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基于机器人运动控制系统软件设计

基于机器人运动控制系统软件设计摘要：移动机器人的运动控制主要是完成移动机器人的运动平台，提供一种移动机器人的控制方式。本文通过对移动机器人的研究，实现了基于渡越时间法的超声波测距模块设计，为机器人提供简单方便的障碍物距离检测。本文主要完成对主控板控制器软件设计、电机驱动控制器软件设计和超声波测距软件的设计，使开发系统能够服务于移动机器人研究的通用开发平台。

关键词：机器人；运动控制；软件设计；超声波测距

中途分类号：TP 9 文献标识码：B

0 引言

随着计算机、网络、机械电子、信息、自动化以及人工智能等技术的飞速发展，移动机器人的研究进入了一个崭新的阶段。同时，太空资源、海洋资源的开发与利用为移动机器人的发展提供了广阔的空间。目前，智能移动机器人，无人自主车等领域的研究进入了应用的阶段，随着研究的深入，对移动机器人的自主导航能力，动态避障策略，避障时间等方面提出了更高的要求。地面智能机器人路径规划，是行驶在复杂，动态

自然环境中的全自主机器人系统的重要环节，而地面智能机器人全地域全自主技术的研究，是当今国内外学术界面临的挑战性问题。

智能移动机器人是一类能够通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标自主运动，从而完成一定功能的机器人系统。移动机器人技术研究综合了路径规划、导航定位、路径跟踪与运动控制等技术。涉及到包括距离探测、视频采集、温湿度以及声光等多种外部传感器，作为移动机器人的输入信息。移动机器人的运动控制主要是完成移动机器人的运动平台，提供一种移动机器人的控制方式。性能良好的移动机器人运动控制系统是移动机器人运行的基础，能够服务于移动机器人研究的通用开发平台。

移动机器人技术研究综合了多学科领域的知识，关键技术可分为：路径规划、导航定位、路径跟踪与运动控制技术。路径规划又可分为全局和局部路径规划。全局路径规划是根据移动机器人总体任务进行路径规划，将总体路径任务分解，并建立全局地形数据库；局部路径规划是根据全局规划分解的子任务，结合移动机器人当前

状态信息，实时规划可行路径；导航定位技术确定移动机器人在全局地图中的位置，并实时得到机器人与路径跟踪的相对位置关系，其关键技术是多传感器信息处理与数据融合技术。路径跟踪与运动控制技术的任务是控制移动机器人跟踪局部规划给出的路径，结合导航定位系统得到机器人本身状态信息与道路信息，完成航向和速度控制。移动机器人的路径规划、导航控制以及路径跟踪与运动控制技术是相互关联的，任何一个系统的不完善都会导致整体性能的下降。

1主控板软件设计

主控板硬件完成模块管理、设备通讯及机器人定位脉冲检测等内容。在实际应用中，主控板硬件还负责超声波测距的软件管理。

主控板硬件中只有主控板控制器需要进行软件设计。主控板控制器TMS320LF2407A的主要任务是超声波测距的软件设计管理和其他一些基本设置内容，包括电机码盘的正交编码脉冲检测。初始选定TMS320LF2407A作为主控板控制器是考虑到此控制系统可以作为以后机器人应用的平台，可以在TMS320LF2407A里嵌入实时系统，提升系统性能，方便接口开发。

主控板控制器的软件设计内容包括模块初始化、串口通讯、正交编码脉冲检测和超声波测距软件。这里介绍模块初始化串口通讯和正交编码脉冲检测等内容。图1主控板控制器程序流程图。

图1主控板控制器程序流程图复位向量地址为程序入口，然后程序进行初始化。初始化内容包括扩展方式、溢出方式、DARAM、倍频、JTAG等基本配置。另外还有使用的相关I／O的设置、程序使用相关定时器的设置、程序使用相关中断的设置和串口通讯的相关设置。这些配置都是控制器使用的基本配置流程。初始化之后会开启相关的中断程序，随后

进入超声波测距程序，并一直循环。中断服务程序处于就绪状态，一旦有中断发生，中断服务程序立即执行。

在TMS320LF2407A的所有程序中，需要对其串口的数据发送和接收程序做说明。异步通信使用三条线(地线、发送线、接收线)连接采用RS 232格式的终端。发送各位依次为一个起始位、l～8个数据位、可选的一个奇偶校验位、1~2个停止位。因此串口通讯能够传输的最大的数据单位为8位，即一个字节。在设计中控制器和各终端会有各种类型的数据交流，如整形数据和浮点数据，因此需要对串口发送和接收的数据进行数据转换。

四个字节的单精度浮点数的数据传输，因为串口每次最多只能传输一个字节，所以只需要把每个四字节浮点数的存储数据转换成字节形式发送即可，设计中采用强制转换的方式完成。数据接收的时候也可以采取同样的处理方式，反向转换即可。另外在数据转换上也可选择共用体来实现，共用体的实质和上面讲述的类型转换是一样的，只是共用体的各个数据类型占用的存储空间是共同的，对于这个存储空间，共用体定义的任

何结构类型变量都可以调用。上位机里的串口数据处理采用的是这种方法，十分方便。

对于正交编码脉冲的检测，TMS320LF2407A 具有独立的正交编码脉冲单元，只要对单元寄存器进行简单设置即可得到机器人驱动轮的运行方向和距离参数。TMS320LF2407A将这些数据通过串口发送到上位机，由上位机建模，对数据加以处理后得到机器人的位姿信息。

2 电机驱动软件设计

电机驱动软件完成电机的驱动控制和闭环调速。驱动控制使用的是电机驱动主控芯片STCl2C4052AD的片内PWM外设单元，生成的PWM信号经过电机驱动芯片驱动电机，可以通过调节PWM占空比来调节加载在电机上

24VDC电压的占空比，从而调节电机转速。PWM占空比由片内8位的PWM控制寄存器进行控制，该寄存器取值范围为0-255，分别代表PWM信号占空比从l到0的连续变化。同时STCl2C4052AD接收电机光电码盘的脉冲信号，利用片内时钟计算出电机运行速度，通过速度控制算法完成电机的闭环调速。

