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扫地机器人控制系统设计之机械学分析

发布时间:2019-06-04 16:31所属分类:机械论文浏览:141次

本文是一篇机械论文,本文首先介绍了扫地机器人的研究背景,国内外的研究现状和意义,再介绍了扫地机器人控制系统的结构组成,设计了以 STM32F103ZET6 为主控芯片,外接红外传感器、超声波传感器、MPU6050 陀螺仪等器件的主控板。为器件编写软件驱动程序,编程实现 PID 控制、PWM 控制和路径规划算法。传感器不断获取周围环境信息,路径规划算法根据不同的环境控制扫地机器人的运动路线,PID 实时输出控制量控制电机的运动,确保扫地机器人运行稳定。最后制作了扫地机器人样机和对 PID 参数进行整定,通过实验验证了本扫地机器人控制系统设计的合理性。

第 1 章  绪论

1.1  课题研究背景和意义
随着人口老龄化的到来和人民对提升生活品质的需要,人们对在现实生活场景中取代人力的服务机器人有着迫切的需要。同时,机电、自动控制、计算机、传感器等技术的发展也为制造服务机器人提供了技术支持。扫地机器人是服务机器人中技术最成熟和最为广泛使用的机器人。它可以自动的在室内行走,通过刷扫和吸尘将地面上的碎屑吸收进垃圾收集装置中,完成清洁地面的任务,有效的减少了人们清洁地面这种简单重复的家务劳动,节约了劳动力,提高了生活品质。对于许多忙于工作和生活的人来说,扫地机器人已经成为家庭必备的产品。
近年来,我国扫地机器人销售量猛增。有数据显示,国内扫地机器人市场近五年的零售量综合增长速度已经超过 50%。截至 2017 年底,国内扫地机器人市场总零售量 332.5 万台,零售总额约 44 亿元。对比其他清洁类家电产品,国内扫地机器人的普及率依然较低,具有庞大的市场需求和广阔的发展潜力。2018 年国内扫地机器人的市场总量达到 53.8 亿元,零售总量达到约 435 万台。众多公司推出了结构各异、种类繁多的扫地机器人产品。扫地机器人系统通常由四个部分组成:移动机构,传感系统,控制系统和真空吸尘系统。对于工作环境不确定的扫地机器人而言,感知系统和控制系统是提高产品自动化水平的关键。目前,在扫地机器人控制技术方面,传统的随机碰撞模式使用红外线避障,像无头苍蝇一样到处乱撞,覆盖率低、重复清扫,低下的效率已经不能满足人们的需要。扫地机器人的路径规划根据机器人所感知到的工作环境信息,按照某种优化指标,在起始点和目标点规划出一条与环境障碍无碰撞的路径,并且实现所需清扫区域的合理完全路径覆盖。根据扫地机器人对环境信息掌握程度的不同,可以分为两种类型: 全局路径规划,环境信息完全知道;局部路径规划,环境信息完全未知或部分未知,通过传感器实时地对机器人的周边环境进行探测,以获取障碍物的位置、形状和大小等信息。路径规划技术可以有效的避免重复清扫和提高覆盖率,是提高扫地机器人性能的关键核心技术。对扫地机器人的研究具有十分重要的现实意义。
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1.2  国内外研究现状及发展趋势
1.2.1  国外的研究现状及发展趋势
扫地机器人的诞生,最早可以追溯到 2001 年,瑞士家电品牌伊莱克斯制造了一台名叫“三叶虫”的扫地机器人。三叶虫通过超声波躲避障碍,超声波仿生技术最大的特点在于它可以使扫地机器人很好的规避障碍物,能够在没有光线的情况下行走,同时成本高昂。

Roomba 由 iRobot 公司于 2002 年 9 月发布,是扫地机器人发展历史上的一个里程碑。Roomba 主要适用于木质地板、瓷砖地面、防水地毯和中短毛的地毯,有 S、M、L 三种模式,分别对应小、中、大三种清扫面积。Roomba 以螺旋状运动并逐渐扩大螺旋半径的方式来覆盖整个室内空间,一旦遇到墙壁或其他大型障碍物阻碍时,其特殊的障碍物感应调节器就会抵住墙面保护机身不受损害,同时沿着墙壁开始清扫。当一部分空间清洁完毕后,Roomba 会转过90°,以相同的方式清洁房间的其他区域,通过分区域的螺旋清扫完成对整个房间的清洁。Roomba 清洁能力强而且价格便宜,具有较高的性价比,在市场上受到欢迎。

