基于嵌入式技术的移动机器人智能控制系统设计与实现

摘要

南极地区具有丰富的矿藏和其他未知资源，是进行科学研究和探索发现理想的宝地，但由于南极特殊的气象条件和地形地貌，限制了科考研究开展的广度和深度，同时也会对现场科考人员造成人身威胁。拥有自主移动能力的机器人可辅助或者部分取代科研人员进行科学活动，具有效率高、成本低、可连续工作等特点，正逐步受到相关领域的广泛关注。同时，随着对南极大陆探测活动的深入，要求机器人具备能源动力自供给能力。考虑到南极充足的风能和太阳能资源，搭建了风帆雪橇漫游机器人的控制系统，使该机器人能够长时间、连续漫游、自主探查特定区域，对我国南极科学考察具有实际意义。
　　首先从机械结构和控制系统结构两方面概述了机器人的总体设计目标和要求。为了控制车载风帆电机和转向电机，设计出一款以TMS320F2812为控制芯片的电机驱动器，该驱动器硬件架构简单、可靠性高，同时具备完善的软件系统，可实现对直流有刷电机的位置控制。
　　其次，建立了机器人运动速度控制模型，整个模型的核心部分是上层系统控制算法。考虑到环境变量因素的多变性，在控制算法中融合了模糊PID思想，实现了机器人直线航速控制功能。
　　然后结合控制系统需要具备的基本功能，完成了控制系统硬件选型和搭建。设计中采用QNX实时操作系统作为软件系统平台，同时结合多任务和模块化设计思想完成了软件系统设计。
　　为了使机器人具备能源自供给能力，设计了太阳能供电系统。文中从工作原理、控制器硬件和软件设计、蓄电池选型、太阳能电池选型和设计等方面详细介绍了太阳能供电系统。
　　最后，文中描述了机器人野外环境实验过程，从实验结果可以看出，整个机器人系统实现了预期的设计目标，具有实际应用的意义。

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第1章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3研究目的和研究内容

第2章 机器人总体结构设计

2.1机械结构简介

2.2控制系统总体设计

2.3本章小结

第3章 直流有刷电机位置伺服系统设计

3.1直流有刷电机介绍

3.2驱动模块设计

3.3控制模块设计

3.4位置伺服系统算法设计

3.5 MATLAB仿真实验

3.6本章小结

第4章 机器人运动控制算法研究

4.1电机驱动模型设计

4.2行驶力学模型设计

4.3上层控制模型设计

4.4 MATLAB仿真实验

4.5本章小结

第5章 机器人控制系统硬/软件设计

5.1硬件系统设计

5.2软件系统设计

5.3本章小结

第6章 太阳能供电系统设计

6.1控制器设计

6.2蓄电池选型

6.3太阳能电池选型与设计

6.4实验

6.5本章小结

第7章 综合实验验证

7.1实验目的

7.2实验过程及结果

7.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录