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水下球形机器人嵌入式运动控制系统研究

作　者: 刘祥庆
导　师: 孙汉旭
学　校: 北京邮电大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 水下球形机器人运动控制 PID神经元网络嵌入式系统
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

水下球形机器人是各个自由度方向运动强耦合的严重非线性系统,其精确的运动方程通常难以获得,而运动控制技术是水下球形机器人系统研究中的基础与前提,一个稳定可靠的控制系统也是水下球形机器人完成预期任务和水下作业的前提与保证。本论文旨在探讨神经元网络控制技术在水下球形机器人运动控制中的应用,并以某一特定的水下球形机器人作为研究对象,设计出性能优良的运动控制系统。论文是以BYSQ-2型水下球形机器人为硬件平台,在对水下球形机器人系统进行详细分析的基础上,提出了利用PID神经元网络控制算法进行控制的方法,并对该方法进行了仿真分析,设计了基于ARM处理器AT91SAM7X256的一套嵌入式运动控制系统,最后对系统的运行调试进行了简要介绍。水下球形机器人系统是一个具有大惯性、大迟延和时变特性的复杂控制对象,常规的串级PID控制系统很难取得较好的调节品质,而使用基于PID神经元网络的控制策略可以获得很好的控制效果。仿真结果表明,与传统PID控制相比,PID神经元网络(PIDNN)控制不仅改善了系统的动态性能,而且在一定程度上也克服了对象的时变性对控制效果的影响。本文在运动控制系统中介绍了控制系统的硬件组成及工作原理,采用了ARM7 AT91SAM7X256作为处理器,通过加速度计和陀螺仪进行实际姿态和航向的反馈,组成一个以神经元网络算法进行调节的闭环控制系统。在系统电路部分,介绍了ARM7最小系统电路、通讯电路、传感器电路等部分的设计,并对相关模块进行了分析研究。在软件设计部分,介绍了基本的ARM软件设计技术,给出了硬件接口的程序设计流程,ARM程序开发采用C语言编程,着重提出了神经元网络控制的算法和在线学习理论、传感器数据接收以及通信程序设计。上位机上层界面用VC6.0设计,利用VC的MSComm控件去访问计算机串口,ARM7与上位机之间采用异步通信方式。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-20
  1.1 课题研究的背景及意义  10-11
  1.2 水下机器人的研究现状  11-15
    1.2.1 国外研究现状  11-13
    1.2.2 国内研究现状  13-15
  1.3 嵌入式系统  15-16
    1.3.1 嵌入式系统概述  15
    1.3.2 嵌入式系统的特点  15-16
  1.4 运动控制系统的性能和指标  16-17
    1.4.1 运动控制系统的性能要求  16-17
    1.4.2 运动控制系统的性能指标  17
  1.5 本论文的选题及研究方向  17-19
  1.6 本论文各部分主要内容  19-20
第二章嵌入式运动控制系统总体设计  20-30
  2.1 系统方案及组成设计  20-22
  2.2 控制问题的总体分解  22-23
  2.3 控制系统的实现策略研究  23-24
  2.4 控制系统的结构设计  24-25
  2.5 控制算法的选择  25-28
    2.5.1 传统控制方法  26-28
    2.5.2 PID神经元网络控制方法  28
  2.6 本章小结  28-30
第三章神经元网络控制  30-40
  3.1 PID神经元网络(PIDNN)结构  30-33
    3.1.1 PIDNN的结构形式  30-31
    3.1.2 比例、积分、微分(PID)神经元  31-33
  3.2 PID神经元网络(PIDNN)算法  33-38
    3.2.1 PIDNN前向算法  34-35
    3.2.2 PIDNN反传算法  35-38
  3.3 PID神经元网络权重初值选取  38-39
  3.4 本章小结  39-40
第四章控制系统硬件设计  40-55
  4.1 ARM控制器最小系统设计  40-46
    4.1.1 AT91SAM7X256处理器简介  41-43
    4.1.2 电源转换电路设计  43-44
    4.1.3 时钟电路设计  44-45
    4.1.4 复位电路设计  45
    4.1.5 JTAG接口电路设计  45-46
  4.2 通信系统设计  46-48
    4.2.1 串口通信电路设计  46-47
    4.2.2 CAN通信电路设计  47-48
  4.3 传感器系统设计  48-50
    4.3.1 重力加速度检测电路设计  48-50
    4.3.2 陀螺仪检测设计  50
  4.4 螺旋桨控制电路设计  50-51
  4.5 电源系统设计  51-52
  4.6 抗干扰设计  52-54
    4.6.1 隔离与接地  52
    4.6.2 去耦电容  52-53
    4.6.3 感性负载抗干扰  53
    4.6.4 PCB板及电路抗干扰措施  53-54
  4.7 本章小结  54-55
第五章控制系统软件设计  55-70
  5.1 ARM系统集成开发环境  55-56
    5.1.1 ADS集成开发环境简介  55-56
    5.1.2 基于JTAG的调试方法  56
  5.2 ARM控制程序设计  56-65
    5.2.1 主体程序设计规划  56-57
    5.2.2 系统初始化  57
    5.2.3 传感器信息采集模块  57-60
    5.2.4 CAN通信模块  60-63
    5.2.5 USART通信模块  63-64
    5.2.6 PIDNN控制算法程序设计  64-65
  5.3 上位机软件设计  65-69
    5.3.1 水面控制系统界面设计  66-67
    5.3.2 水面控制系统软件设计流程  67-69
  5.4 本章小结  69-70
第六章系统仿真与试验  70-77
  6.1 系统神经网络控制仿真分析  70-71
  6.2 系统试验研究  71-76
  6.3 本章小结  76-77
第七章总结  77-79
  7.1 课题总结  77
  7.2 展望  77-79
参考文献  79-81
附录  81-84
致谢  84-85
攻读学位期间发表的学术论文目录  85

水下球形机器人嵌入式运动控制系统研究

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