基于DSP的全自主移动机器人运动控制系统研究

摘要

智能移动机器人的研究是机器人学中的一个重要分支，它融合了计算机、自动控制、机械、电子等多个学科的知识。移动机器人正朝着高速、高精度、开放性、智能化、网络化快速发展，因此要实现对机器人的高精度、高速控制，必须要借助先进的控制策略和高性能的运动控制系统。 本文设计开发了一套基于DSP的全自主移动机器人运动控制系统。根据控制系统快速性、高精度以及速度稳定性等方面的性能要求，选用TI公司推出的TMS320F2812作为系统的核心控制芯片，并研究了移动机器人运动控制系统的具体实现方案，对系统的硬件结构、控制软件和速度算法进行了分析。 首先本文提出了上位计算机+(DSP+CPLD)多轴控制+驱动器方式的运动控制系统，这种方式将运动控制系统规划+伺服闭环+放大器有层次、模块化地体现出来，综合了 DSF 技术、CPLD技术、运动控制技术、网络技术等等。同时伺服闭环的方式可选、参数可调节都为运动控制系统控制算法的实现提供便利。这样设计便于机器人作为一个开放式开发平台进行多功能利用，例如巡逻保安机器人、清洁机器人、足球机器人等。 其次，在机器人运动控制系统硬件部分，根据系统的供电要求，详细设计了电源系统的解决方案和电源转换模块；详细分析了电机的PWM驱动原理并设计了控制器和驱动器，其中包括DSP的基本硬件电路、串口通信、A/D转换电路、电机驱动电路的两种接口方式等。 再次，详细推导直流电机数学模型的建立；在控制系统中，采用了临界比例法+凑试法进行了PID参数的选择并进行参数调整；通过研究单速度环和电流速度双闭环调速控制的优缺点，设计了电流和速度双闭环调速控制系统，并用Matlab进行仿真，并进行了详细分析。 最后，介绍了系统软件的总体结构和各部分的程序设计，包括主程序、中断程序等，并设计相应的程序流程图。在软件控制中，实现对直流电机的启动、停止、加速、减速等功能。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1引言

1.2论文的背景、依据和意义

1.3移动机器人的发展历史及现状

1.3.1国外的发展历史和现状

1.3.2国内的发展历史和状况

1.4移动机器人的关键技术及研究意义

1.5课题的研究意义及主要工作

1.6本文的内容安排

第二章 移动机器人平台结构设计

2.1机器人平台机械结构

2.2系统体系结构

2.2.1控制系统

2.2.2感知系统

2.2.3移动机构

2.3机器人各功能模块介绍

2.3.1信息传感与交互层

2.3.2信息处理与规划层

2.3.3信息执行与能源层

2.4本章小结

第三章 运动控制系统设计

3.1运动控制方法的实现方式

3.2核心驱动控制芯片功能介绍

3.3电机驱动模块设计

3.3.1电机驱动控制原理

3.3.2驱动电路设计

3.4电源系统设计

3.4.1滤波去耦模块

3.4.2电源转换模块

3.4.3电源监控电路和复位电路设计

3.5可编程逻辑器件CPLD的选型

3.6外扩存储器的设计

3.6.1 SRAM扩展接口电路

3.6.2串行EEPROM接口电路

3.7控制系统通信模块设计

3.7.1 CAN通信模块

3.7.2 RS232通信模块

3.8模数转换模块

3.9晶体振荡器及锁相环

3.10边界扫描仿真接口(JTAG)电路

3.11本章小结

第四章 运动控制实现和算法设计

4.1电机选型及减速箱

4.2电机速度检测

4.3电机数学模型的建立

4.4 PID算法

4.4.1 PID算法原理

4.4.2 PID参数的选择

4.5 PID控制器设计

4.5.1单速度环闭环控制

4.5.2速度、电流双闭环控制

4.6本章小结

第五章 控制系统软件设计

5.1机器人软件结构的特点

5.2软件设计流程图

5.3初始化单元

5.4串行通信程序设计

5.4.1 SCI寄存器

5.4.2串口通信程序

5.5 PWM控制程序设计

5.6模数转换程序设计

5.7程序设计需要注意的问题

5.8本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

发表论文

致谢