基于CAN总线的移动机器人分布式控制系统研究

摘要

机器人的重要作用越来越被广泛认知，各发达国家近些年来都把研究和开发智能机器人作为国家重点项目，以加快机器人的研发进度。移动机器人是机器人学中的一个重要分支，其控制系统一般采用集中式控制体系结构，存在很多缺点，比如系统可靠性低，维护困难，局限性高等，集中式控制体系结构阻碍了机器人的发展和推广，无法满足快速发展的现代工业对移动机器人具有更强的柔性、更好地适应性、更高的可靠性和易维护等要求，随着传统的集中式控制系统逐渐满足不了对移动机器人控制的要求，研究更高效，更快捷，更方便灵活，更安全的移动机器人控制系统成为热门，开发“具有开放式结构的模块化、标准化机器人控制器”具有重要的应用价值。
　　 本论文首先讨论移动机器人的发展现状以及趋势，指出了传统的移动机器人控制系统的缺陷，介绍了分布式控制系统的特点和优势，提出了研究开发移动机器人分布式控制系统的课题。接着详细讨论了设计的移动机器人的整体结构、平台组成以及其控制系统的设计方案，提出了基于CAN总线的分布式控制系统，即PC作为主机节点，各个模块作为从机节点，各个节点都连接在CAN总线上构成移动机器人的控制系统。
　　 论文介绍了各模块节点的控制器选择高性价比的DSP芯片TMS320F28035，详细讨论了各个功能模块的硬件电路的设计，包括TMS320F28035的最小系统、电源电路、测温模块、显示电路、超声波测距模块、无线收发模块、电机驱动模块。之后介绍了各模块的软件实现，进行了μC/OS-Ⅱ操作系统在TMS320F28035上的移植。针对设计的移动机器人，文中对CAN总线的应用层进行了具体的设定，并对CAN通信实时性的进行了研究，提出了动态优先权算法对CAN通信进行优化，提高了系统的实时性。
　　 论文还对履带式移动机器人进行了运动学研究，建立了运动学模型，设计了机器人在直线行走过程中位置闭环控制系统的控制律，并在此模型的基础上设计了机器人在直线行走过程中位置闭环控制系统的控制律，并利用Lyapunov稳定判据分析了系统的稳定性，最后通过仿真验证了所设计控制律的有效性。
　　 本文设计开发的分布式控制系统运行良好，证明分布式控制系统可以很好地应用在移动机器人上，设计的移动机器人平台为以后深入研究智能移动机器人打下了良好的基础。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 移动机器人的发展概况

1．3 移动机器人发展趋势

1．4 课题研究的来源

1．5 课题研究的主要内容及章节安排

2 移动机器人结构及控制系统设计

2．1 引言

2．2 移动机器人分布式控制系统设计

2．3 本章小结

3 移动机器人运动控制系统硬件设计

3．1 DSP芯片的特点

3．2 典型DSP控制器应用系统设计过程

3．3 DSP芯片的选择

3．4 TMS320F28035的最小系统电路设计

3．5 模块板电源的设计

3．5．1 电平转换与电平配置

3．5．2 电源电路设计

3．6 SCI串口通信电路

3．7 CAN通信硬件电路设计

3．8 显示模块

3．9 温度测量模块

3．9．1 测温方案选择

3．9．2 测温模块设计

3．10 电机控制模块

3．10．1 电机的选择

3．10．2 电机驱动模块

3．11 超声波传感器测距模块

3．11．1 距离测量方法选择

3．11．2 超声波测距原理

3．11．3 超声波测距模块设计

3．12 无线收发模块

3．12．1 无线数据收发模块

3．12．2 手持遥控器设计

3．13 本章小结

4 移动机器人运动控制系统软件设计

4．1 移动机器人运动控制系统软件开发环境

4．2 μC／OS-Ⅱ操作系统在TMS320F28035的移植

4．3 模块控制器TMS320F28035的初始化

4．4 显示电路软件设计

4．5 测温模块软件设计

4．6 无线模块软件设计

4．7 超声波测距模块软件设计

4．8 电机控制模块软件设计

4．9 本章小结

5 移动机器人通信系统设计

5．1 通信系统总体设计

5．2 CAN总线的通信协议

5．3 CAN总线应用层设计

5．3．1 CAN总线应用层设计的需求

5．3．2 移动机器人CAN总线的应用层设计

5．3 通信系统实时性优化

5．4 本章小结

6 履带式移动机器人运动学研究

6．1 履带式移动机器人运动学模型

6．2 运动控制器的设计

6．2．1 控制系统结构

6．2．2 移动机器人路径跟踪误差模型

6．2．3 运动控制规律的设计

6．3 仿真与分析

6．4 本章小结

7 总结与展望

参考文献

致谢