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基于ARM的多移动机器人编队避障控制系统设计

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摘要

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2课题国内外研究现状

1.2.1多机器人编队策略研究现状

1.2.2机器人编队避障控制研究现状

1.3本文研究内容与结构安排

第二章基于ARM的机器人编队实验平台设计

2.1上位机控制系统设计

2.1.1利用光学运动捕捉系统建立坐标系

2.1.2上位机控制系统设计

2.2机器人硬件设计

2.2.1领航者机器人硬件设计

2.2.2跟随者机器人硬件设计

2.3机器人软件设计

2.3.1领航者机器人软件设计

2.3.2跟随者机器人软件设计

2.4本章小结

第三章机器人编队控制方案设计

3.1机器人编队运动学模型

3.1.1机器人运动学模型

3.1.2领航跟随法编队模型

3.2机器人编队控制器设计

3.2.1机器人编队PID控制

3.2.2机器人编队模型预测控制

3.2.3机器人编队PI加预测控制

3.3仿真与实验

3.3.1仿真结果

3.3.2实验结果

3.4本章小结

第四章机器人编队避障方案设计

4.1多移动机器人编队避障方法

4.2编队避障队形变换策略

4.2.1传感器信息融合

4.2.2建立队形变换知识库

4.3仿真与实验

4.3.1仿真结果

4.3.2实验结果

4.4本章小结

第五章总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

发表论文

附录

致谢

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摘要

轮式移动机器人一直是机器人研究领域的热点,并在实际应用当中越来越广泛,机器人的使用提高了工作效率,节约了人力成本。面对某些任务时单个机器人不能满足控制需求,因此多个移动机器人的协同控制成为了研究的重点,其中必须要解决的问题就是多个机器人编队和避障运动的控制。 本文通过建立领航跟随者多移动机器人编队模型,分析控制需求,完成了实验平台上位机和下位机控制系统的搭建及控制程序的编写。并利用跟随者机器人安装的多个传感器的检测信息进行信息融合,使用队形变换策略对控制编队进行避障运动。研究过程中完成的工作可以分为以下几个部分: (1)本文中机器人控制器选择的是ARM系列的STM32F103ZET6处理器,完成了机器人各功能模块和控制器外围设备的电路设计,并使用C语言编写了底层控制程序。上位机控制系统基于MATLAB的Simulink平台搭建,利用光学运动捕捉系统捕获的机器人位姿计算得到控制命令,最终通过蓝牙模块建立与跟随者机器人的通信,完成控制输入信号的传输。 (2)使用领航跟随法建立了机器人编队的运动学模型,描述了编队中领航者和虚拟领航者以及跟随者机器人间的位姿关系。并将全局坐标系下的编队误差模型通过转换矩阵,转换为机器人局部坐标系下的编队误差模型。 (3)先后使用PID和模型预测控制设计机器人编队运动控制器,通过比较两种控制方法的特性,提出了一种PI加预测控制的控制器设计方案,并在本文中搭建的实验平台上对PI加预测控制进行实验,验证了该方案是切实可行的。 (4)对于在机器人编队运动过程中遇到窄路和跟随者单独遇到障碍物的情况,为保证编队避障过程中队形的整体性,将跟随者机器人多个传感器的检测信息进行融合,以此为根据采用一种队形变换避障策略,并在本文中搭建的实验平台上进行了避障实验。 文章的最后对于本文完成的工作做了总结,并对今后的改进方向进行了展望。

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