手持式机器人控制器的关键技术研究

摘要

反恐防暴机器人是针对国内外日益严重的安全形势而能进行特种作业的机器人；可完成对复杂现场的侦察和探测，并进行简单的作业。国内著名的反恐防暴机器人——“灵蜥”，是由我国独立自主研发的具有复合式移动机构的地面移动机器人，具有极强的地面适应能力、多种探测和作业能力，在类似新疆“7.5”事件、西藏“3.14事件”发挥过重要作用，获得了公安武警部门的一致好评。
　　本文的主要应用背景是为“灵蜥”型反恐防暴机器人研制手持式控制器，全文采用嵌入式的设计思想，研究手持式控制器的整体架构，并最终形成样机用于实验。论文的主要工作有：
　　（1）在硬件设计方面——以体积小、质量轻为目标，在器件、模块选择方面，尽量贴合手持式设备的应用（借鉴类似智能手机、平板电脑等设备的器件选择），具体的实现过程包括系统的电源规划、S3C6410的外围电路、单片机IO的最小系统、操纵杆的AD采集、实时图像的编解码实现、显示屏的显示等。
　　（2）在软件设计方面——在S3C6410上，引入WinCE6.0实时操作系统，编写模拟视频解码的驱动，在MFC框架下完成用户界面，结合OpenGL ES和S3C6410的2D/3D硬件加速功能，在7寸触摸显示屏上完成“灵蜥”机器人的3维姿态绘制；在C8051F上，完成控制量的采集（包括开关量和模拟量）和通信。
　　（3）在控制算法方面——对行走控制和机械臂姿态控制进行了二次开发。行走方面，根据控制手柄的实际物理结构，构建控制手柄的数学模型，并根据此模型，得到实际机器人两侧电机的控制值，并根据实际环境进行算法改进，以适应实际需要；在手臂姿态控制方面，通过机械臂的逆运动学解算，改变以往的单关节分立控制方式，实现了5自由度的关节的联动控制，提高了机器人的作业精度和效率。
　　（4）手持式控制器设计完成的基础上，在反恐防暴机器人—“灵蜥”平台上进行相关实验；在行走方面，根据改进算法绘制机器人的速度控制曲线，机械臂控制方面，比较单关节控制方法和联动操作方法下的效率和精度。
　　在完成以上工作之后，对反恐防暴机器人及其控制器的未来发展进行了展望。

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第1章 绪论

1.1 概述

1.2 反恐防暴机器人及其控制器的发展现状

1.3 手持式-(便携)设备的研究现状

1.4 本文拟采用的两种方案

1.5论文的课题背景和主要内容

第2章 控制器的硬件设计

2.1硬件的总体方案设计

2.2硬件的详细设计方案

2.3 本章小结

第3章 控制器的软件设计

3.1 操作系统的定制

3.2 用户应用程序

3.3 单片机的C程序

3.4 本章小结

第4章 算法的设计、论证与分析

4.1 有关行走的控制算法

4.2 机械臂的控制算法

4.3 本章小结

第5章 实验与结果

5.1 实验平台和实验内容

5.2 实验结果

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果

致谢

附录