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类人机器人控制系统研究与实现

作　者: 任志敏
导　师: 罗忠文
学　校: 中国地质大学
专　业: 计算机软件与理论
关键词: 类人机器人控制系统脉宽调制信号无线通信 USB通信
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 241次
引　用: 3次
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内容摘要

类人机器人是机器人研究领域的一个重要分支,集成了机械、电子、通信、计算机等多学科的技术。随着类人机器人技术的蓬勃发展,类人机器人足球比赛也迅速兴起,成为展示和检验该研究领域成果的重要舞台。控制系统是类人机器人的核心部分。控制系统的总体结构设计和各个模块的硬件和软件设计的优劣决定着类人机器人比赛的稳定性和可靠性的好坏。首先,针对类人机器人的特点及FIRA和Robocup机器人比赛的规则要求,建立了类人机器人控制系统的需求模型。在此基础上,对机器人控制板的硬件和软件进行了设计。控制板硬件设计的主要步骤如下:第一步分析了两种基于单片机的控制系统硬件电路方案,权衡两方案的优缺点设计了类人机器人控制系统的硬件电路,所设计的硬件电路的主要特点是直接用单片机的通用I/O口模拟输出PWM(脉宽调制)信号控制组成机器人关节的舵机。第二步是基于控制系统能耗和尺寸的要求,选择体积小、易购买、耗电少、性价比高的元器件设计具体的控制系统电路板。控制板软件系统设计的主要内容包括Bootloader模块、解释命令模块、命令存储模块、中断程序输出多路PWM信号模块等。其次,针对类人机器人比赛无线通信的需求,设计了控制系统的无线通信发射和接收模块硬件电路和软件。上位机(PC机)和发射模块采用USB的数据通信方式传输数据,以更方便满足比赛的需要。无线收发模块采用广播发射的通信协议,更好地控制比赛机器人同步接收命令数据。通过上位机程序快速更改无线收发模块的通信频率和机器人索引号增强了比赛的适用性。设计了遥控器手柄无线发射模块的硬件电路和软件。最后,制作出控制系统和无线收发模块电路板,实验结果和比赛都验证了系统的稳定性和可靠性。硬件电路由DXP 2004绘制,软件在AVR studio环境下的汇编语言、ADS1.2环境下的C语言和ICC AVR环境下的C语言实现。

全文目录

摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-15
  §1.1 类人机器人简介  11
  §1.2 类人机器人控制系统简介  11-12
  §1.3 国内外类人机器人研究发展现状  12-13
    §1.3.1 国内类人机器人研究概述  12-13
    §1.3.2 国外类人机器人研究概述  13
  §1.4 机器人足球比赛及类人组比赛概述  13-14
  §1.5 主要研究内容  14-15
第二章类人机器人控制系统硬件设计  15-23
  §2.1 引言  15-16
  §2.2 现有类人机器人控制系统电路设计方案  16-18
  §2.3 控制系统硬件设计方案  18-23
    §2.3.1 总体设计方案  18
    §2.3.2 ATmega128单片机简介  18-19
    §2.3.3 24C512 EEPROM存储器简介  19
    §2.3.4 电源模块设计  19
    §2.3.5 存储器模块设计  19-20
    §2.3.6 时钟电路设计  20
    §2.3.7 PWM信号输出电路设计  20-21
    §2.3.8 串口收发模块设计  21-22
    §2.3.9 ISP下载电路模块设计  22-23
第三章类人机器人控制系统软件设计  23-34
  §3.1 软件开发环境AVR Studio IDE简介  23
  §3.2 控制系统软件总体架构  23
  §3.3 BootIoader程序代码设计  23-25
    §3.3.1 BootIoader简介  23-24
    §3.3.2 ATmega128 FLASH应用程序代码更新  24-25
  §3.4 应用程序代码设计  25-34
    §3.4.1 解释命令模块  26-27
    §3.4.2 执行存储器命令模块  27-28
    §3.4.3 多路舵机PWM信号产生与控制核心模块  28-34
第四章无线控制模块硬件设计  34-43
  §4.1 引言  34
  §4.2 无线通信芯片选择比较  34-35
  §4.3 无线通信收发模块设计  35-39
    §4.3.1 总体设计方案  35-36
    §4.3.2 nRF2401简介  36
    §4.3.3 LPC2148简介  36
    §4.3.4 ATmega8简介  36-37
    §4.3.5 nRF2401硬件接口  37
    §4.3.6 nRF2401工作机制  37-38
    §4.3.7 nFR2401与微控制器连接方式  38-39
  §4.4 无线接收模块电路设计  39-40
  §4.5 无线发射模块电路设计  40-41
    §4.5.1 LPC2148核心模块  40
    §4.5.2 LPC2148与nRF2401硬件接口连接  40-41
    §4.5.3 LPC2148 USB电路  41
  §4.6 遥控器手柄无线发射模块  41-43
第五章无线控制模块软件设计  43-57
  §5.1 无线发射和接收通信协议设计  43-46
  §5.2 无线接收模块程序结构  46-49
    §5.2.1 无线接收模块程序流程  46-47
    §5.2.2 更改频率和索引号设计  47-48
    §5.2.3 无线接收模块软件开发环境ICCAVR7.19简介  48-49
  §5.3 无线发射模块程序结构  49-53
    §5.3.1 总体流程结构  49
    §5.3.2 LPC2148 SPI功能引脚连接nRF2401数据传输模式  49-50
    §5.3.3 LPC2148与主机(PC机)USB端点数据传输  50-53
    §5.3.4 更改发射模块通信频率  53
    §5.3.5 无线发射模块开发环境ADS1.2  53
  §5.4 上位机程序设计  53-55
  §5.5 遥控器手柄无线发射模块程序结构  55-57
第六章电路板制作、测试和系统测试  57-59
  §6.1 电路图设计绘制  57-58
  §6.2 元器件焊接过程  58
  §6.3 系统测试  58-59
    §6.3.1 控制系统软件下载与测试  58
    §6.3.2 无线收发模块软件下载和测试  58-59
第七章总结与展望  59-60
  §7.1 全文总结  59
  §7.2 未来展望  59-60
致谢  60-61
参考文献  61-64
附录A 控制系统硬件电路图  64-65
附录B LPC2148核心板电路图  65-66
附录C 无线发射模块硬件电路图  66-67
附录D 遥控器手柄无线发射器电路图  67

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