制系统总体架构

2．6．1 规划模块

2．6．2 驱动模块

2．6．3 传感模块

2．7 本章小结

3．1 引言

3．2 规划模块电路设计

3．2．1 STM32F407最小系统

3．2．2 电源模块

3．2．3 J1AG／SWD接口

3．2．4 串口电路设计

3．2．5 SD卡读写模块

3．2．6 网络数据收发模块

3．3 传感模块电路设计

3．3．1 EtherCAT通信模块

3．3．2 姿态传感器模块

3．4 驱动模块电路设计

3．4．1 电源模块

3．4．2 编码器数据采集

3．4．3 脚底力信号采集

3．4．4 电压输出放大电路

3．5 本章小结

第四章 嵌入式控制系统软件设计

4．1 引言

4．2 嵌入式操作系统实现

4．2．1 uC／OS-Ⅲ移植

4．2．2 任务设计

4．3 基于EtherCAT协议的数据通信实现

4．3．1 EtherCAT协议运行原理

4．3．2 主站软件实现

4．3．3 从站软件实现

4．4 姿态传感器软件设计

4．4．1 IIC总线协议

4．4．2 MPU6050配置流程

4．4．3 姿态解算测试

4．5 文件系统软件设计

4．5．1 FATFS移植

4．5．2 数据读写流程

4．6 控制系统总体软件流程

4．7 本章小结

第五章 机器人关节驱动控制方法研究

5．1 引言

5．2 控制方法分析

5．2．1 PID控制

5．2．2 模糊控制

5．2．3 自整定模糊PID控制

5．3 PID参数对系统性能的影响

5．3．1 比例环节对系统性能的影响

5．3．2 积分环节对系统性能的影响

5．3．3 微分环节对系统性能的影响

5．4 液压关节模糊控制仿真

5．4．1 模糊规则制定

5．4．2 模糊控制器参数设置

5．4．3 仿真结果

5．5 嵌入式系统中的控制实现

5．6 本章小结

第六章 嵌入式控制系统实验与分析

6．1 引言

6．2 实验平台搭建

6．3 数据传输实验

6．4 数据采集实验

6．5 机器人运动控制实验

6．5．1 单关节控制实验

6．5．2 控制周期实验

6．5．3 多关节联动实验

6．5．4 步行实验

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果