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随着工业技术的不断进步,机器人已经广泛应用于工业、医疗卫生、国防、办公自动化、家庭娱乐等领域。而其中轮式移动机器人是目前应用研究的一个热点。同时微电子技术的发展也为工业控制技术提供了高性能的嵌入式微处理器。本论文将基于目前流行的高性能的32位微处理器和嵌入式实时操作系统构建嵌入式控制系统软硬平台,以解决移动机器人控制器的成本、体积、功耗和实时性及稳定性等若干问题。
由于本论文所研究的嵌入式实时控制系统控制的对象是移动机器人,本论文首先详细介绍了移动机器人的总体方案,包括机械结构方案和控制系统方案。
在确定控制系统主控器总体方案之后,论文根据一个具有自主寻迹导航功能的移动机器人所应该具有的基本功能,设计了控制器硬件功能各子模块,包括基于基于三星S3C44B0X的主控制器、运动控制模块、超声波检测模块、导航模块、无线通讯模块等主要硬件模块。在此基础上,移植了嵌入式实时控制系统uC/OS-II,讨论了uC/OS-II中的若干问题以及中断服务程序和驱动程序设计的特点,并详细讨论中断程序的设计,这是实时控制系统的一大关键技术。构建完控制系统的软硬件平台之后,论文根据移动机器人控制软件的特点,基于该平台设计一个理想分析模型,在此基础之上就系统的实时性进行了理论分析和实验验证。同时基于uC/OS-II的移动机器人控制软件的结构,并采用结构化的设计方法设计了具有基本功能的移动机器人控制软件。
在实时性和稳定性的讨论分析部分,对于一个实际的控制系统而言,由于系统模型误差、操作系统抖动和随机干扰等因素的存在,论文提出了一种基于实测的方法来获得周期任务实际临界周期节拍数,以消除系统抖动的影响。在保证系统实时性和可调度性的前提下,改善了系统的实时性和稳定性。
经实验测试表明本论文构建的嵌入式实时控制系统平台完全可以满足移动机器人的实时控制要求,是一种可行的移动机器人实时控制系统的低成本解决方案。为嵌入式实时系统在移动机器人控制系统的进一步研究奠定了基础。