电机驱动及闭环调速软件算法流程图如图2所示。

图2电机驱动控制器程序流程图如上图所示，程序开始后进行初始化，初始化包括程序使用相关变量定义、10ms定时器0、定时器l及串口、脉冲计数用外中断0、看门狗等寄存器的设置和电机状态参数(刹车、速度)等的初始化。然后进入循环状态，循环过程中更新看门狗寄存器的相关标志位。速度检测和闭环调速程序分别在外中断0和定时器0中完成。中断服务程序也就包含了外中断0、定时器0以及串口中断服务程序。

外中断0是电机光电码盘的脉冲检测外设，所有电机光电码盘的脉冲都会引起外中断0的中断。码盘脉冲测速的原理是计算

STCl2C4052AD单位定时时间内的脉冲数目，因此外中断0的中断服务程序的内容就是对脉冲计数。而上位机设定的目标电机转速也会被转换为此单位定时时间内的脉冲数目。可以定义一个全局变量，每次进入外中断0的中断将该变量加1即可。另外为防止程序干扰，应该对计数值加以修正，如小于0的时候等于0，大于某一设定值的时候等于某一设定值等。

3 超声波测距软件设计

设计中的超声波测距软件利用了常用超声波测距的渡越时间法。渡越时间法的工作原理为发射超声波的同时开始计时，接收到超声波后停止计时，记录超声波的传输时间为t，那么超声波测距模块和障碍物的距离为s由下式表示。

S=v*t/2

其中v为超声波在空气中的传播速度。由下式表示。

其中，T为空气的华氏温度。

在常温下，超声波的传输速度随温度变化并不太大，而且超声波的传输时间都为毫秒级，因此影响不是很大。不过也可以为超声波测距模块添加一个温度校正模块，检测环境温度，再在主控板控制器计算超声波速度时进行修正。现在市场已有集成温度检测器件，也很方便。

超声波测距的主要流程为发射超声波以后，如果有反射超声波信号返回，则由外中断0接收计算距离。在超声波信号发射的同时打开定时器3，定时时间为最大超声波测量距离所需的传输时间，如果在定时器3中断的时候还没有外中断0中断事件发生，即没有反射超声波信号返回，那么在进入定时器3中断的时候关闭超声波返回

中断和超声波传输时间定时器l，进行下一次的超声波测距循环。程序流程图如图3所示。

图3 超声波测距程序流程图外中断0接收到超声波测距信号返回，则进入外中断0服务程序进行测距程序处理。若没有超声波信号返回则将发生定时器3的定时中断，说明等待超时，设定测距范围内无障碍物。两种情况都将引发等待标志位的改变，程序跳出等待状

态，更改工作超声波测距模块，进行下一个超声波模块的测距处理。

外中断0和定时器0的程序流程图如图4所示。

图4 外中断0和定时器3程序流程图图中A为外中断0程序流程图。进入中断服务程序表示有超声波信号返回。程序开始关闭所有系统的可屏蔽中断和测距使用外设，读取定时

器l计数值，计算障碍物距离。更改程序循环标志，然后中断服务程序返回。B为定时器3的程序流程图。进入中断服务程序表示测距范围内无障碍物，因此只用关闭系统的可屏蔽中断和测距使用外设，直接更改程序循环标志，退出中断服务程序即可。设置定时器1不产生中断，而设置定时器1为定时最大值也不会发生定时器l中断。因此不必写定时器1的中断服务程序。

4结论

本主控板控制器协调上位机和各模块的工作，软件设计中详细讲述串口传输中的数据类型处理问题。利用单片机PWM外设生成脉冲宽度调制信号驱动电机，并通过光电码盘实现电机的闭环调速。超声波测距模块已经有广泛的应用，超声波测距模块软件程序采用通用的渡越时间法完成距离的测量，并通过模拟开关实现多超声波测距模块的分时工作。

全向移动机器人的运动控制

全向移动机器人的运动控制作者：Xiang Li, Andreas Zell 关键词：移动机器人和自主系统，系统辨识，执行器饱和，路径跟踪控制。摘要：本文主要关注全向移动机器人的运动控制问题。一种基于逆运动学的新的控制方法提出了输入输出线性化模型。对执行器饱和及驱动器动力学在机器人性能体现方面有重要影响，该控制法考虑到了以上两个方面并保证闭环控制系统的稳定性。这种控制算法常用于真实世界的中型组足球机器人全方位的性能体现。

1.介绍最近，全方位轮式机器人已在移动机器人应用方面受到关注，因为全方位机器人“有一个满流动的平面，这意味着他们在每一个瞬间都可以移动，并且在任何方向都没有任何调整”。不同于非完整的机器人，例如轮式机器人，在执行之前具有旋转任何所需的翻译速度，全方位机器人具有较高的机动性并被广泛应用在动态环境下的应用，例如在中型的一年一度的足球比赛。大多数移动机器人的运动控制方法是基于机器人的动态模型或机器人的运动学模型。动态模型直接描述力量施加于车轮和机器人运动之间的关系，以外加电压的每个轮作为输入、以机器人运动的线速度和角加速度作为输出。但动态变化所造成的变化的机器人惯性矩和机械组件的扰动使控制器设计变得较为复杂。假设没有打滑车轮发生时，传感器高精度和地面足够平坦，由于结构的简单，因而运动模型将被广泛应用于机器人的设计行为中。作为输入运动学模型是机器人车轮速度，输出机器人的线速度和角速度，机器人的执行器的动力都快足以忽略，这意味着所需的轮速度可以立即达到。然而，该驱动器的动态极限，甚至降低了机器人在真实的情况中的表现。另一个重要方面是机器人控制的实践：执行器饱和。因机器人轮子的指挥电机速度是有饱和的界限的，执行器饱和能影响到机器人的性能，甚至使机器人运动变得不稳定。本文提出了一个全方位的机器人的一种运动控制方法，这种控制方法是基于逆输入输出的线性的运动学模型。它需要不仅考虑到驱动器动力学的识别，但也需要考虑到执行器饱和控制器的设计，并保证闭环控制系统系统稳定性。本文其余的部分：在2节介绍了运动学模型的一个全方位的中型足球机器人；在3节介绍了路径跟踪与定位跟踪问题基于逆运动学模型的输入输出线性化的解决方法，其中包括执行器饱和分析；4部分介绍了动态识别器及其在控制性能方面的影响；最后的实验结果和结论讨论部分分别在5和6。

