模块化智能机器人平台研究

摘要

智能机器人是机器人技术领域中的一个重要分支，跨计算机、自动控制、机械、电子等多个学科。智能机器人作为信息技术发展的前沿领域，是一门具有高度综合性、前瞻未来性、创新实践性的学科，蕴含着极其丰富的教育资源。论文研究的模块化智能机器人平台就是一种可应用于教育领域的智能机器人。论文的主要工作是完成了模块化智能机器人平台的研究与设计。 论文从智能机器人的模块化和扩展性等方面考虑，提出了基于FPGA逻辑扩展和总线相结合的接口扩展方案。一方面，使用FPGA进行逻辑接口扩展提高了增强系统的可扩展性，并可进行初步的数据处理；另一方面，采用I2C和SPI总线作为扩展总线，提高了总线通信的效率和速度，可对新增模块进行快速扩展。 本文采用模块化的设计方法，完成了智能车系统的硬件设计。通过系统分析，将整个系统分为5大模块，包括核心控制模块、电源模块、电机控制模块、传感器测量模块、无线传感器网络模块。本文使用ARM9 S3C2410和FPGA相结合做为主控制系统模块，详细分析了主控制模块、超声波测距模块和无线传感器网络模块的设计方法。并完成了FPGA模块和电机控制模块相应Linux驱动程序。 针对移动机器人的无线通信，以MSP430F169微控制器和CC2420射频无线通信芯片为基础进行了无线传感器网络节点的硬件开发。完成了IEEE802．15．4协议相应的物理层和MAC层数据定义和软件实现，并进行了数据传输和组网验证。设计了基于航向角和里程计的节点定位方法和基于RSSI测距的三角定位法。针对智能机器人的测距和壁障，本文设计了超声波测距模块，并对多超声波信息融合技术进行了研究。 最后，对所取得的结论和成果进行了概括和总结，提出了本课题在未来的发展趋势和下一步研究方向。

目录

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第1章 绪论

§1.1机器人技术概述

§1.1.1机器人技术发展

§1.1.2智能移动机器人的研究意义及研究方向

§1.2无线传感器网络技术

§1.3本论文研究的内容及结构

第2章 系统整体方案的分析

§2.1系统总体结构

§2.1.1系统模块分析

§2.1.2硬件系统总体结构方案设计

§2.2模块化机器人设计

§2.2.1主控制模块

§2.2.2电机控制模块

§2.2.3超声波传感器模块

§2.2.4无线传感器网络模块

§2.3多传感器信息融合

§2.3.1多传感器信息融合介绍

§2.3.2信息融合系统的基本模型

§2.3.3数据融合的方法和结构

§2.4 Linux的设备驱动程序

§2.4.1设备驱动程序的开发流程

§2.4.2字符型设备驱动程序

§2.5本章小结

第3章 主控制系统和电机控制系统设计

§3.1核心控制模块设计

§3.1.1主控制器选型

§3.1.2 FPGA模块选择

§3.1.3 ARM和FPGA接口设计

§3.1.4主控制模块FPGA驱动程序

§3.2电源模块系统设计

§3.2.1电压转换电路

§3.2.2电源检测电路

§3.3电机控制系统设计

§3.3.1驱动电机模块

§3.3.2舵机控制模块

§3.3.3电机测速模块

§3.3.4电机模块PWM驱动程序

§3.4本章小结

第4章 无线传感器网络在智能机器人中的应用

§4.1无线传感器网络模块硬件设计

§4.1.1硬件整体设计方案

§4.1.2芯片选型

§4.1.3 MSP430与TSZ-CC2420接口电路

§4.2 IEEE802.15.4标准

§4.2.1物理层

§4.2.2 MAC子层

§4.3基于IEEE802.15.4协议的模块软件设计

§4.3.1硬件抽象层实现

§4.3.2物理层

§4.3.3 MAC层

§4.4无线传感器网络验证

§4.5无线传感器网络在机器人平台中的应用

§4.5.1基于航向角与行走里程的二维定位

§4.5.2基于RSSI移动节点坐标定位

§4.6本章小结

第5章 超声波传感器模块设计及多传感器信息融合研究

§5.1超声波测距模块设计

§5.1.1超声波发射电路

§5.1.2超声波接收电路

§5.1.3超声波测距模块软件设计

§5.2基于多超声波传感器的信息融合

§5.2.1基于D-S证据理论信息融合

§5.2.2基于多传感器的环境描述

§5.2.3多超声波传感器信息融合

§5.3红外接近传感器、碰撞传感器信息融合算法的研究

§5.4本章小结

第6章 总结与展望

§6.1全文总结

§6.2课题展望

致谢

参考文献

攻读硕士研究生期间发表论文情况