作品包括：

Word设计说明书1份，约18000字

任务书一份

开题报告一份

外文翻译一份

CAD版本图纸，共1张

摘要

随着科学技术的进步，对工业机器人尤其是特种机器人技术发展越来越快，其应用领域越来越广泛。自主移动轮式机器人属于特种机器人的一个重要分支，在工作人员不宜进入的危险和恶劣的工作环境中，可代替人工而完成一些简单重复性的工作，因此在生产生活中具有一定的应用价值。本文针对诸如核电厂的极端环境下对机器人技术的应用需求，选用Arduino UNO开发平台，融合多传感器的检测信息，设计一款轮式循迹机器人监控系统，在自主移动的基础上可完成对机器设备的工作环境的实时监控及阈值通知功能。主要研究内容和成果包括：

（1）分别阐述轮式循迹监控机器人的功能需求，提出轮式循迹监控控制系统开发的总体方案；采用模块化思想，分析各个模块功能，合理选型硬件控制系统，并搭建运动监控系统架构。

（2）建立循迹机器人的运动学模型，考虑机器人本体距离参数不为零的情况，讨论在非完整约束系统中，将机器人位姿作为输入控制信号函数，分析其随时间变化的响应曲线。分析传统底层速度反馈PID算法，结合建立的运动学模型，添加历史运行参数，进一步优化开发的自主循迹控制算法，实现速度调控的准确性和可靠性。

（3）采用ATmega328为处理器的Arduino UNO开发平台，分析设计外围电路及系统软件。硬件设计由稳压电路、各传感器电路及无线通信电路等组成；程序开发主要有主程序设计、传感器I/O程序、自主循迹程序及串口通讯等。

（4）搭建试验平台，调试分析循迹监控机器人的各个模块。对比多组移动速度、位移等参数，校正循迹控制算法，提高其转向性能；将环境数据上传云空间，生成实时设备监测曲线，对比历史数据，并进行阈值报警通知设定。

关键词： 轮式机器人；运动学模型；循迹；控制算法

目录

1绪论    1

1.1 研究的背景    1

1.2 国内外研究现状分析    1

1.3 研究的目的及意义    3

2轮式循迹机器人系统分析与总体设计    4

2.1系统需求分析    4

2.2系统总体设计    4

2.2.1系统组成部分    4

2.2.2控制系统的模块及设计    5

2.2.3 机械系统的结构及设计    6

3轮式循迹机器人运动控制算法研究    10

3.1 PID算法及PWM调速原理    10

3.1.1 PID算法控制原理    10

3.1.2 直流电机PWM调速原理    12

3.2循迹算法的设计    13

3.2.1路径识别算法    13

3.2.2基于运动学模型的循迹算法    15

4轮式循迹机器人控制系统硬件设计    19

4.1电源供电模块    19

4.2主控模块    20

4.2.1主控芯片介绍    20

4.2.2最小系统介绍    21

4.3传感器模块    22

4.3.1红外循迹模块    22

4.3.2测速模块    23

4.3.3环境监测模块    25

4.4电机驱动模块    26

4.5无线通信模块    27

5轮式循迹机器人控制系统软件设计    30

5.1主程序设计    30

5.2循迹子程序设计    31

5.3无线通信子程序设计    32

6系统试验与测试分析    36

6.1 循迹机器人测试平台    36

6.2 速度参数测试    37

6.3 循迹算法测试    39

6.4 无线通信测试    41

7总结与展望    45

参考文献    47

附录    49

1主程序    49

2.电路图    54

致谢    56

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