Robocup中型组机器人控制体系结构和驱动系统的设计与实现

摘要

随着科学技术的深入发展,人们对高智能移动机器人系统的需求越来越迫切,移动机器人研究也进入了崭新的发展阶段,人们越来越认识到移动机器人的控制体系结构与驱动系统在整个机器人中的重要作用.该文以中科院自动化所的全自主机器人为研究对象,针对移动机器人的控制体系结构与驱动系统展开了深入的研究.该论文的研究工作主要包括以下几方面:首先,采用从对移动机器人的应用背景和发展状况的综述,到对足球机器人的起源、分类和现状的简介,再到对ROBOCUP足球机器人的叙述这种层层推进的方式,逐步加深对ROBOCUP足球机器人的了解.其次,分析了几种常见的机器人控制体系结构,结合对信息融合层次结构的分析,总结了一种基于并行行为组合的控制体系结构的特点,并详细地阐述了机器人基本行为的分析和行为控制层次结构的设计.第三,结合前面提出的控制体系结构思想理念,对机器人的控制体系进行软、硬件方面的设计:硬件方面,采用多TI DSP构成多DSP处理平台,每个DSP处理相应的模块功能;软件方面,在体现可配置、模块化思想的同时,也考虑到了软件平台的通用性.这样,就完成了该控制结构在多DSP系统和RTOS平台上的实现.第四,探讨了几种常见的驱动结构的特点,总结了一种新型的移动机器人平台驱动结构和方法,并在此基础上研制开发了高性价比的、基于DSP和CPLD的足球机器人驱动平台,最终完成了高集成度、高性能、多电机运动控制系统的设计.第五,采用新型的矩阵坐标系方法,建立了三轮式机器人的动力学模型,尤其是在导向轮和非导向轮的动力学建模方面进行了深入的研究;同时,对机器人踢足球的运动进行动态建模,进一步完善了移动机器人体系.通过与两轮差动驱动结构走直线和圆轨迹的仿真实验结果的比较,进一步说明了三轮式结构的优越性.最后,总结了作者的研究成果,并阐述需要进一步深入研究的工作.

目录

文摘

英文文摘

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第一章引言

1.1综述

1.2足球机器人简介

1.2.1足球机器人的起源

1.2.2足球机器人的组织与类型

1.2.3研究足球机器人的意义

1.3 Robocup比赛的概况

1.3.1 Robocup的历史

1.3.2 Robocup历届杯赛情况

1.3.3研究Robocup的意义

1.3.4国内、外研究现状分析及发展动态

1.4本文的主要研究内容

第二章面向Robocup足球机器人控制体系结构的研究

2.1机器人控制体系结构

2.1.1基于功能分解和多层递阶的控制结构

2.1.2基于行为控制的反应式控制结构

2.1.3使用递阶式和基于行为的反应式控制全自主机器人结构

2.1.4 MAS结构

2.2国外关于足球机器人控制系统实现方面的进展

2.3信息融合层次结构分析

2.4基于并行行为组合控制体系结构

2.4.1机器人基本行为分析

2.4.2行为控制层次结构设计

第三章足球机器人控制系统软硬件结构设计

3.1可编程DSP芯片

3.2 DSP芯片的基本结构

3.3控制系统硬件结构

3.3.1 TMS320LF240x系列

3.3.2 TMS320C54x系列

3.3.3 TMS320C67x系列

3.3.4控制体系软、硬件结构设计

第四章Robocup机器人驱动系统的设计

4.1移动机器人的驱动结构

4.1.1几种常见的驱动结构本体的介绍

4.1.2新型的移动机器人平台驱动结构和驱动方法

4.1.3驱动结构的具体实施方式

4.1.4三轮协调式驱动结构中采用的驱动轮

4.2基于高性能DSP和CPLD的平台驱动控制器

4.2.1复杂可编程逻辑器件(CPLD)的简介

4.2.2 MAX 7000S系列CPLD的介绍

4.2.3基于DSP和CPLD的平台驱动器

4.3驱动控制软、硬件的实现

4.3.1驱动控制器设计

4.3.2功率驱动板设计

4.3.3电机控制算法设计

4.3.4多电机协调控制

第五章关于三轮式机器人动力学模型的研究

5.1关于轮子的速度动力学模型的建立

5.2关于移动机器人坐标系的建立

5.3速度动力学模型的变换矩阵

5.4导向轮的速度动力学模型的建立

5.5常规的非导向轮速度动力学模型的建立

5.6机器人前进中的动力学方程

5.7机器人踢足球运动的动态建模

5.7.1机器人的动态模型

5.7.2球的运动模型

5.7.3机器人的推球模型

5.8机器人基本行为与动作仿真

5.8.1基本行为

5.8.2基本动作

5.9轨迹控制精度分析

第六章结论

参考文献

致谢

附录

申请学位期间的研究成果及发表的学术论文