摘 要本文介绍了一种能让机器人在未知的外部环境下自主完成前进、后退、感知障碍物并有效避开障碍物等一系列动作的控制系统。该机器人控制系统结合了传感器、伺服电机、机器人技术等多个领域的关键技术，具有十分广阔的市场前景。本文先综述了移动机器人控制系统的国内外研究现状，并提出了目前存在的问题。在综合比较了国内外多种典型控制系统的基础上，提出了合适的控制系统整体设计方案。移动机器人控制系统由感知系统、驱动系统和控制器组成。移动机器人是实现指定功能的主体部分，本文介绍了移动机器人组成部分，并完成了硬件电路的实现和软件程序的设计。考虑到存储、接口资源及可靠性能等，主控器选择了MultiFLEX™2-PXA270，该控制器功能强、性价比高，完全满足控制功能的要求。然后，详细设计了红外接近传感器，电源模块、驱动模块、以及各个电机控制等电路。在软件设计方面，采用NorthStar编制了控制系统各部分的软件，包括主控程序以及传感器检测、舵机检测等子程序。最后，综合设计结果制作了实验样机，进行实验研究。结果表明，所制作的移动机器人能够完成指定工作，达到了预期的设计效果。关键词：移动机器人；控制系统设计；MultiFLEX™2-PXA270；感知方案目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究现状和发展 1
1.2.1国外的研究现状 1
1.2.2国内的研究现状 4
1.2.3发展趋势 4
1.2.4目前存在的问题 5
1.3本文的主要内容 5
第二章 四轮驱动移动机器人平台总体设计 6
2.1驱动方案设计 6
2.2感知方案设计 7
2.3硬件总体设计 8
2.3.1 MultiFLEX™2PXA270 控制器介绍 9
2.3.2本体硬件结构 11
2.3.3四轮驱动移动机器人平台电源结构 11
2.4软件总体设计 12
2.4.1开发工具与方法介绍 12
2.4.2软件设计 12
2.5本章小结 13
第三章 控制系统硬件设计与选型 14
3.1舵机工作模式设置和传感器安
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PXA270 控制器介绍 9
2.3.2本体硬件结构 11
2.3.3四轮驱动移动机器人平台电源结构 11
2.4软件总体设计 12
2.4.1开发工具与方法介绍 12
2.4.2软件设计 12
2.5本章小结 13
第三章 控制系统硬件设计与选型 14
3.1舵机工作模式设置和传感器安装 14
3.1.1 UPDebugger 多功能调试器介绍 14
3.1.2调试方法 14
3.1.3传感器安装 16
3.2基于 MultiFLEX™2PXA270 的硬件电路连接 17
3.3本章小结 18
第四章 控制系统软件程序设计 19
4.1数据通道定义 19
4.2算法思想 20
4.3程序设计 21
4.4本章小结 26
结语 27
致谢 28
参考文献 29
附录1 主控程序代码 30
附录2 传感器检测子程序代码 34
附录3 舵机检测子程序代码 35
 绪论
1.1 研究背景
机器人的使用愈来愈普遍，几近渗透人类生活的全部。从九十年代开始，对机器人的研制与应用已被绝大部分人类认同。四轮移动机器人目前大多应用于军事和民用服务两大领域。在对四轮移动机器人研究还处于起步阶段的我国，许多高校曾先后研制成功导购机器人和扫除机器人等移动机器人。伴随着我国国力的腾飞，广泛应用四轮移动机器人必将成为趋势。
然而，控制系统作为移动机器人的最重要的部分，可以说是机器人的灵魂部分，其设计的优劣将成为机器人系统性能的指标。目前，四轮驱动移动机器人平台控制系统研制已有许多，各种四轮驱动移动机器人平台控制系统功能各异。本课题将对四轮驱动移动机器人平台控制系统设计进行分析和研究，旨在设计出能更加灵活和快速稳定实现指定功能的控制系统。
