四足机器人控制系统设计及其仿真.doc
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1、北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计四足机器人控制系统设计及其仿真学 院: 工业自动化学院 专 业: 机械工程 姓 名: 饶旭 学 号: 170409102877 指导教师: 李兵 职 称: 副教授 中国珠海二二年五月毕业设计诚信承诺书本人承诺呈交的毕业设计四足机器人控制系统设计及其仿真是在指导教师的指导下,独立开展研究取得的成果,文中引用他人的观点和材料,均在文后按顺序列出其参考文献,设计使用的数据真实可靠。 本人签名: 日期: 年 月 日四足机器人控制系统设计及其仿真摘 要 本次设计课题为基于STM32单片机的优秀性能对四足机器人进行控制系统设计与编程,设计中STM32单片机是核心
2、部分。目的是一个能将目的动作通过STM32单片机作为控制系统将编写代码转输出为电信号,再由这些电信号对四足机器人上的配电板连接的电机进行控制,由此达到机械腿上的电机能按照预定工作时间段进行工作,驱使连接四足机器人腿上的连轴杆正常转动。连接连轴杆上的电调驱动机械腿上的电机按照规定转动相应角度,达到机械腿按目标轨迹行走的目的。与STM32单片机相连的还有陀螺仪,陀螺仪会根据自身内部的三个定位基准轴对四足机器人自身目前与水平定位偏差进行反馈,它反馈给单片机后再由控制系统对相应电机进行调节达到修补偏差的目的。关键字:腿式机器人、STM32单片机、电调、陀螺仪; Design and Simulatio
3、n of the Control System of Quadruped Robot AbstractThis design project is based on the excellent performance of the STM32 microcontroller to design and program the control system of the quadruped robot. The STM32 microcontroller is the core part in the design. The purpose is to be able to use the ST
4、M32 microcontroller as a control system to convert the written code into electrical signals, and then use these electrical signals to control the motor connected to the power distribution board on the quadruped robot, thereby reaching the motor on the mechanical leg It can work according to the pred
5、etermined working time period, and drive the connecting rod on the leg of the quadruped robot to rotate normally. The ESC connected to the connecting rod drives the motor on the mechanical leg to rotate the corresponding angle according to the regulations to achieve the purpose of the mechanical leg
6、 walking according to the target trajectory. There is also a gyroscope connected to the STM32 single-chip microcomputer. The gyroscope will feedback the current positioning deviation of the quadruped robot according to its three internal positioning reference axes. After the feedback to the single-c
7、hip microcomputer, the control system will adjust the corresponding motor The purpose of patching deviations.Keywords: Leg robot, STM32 microcontroller, ESC, gyroscope;2目 录1机器人控制系统概述11.1机器人控制系统研究的背景11.1.1机器人控制系统的特点21.2基于单片机四足机器人控制系统的优点21.2.1基于单片机机器人控制系统的优点21.2.2基于单片机机器人控制系统的缺点32基于STM32单片机四足机器人控制系统研发