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2.2  电机

底盘使用两个电机分别驱动车轮,主动轮采取差动方式进行转向,随动轮负载支撑底盘。这种结构机构组成简单,运动灵活,当两轮速度相同、方向相反时,可以实现零回转半径。
机器人中常用的电机分为直流电机、伺服电机、步进电机等。在中小型机器人中,由于价格便宜、定位精度高、控制方便,直流电机最为常见,因此本课题采用直流减速电机。直流电机供电电流为直流,可以使用电池进行供电,旋转方向可以通过改变供电电压的正负极来改变,便于控制。小型直流电机具有较高的运转速度,但是输出扭矩较小。作为扫地机器人的驱动电机,需要输出较大的扭矩和较低的转速。一般在电机和车轮轴之间安装减速齿轮组,以降低转速和获得较大的扭矩。通过不同的齿轮组合,可以获得合适的扭矩和转速。很多电机厂商在电机出厂时集成了减速器,并有不同的减速比可供选择,叫直流减速电机。在使用时可以根据需要选择合适的扭矩和转速。
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第 3 章 软件设计 .................................... 27
3.1 软件系统框架 .................................. 27
3.2 传感器数据读取 ................................. 27
第 4 章 实验与调试 ............................. 49
4.1 PID 参数调试 ..................................... 49
4.1.1 PID 参数的作用 .......................... 49
4.1.2 PID 参数调试步骤 ............................... 50
第 5 章 总结与展望 ................................. 56
5.1 全文总结 ........................... 56
5. 2 研究展望 .............................. 56

第 4 章  实验与调试

4.1  PID 参数调试
4.1.1  PID 参数的作用
(1)比例系数 KP
比例控制能够迅速对误差做出反应,可以减小稳态误差。但是,比例控制不能消除稳态误差。比例系数过大,会反应过度,导致系统不稳定。比例控制是一种最简单的控制方式。比例控制时输出与输入之间成线性关系。当只使用比例控制时系统输出会有稳态误差。
(2)积分系数 TI
积分控制的作用是,积分控制器不断地对系统误差进行积分,根据误差积分输出控制量来消除误差。因此,如果给系统足够的调整时间,积分控制可以使系统误差归零,从而消除稳态误差。但是积分系数过大会使系统超调加大,甚至导致系统出现振荡。在积分控制中,控制系统的输出与输入误差信号的积分成正比关系。即使是很小的误差,随着时间的增加,积分项会增大,它使输出增大进一步减小稳态误差,直到为零。
(3)微分系数 TD
微分控制可以减少超调量,克服振荡,提高系统稳定性,同时提高系统的动态响应速度,缩短调整时间,改善系统的动态性能。在微分控制中,信号输出与输入误差信号的微分正线性相关。由于会存在有较大惯性的组件或滞后组件,对误差起了一定的抑制作用,误差的变化对系统的影响具有一定的滞后性。因此系统调节也会相应的滞后,可能会导致系统出现振荡甚至失稳。必须要使抑制误差作用的系统调节“超前”,当误差接近零时,抑制误差的作用就应当是零。微分调节通过误差变化的趋势,提前使抑制误差的控制作用为零,甚至是负值,从而避免被控量超调过大。对有较大惯性或滞后的被控对象,微分控制能有效改善系统在调节过程中的动态特性。
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第 5 章  总结与展望

5.1  全文总结
本文设计出一套基于 STM32 的扫地机器人控制系统,主要对扫地机器人的控制系统组成和路径规划算法进行了研究。详细介绍了扫地机器人硬件电路设计和软件功能的实现,结合扫地机器人的实际应用场景,采用超声波、红外传感器获取环境信息,通过路径规划算法结合编码器、陀螺仪、加速度计数据,实现扫地机器人的控制,提高扫地机器人的覆盖率和清洁效率。为了减小硬件本身的误差和环境干扰对扫地机器人行驶的影响,采用 PID 控制算法。最后制作了样机,通过实验验证了本设计的合理性,扫地机器人运行正常。
主要研究内容如下:
(1)通过查阅文献和相关资料,分析对各类比扫地机器人的技术原理和性能,设计一种低成本扫地机器人路径规划方案,利用现有的扫地机器人底盘作为基本硬件平台,未后续硬件电路设计打下基础。
(2)基于 STM32F103ZET6 芯片,完成器件选型和硬件电路设计,包括电机、编码器、超声波传感器、红外传感器、运动传感器等,为软件设计打下基础。
(3)完成了各个外设的硬件驱动设计,PID 控制算法和路径规划算法软件实现,确保扫地机器人运行稳定。
(4)完成了扫地机器人的安装调试,通过实验验证了硬件电路设计和路径规划算法的可行性和有效性。
参考文献(略)

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