机器人控制与轨迹规划实验

机器人控制与轨迹规划实验报告姓名：学号：学院：电话：邮箱： 2016年5月

论述题（每题10分） 1)SSF2000机器人有哪几个轴，请对每一个轴的性能进行详细说明； 2)对于示教模式、再现模式、远程模式进行详细说明； 3)对于关节插补、直线插补、圆弧插补、自由曲线插补方法进行详细说明； 4)如何实现程序内容的删除； 5)请详细说明在示教模式下如何实现机器人第7轴的运动控制； 6)请对机器人常用坐标系进行详细说明； 7)机器人安全模式分为哪几种？ 8)试述机器人示教编程的过程及特点。现场操作题（20分）

一、SSF2000机器人有哪几个轴，请对每一个轴的性能进行详细说明：答：SSF2000机器人具有6个控制轴，其中，基本轴3个，分别为S轴、L轴、U轴；腕部轴3个，分别为R轴、B 轴、T轴。各个轴的作用及性能如下： 1、S轴，控制本体左右回转，最大动作范围：±170°，最大速度：3.67 rad/s，210?/s； 2、L轴，控制下臂前后运动，最大动作范围：+155°，-90°，最大速度：3.32 rad/s，190?/s； 3、U轴，控制上臂上下运动，最大动作范围：+250°，-175°，最大速度：3.67 rad/s，210?/s； 4、R轴，控制上臂带手腕回旋，最大动作范围：±180°，最大速度：6.98 rad/s，400?/s，允许力矩：11.8N·m，允许惯性力矩：0.24Kg·m2； 5、B轴，控制手腕上下运动，最大动作范围：+225°，-45°，最大速度：6.98 rad/s，400?/s，允许力矩：8.8N·m，允许惯性力矩：0.17Kg·m2； 6、T轴，控制手臂回旋，最大动作范围：±360°，最大速度：10.47 rad/s，600?/s，允许力矩：5.9N·m，允许惯性力矩：0.06Kg·m2。二、对于示教模式、再现模式、远程模式进行详细说明答：1、示教模式：即“TEACH”模式，可用示教编程器进行轴操作和编辑，在此模式中，外部设备发出的启动信号无效。在示教模式下可以进行：编制、示教程序、修改已登录程序、各种特性文件和参数的设定。示教时，必须把示教编程器的模式旋钮旋至“TEACH”。

工业机器人的运动轨迹

专题综述课程名称工业自动化专题题目名称工业机器人的运动轨迹学生学院____ _ 自动化________ 专业班级___ _ _ 学号学生姓名___ _ _ 指导教师_____ _____ 2013 年 6月 27日

工业机器人的运动轨迹综述【摘要】：随着知识经济时代的到来，高技术已成为世界各国争夺的焦点，机器人技术作为高技术的一个重要分支普遍受到了各国政府的重视。自此，多种不同的研究方向都在工业机器人实时高精度的路径跟踪来实现预期目的。而工业机器人的运动轨迹又是重中之重，在得到反馈信息之后，如何作出应答，并且实时检查轨迹与所计算出的轨迹是否吻合，为此也要进行追踪与动作修正。【关键词】：工业机器人，视觉，路径跟踪，轨迹规划，高精度 1.机器人视觉，运动前的准备实际的工业现场环境复杂，多种因素都有可能导致系统在运行过程中产生一定的偏差、测量精度降低，引起误差的原因主要有温度漂移和关节松动变形等，使测量模型的参数值改变从而导致定位误差增大，因此需要定期对工业机器人视觉测量系统进行精确的校准，从而实现精确定位和视觉测量。更少不得必要的优化。 1.1基于单目视觉的工业机器人运动轨迹准确度检测建立的工业机器人单目视觉系统，整个系统主要由单目视觉单元，监控单元和机器人执行单元三大单元组成。单目视觉单元为一台固定在机器人上方的CCD摄像机，负责摄取工作环境中的目标并存入图像采集卡缓冲区；监控单元负责监控各工作站的当前状态，并完成对存储图像进行相关处理的工作，达到识别定位目标的目的；执行单元负责驱动机械手实施抓取操作。 1.2基于双目视觉的工业机器人运动轨迹准确度检测以立体视觉理论为基础，研究了基于空间直线的二维投影面方程。根据投影面的空间解析几何约束关系，建立基于直线特征匹配的双目视觉误差测量的数学模型。在该模型基础上采用将两台摄像机固定于工业机器人末端的方案．对关节型工业机器人运动轨迹的准确度进行了检测。结果表明，该检测方法简单实用，基本上可以满足工业机器人CP性能检测的要求。 1.3一种面向工业机器人智能抓取的视觉引导技术研究为实现工业机器人自主识别并抓取指定的目标，提出了一种基于计算机视觉引导的解决方法。该方法利用指定目标的3D数据模型，以及由两台或者多台CCD摄像机从工作场景中不同角度获；取到的数字图像，经过目标姿态估算、投影计算并生成投影图像，再利用投影

基于MATLAB的PUMA560机器人运动仿真与轨迹规划5.

