室外移动机器人远程控制系统的设计与开发

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 4.37MB 74 页 15积分

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摘要

尽管室外移动机器人的研究正处于蓬勃发展阶段，但其智能化水平与科研人

员的设想尚存一定距离，目前室外智能移动机器人还是不能完全自主地完成所有

任务，因此远程控制系统的出现成为必然。

课题源于国家十一·五计划项目“基于环境信息和电子地图的引导式遥控系

统”，项目由清华大学、国防科技大学、南京理工大学等五家单位共同承担，本文

主要完成项目中室外移动机器人远程控制系统部分的设计和实现。

首先，图像的无线传输是遥控系统的关键技术，为了提高图像的传输质量，

在天线云台随动控制系统的设计中，通过分析传统定位方法的不足，提出了组合

定位算法，避免了电子罗盘的滞后性，完善了视觉临场感技术。其次，完成遥控

器设计，并研究遥控器方向盘无缝隙切换技术和力反馈技术，进而对方向盘力反

馈方案进行改进。然后，根据总体设计方案及系统的功能原理，搭建了基于

PIC18F458 微控制器的硬件平台，包括电源模块、数据采集模块、通信模块和电机

驱动模块等；完成了系统软件的设计和调试工作，并选择合适的增量式 PID 控制

算法来实现定向天线和方向盘随动控制系统。最后，结合监控系统，完成下位机

和上位机的数据通信工作。

通过试验和现场联调，课题基本上达到了预期的设计目标，并成功应用在国

家实际项目中，对同类系统的延续性研究与应用具有实际意义。

关键字：室外移动机器人；远程控制系统；视觉临场感技术；无缝隙

切换与力反馈技术；遥控器；PID 控制算法

ABSTRACT

Although the outdoor mobile robot research is still in vigorous development stage,

but the intelligence level is not following the idea of researchers. At present, the outdoor

mobile robot is still not fully complete all the tasks independently, so research of the

remote control system is inevitable.

The subject is from the project of National Eleventh Five-Year Plan "research of

the guide-style remote control system based on environmental information and

electronic maps", and the project will be completed by five units, such as Tsinghua

University, National Defense University and Nanjing Polytechnic University. This paper

will complete the design and implementation of the remote control system of the

outdoor mobile robot.

First of all, the images wireless transmission is the key technology of remote

control system. In order to improve image quality, in the design of the antenna platform

servo control system, proposed combination location algorithm by analyzing the

shortcomings of traditional positioning method, to avoid hysteresis of the electronic

compasslag, improved the visual telepresence technology. Second, completed the design

of the remote and studied seamless switching technology and force feedback technology

of the remote control steering wheel, and then improved the programs. Then, according

to the overall design and the principle function of the system, setted up the hardware

platform based on PIC18F458 microcontroller, including power modules, data

acquisition module, communication module and motor drive module, etc.; completed

the design and debugging work of the system software, and select the appropriate

incremental PID control algorithm to achieve the directional antenna and steering wheel

servo control system. Finally, the combination of monitoring system, completed the

communications between the next-bit machine and host computer.

Through testing and debugging in feild, the subject is basically to achieve the

desired design goals, and applied in practical projects successfully, and will play an

practical role in the continuity research and application of similar systems.

Key Words: Outdoor mobile robot，Remote control system, Visual

telepresence technology, Seamless switching technology and force

feedback technology, Remote, PID control algorithm

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 概述 ....................................................... 1

