炮管清洁机器人控制系统设计

【摘要】： 课题以炮管清洁机器人为研究对象,对炮管机器人的控制系统进行研究设计。结合炮管的内部环境与工作条件,设计出了一套能够清洗直径150mm以上的炮管清洁机器人控制方案。 首先,参考国内外管道机器人研究状况。设计出以ARM为主控制器的控制方案,然后进行功能模块上的划分,划分为电机控制模块和图像采集检测模块。电机控制部分设计了信号隔离电路、保护电路、电流检测电路、功率驱动电路、滤波电路以及缓冲网络。图像采集部分采用图像传感器加控制芯片,考虑到炮管内部光线不足问题,依据光学原理进行了采光照明系统的设计,数据传输接口采用可以热插拔的简易USB接口。 其次,进行了电机控制系统的控制算法设计,对电机系统进行双闭环无静差控制,采用常规PID及模糊PID控制,并用MATLAB/simulink进行仿真实验。实验结果证明转速、转矩控制效果良好,能满足初期炮管清洁机器人控制任务的需要。 最后,在硬件电路的基础上进行控制系统的软件设计。通过设置S3C2410A(ARM9)控制器的PWM定时器模块的相关寄存器实现输出频率可变、占空比可调的PWM波形。通过调节电压实现对行走电机和清洁电机的速度调节。利用ARM的中断控制器实现对电机中的霍尔传感器输出相位信号的捕捉。利用A/D进行速度采样,传递给PWM控制器进行波形调节。图像采集系统采用目前流行的“无驱”设计概念。应用先进的UVC1.1规范在EVC4.0开发环境中进行嵌入式操作系统Windows CE 5.0的图像采集控制系统流驱动的开发,目前已获得了图像,数据流畅,图像质量较高,满足检测任务的要求指标。 【关键词】：管道机器人 ARM 电机控制 图像采集 双闭环控制
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 绪论8-16
• 1.1 引言8
• 1.2 研究意义和应用前景8-9
• 1.3 国内外研究现状9-13
• 1.3.1 国外管道机器人研究进展9-12
• 1.3.2 国内管道机器人研究进展12-13
• 1.4 常用的控制方案介绍13-14
• 1.5 论文背景14
• 1.6 研究内容14-15
• 1.7 论文组织结构15-16
• 2 炮管清洁机器人总体设计16-20
• 2.1 引言16
• 2.2 性能要求16
• 2.3 炮管清洁机器人总体结构参数和特点16-17
• 2.4 电机选型17-20
• 2.4.1 行走电机17-19
• 2.4.2 清洗电机19-20
• 3 炮管清洁机器人控制系统设计20-43
• 3.1 控制系统硬件总体设计20-21
• 3.2 ARM主控制器21-24
• 3.2.1 ARM微控制器21
• 3.2.2 S3C2410A控制器的特点21-23
• 3.2.3 基于S3C2410A的开发板简介23-24
• 3.3 LCD转VGA模块24
• 3.4 电机控制系统24-26
• 3.4.1 电机控制方式25
• 3.4.2 无刷直流电机工作原理分析25
• 3.4.3 无刷直流电动机的驱动方式选择25-26
• 3.4.4 转子位置检测方式26
• 3.5 无刷直流电动机的控制26-31
• 3.5.1 无刷直流电动机控制电路26-28
• 3.5.2 无刷直流电动机功率驱动电路28-30
• 3.5.3 保护电路30
• 3.5.4 光耦隔离电路30
• 3.5.5 缓冲电路30-31
• 3.6 图像采集系统31-42
• 3.6.1 图像采集系统硬件构成32-33
• 3.6.2 USB传输模块33
• 3.6.3 图像数据存储器33-35
• 3.6.4 图像传感器35-37
• 3.6.5 采光照明系统37
• 3.6.6 图像采集系统的工作原理与电路设计37-42
• 3.7 小结42-43
• 4 炮管清洁机器人控制算法设计与仿真43-52
• 4.1 无刷直流电机的转速控制算法设计43-47
• 4.1.1 双闭环控制系统动态数学模型的建立43-45
• 4.1.2 电流调节器设计45-46
• 4.1.3 转速调节器设计46-47
• 4.2 无刷直流电机的转矩控制算法设计47-52
• 4.2.1 常规PID控制48
• 4.2.2 PID调节器各参数对控制效果的影响48-49
• 4.2.3 常用的PID参数整定方法49
• 4.2.4 模糊PID控制49-52
• 5 炮管清洁机器人控制系统软件设计52-71
• 5.1 嵌入式系统52-55
• 5.1.1 嵌入式系统的发展52-53
• 5.1.2 嵌入式系统的概念53-54
• 5.1.3 嵌入式操作系统的选择54-55
• 5.2 Windows CE 5.0操作系统移植55-61
• 5.2.1 Windows CE 5.0操作系统移植环境的建立56-57
• 5.2.2 Windows CE 5.0嵌入式操作系统的BSP开发57-58
• 5.2.3 Boot Loader的编写58-59
• 5.2.4 OAL的编写59-61
• 5.3 Windows CE 5.0操作系统定制61
• 5.4 Windows CE 5.0驱动程序开发61-65
• 5.4.1 Windows CE 5.0驱动分类和系统结构61-62
• 5.4.2 流驱动的编制62
• 5.4.3 Windows CE 5.0驱动程序开发环境62
• 5.4.4 电机控制系统DLL文件的编制62-63
• 5.4.5 图像采集系统DLL文件的编制63-65
• 5.5 基于Windows CE 5.0控制系统的实现65-70
• 5.5.1 电机控制系统应用程序实现65-67
• 5.5.2 图像采集系统应用程序实现67-70
• 5.6 小结70-71
• 6 被控对象分析与算法仿真71-77
• 6.1 转速控制算法仿真71-74
• 6.2 转矩脉动抑制控制算法仿真74-77
• 7 总结与展望77-80
• 7.1 总结77-79
• 7.1.1 已完成部分77-78
• 7.1.2 待改进之处78-79
• 7.2 展望79-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-83

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