The movement simulation and trajectory planning of PUMA560 robot Shibo zhao Abstract:In this essay, we adopt modeling method to study PUMA560 robot in the use of Robotics Toolbox based on MATLAB. We mainly focus on three problems include: the forward kinematics, inverse kinematics and trajectory planning. At the same time, we simulate each problem above, observe the movement of each joint and explain the reason for the selection of some parameters. Finally, we verify the feasibility of the modeling method. Key words:PUMA560 robot; kinematics; Robotics Toolbox; The simulation; I.Introduction As automation becomes more prevalent in people’s life, robot begins more further to change people’s world. Therefore, we are obliged to study the mechanism of robot. How to move, how to determine the position of target and the robot itself, and how to determine the angles of each point needed to obtain the position. In order to study robot more validly, we adopt robot simulation and object-oriented method to simulate the robot kinematic characteristics. We help researchers understand the configuration and limit of the robot’s working space and reveal the mechanism of reasonable movement and control algorithm. We can let the user to see the effect of the design, and timely find out the shortcomings and the insufficiency, which help us avoid the accident and unnecessary losses on operating entity. This paper establishes a model for Robot PUMA560 by using Robotics Toolbox,and study the forward kinematics and inverse kinematics of the robot and trajectory planning problem. II.The introduction of the parameters for the PUMA560 robot PUMA560 robot is produced by Unimation Company and is defined as 6 degrees of freedom robot. It consists 6 degrees of freedom rotary joints (The structure diagram is shown in figure 1). Referring to the human body structure, the first joint（J1）called waist joints. The second joint（J2）called shoulder joint. The third joint （J3）called elbow joints. The joints J4 J5, J6, are called wrist joints. Where, the first three joints determine the position of wrist reference point. The latter three joints determine the orientation of the wrist. The axis of the joint J1 located vertical direction. The axis direction of joint J2, J3 is horizontal and parallel, a3 meters apart. Joint J1, J2 axis are vertical intersection and joint J3, J4 axis are vertical crisscross, distance of a4. The latter three joints’ axes have an intersection point which is also origin point for {4}, {5}, {6} coordinate. (Each link coordinate system is shown in figure 2)

嵌入式智能家居控制系统软件设计

本科生毕业设计（论文）开题报告论文题目：嵌入式智能家居控制系统软件设计学院：电气工程学院专业班级：自动化1204 学生姓名：刘芳春学号： 120302433 导师姓名：王通开题时间：2016年 3 月 18 日

1.课题背景及意义 1.1课题研究背景、目的及意义目前，几乎所有家庭都有使用各种电器设备，电视、电灯、空调、冰箱等。然而，就当前情况来说，这些设备总是被看成单个的、独立的个体使用，而极少出现一个专门的系统来管理它们、或是将它们糅合为一个具有一定“智慧”的设备集合体。这不仅使得设备使用者不得不在控制和管理这些设备上消耗大量时间和精力，而且容易造成设备使用效率不高，浪费宝贵的能源，这不符合节能环保的国家政策方针。基于这个事实，智能家居的概念应运而生。智能家居又被人们称智能住宅[1]，在国外也叫做Smart Home。智能家居是以个人住所为单位，以控制技术、通信技术计算机技术为基础，以提升人们的日常家居生活为目的的家居控制和管理系统[2]。由于智能家居是一个最近才得到快速发展的行业，当前有许多地方并未得到充分的研究，也有许多研究成果并未能转化成为实际产品。探寻其本质因素有两个。其一，大多数已有的智能家居产品是针对高消费人群设计和开发的，而没有顾及到占人口绝大多数的低端消费人群。因此，其市场本身就不会太大。其二，许多开发出来的产品在性能上并不完全让消费者满意。当前已有的产品中的大多数，或是存在功能单调、或是存在使用不方便等各种缺乏吸引力的不足之处。为了改善这一现状，软件部分设计就成了必不可少的工作，软件部分以软件开发平台为核心，向上提供应用编程接口，向下屏蔽具体硬件特性的板级支持包。嵌入式系统中，软件和硬件紧密配合，协调工作，共同完成系统预定的功能。嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的一体化程序。对于嵌入式软件而言，系统软件和应用软件的界限并不明显，原因在于嵌入式环境下应用系统的配置差别较大，所需操作系统裁剪配置不同，I/O 操作没有标准化，驱动程序通常需要自行设计[3,4]。嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式系统中应用越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中[5]。它与实时应用软件相结合成为有机的整体起着核心作用，由它来管理和协调各项工作，为应用软件提供良好的运行软件环境和开发环境。μC/OS-II 是一个完整的，可移植、固化、裁剪的占先式实时多任务内核。它通过了美国联邦航空管理局商用航行器的认可，符合航空无线电技术委员会对用于航空设备方面所使用的软件性能提出的DO-178B标准认可。目前已有数百个商业应用的μC/OS，该操作系统的稳定性和可靠性得到了充分的肯定[6,7]。该操作系统在智能家居领域中的应用也越来越广泛。因此对于嵌入式智能家居操作系统的研究也越来越有必要。

机器人运动控制器

TB04-2372.jtdc-1 机器人控制标准包机器人运动控制器我们在机器人控制上拥有丰富的经验。除了标量机器人和２维并行机构的机器人是做为选项。其他机械机构的机器人我们提供了特殊控制技术。链接型和并行机构的机器人可以像自动机械一样运行。■优点 ◆有效运用于内部研发能够短期内使自己研发的产品稳定动作。 ◆追求独特的技术能够用于研发特殊组装和动作的机器人，并投入生产现场。◆技术知识保密自己开发技术知识的保密 ◆应用于自动机械可以应用于加工机械以及装配机械之类的生产机械的操作和运转 ■机构变换 ◆直交系列机器人◆标量机器人◆２维并行机构机器人◆垂直多关节机器人◆６维并行机构机器人〈标准〉〈选项〉〈选项〉〈独特〉〈独特〉 ■正确的轮廓控制■按控制周期变换机构■正确的轨迹按控制周期执行机构变换，实现插补之间的接合部的圆滑轨迹控制。可应用于精密加工。 ■运行程序（技术语言?Ｇ语言）像去除加工毛刺及钻孔机械，使用输出ＣＡＭ的Ｇ语言文件来实现ＤＮＣ运行。 ■拥有丰富技能对应实际生产中的作业通过可选项，能够用于搬运，加工，熔接，去除毛刺，装配等生产机械的操作和运行。◆可选项机能例宏机能，多任务，扭矩指令（贴接?控制力度）ＤＮＣ运行触摸屏插补前的加减速Ｓ字加减速手动脉冲发动器，高精度制动开关（接触开关）接线?法线控制同频同步平行轴控制■触摸屏及专用ＰＣ软件 ■触摸屏例 ■专用ＰＣ画面例使用触摸屏或ＰＣ也可以操作。■动作机构计算的可２次开发我们的经验可以对应您的特殊需求。另外，你也可以自行开发动作机构变换软件。■应用于机器人控制的运动控制器◆ＳＬＭ４０００机器人规格单板独立单机工作４轴脉冲列输入３２输出３２ＲＳ２３２／ＵＳＢ ◆ＰＬＭＣ４０机器人规格ＰＬＣ动作４轴脉冲列输入１６输出１６ＲＳ２３２可使用通用ＰＬＣ扩展（梯形 ?ＩＯ? 模拟等） ◆ＰＬＭＣ－ＭⅡＥＸ机器人规格ＭＥＣＨＡＴＲＯＬＩＮＫ－Ⅱ 标准４／９／１６轴最大３０轴可使用通用ＰＬＣ扩展（梯形?ＩＯ?模拟等） ◆多軸运动功率放大器机器人规格多轴伺服功放一体型最大７轴输入４２输出４２可节省配线节省成本 A B a1 a2a3Accurate contour Uncontrolled path by simple positioning Calculation at each sampling time

