车载机器人一体化平台下位机系统设计(附件)
摘 要上位机通过无线通信技术遥控智能车载机器人，使车载机器人按照控制命令移动到目标地点，检测并抓取目标物体至指定位置，传感器将采集到的信息实时的反馈给控制器形成闭环控制系统。本文贯彻了分级控制的理念，上位机、下位机等各部分功能不同却有联系。以52单片机为核心的车载机器人控制系统可以根据所采集到的外部环境数据，控制电机完成智能机器人前进、后退、转弯、抓取、搬运物体等动作。多电机协同控制理论的应用不仅极大提高了工作效率，而且能够实现对整体的较为精准的控制。采用蓝牙无线短距通信技术便于信息的传输。实践结果表明该系统稳定可靠，能够较好地实现对机器人的预期控制。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题概述 1
1.2智能车载机器人的研究现状 1
1.3多电机控制的发展 1
1.4智能车载机器人研究意义 2
1.5课题要求与内容安排 2
第二章 总体设计 4
2.1机器人总体设计 4
2.2总体控制设计 4
第三章 多电机控制方法的研究 7
3.1多电机控制理论 7
3.2多电机控制的策略 7
3.2.1多电机非耦合控制 7
3.2.2多电机耦合控制 8
3.2.3PID同步控制策略 8
3.3PID算法 9
3.3.1比例控制 9
3.3.2积分控制 9
3.3.3微分控制 9
第四章 控制系统设计 11
4.1控制策略 11
4.2控制器方案论述 12
4.3控制芯片选型及主从结构 13
4.3.1主、从芯片的连接 13
4.3.2主控芯片模块 14
4.3.3从控芯片1模块 15
4.3.4从控芯片2模块 16
4.4控制系统软件设计 17
4.4.1电机控制模块程序 16
4.4.2舵机控制程序 17
4.4.3陀螺仪控制程序 18
第五章 无线通信设计 20
5.1无线通信模块方案论述 2
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
0
5.2蓝牙无线规范概述 20
5.2.1蓝牙技术特点 20
5.2.2蓝牙技术的协议层介绍 21
5.2.3蓝牙传输原理 21
5.3蓝牙模块选型 22
5.4串口通信调试实验 23
5.4.1蓝牙数据接收调试实验 23
5.4.2蓝牙数据发送调试实验 23
5.5蓝牙通信存在的问题及对应解决方法 25
5.5.1蓝牙通信存在的问题 25
5.5.2解决方法 25
第六章 多电机协同控制分析 26
结束语 29
致 谢 31
参考文献 32
附录 33
第一章 绪论
1.1课题概述
智能车载机器人平台是一个集计算机技术、传感器技术、通信技术、自动控制等技术来实现环境感知、规划决策、自动行驶、抓取、搬运为一体的高新技术综合体[1]。它在军事、民用、救援和科学研究等方面已获得了应用，小型化设计涉及到了机械学、电工学、电子学、通信、力学、控制等多方面知识，能体现出学生的实践动手操作能力，故而这种集机、电于一体的智能小车常常出现在大学生创新设计或者是各种级别的竞赛中。本文主要研究下位机即控制器、通信等部分，其余部分由该项目组其他成员负责完成。
1.2智能车载机器人的研究现状
机器人的研制始于上世纪60年代，斯坦福大学研究所研制出的移动机器人 Shakey[2]。70年代后期，随着各种技术研究的不断深入，智能机器人的研究又达到了一个新的高度。90年代末，机器人更显智能化，出现了许多比较智能化的移动机器人。我国在上世纪80年代开始研究机器人，虽然起步较晚，但突飞猛
进，与发达国家差距正变得越来越小。
图11 Shakey机器人 图12灵蜥H遥控移动式机器人
目前在机器人的研究上增加了通信技术，通信的发展分为以下三个阶段；第一阶段是语言和文字通信阶段[3]。第二阶段是电通信阶段，这一阶段由有线电发展到无线电，大大推动了通信发展的进程。第三阶段是电子信息通信阶段，也是通信技术的成熟阶段[4]。在智能车载机器人一体化系统中，通信模块起到了支持系统传输数据、信号的作用。
1.3多电机控制的发展
随着近些年工业的发展,对各种机械性能和控制要求的不断提高，单个电机的控制已不能满足时代需求，在此背景下，多电机同步控制的理念应运而生[5]。前人的研究中，非耦合控制占据主流，每个电机独立运行，这样的话，一旦受力不平衡，那么运动就会很难协调好。为提高速度、位置精度，引入了耦合控制的思想。如下两图是我国自主研制的多关节电机机器人。
图13 蛇形机器人 图14 舞蹈机器人
1.4智能车载机器人研究意义
随着社会的发展，智能移动机器人能够完成运动、运输、救援任务，在复杂的工业环境中，严峻的室外环境下，无线通信技术成为避免复杂布线的关键技术，因此，将无线通信技术应用于移动车载机器人是一种新的发展趋势。此类机器人应用领域正不断地拓宽，不仅在制造领域得到广泛应用，而且逐步在非制造领域，如勘探、采掘、娱乐、服务等行业都得到了很好的应用。因此，智能机器人技术已得到世界广泛关注。
1.5课题要求与内容安排
智能车载机器人小车，在多种传感器的配合下，类似于一个自动控制系统，能自己模仿人驾驶小车行驶在道路上完成各种动作，如前进、后退、左右转弯、加速减速、避开障碍物和搬运、抓取物体等；能与上位机之间实现无线通信，实现数据信号的实时传输。本文各章节内容安排如下：
第一章绪论，介绍了该课题论述，智能车载机器人研究现状和意义以及多电机控制的发展。
第二章主要介绍了各组成部分的功能以及分级控制设计，由于结构设计是项目组其他成员所研究内容，因此在本文中简单提了一下，接下来的章节中在下位机方面介绍的比较多。