1.2 研究现状和发展
1.2.1国外的研究现状
(1)几种室外移动机器人研究
美国的科学委员会曾经说过:“无人作战体系将在21世界的作战舞台中大放异彩，2000年之后，遥控地面无人作战机也逐步走向战场[1]”所以，从20世纪80 年代以来，专门的部门就已经被美国国防研究计划局(DARPA) 成立，并且规划了许多和无人作战机相关的研究计划，这引起了全世界的广泛关注，也让世界各国正式开始了室外移动机器人的研究。
就目前的探究结果来看，大多数控制系统研究停在初步阶段，集中从理论的角度对室外机器人进行了学术体系建立，并从理论结构和对信号的处理能力方面进行了探讨，还创建了了对应的实验系统对研究结果加以验证。1997年美国NASA研制的火星探测机器人索杰那登上火星，这一事件对全世界造成了很大轰动[2]。随后，科学家们有了更多的想法，希望机器人能在火星上探测更远的距离，能返回更多的数据信息，再一次对机器人进行研究 ，就这样新一代的机器人研究拉开了序幕，并且在拉维克湖没有水的湖床及环境机器恶劣的岩溶流上做成功了令人震惊的实验。
在德国，科学家们开发出了一种轮椅机器人，并在处于客流高峰期的市中心车站进行了现场演示，随后一次演出又在1998年的汉诺威工业商品博览会上成功的出现，这在当时很有轰动效果，也让人们更加热衷于机器人控制的研究。在人群密集的地方，经过长达36多个小时的试验，表现出了其它现存的轮椅机器人或移动机器人都无法比拟的超强性能。
此外，一种独轮机器人被一些国家成功的研制出来，和传统的、被人们所熟知的两轮三轮等多轮机器人对比，该机器人控制系统不但表现出动态时稳定性相当强，而且还表现出一些独轮独特的优点。这里不得不提出机器人的一个运动学的新特性，独轮机器人在任意姿态，对外界的干扰几乎都没有反应，表现出很好的抗干扰性。它的可操作性非常好,由于是一个轮子，所以它的移动阻力比传统的多轮机器人小很多，而且该机器人在跌倒后能很快的爬起来，表现出极佳的恢复性。还有一个非常显著的优点，就是独轮机器人能喝好的适应不同的环境，无论是陆地还是水中，运动状态良好。
(2)完整性极佳的机器人
大家都知道，没有任何一个人可以研制出一种百分之百稳定、高效、可靠的控制系统。这里所说的可靠性，是指机器人在非异常状态下持之以恒工作的能力。而完整性极佳的机器人，一个非常完善的反馈系统是必备的，因为机器人要有能力知道自己每时每刻的工作状态，一旦发现异常就马上通过反馈系统做出相应的调整甚至是立即停止运转。因此一个高完整性机器人在工作时，其一系列行为最后输出的结果一定能达成既定任务。
(3)远程控制移动机器人
机器人的智能不仅表现在自主性和能达成指定的要求，还表现在高度的非结构化以及能迅速适应瞬息万变的环境带来的影响。从目前的研究成果来看，让机器人达成指定的任务是可实现的，但是让机器人百分之百自主完成任务还是很有的难度的。大多数的环境要求机器人能远程控制，所以远程控制的半自动移动机器人是很有研究价值的，远程操作技术在不久的将来必定有很广阔的舞台。研制一套与远程操作匹配，并且简单易行的的人机交互方案是必需的。
(4)迅速适应环境型机器人
我们纵观机器人的研究史，科学家们对智能机器人的探讨集的焦点始终是自主性。很少有人提及机器人对环境的适应性，即感知信息基础设施[3]。智能机器人的的智能不应该紧紧表现在达成既定的工作，还要表现在对环境的适应性上。就探测机器人而言，需要机器人能在极其恶劣的环境下工作。而且工作环境具有不确定性，更是要求机器人具有极强的适应环境能力。就这样，有人提出了机器
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