AUV水下机器人运动控制系统设计方案(李思乐)

中国海洋大学工程学院机械电子工程研究生课程考核论文题目： AUV水下机器人运动控制系统研究报告课程名称：运动控制技术姓名：李思乐学号： 21100933077 院系：工程学院机电工程系专业：机械电子工程时间：2010-12-26 课程成绩：任课老师：谭俊哲

AUV水下机器人运动控制系统设计摘要：以主推加舵控制的小型自治水下机器人为研究对象，建立了水下机器人的数学模型并进行了分析。根据机器人结构的特点，对模型进行了必要的简化。设计了机器人的运动控制系统。以成功研制的无缆自治水下机器人(AUV) 为基础，对其航行控制和定位控制方法进行了较详细的分析. 同时介绍了它的推进器布置、控制系统结构、推力分配等方法。最后展示了它的运行实验结果。关键词：水下机器人；总体设计方案；运动控制系统；电机仿真 1 引言近年来国外水下机器人技术发展迅速，技术水平较高。其中，具有代表性的产品有：美国Video Ray 公司开发出的Scout、Explorer、Pro 等系列遥控式水下机器人，美国Seabotix公司研发的LBV-ROV 系列，英国AC-CESS 公司的AC-ROV系列。随着海洋开发、探测的需求越来越强，水下机器人成为全世界研究的热门课题。小型自治水下机器人具有低成本、小型化、操作灵活等特点成为近年来国内外研究的热点。自治水下机器人（Autonomous Underwater Vehicles, AUV）,载体采用模块化设计思想, 可根据需要适当增减作业或传感器模块, 载体采用鱼雷状流线外形, 总长约2 m, 外径25 cm, 基本模块包括推进器模块、能源模块、电子舱模块、传感器模块以及GPS、无线电通讯模块, 基本传感器有姿态传感器、高度计、深度计和视觉传感器, 支持光纤通讯, 载体可外挂声学设备, 通过光纤系统进行遥控操作可实现其半自主作业, 也可在预编程指令下实现自主作业。系统基本模块组成设计如图1-1所示[1]。它具有开放式、模块化的体系结构和多种控制方式（自主/半自主/遥控），自带能源。这种小型水下机器人可在大范围、大深度和复杂海洋环境下进行海洋科学研究和深海资源调查，具有更广泛的应用前景。在控制系统的设计过程中充分考虑了系统的稳定性和操纵性。控制器具有足够的鲁棒性来克服建模误差，以及水动力参数变化。图1-1 系统基本模块组成设计 2机器人物理模型 2.1 AUV 物理模型为了研究AUV 的运动规律，确定运行过程中AUV 的位置和姿态，需要建立AUV 的动力学模型。为了便于分析，建立适合于描述AUV 运动的两种参考坐标系，即固定坐标系Eξηζ 和运动坐标系Oxyz，如图2-1 所示：包含5 个推进器，分别是艉部的2 个主推进器、艉部的1 个垂向推进器和艏部的2 个垂向推进器。左右对称于纵中

机器人的运动控制

2.4 手臂的控制 2.4.1 运动控制对于机器人手臂的运动来说，人们通常关注末端的运动，而末端运动乃是由各个关节的运动合成实现的。因而必须考虑手臂末端的位置、姿态与各个关节位移之间的关系。此外，手臂运动，不仅仅涉及末端从某个位置向另外一个位置的移动，有时也希望它能沿着特定的空间路径进行移动。为此，不仅要考虑手臂末端的位置，而且还必须顾及它的速度和加速度。若再进一步从控制的观点来看，机器人手臂是一个复杂的多变量非线性系统，各关节之间存在耦合，为了完成高精度运动，必须对相互的影响进行补偿。 1.关节伺服和作业坐标伺服现在来研究n个自由度的手臂，设关节位移以n i个关节的位移，刚性臂的关节位移和末端位置、姿态之间的关系以下式给出：（1） m维末端向量，当它表示三维空间内的位置姿态时，m=6。如式（1）所示，对刚性臂来说，由于各关节的位移完全决定了手臂末端的位置姿态，故如欲控制手臂运动，只要控制各关节的运动即可。设刚性臂的运动方程式如下所示：（2）量为粘性摩擦系数矩阵；表示重力项的向量；机器人手臂的驱动装置是一个为了跟踪目标值对手臂当前运动状态进行反馈构成的伺服系统。无论何种伺服系统结构，控制装置的功能都是检测各关节的 1给出了控制系统的构成示意图。来自示教、数值数据或外传感器的信号等构成了作业指令，控制系统根据这些指令，在目标轨迹生成部分产生伺服系统需要的目标值。伺服系统的构成方法因目标值的选取方法的不同而异，大体上可以分为关节伺服和作业坐标伺服两种。当目标值为速度、加速度量纲时，分别称之为速度控制或加速度控制，关于这些将在本节2.和3.中加以叙述。

