基于分数阶微积分的智能清洁机器人控制系统设计

【摘要】：随着社会的进步与经济的发展,高新技术正以较快的速度改变着人们的日常生活。人们快节奏的生活决定了人们需要从繁重的清洁工作中解脱出来,清洁机器人作为服务机器人的一种,正逐步的替代人类完成室内外的清扫工作。清洁机器人集清扫与机器人技术于一体,机器人的开发有着较大的科研挑战性和十分广泛的应用前景。本文在进行了文献调研及市场调研的基础上,将市场上现有的机器人产品进行了介绍,展示了现有机器人的发展现状和趋势。将机器人的一些关键技术进行分析。阐述了课题的来源、目的和意义,明确了论文的主要工作。论文对系统的功能需求进行了分析,根据需求对整体机器人系统进行了方案的拟定与设计。详细描述了底层设计、电源管理系统设计及其他重要部件的设计与选型,对导航方法进行了描述并确定了最后的导航方案。最后详细阐述了机器人的结构,进行了运动学分析及关键部件的选型。论文对系统的控制系统部分进行了相应的硬件设计与电路的可靠性设计,硬件电路包括主控、电源、传感器、导航电路等。对每部分单元电路进行了测试与实验验证,同时对PCB设计中的一些注意事项进行了讲解。论文对分数阶控制器进行了理论推导,仿真验证。在电机模型的基础上,对模型进行了分数阶PI和PD控制器设计,后又将分数阶控制器用软件算法进行实现。最后将软件算法及导航算法编写的流程进行了介绍,并将各模块电路的实验结果进行了展示,将不同的控制器实验结果进行了对比。最终的实验结果表明该机器人达到了室内服务机器人的实际需求,具有较好的遍历性、稳定性等。 【关键词】：分数阶 智能清洁机器人 ARM 室内导航
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要8-9
• ABSTRACT9-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 课题来源及研究意义11
• 1.2 国内外清洁机器人研究现状和趋势11-15
• 1.2.1 智能清洁机器人的发展现状和趋势12-14
• 1.2.2 控制器设计概述14-15
• 1.3 课题研究的目的及内容15-17
• 第二章 智能清洁机器人系统总体方案分析设计17-33
• 2.1 系统功能需求分析17-19
• 2.2 清洁机器人控制系统方案设计19-23
• 2.2.1 清洁机器人运动控制系统方案设计19-20
• 2.2.2 嵌入式底层设计及关键部件选型20
• 2.2.3 电源管理系统功能设计及关键部件选型20-21
• 2.2.4 其他关键部件设计及选型21-23
• 2.3 智能清洁机器人导航方法研究23-28
• 2.3.1 导航方法概述24-25
• 2.3.2 红外相位测距原理25-26
• 2.3.3 红外相位测距导航硬件设计及关键部件选型26-28
• 2.4 智能清洁机器人机械结构、动力学分析设计及关键部件选型28-31
• 2.4.1 智能清洁机器人移动清扫机构分析和设计28-29
• 2.4.2 智能清洁机器人动力学分析及电机选型29-31
• 2.5 本章小结31-33
• 第三章 系统总体硬件结构设计与实现33-45
• 3.1 主控CPU及监控硬件电路设计33-34
• 3.2 电源系统硬件电路设计34-37
• 3.3 导航部分硬件电路设计37
• 3.4 传感器硬件电路设计37-40
• 3.4.1 自动避障电路设计37-38
• 3.4.2 防跌落电路设计38
• 3.4.3 碰撞传感器电路设计38-39
• 3.4.4 编码器及陀螺仪电路设计39
• 3.4.5 遥控操作和自动充电模块电路设计39-40
• 3.5 电机驱动电路设计40-42
• 3.5.1 行走电机及过流检测电路设计41-42
• 3.5.2 清扫及吸入电机电路设计42
• 3.6 PCB设计注意事项42-43
• 3.7 本章小结43-45
• 第四章 分数阶PID控制器及算法设计45-67
• 4.1 分数阶PID系统45-48
• 4.1.1 分数阶控制理论基础45-46
• 4.1.2 分数阶PID控制器46-48
• 4.2 电机模型的建立48-50
• 4.3 分数阶控制器的设计50-53
• 4.3.1 分数阶PI控制器设计50-52
• 4.3.2 分数阶PD控制器设计52-53
• 4.4 底层软件算法的设计53-62
• 4.4.1 底层运动控制算法的编写53-60
• 4.4.2 PI~λD~μ控制算法的实现60-62
• 4.5 控制器性能对比62-66
• 4.6 本章小结66-67
• 第五章 各模块测试实验结果67-73
• 5.1 电源管理系统性能测试67-68
• 5.2 红外导航方法测试结果68-69
• 5.3 速度跟踪性能测试69-70
• 5.4 本章小结70-73
• 第六章 总结和展望73-75
• 6.1 论文总结73-74
• 6.2 课题展望74-75
• 参考文献75-79
• 致谢79-81
• 硕士期间的科研成果81
• 硕士期间参加的科研工作81-82
• 附件82

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