8、的可行性42.1价格低廉42.2方便安装42.3市场性42.4研究分析42.4.1基本思路42.4.2技术路线42.4.3设计方案53四足机器人控制系统分析63.1单片机简介63.1.1单片机分类63.1.2STM32F407简介63.2Keil简介73.3proteus简介84基于STM32单片机的四足机器人控制系统的硬件设计94.1主要电路结构94.1.1电源94.1.2分电板94.1.3陀螺仪104.1.4电调104.1.5电机115程序部分编程125.1遥控接收处理函数135.2电机与陀螺仪数据接收发送函数165.3姿态控制185.4步行步态215.5停下215.6原地跳跃226使用P
9、ROTEUS进行系统的调试236.1仿真的注意事项236.2Keil与proteus联调246.3调试方法247结 论25参考文献26附录128附录231附录338附录453附录556致 谢58北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计1 机器人控制系统概述1.1 机器人控制系统研究的背景国内外研究现状和发展趋势:随着机器人技术的发展,机器人应用领域的不断扩大,对机器人的性能提出了更高的要求,因此,如何有效地将其他领域(如图像处理、声音识别、最优控制人工智能等)的研究成果应用到机器人控制系统的实时操作中,是一项富有挑战性的研究工作。而具有开放式结构的模块化、标准化机器人,其控制系统的研究无疑
10、对提高机器人性能和自主能力,推动机器人技术的发展具有重大意义。图1-1 四足机器人随着机器人控制技术的发展,针对结构封闭的机器人控制器的缺陷,开发“具有开放式结构的模块化、标准化机器人控制器”是当前机器人控制器的一个发展方向。近几年,日本、美国和欧洲一些国家都在开发具有开放式结构的机器人控制器,如日本安川公司基于PC开发的具有开放式结构、网络功能的机器人控制器。我国863计划智能机器人主题也已对这方面的研究立项。由于适用于机器人控制的软、硬件种类繁多和现代技术的飞速发展,开发一个结构完全开放的标准化机器人控制器存在一定困难,但应用现有技术,如工业PC良好的开放性、安全性和互联网相同性,标准的实
11、时多任务操作系统,标准的总线结构,标准接口等,打破现有机器人控制结构封闭的局面,开发结构开放性、功能模块化的标准机器人控制器是完全可行的。 1.1.1 机器人控制系统的特点(1)机器人控制系统是一个多变量控制系统,即使简单的工业机器人也有35个自由度,比较复杂的机器人有十几个自由度,甚至几十个自由度,每个自由度一般包含一个伺服机构多个独立的伺服系统必须有机地协调起来。例如,机器人的手部运动是所有关节的合成运动,要使手部謝安照一定的轨迹运动就必须控制各关节协调运动,包括运动轨迹、动作时序等多方面的协调。 (2)运动描述复杂,机器人的控制与机构运动学及动力学密切相关。描述机器人状态和运动的数学模型
12、是一个非线性模型,随着状态的变化,其参数也在变化,各变量之间还存在耦合。因此,仅仅考虑位置闭环是不够的,还要考虑速度闭环,甚至加速度闭环。在控制过程中,根据给定的任务,应当选择不同的基准坐标系,并做适当的坐标变换,求解机器人运动学正解和逆解。此外,还要考虑各关节之间惯性力、哥氏力等的耦合作用和重力负载的景影响,因此,系统中还经常采用一些控制策略,如重力补偿、前馈、解耦或自适应控制等。 (3)具有较高的重复定位精度,系统刚性好。除直角坐标机器人外,机器人关节上的位置检测元件不能安装在未端执行器上,而应安装在各自的驱动轴上,构成位置半闭环系统。但机器人的重复定位精度较高,一般为0.1mm。此外,由
13、于机器人运行时要求运动平稳,不受外力干扰,为此系统应具有较好的刚性(4)信息运算量大。机器人在动作上往往可以通过不同的方式和路径来完成,因此存在一个最优的问题,较高级的机器人可以采用人工智能的方法;用计算机建立起庞大的信息库,借助信息库进行控制、决策管理和操作。根据传感噐和模式识别的方法获得对象及环境的工况,按照给定的指标要求,自动选择最佳的控制规律。(5)需采用加或减速控制。过大的加或减速度会景影响机器人运动的平稳性,甚至使机器人发生抖动,因此在机器人起动或停止时采取加或减速控制策略。通常采用匀加或减速运动指令来实现。此外,机器人不允许有位置超调否则将可能与工件发生碰撞。因此,要求控制系统位
14、置无超调,动态响应尽量快。1.2 基于单片机四足机器人控制系统的优点1.2.1 基于单片机机器人控制系统的优点 机器人控制系统无疑是对现代机器人在如何协调运行方面非常重要的系统,小型机器人的控制系统通常采用一些功能相对独立的单片机系统来实现,对于用单片机作为小型机器人的控制系统的优势,它具多功能、高效率、高性能、低电压、低功耗、低价格等优点。而单片机中STM32系列具有低功耗、廉价、稳定性能好、功能强大等优点。基于STM32单片机的四足机器人控制系统是一种对单片机性能要求较高,结构相对简单,实用性较强的中高端电子产品,以单片机作为核心器件,A/D转换元件为重要部分,以其体积小、成本低、相应速度
15、快等优点,其具有很好的使用意义。1.2.2 基于单片机机器人控制系统的缺点对于使用单片机作为机器人控制系统的小型机器人而言,小型机器人运动时所受到的干扰幅度的影响相较于大型机器人受到干扰幅度的影响相对较大,但由于以单片机作为控制系统,控制命令全由单片机输出且单片机易受到干扰,所以导致机器人抗干扰能力差。在处理任务方面,单片机处理任务单一,运算速度较其他基础的控制系统慢。2 基于STM32单片机四足机器人控制系统研发的可行性2.1 价格低廉系统中采用了简单常见、安全可靠的外设,如电机和电池都是市面上常见的型号,价格稳定且并不昂贵,且STM32单片机价格有相对便宜、功能强大和简单操控等特点。 2.