图1 刚性臂控制系统的构成 1）关节伺服控制讨论以各关节位移的形式给定手臂运动目标值的情况。令关节的目标值为12(,,,)T n d d d dn q q q q =∈?。图2给出了关节伺服的构成。若目标值是以关节位移的形式给出的，那么如图2所示，各个关节可以独立构成伺服系统，因此问题就变得十分简单。目标值d q 可以根据末端目标值d r 由式（1）的反函数，即逆运动学（inverse kinematics ）的计算得出 1()d r d q f r -= （3）图2 关节伺服构成举例如果是工业机器人经常采用的示教方法，那么示教者实际上都是一面看着手臂末端，一面进行示教的，所以不必进行式（3）的计算，d q 是直接给出的。如果想让手臂静止于某个点，只要对d q 取定值即可，当欲使手臂从某个点向另一个点逐渐移动，或者使之沿某一轨迹运动时，则必须按时间的变化使d q

智能机器人运动控制和目标跟踪

XXXX大学《智能机器人》结课论文移动机器人对运动目标的检测跟踪方法学院（系）：专业班级：学生学号：学生姓名：成绩：

目录摘要 (1) 0、引言 (1) 1、运动目标检测方法 (1) 1．1 运动目标图像HSI差值模型 (1) 1.2 运动目标的自适应分割与提取 (2) 2 运动目标的预测跟踪控制 (3) 2．1 运动目标的定位 (3) 2．2 运动目标的运动轨迹估计 (4) 2．3 移动机器人运动控制策略 (6) 3 结束语 (6) 参考文献 (7)

一种移动机器人对运动目标的检测跟踪方法摘要：从序列图像中有效地自动提取运动目标区域和跟踪运动目标是自主机器人运动控制的研究热点之一。给出了连续图像帧差分和二次帧差分改进的图像HIS 差分模型，采用自适应运动目标区域检测、自适应阴影部分分割和噪声消除算法，对无背景图像条件下自动提取运动目标区域。定义了一些运动目标的特征分析和计算，通过特征匹配识别所需跟踪目标的区域。采用 Kalrnan 预报器对运动目标状态的一步预测估计和两步增量式跟踪算法，能快速平滑地实现移动机器人对运动目标的跟踪驱动控制。实验结果表明该方法有效。关键词：改进的HIS 差分模型；Kahnan 滤波器；增量式跟踪控制策略。 0、引言运动目标检测和跟踪是机器人研究应用及智能视频监控中的重要关键技术，一直是备受关注的研究热点之一。在运动目标检测算法中常用方法有光流场法和图像差分法。由于光流场法的计算量大，不适合于实时性的要求。对背景图像的帧问差分法对环境变化有较强的适应性和运算简单方便的特点，但帧问差分不能提出完整的运动目标，且场景中会出现大量噪声，如光线的强弱、运动目标的阴影等。为此文中对移动机器人的运动目标检测和跟踪中的一些关键技术进行了研究，通过对传统帧间差分的改进，引入 HSI 差值模型、图像序列的连续差分运算、自适应分割算法、自适应阴影部分分割算法和图像形态学方法消除噪声斑点，在无背景图像条件下自动提取运动目标区域。采用 Kalman 滤波器对跟踪目标的运动轨迹进行预测，建立移动机器人跟踪运动目标的两步增量式跟踪控制策略，实现对目标的准确检测和平滑跟踪控制。实验结果表明该算法有效。 1、运动目标检测方法接近人跟对颜色感知的色调、饱和度和亮度属性 (H ，S ，I )模型更适合于图像识别处理。因此，文中引入改进型 HSI 帧差模型。 1．1 运动目标图像HSI 差值模型设移动机器人在某一位置采得的连续三帧图像序列 ()y x k ,f 1-，()y x f k ,，()y x f k ,1+

水下清洁机器人运动控制系统设计研究

? 117 ? ELECTRONICS WORLD? 技术交流本文主要结合相关的研究背景设计了一种水下清洁机器人，作为一种水下设备的清洁维护的机器人，保障水下设备的正常运行。文章首先在引言部分对本文的研究背景及意义进行阐述，然后重点提出了水下清洁机器人运动控制系统的总体设计方案，并对其运动模型进行设计和仿真。 1 引言海洋开发逐渐向特殊领域以及高深度领域转变，难度越来越大，人力开发已经完全不能够满足开发的需求，机器人开发已经成为了新趋势。本文主要在此背景下分析和研究水下清洁机器人的运动控制系统的设计。本文设计的水下清洁机器人主要是用于对水下的一些大型设备，例如海底搜救设备、勘测设备、取样设备等进行水下维护和修复等，能够在水下特殊环境中对海底设备进行维护和处理，能够较大程度上的促进海底开发技术的发展。 2 水下清洁机器人运动控制系统总体设计 2.1 水下清洁机器人运动控制流程本文设计的水下清洁机器人的控制系统主要由主机、控制算法、控制电路、指令转换、机器人载体、采样设备等组成，具体的控制流程为：主机控制算法进行水下机器人的动力分配，并结合指令转换算法进行整理转换，结合控制电路开启操控箱，下达操作指令，机器人载体接到命令驱动机器人进行采样，采集样本之后将样本信息传递到主机处理系统当中，进行处理。 2.2 模拟运动控制平台结构设计水下机器人的运动控制平台主要包括六个部分：步进电机、云台、安装板、推进器、U型板以及轴承等。其中云台主要实现的是2自由度的运动，包括水平和横向两个方向。本文模拟的控制平台主要实现的是3自由度的运动控制，除了上述2自由度之外，还包括前后摇摆自由度。由于多了一个自由度，因此需要对运动进行定位，该运动平台的定位主要由带套轴承和法兰轴组成固定左侧，由带套轴承和电机轴固定右侧，右侧的电机由法兰固定，由此就设计出了一个6自由度的模拟运动控制平台（边宇枢，高志慧，贠超，6自由度水下机器人动力学分析与运动控制：机械工程学报，2007）。 2.3 地面操控台结构设计地面操控台主要是对上述的模拟运动控制平台进行控制，地面操控台主要包括显示器、操纵杆、按钮以及指示灯等。其中操纵杆有2个，一个用来控制云台的摄像机，一个用来控制模拟运动平台，面板主要是结合人体舒适度进行设计，角度定为70°（裴文良，郭映言，陈金山，申龙，水下机器人的研发及其应用：制造业自动化，2018）。 3 水下机器人运动模型及仿真分析该部分主要对上述设计的水下机器人的运动模型以及仿真进行分析： 3.1 水下机器人的运动学建模为了便于我们对机器人参数和变量的统一管理，可以定义以下状态变量：其中，，即用η1和η2分别表示稳定系下水下机器人的位置向量和方向向量，用v1和v2分别表示动态系下水下机器人的线速度和角度，用τ1和τ2表示在动态系下作用于水下机器人的力和力矩向量。水下机器人的速度变量由稳定系转换成为动态系，从而通过动态控制器实现对运动的控制，同时要获得水下机器人的静态位置和姿态就必须要将水下机器人的速度变量由动态系转换成为稳定系，从而得到水下机器人的位置矢量。由此可知，在研究水下机器人状态时，需要分析和研究机器人速度变量的动态和静态的转变。 3.2 基于神经网络的轨迹控制器本文主要设计了基于神经网络模型的水下机器人的运动轨迹控制器，具体的控制流程如下：当机体接收到信号后，传递到控制器，再通过执行器作用于机体，做出相应的动作，机器人本身还具有抗干扰的功能。输出与控制器之间用RBF网络连接。（朱大奇，陈亮，刘乾，一种水下机器人传感器故障诊断与容错控制方法：控制与决策，2009） 3.3 水下机器人神经网络轨迹控制的仿真结合上述设计的基于神经网络模型的水下机器人的运动轨迹控制器，采用MATLAB进行仿真如下。该控制器设计的目的是实现对水下机器人运动状态的识别和跟踪，通过分析水下机器人的水下运动情况，结合轨迹参考实现了未知动力学的局部精确逼近和部分神经网络权值的收敛，从而奠定一定的学习控制器基础。结合神经网络的训练实验得到，在神经网络权值的训练过程中，一些神经网络的权值最终收敛，可以作为神经网络的常数权值存储。在自适应神经网络控制器的作用下，将被控系统未知动态分量的局部精确逼近。水下清洁机器人运动控制系统设计研究（下转第121页）

