竞赛用寻宝机器人控制系统的研究与设计

摘要

寻宝机器人控制系统的总体设计过程是按照由整体到局部的设计原则进行的。整体设计是指在详细分析学校已有关于寻宝机器人的研究及查阅大量国内外文献资料的基础上，构建出寻宝机器人控制系统的总体设计方案，总体设计方案主要分为四个部分，即硬件选择、硬件电路的设计、机械结构的设计及软件系统的设计。局部设计是指采用模块化的设计思想，分别对寻宝机器人的各个功能模块进行设计，各个功能模块的设计一般分为理论分析、电路设计、PCB板制作、程序设计及实验验证等步骤。
　　机械结构的设计方面，本文完成了前轮定位参数及寻宝机器人重心位置的调整，并通过计算及实验分析确立了寻宝机器人的前瞻距离，同时对地板、舵机连接件等结构进行了设计。详细介绍了灰度传感器、接近开关、线性CCD摄像头等传感器的安装方式，并基于混合式数据融合的结构模型特点，利用贝叶斯推理的方法推导出了一种基于贝叶斯法则的多传感器数据融合算法。该算法对各个传感器采集到的数据信息进行联合判断，能提高寻宝机器人获取环境特征参数及自身状态特征参数的准确度和精度，进而实现了寻宝机器人快速稳定的行驶。
　　软件系统的设计核心是寻宝机器人赛道引导线的提取算法、数字识别算法及车体控制算法的研究与实现。本文采用边缘检测算法中的Sobel算子来进行引导线提取，并对Sobel算子的提取过程进行了程序设计。同时根据寻宝机器人需完成查找宝物这一任务的需要，提出了一种基于数字符轮廓的数字识别算法并通过实验验证了该算法的鲁棒性。本文还对寻宝机器人的PID控制策略进行了研究，完成了寻宝机器人增量式PID控制器的设计，并利用Matlab/Simulink对寻宝机器人PID控制算法进行了模拟仿真，完成了kp、ki及kd等参数的整定，并通过测试验证了PID控制算法的可行性及优越性。
　　总之，通过完成以上工作，本文设计并制作了一款环境感知能力强、爬坡能力好、得分能力强、转向精准及速度控制性能好的寻宝机器人，并在2015年寻宝机器人大赛中以总得分2600分的优异成绩获得了华中赛区一等奖。

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第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 研究背景及意义

1.3 国内外研究现状

1.4 寻宝机器人的关键技术

1.5 课题技术路线及研究内容

第二章 寻宝机器人控制系统总体方案设计

2.1 控制系统硬件选择

2.2 控制系统的总体设计

2.3 本章小结

第三章 寻宝机器人机械结构的设计与调整

3.1. 底盘的设计

3.2 前轮定位参数的调整

3.3 前瞻距离及重心位置的调整

3.4 传感器安装方式

3.5. 其他机械结构的设计

3.6 本章小结

第四章 寻宝机器人控制系统硬件电路设计

4.1 硬件电路的总体方案

4.2 主控板硬件电路设计

4.3 驱动板硬件电路设计

4.4 巡线板硬件电路设计

4.5 各传感器的控制电路设计

4.6 本章小结

第五章 赛道信息与数字图像的提取与处理

5.1 赛道信息的提取策略

5.2 赛道引导线提取算法

5.3 数字识别模块的设计

5.4 本章小结

第六章 寻宝机器人控制算法的研究与测试

6.1 寻宝机器人数学模型的建立

6.2 基于PID控制的寻宝机器人控制策略

6.3 MATLAB仿真结果分析与实验测试

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 工作总结与结论

7.2 展望

参考文献

附录A 控制系统总电路图

附录B 部分初始化源程序

致谢

攻读学位期间的研究成果