基于DSP的爬壁机器人控制系统设计与研究.pdf

沈阳建筑大学
硕士学位论文
基于DSP的爬壁机器人控制系统设计与研究
姓名:赵博宇
申请学位级别:硕士
专业:控制理论与控制工程
指导教师:吴成东
2011-03
硕士研究生学位论摘要 I
摘要
本论文的研究是以反恐侦察爬壁机器人为实际背景展开的,并且得到了国家“863”项目
“基于探测机器人技术的反恐立体侦查监控示范系统”(项目编号:2004AA420110)和国家
“863”项目“微小型反恐侦查移动平台和探测关键技术研究”(项目编号:2005 AA420230)
的资助,研究主要包括以下几个方面内容:(1) 侦查爬壁机器人总体方案设计;(2) 嵌入式
控制器的硬件设计与实现;(3) 爬壁机器人视频传输系统;(4) 嵌入式控制系统软件设计与
实现;(5)论文所提出的方法的仿真实验和样机实验的研究。
本文介绍了论文的研究背景,明确了微小型爬壁机器人的研究意义和社会价值;对爬
壁机器人的分类和特点进行了总结,并对这几十年来国内外的爬壁机器人进行了调研,并
对其进行了初步的总结,了解了爬壁机器人的发展和研究现状,进而归纳了爬壁机器人的
研究难点。
对爬壁机器人的总体设计方案进行了阐述,主要是采取负压吸附与真空吸附并用的吸
附方式,轮足式的行走方式。并初步预期了所要达到的技术指标,并基于前期方案的准备
和仿真,初步验证了总体的设计方案的可行性,明确了设计要达到的目标,最后提出了总
体的系统设计方案及其组成部分。
针对机器人本体和便携式控制器的系统结构组成形式,并结合 DSP 控制芯片的具体应
用设计了基于 TMS320F28335DSP 芯片的控制系统。对机器人本体和便携式控制器的通信
系统进行了设计,机器人上的无线遥控和无线视频传输系统分别负责接收指令和采集图像
信息。电机的选择和伺服控制,是整个控制系统设计中最重要、最基本的部分。因此本文
提出基于 PID 控制策略的指数型曲线速度规划,经过参数的优化使其控制精度达到了要求,
为后续的软件控制系统设计做了铺垫。
分析并设计嵌入式控制系统的软件部分,针对整个控制系统的特点和需要,选择了基
S 仿真平台的 C 语言控制程序设计,采用结构化模块的设计方式分别设计了机器人
本体和便携式控制器的软件部分。主要分为主程序模块、通信模块、吸盘足控制模块、运
动规划模块、传感器信息采集模块等几个部分。并对电机的传感器信息采集模块做了单元
实验,对密封腔内的压力值进行了采集,并在其中加入了限幅滤波程序,并取得了成功,
使得机器人的抗干扰能力得到了提升。
对样机进行了实验,并对结果进行了实验分析。主要是模拟飞机壁面的弧度和曲率半
径,设计了一块弧形的铁板,利用爬壁机器人携带微型侦查设备,沿其表面直线行走,并
作了跨越壁面的实验,还对差速转弯的控制策略进行了验证,通过现场的实验分析得出了
结论,机器人的实验也表明此设计方案可以达到技术指标的要求。

关键词:爬壁机器人;负压吸附;真空吸附;跨越壁面;指数型速度规划;限幅滤波
II Abstract 硕士研究生学位论文
Abstract
This paper is based on the wall-climbing robot of anti-terrorism surveillance as its
background, and supported by the "863" program item "A Demonstrating System for
Anti-terrorism Stereoscopic Scout and Monitor" and "Research on the Key Technique of Micro
Mobile Platform for Anti-terrorism Scout and Exploration". The main work is summarized as
follows: (1) The overall program design of wall-climbing robot; (2) The hardware Design of
implementation of embedded controller; (3) The video transmission system of wall-climbing
robot; (4) The software design of implementation of embedded controller; (5) The proposed
method of simulation and expe