机器人抓取运动目标轨迹规划与控制

I．引言机器人抓取运动目标是指机器人基于内部控制系统的控制，完成运动目标的跟踪和抓取，是智能机器人的一个前沿应用课题，在工业、航天和娱乐等领域有良好的应用前景。在运动目标的捕捉中，一方面，机器人手爪必须快速跟踪并接近目标;另一方面必须能够感知环境以避开可能的障碍，其中状态反馈和路径规划需要很高的实时性和抗干扰能力。此外，系统还受到动力学约束、关节几何约束等限制，而这一切都必须在实时条件下完成。抓取运动目标技术在航空航天、工业生产、遥感技术、军事技术、特殊环境作业等多领域有着广泛的应用。该技术的研究最典型的应用就在于太空卫星捕捉机器人，众所周知由宇航员来接近和捕捉正在旋转的卫星很危险而且困难，从而使人们意识到应该使用机器人进行太空服务，近年来越来越多的机器臂装配到了航天设备上。此外，抓取运动目标的技术还可以应用在工业生产过程中抓取装配线传送带上正在运动的零部件；球类机器人（如：足球机器人，排球机器人等）；太空、深海等场合的自动对接和作业。对于机器人抓取运动目标，其末端机械手的动作规划和目标检测等问题就需要传感技术与机器人控制技术的完美结合。目前，对于目标状态的测取一般采用图像传感（CCD摄像机），但是单视觉反馈有着它自身的缺陷，单摄像机模型往往能够获得较为精确的平面位置信息，而不能获得精确的深度信息。为此，在状态测取时，一般采用多摄像机模型或摄像机与位置传感器相结合模型。对于抓取运动目标动作规划目前一般存在有三种方法：直接瞄准法、比例导引法、以及预测-规划-执行( Prediction Planning and Execution，PPE) 方法。后文将具体讨论以上内容。 II．系统组成下图是一个典型的机器人抓取运动目标的系统方框图。抓取运动咪表的机器人与一般的机器人相比，其操作对象大多为状态参数不确定的运动目标，同时机器人与目标之间的接触速度较高。因此必须着重研究以下问题: 实时状态测

基于MATLAB的控制系统设计软件开发

中北大学毕业设计开题报告学生姓名：王小龙学号：07050541X14学院、系：信息与通信工程学院专业：自动化设计题目：基于MATLAB的控制系统设计软件开发指导教师:林都 2011年4月2日

毕业设计开题报告

类专业技术基础课程,在教学与研究过程中,常需要对控制系统用MATLAB进行仿究, MATLAB虽功能强大,对这方面的分析都有相应命令,但命令繁多,分析起来过于零散的性质有个整体的掌握,况且像MATLAB这么大的软件学起来也较困难。为能够更快更好掌握控制系统的性质,把多而散的命令整合起来,开发了控制系统CAI应用软件。使用此软件时用户只需输入系统参数,然后点击相关按钮,就可以快速得到所求相应的结果。二．相关理论知识控制工程基础是以讲述古典控制为主的机械类专业技术基础课程,在教学与研究过程中,常需要对控制系统用MATLAB进行仿真分析与研究,MATLAB虽功能强大,对这方面的分析都有相应命令,但命令繁多,分析起来过于零散,难于对系统的性质有个整体的掌握,况且像MATLAB这么大的软件学起来也较困难.为能够更快更好掌握控制系统的性质,把多而散的命令整合起来,开发了控制系统CAI应用软件.使用此软件时用户只需输入系统参数,然后点击相关按钮,就可以快速得到所求相应的结果。要将控制系统CAI应用软件结构图中的内容在用户界面里表现出来,就必须有参数输入、结果输出、图形仿真输出等,且这些都能进行对比分析,因此要求有个友好、操作简单、可读性强、易修改的图形用户界面,选择MATLAB中具有可视化编程能力的图形界面GUI,将它提供的工具与编程经验结合起来,完成软件界面的创建.。图1控制系统CAI应用软件结构图