16、2 方便安装整个系统要方便安装,这样才能减少安装成本,由于该控制系统的主要控制中枢为单片机,个头小且结构简单,可以自己动手安装,一方面可以获得一些乐趣,另一方面如果出现故障问题,也易于排查。结构简单且方便安装也可以让该系统有更广阔的市场需求,低廉的成本,实用的系统,这样才能给系统的进一步完善提供条件。所以安装方面是设计的一个优点,由于控制系统与其他执行元件连接紧凑,由单片机连接各元件的线路也相对清晰,易于安装。 2.3 市场性腿式机器人系统是履带和轮式机器人的替代品,适用于崎岖的地形和复杂的环境。机械腿与不同环境中选择的接触点的自由度使他们能够克服与腿长相当的障碍。有了这样的功能,有腿的机器人
17、有一天可以在森林和山脉中营救人员,爬楼梯以在建筑工地中携带有效载荷,检查非结构化的地下隧道并探索其它未知地域。腿式系统具有执行人类和动物能够进行的任何的运动潜力。2.4 研究分析2.4.1 基本思路研究的基本思路是以单片机为中心,单片机所在电路板为必要部分,再进行外围的设计。主要的研究方法为设计电路图,编程,进行仿真。2.4.2 技术路线先理清四足机器人控制系统的含义及意义,收集资料,分析资料,再通过学习吸取经验,进行设计与编程,检验方案的可行性,多次修改方案,最终达到最完美的效果。2.4.3 设计方案首先学习STM32单片机,掌握所以相关知识后,用Keil uVision5编写程序,并与pr
18、oteus联用仿真,检验方案的可行性。3 四足机器人控制系统分析3.1 单片机简介 单片机是单片机微型计算机的简称,一种典型的嵌入式微控制器(Microcontroller Unit)。它是一种集成电路芯片,把具有数据处理能力的中央处理器CPU和一系列功能集成在一起的计算机系统。3.1.1 单片机分类单片机的分类有STM32系列单片机、51系列单片机、PIC单片机、AVR单片机。STM32单片机是专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的单片机,功能强大且实用性广,能完成相对复杂的需求。51单片机是目前最广泛应用的单片机之一,也是单片机的入门级单片机,易学且实用性广。PIC单片机指令数量
19、比较少,编写程序较为麻烦。精简指令使其执行效率高,保密熔丝使其保密性好。AVR单片机是一种精简指令集高速8位单片机 ,其主要特点是执行速度快,可靠性高,低功耗。3.1.2 STM32F407简介其中STM32F407是STM32F4系列单片机的一种,STM32F407提供了工作频率为168 MHz的Cortex-M4内核的性能。在168 MHz频率下,从Flash存储器执行时,STM32F407能够提供210 DMIPS/566 CoreMark性能,并且利用意法半导体的ART加速器实现了FLASH零等待状态。DSP指令和浮点单元扩大了产品的应用范围。该系列产品采用意法半导体90 nm工艺和A
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- 机器人 控制系统 设计 及其 仿真
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