基于CANopen协议的全向移动机器人控制系统设计与实现

摘要

全向移动机器人具有运动灵活、执行效率高等优点，广泛应用于装配生产、仓储物流等行业。控制系统设计是全向移动机器人研发的关键技术之一，随着机器人性能要求提高，控制系统朝着更加智能化、开放化的方向发展。本文以麦克纳姆轮式全向移动机器人为研究对象，开发基于实时操作系统和CANopen协议的分布式控制系统，提高系统的实时性、可靠性和可扩展性。论文的主要工作和成果如下:
　　1.针对该型全向移动搬运机器人，以ARM处理器STM32F103为核心设计专用主控单元，集成遥控控制、平台升降、障碍物检测、电量监测等功能;在原有设计基础上改进驱动单元，并基于CAN总线构建分布式控制体系。
　　2.移植CANopen协议，围绕网络管理报文、服务数据对象、过程数据对象、特殊功能对象进行通讯机制分析和程序实现;结合控制系统功能要求，设计对象字典，建立完善的主从节点通讯协议;在主控单元、驱动单元硬件平台上分别进行主、从节点的软件设计，实现节点的初始化、状态切换、SDO配置、PDO传输及NMT管理等功能，实现完整的CANopen应用层协议。
　　3.移植RTX实时操作系统，嵌入CANopen内核功能，基于模块化的思想，将复杂的功能封装成各个任务，利用操作系统的任务调度和管理功能，实现系统的稳定运行。
　　4.在上述研究基础上，搭建通信实验平台验证系统性能，使用CAN分析仪监测和分析CANopen节点通信过程及报文内容，并在机器人上搭载本套控制系统进行实物测试。试验表明，主从节点间通信收发正常，主节点管理能力强健，机器人运行稳定可靠，控制系统实时性良好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 全向移动机器人研究现状

1．2．2 移动机器人控制系统研究现状

1．2．3 CAN0pen研究现状

1．3 课题来源

1．4 论文内容结构

第二章 系统总体设计

2．1 分布式控制系统设计

2．2 机器人本体架构及功能介绍

2．3 硬件平台选择

2．3．1 主控单元硬件选择

2．3．2 驱动单元硬件选择

2．4 软件平台选择

2．4．1 主控单元软件选择

2．4．2 驱动单元软件选择

2．5 CANopen协议分析

2．5．1 对象字典

2．5．2 通信对象

2．6 本章小结

第三章 主控单元设计与实现

3．1 主控单元硬件设计

3．1．1 遥控接收设计

3．1．2 平台升降控制设计

3．1．3 电量检测电路设计

3．1．4 传感器检测电路设计

3．2 RTX在STM32上的移植

3．3 主控单元CANFestival实现

3．3．1 主控单元软件架构

3．3．2 底层驱动层设计

3．3．3 RTX内核中嵌入CANFestival

3．3．4 主控单元对象字典设计

3．3．5 CANFestival协议实现

3．3．6 主节点应用设计

3．5 本章小结

第4章 驱动单元设计与实现

4．1 驱动单元硬件设计

4．1．1 电机调速设计

4．1．2 引脚输入输出接口设计

4．2 驱动单元MicroCANopen实现

4．2．1 驱动单元软件架构

4．2．2 底层驱动程序设计

4．2．3 从节点主流程

4．2．4 MicroCANopen协议实现

4．2．5 从节点应用设计

4．3 RTX-Tiny移植到C8051F040

4．4 本章小结

第5章 通信实验与现场测试

5．1 通信实验

5．1．1 通信实验环境

5．1．2 节点初始化及参数配置

5．1．3 CANopen通信测试

5．2 现场测试

5．2．1 测试平台

5．2．2 实验室环境测试

5．2．2 工业现场测试

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

作者简介