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。

两栖机器人控制系统研究与实现

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。它巧妙地将水下机器人常用的螺旋桨推进器与陆 地爬行机器人的驱动轮结合为一体、将水下方向舵与陆地爬行腿结合为一体，实 现在水下浮游与陆地爬行运动模式之间自动的切换，从而能够在普通陆地爬行机 器人和水下浮游机器人无法进入的极浅水、碎浪带和海滩区域进行考察作业。 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。本文对轮桨腿一体 化两栖机器人控制系统进行研究，针对机器人具有的模块化、可重构和可扩展等 特性，采用开放式设计思想，完成了具有混合体系结构特点的控制系统设计，并 从硬件和软件两个方面对控制系统的实现进行了阐述。 在体系结构设计上，整个控制系统分为三层：慎思层、序列层和行为层。其 中慎思层负责基于推理的计算与决策，实现两栖机器人高层智能性；行为层负责 两栖机器人基于反应的反馈控制，其包容结构实现了两栖机器人对动态环境的快 速响应能力和适应能力；连接慎思层和行为层的序列层根据两栖机器人自身状态， 将慎思层的决策结果转化为行为层的执行序列。 在硬件设计上，控制系统由水面控制台子系统和载体控制子系统组成。水面 控制台子系统接收人的使命指令，分解成任务序列，通过CAN 总线或无线电下载 到载体控制子系统，实现慎思层的功能。载体控制子系统是由嵌入式主控计算机 节点、6 个驱动装置控制器节点、故障诊断与应急处理节点构成的基于高速CAN 总线的分布式控制系统，它根据接受到的任务目标，以及环境状态和机器人内部 状态，完成对机器人的实时控制，实现了整个系统序列层和行为层的功能。 在软件设计上，使用ANSI C 语言完成了各种硬件驱动设计、部分功能模块设 计工作。分布式控制系统各嵌入式节点在μC/OS-II 嵌入式实时操作系统的基础上 完成软件设计，并实现与其他节点之间的CAN 通信。 实验表明，本文设计的控制系统能够可靠、稳定工作，并具有良好的模块化 结构和开放性，为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。