§1.2 室外移动机器人研究的背景及意义 ............................. 2

§1.3 室外移动机器人的国内外研究现状 ............................. 2

§1.3.1 面向非结构化道路的室外移动机器人 ...................... 3

§1.3.2 面向结构化道路的室外移动机器人 ........................ 4

§1.4 基于视觉临场感技术的远程控制系统简介 ....................... 6

§1.4.1 远程控制系统的研究背景及组成 .......................... 6

§1.4.2 临场感技术 ............................................ 7

§1.4.3 定向天线云台随动系统 .................................. 7

§1.4.4 力反馈技术和无缝隙切换技术 ............................ 8

§1.5 课题来源及主要研究内容 ..................................... 8

第二章室外移动机器人远程控制系统平台分析 ........................... 10

§2.1 远程控制系统平台整体方案设计 .............................. 10

§2.2 移动机器人站的构成与实现 .................................. 11

§2.2.1 移动站主要部件功能 ................................... 12

§2.2.2 移动机器人站的通信功能 ............................... 13

§2.3 移动指挥站的构成与实现 .................................... 13

§2.3.1 数据无线通信 ......................................... 15

§2.3.2 图像无线通信 ......................................... 15

§2.3.3 移动指挥站的监控系统 ................................. 16

§2.3.4 遥控器及方向、速度控制系统 ........................... 18

§2.3.5 天线云台随动控制系统 ................................. 19

§2.4 小结 ...................................................... 19

第三章移动指挥站天线云台随动系统的分析 ............................. 20

§3.1 引言 ...................................................... 20

§3.2 天线云台随动系统简介 ....................................... 20

§3.2.1 GPS 应用及其定位原理 ................................. 21

§3.2.2 磁罗盘的应用及工作原理 ............................... 22

§3.3 系统硬件平台的构成 ......................................... 22

§3.4 系统软件平台的搭建 ........................................ 23

§3.5 组合定位算法在天线云台系统中的应用 ......................... 24

§3.5.1 传统定位方法在车载天线系统中的特点 ................... 24

§3.5.2 组合定位算法的应用 ................................... 25

§3.6 小结 ...................................................... 26

第四章遥控系统硬件平台设计与实现 ................................... 27

§4.1 引言 ...................................................... 27

§4.2 遥控系统的方案设计 ........................................ 27

§4.2.1 遥控操作功能的实现 ................................... 27

§4.2.2 遥控器的设计与实现 ................................... 27

§4.2.3 遥控器方向控制系统 ................................... 29

§4.2.4 状态无缝隙切换的实现方案 ............................. 30

§4.2.5 方向盘力反馈技术的实现方案及其改进 ................... 30

§4.2.6 遥控器元器件的选择 ................................... 31

§4.3 遥控系统硬件体系结构 ...................................... 33

§4.3.1 系统硬件整体架构 ..................................... 33

§4.3.2 微处理器 ............................................. 34

§4.3.3 TH-MC-7845C 测控板部分 ............................... 36

§4.3.4 电机正反转控制电路 ................................... 45

§4.3.5 LPA3 功率放大板--电机驱动电路 ........................ 46

§4.4 本章小结 .................................................. 49

第五章遥控系统软件平台设计与实现 ................................... 50

§5.1 软件开发平台搭建 .......................................... 50

§5.2 系统软件总体设计 .......................................... 51

§5.3 软件功能模块设计 .......................................... 52

§5.3.1 主程序 ............................................... 52

§5.3.2 初始化模块 ........................................... 53

§5.3.2 中断模块 ............................................. 54

§5.3.3 串口通讯程序 ......................................... 55

§5.3.4 控制算法子程序 ....................................... 56

§5.4 PID 控制算法的应用 ......................................... 57

§5.4.1 PID 控制的原理及特点 ................................. 57

§5.4.2 增量式数字 PID 控制算法 ............................... 58

§5.4.3 控制参数的整定 ....................................... 59

§5.5 小结 ...................................................... 62

第六章总结与展望 ................................................... 64

§6.1 总结 ...................................................... 64

§6.2 展望 ...................................................... 64

参考文献 ............................................................ 66

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 69

致谢 ................................................................ 70

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摘要尽管室外移动机器人的研究正处于蓬勃发展阶段，但其智能化水平与科研人员的设想尚存一定距离，目前室外智能移动机器人还是不能完全自主地完成所有任务，因此远程控制系统的出现成为必然。课题源于国家十一·五计划项目“基于环境信息和电子地图的引导式遥控系统”，项目由清华大学、国防科技大学、南京理工大学等五家单位共同承担，本文主要完成项目中室外移动机器人远程控制系统部分的设计和实现。首先，图像的无线传输是遥控系统的关键技术，为了提高图像的传输质量，在天线云台随动控制系统的设计中，通过分析传统定位方法的不足，提出了组合定位算法，避免了电子罗盘的滞后性，完善了视觉临场感技术。其次，完成遥控器设计，并研究遥控器...

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