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【6h】

低功耗的机器人无线手持控制器的研究与开发

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摘要

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 示教再现型机器人简介

1.3 国内外机器人的示教系统的研究概述与发展状况

1.4 论文的主要研究内容以及章节安排

第二章 系统的总体设计

2.1 系统设计要求

2.2 系统总体设计

2.3 系统器件选型

2.3.1 无线通讯模块的选型

2.3.2 无线模块天线的选型

2.3.3 微处理器模块的选型

2.3.4 电源芯片的选型

2.3.5 电机的选型

2.4 系统工作原理

2.5 相关技术介绍

2.5.1 串行数据通信接口

2.5.2 GFSK数据调制原理

2.5.3 GFSK数据解调原理

2.5.4 无线传输距离的估算

2.6 本章小结

第三章 硬件电路的设计

3.1 硬件系统总体设计方案

3.2 微处理器单元电路的设计

3.3 电源电路的设计

3.3.1 线性低压差稳压器工作原理

3.3.2 LDO应用原则

3.4 机械按键输入电路

3.4.1 I2C接口电路

3.4.2 USB接口电路的设计

3.5 无线模块电路设计

3.5.1 nRF905内部结构图

3.5.2 无线模块硬件电路图的实现设计

3.5.3 SPI接口电路的设计

3.5.4 I2S接口电路的设计

3.6 JTAG接口电路的设计

3.7 PCB设计

3.8 本章小结

第四章 软件部分的设计

4.1 软件环境的配置

4.2 数据协议

4.3 用户层数据的开发

4.3.1 软件系统主程序的设置

4.3.2 中断协议

4.4 用户协议层数据的开发

4.5 应用接口

4.5.1 基本功能函数的定义

4.5.2 模块功能引脚的软件配置

4.6 SPI协议

4.7 数据的传输

4.7.1 发送模块数据协议及流程

4.7.2 接收数据模块协议及流程

4.8 本章小结

第五章 系统的测试以及结论

5.1 系统测试环境的搭建

5.2 测试结论

5.2.1 系统误码率的测试

5.2.2 系统功耗的测试

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢

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摘要

随着无线传输的发展,无线数据传输越来越多的应用在工业,农业以及生产生活中。而在工业生产中,机器人可以代替人工作在野外以及更恶劣的环境中,而控制机器人运行的手持控制器则是采用电池供电,如何选择合适的电池,如何降低系统的功耗,成为研究的关键。
  针对传统的有线式手持控制器布线难,功耗大,数据传输时误差大等问题,本文设计了一款基于嵌入式射频无线收发一体型芯片的无线手持控制器。该控制器实现了低功耗,提高了设备的灵活性,降低了数据传输的误码率。该控制器采用stm32f051系列微处理器为中央处理器,利用nRF905为无线收发模块进行数据传输。实验测试结果表明,在20米的范围内,数据传输过程中误码率随着距离的增加而增加,但是不大于0.0002,测得手持控制器的电池在连续运行状态下,可以持续供电14个小时,处于休眠状态下电池可以持续供电约29天,满足最初的要求。
  本文主要在硬件设计以及软件程序两个方面对控制器进行了研究。该控制器采用Coretex-M0内核的ARM芯片作为系统的主控制器,该芯片具有体积小,功耗低的特点,非常适合应用在无线便携式领域。系统数据传输模块是整个系统的关键,在经过多种不同的无线芯片比较之后,最终选用的是nRF905无线模块。该模块能够在三个不同的频率下传输数据,这对增加数据传输过程中的抗干扰性具有非常重要的作用,同时为以后应用跳频技术奠定了基础。在软件程序开发的过程中,针对不同的功能,分成不同模块进行设计,这样能够增加软件程序的可读性,同时加快了软件程序的开发。在程序中定义的用户层主要来完成主函数以及中断函数的配置。在数据传输过程中涉及到的各种数据传输协议,需在用户协议层来完成各个数据传输协议的编写。由于在程序开发的过程中,直接调用库函数,所以程序的开发速度相对快。
  最终试验测试结果表明,设计的手持控制器具有功耗低、可靠性高、操作简便、成本低的特点。

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