轮桨腿一体化两栖机器人控制系统研究与设计

轮桨腿一体化两栖机器人是一种既可以在陆地、滩涂、海底爬行，又可以在极浅水海域浮游的特种机器人。其研究与开发，对海洋环境调查、滩涂沼泽研究取样、军事两栖探雷与灭雷以及水下传感网络等都具有重要意义。这种新型两栖机器人作业环境复杂、运动模式多样，其运行机理、控制策略和建模方法等关键技术与传统的陆地或水下机器人有所不同。轮桨腿一体化两栖机器人控制系统的研究与设计，对轮桨腿一体化两栖机器人样机的实现及各项关键技术的进一步研究具有重要意义。 本文以轮桨腿一体化两栖机器人样机功能实现为目的，针对机器人载体具有的模块化、可重构和可扩展等特性，采用开放式设计思想，对控制系统软、硬件进行开放式设计。硬件上，采用基于CAN总线的分布式控制系统，便于实现功能节点的扩展，并且采用片内集成CAN控制器的ARM处理器，便于实现与CAN总线接口且具有较低的功耗。软件上，控制软件建立在μC/OS-II嵌入式实时操作系统之上，采用分层和模块化结构，以实现软件系统的开放性。同时，针对机器人载体空间狭小、难以布置下外购电机驱动器的特点，自行设计了体积较小且驱动能力较强的专用电机驱动电路。 第1章简要介绍研究的目的和意义后，分别对两栖机器人和机器人控制系统的国内外研究现状进行了综述。第2章介绍了轮桨腿一体化两栖机器人的系统组成，包括外形结构、硬件系统结构和软件系统结构，并结合两栖机器人自身特点，介绍了其运动控制方式。第3章对轮桨腿一体化两栖机器人的硬件系统进行了研究和设计，包括节点处理器选择、主控制节点设计、CAN数据总线接口电路设计、电机驱动节点设计、故障诊断及传感器节点设计、系统电源管理方案设计六个部分。第4章针对轮桨腿一体化两栖机器人的特殊需求，制定了CAN总线应用层协议，并采用嵌入式实时操作系统进行了通信软件和电机驱动软件的设计。第5章设计了控制系统在系统编程(ISP)方案。第6章对所设计的控制系统进行了实验验证。 实验平台的测试表明，本文设计的控制系统能够可靠、稳定工作；控制系统和控制方法的设计与实现是正确并且有效的。控制系统软硬件的设计对轮桨腿一体化两栖机器人样机的实现和各项关键技术的研究奠定了良好的基础。