第三章阐述了多电机控制方法的理论、策略，经过不断地比较最终选择了适合该实验的控制方法。
第四章详细介绍了控制器的类型及型号选择，分别阐述主、从芯片模块，然后介绍了控制系统软件设计。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题概述 1
1.2智能车载机器人的研究现状 1
1.3多电机控制的发展 1
1.4智能车载机器人研究意义 2
1.5课题要求与内容安排 2
第二章 总体设计 4
2.1机器人总体设计 4
2.2总体控制设计 4
第三章 多电机控制方法的研究 7
3.1多电机控制理论 7
3.2多电机控制的策略 7
3.2.1多电机非耦合控制 7
3.2.2多电机耦合控制 8
3.2.3PID同步控制策略 8
3.3PID算法 9
3.3.1比例控制 9
3.3.2积分控制 9
3.3.3微分控制 9
第四章 控制系统设计 11
4.1控制策略 11
4.2控制器方案论述 12
4.3控制芯片选型及主从结构 13
4.3.1主、从芯片的连接 13
4.3.2主控芯片模块 14
4.3.3从控芯片1模块 15
4.3.4从控芯片2模块 16
4.4控制系统软件设计 17
4.4.1电机控制模块程序 16
4.4.2舵机控制程序 17
4.4.3陀螺仪控制程序 18
第五章 无线通信设计 20
5.1无线通信模块方案论述 2
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
0
5.2蓝牙无线规范概述 20
5.2.1蓝牙技术特点 20
5.2.2蓝牙技术的协议层介绍 21
5.2.3蓝牙传输原理 21
5.3蓝牙模块选型 22
5.4串口通信调试实验 23
5.4.1蓝牙数据接收调试实验 23
5.4.2蓝牙数据发送调试实验 23
5.5蓝牙通信存在的问题及对应解决方法 25
5.5.1蓝牙通信存在的问题 25
5.5.2解决方法 25
第六章 多电机协同控制分析 26
结束语 29
致 谢 31
参考文献 32
附录 33
第一章 绪论
1.1课题概述
智能车载机器人平台是一个集计算机技术、传感器技术、通信技术、自动控制等技术来实现环境感知、规划决策、自动行驶、抓取、搬运为一体的高新技术综合体[1]。它在军事、民用、救援和科学研究等方面已获得了应用，小型化设计涉及到了机械学、电工学、电子学、通信、力学、控制等多方面知识，能体现出学生的实践动手操作能力，故而这种集机、电于一体的智能小车常常出现在大学生创新设计或者是各种级别的竞赛中。本文主要研究下位机即控制器、通信等部分，其余部分由该项目组其他成员负责完成。
1.2智能车载机器人的研究现状
机器人的研制始于上世纪60年代，斯坦福大学研究所研制出的移动机器人 Shakey[2]。70年代后期，随着各种技术研究的不断深入，智能机器人的研究又达到了一个新的高度。90年代末，机器人更显智能化，出现了许多比较智能化的移动机器人。我国在上世纪80年代开始研究机器人，虽然起步较晚，但突飞猛
进，与发达国家差距正变得越来越小。
图11 Shakey机器人 图12灵蜥H遥控移动式机器人
目前在机器人的研究上增加了通信技术，通信的发展分为以下三个阶段；第一阶段是语言和文字通信阶段[3]。第二阶段是电通信阶段，这一阶段由有线电发展到无线电，大大推动了通信发展的进程。第三阶段是电子信息通信阶段，也是通信技术的成熟阶段[4]。在智能车载机器人一体化系统中，通信模块起到了支持系统传输数据、信号的作用。
1.3多电机控制的发展
随着近些年工业的发展,对各种机械性能和控制要求的不断提高，单个电机的控制已不能满足时代需求，在此背景下，多电机同步控制的理念应运而生[5]。前人的研究中，非耦合控制占据主流，每个电机独立运行，这样的话，一旦受力不平衡，那么运动就会很难协调好。为提高速度、位置精度，引入了耦合控制的思想。如下两图是我国自主研制的多关节电机机器人。
图13 蛇形机器人 图14 舞蹈机器人
1.4智能车载机器人研究意义
随着社会的发展，智能移动机器人能够完成运动、运输、救援任务，在复杂的工业环境中，严峻的室外环境下，无线通信技术成为避免复杂布线的关键技术，因此，将无线通信技术应用于移动车载机器人是一种新的发展趋势。此类机器人应用领域正不断地拓宽，不仅在制造领域得到广泛应用，而且逐步在非制造领域，如勘探、采掘、娱乐、服务等行业都得到了很好的应用。因此，智能机器人技术已得到世界广泛关注。
1.5课题要求与内容安排
智能车载机器人小车，在多种传感器的配合下，类似于一个自动控制系统，能自己模仿人驾驶小车行驶在道路上完成各种动作，如前进、后退、左右转弯、加速减速、避开障碍物和搬运、抓取物体等；能与上位机之间实现无线通信，实现数据信号的实时传输。本文各章节内容安排如下：
第一章绪论，介绍了该课题论述，智能车载机器人研究现状和意义以及多电机控制的发展。
第二章主要介绍了各组成部分的功能以及分级控制设计，由于结构设计是项目组其他成员所研究内容，因此在本文中简单提了一下，接下来的章节中在下位机方面介绍的比较多。
第三章阐述了多电机控制方法的理论、策略，经过不断地比较最终选择了适合该实验的控制方法。
第四章详细介绍了控制器的类型及型号选择，分别阐述主、从芯片模块，然后介绍了控制系统软件设计。
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