球形机器人控制系统设计及捷联惯导算法研究

admin · 发表于 2023-10-9 15:14:38

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球形机器人是近10年发展起来的一种特殊结构的移动机器人。球形机器人的所有机械部件，控制系统以及能源装置都被包裹在球体内部，因此它具有简单，紧凑，密封和灵活的特点及快速运动的能力，能够全方位运动和零半径拐弯。球形机器人在军事、民用和工业等领域有广泛的应用前景，因而也成为了智能移动机器人研究的一个热点。本文的主要工作包括以下几个方面：(1) 针对球形机器人的特殊结构和控制要求，设计了BHQ-1的本体控制系统硬件部分。根据不同的控制目标，设计了两套方案。第一套方案采用TMS320F28335作为主控系统控制器，完成控制算法实现，直流电机控制，无线通信等任务；LPC1758作为捷联惯导解算从系统的主控器完成惯导系统数据采集与解算任务。第二套方案采用S3C2440A作为主控系统处理器，完成控制算法实现，惯导数据采集与解算，无线通信等任务；LM3S2965作为直流电机运动控制系统控制器完成对直流电机的精确转矩控制和速度控制。(2) 针对控制任务和目标，设计了球形机器人本体控制系统和上位机控制系统软件。首先分析了嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ的实时性，完成了任务调度和任务间的通信和在S3C2440A处理器上的移植；然后实现了球形机器人嵌入式μC/OS-Ⅱ平台上的应用程序框架设计和上位机软件开发。(3) 介绍了球形机器人捷联惯导系统基本原理，对捷联惯导系统初始对准滤波方法进行了研究，将卡尔曼滤波器（KF）、无迹卡尔曼（UKF）和粒子滤波器（PF）应用于捷联惯导系统的初始对准，进行了数值仿真并对比了各种方法的优劣。(4) 研究了球形机器人动态环境下捷联惯导姿态解算的等效旋转矢量法，并对其进行了优化，分别将二子样、三子样和四子样优化算法应用于捷联惯导姿态解算。该法对不可交换误差做出补偿，提高了解算的精度。本文根据球形机器人的特点，依照可移植性、可扩展性和可重用性的准则设计了软硬件控制系统并系统地研究了捷联惯导系统的初始对准和姿态解算，为球形机器人的应用研究打下了良好的基础。

球形机器人控制系统设计及捷联惯导算法研究

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