AUV水下机器人运动控制系统方案设计书(李思乐)

封面

作者：PanHongliang 仅供个人学习中国海洋大学工程学院机械电子工程研究生课程考核论文题目： AUV水下机器人运动控制系统研究报告

课程名称：运动控制技术姓名：李思乐学号： 21100933077 院系：工程学院机电工程系专业：机械电子工程时间：2010-12-26 课程成绩：任课老师：谭俊哲

空调自动控制系统软件设计及调试(精)

空调自动控制系统软件设计及调试尹海蛟空调的硬件电路只是起到支持作用。因为作为自动化控制的大部分功能，只能采取软件程序来实现，而且软件程序的优点是显而易见的。它既经济又灵活方便，而且易于模块化和标准化。同时，软件程序所占用的空间和时间相对来说比硬件电路的开销要小得多。同时，与硬件不同，软件有不致磨损、复制容易、易于更新或改造等特点，但由于它所要处理的问题往往远较硬件复杂，因而软件的设计、开发、调试及维护往往要花费巨大的经历及时间。但相比之下，这些代价所取得的功能远优于仅依靠硬件电路所实现的功能。 1.空调自动控制系统软件程序设计思想在硬件电路设计好以后，软件设计则是最重要的一个设计部分，由于空调自动控制的大部分智能化功能都是软件来完成，这样就使得硬件电路设计的简化和成本低可以得到实现。然而，8051单片机采用的是与其物理地址联系非常紧密地汇编语言来进行编程的。我们知道汇编语言相对于高级语言而言，它的速度是比较快的，而且它的指令代码也非常简单，但前提是编程人员要对8051单片机内部硬件电路非常熟悉。这对编程人员的要求是比较高的。在进行软件编程时，我们仍然要采用结构化模块方式编程，从而可以把一些非常大的程序逐步分解为几个小程序，这对于编程人员非常重要的。对于本课题而言，由于它最终要设计成样机形式。因此，我们就得对整机进行监控，这个监控程序中应包括各种芯片的初始化程序、自诊断程序及许多中断子程序等事实上，在对空调器上电后，它应在单片机的控制下自动转入监控程序的执行。我们在编制时把监控程序作为本机的主程序来进行工作。任何故障都会从监控程序的执行中得到响应，而且任何故障给予的响应方式和代码不同，因此这很方便的可以查找到该故障部位。显然，这只对硬件电路的故障有效。对于软件程序的执行故障，我们目前只能通过软件程序的调试安装及仿真来判别它是否正常运行。因为单片机毕竟不是微机或上位机。它所能容纳的程序能力也是有限的。当然，我们可以采用各种技术进行优化，这样就可以最大限度的直至软件程序的出错运行。各种子程序模块都挂接在该主程序上。编制它时，我们尽可能充分利用8051单片机的软件资源及内部寄存器资源，这样可以提高其运行速度。硬件和软件式空调温度控制的核心设计方面，本课题把研究重点特别投向软件设计，毕竟自动控制功能大部分都要靠软件程序来完成。在本课题设计过程中，软件调试要花大量时间来调试运行，而硬件电路我们只需简单调试。因此可见硬件设计和软件设计有很大区别，而且在总体调试中还要对其进行调整。这都是本课题所研究的内容。我们从总体上把握了空调自动控制系统的设计思路，初步了解到该研究项目主要的研究工作内容和其采用的优点。倘若要具体进行各个细节

自动化控制系统设计的方案 (1).doc

自动化控制系统设计方案一、现地控制软件现地采集控制软件采用业界领先的平台和面向对象机制的编程语言在数据库作业系统基础上进行高可靠性、实时性的现地控制应用软件二、主控级 1、数据的采集及处理接收现地控制单元的上送数据并进行处理及存入数据库，供分析计算、控制调节、画面显示、记录检索、操作指导、打印等使用。数据采集除周期性进行外，在所有时间内，可由操作员或应用程序发命令采集现地控制单元的过程信息。 2、运行监视、控制和调节运行操作人员能通过上位机，对各闸门开度和启闭机的运行工况进行控制和监视。除了显示各孔闸门的位置图形和开度数据外，还设置“启动”、“停止”两个模拟操作按钮和“上升”、“下降”、“远程/现地”、“通讯状态”等模拟指示。主要内容如下： a、根据要求的过闸流量，计算出闸门当前应开启的高度（在上下限范围内）电脑提示是否确认，若确认即可启动闸门； b、闸门启闭控制，根据给定值启闭闸门，到位停止； c图形、表格、参数限值、状态量等画面的选择和调用； d在主控级进行操作时，在屏幕上应显示整个操作过程中的每一步骤和执行情况；三、打印记录显示、记录、打印功能所有监控对象的操作、实时参数都予记录，对故障信号进行事件顺序记录、显示，实行在打印机上打印出来。主要内容如下：（1）闸门动作过程动态显示；（2）给定开度值显示，闸门位置显示；

（3）闸门升降模拟显示图；（4）上、下游水位数据显示（5）根据上下游水位和闸门开度，自动计算出当前流量，并进行累计（6）运行显示、打印；四、通信功能主控级与现地控制单元采用RS485总线通信，当通讯不正常时，报警显示。五、现地控制单元 1、实时自动采集闸门开度在现地显示并通过处理后传送至主控层； 2、根据主控层指令，或根据人工输入的合法控闸指令，在满足下列条件的情况下，自动控制闸门的升、降，并运行到指定位置； 3、当转换开关在现地状态时，可对闸门开度进行预置，并通过电控柜的升、降、停按钮实现闸门的启闭； 4、在现地控制单元，通过权限开关，可实现远程/现地切换； 5、保留原人工手动控闸功能，人工与自动并存，以便紧急状态及维护系统时使用。六、系统组成（1）系统主要由信息采集与控制、集中监控和信号传输三大部分组成。启闭机室设若干台现地控制柜(PLC),其中信息采集与控制由闸门开度传感器与开度仪、水位传感器等部件组成。集中监控由计算机、键盘鼠标、打印机、UPS电源及其他设备组成(不在供货范围)。而信号传输部分则是采用双绞屏蔽电缆来完成