论文总字数：32257字

摘 要

随着“工业4.0”时代的到来，移动机器人在工业发展进程中有着越来越重要的地位。履带式移动机器人由于具有负载量大、越障能力强、对工作环境的适应性好等特点，在智能工厂、智能仓储、勘探等行业得以广泛应用。在对履带式移动机器人的控制技术中，控制算法是一个关键问题，控制算法的优越程度决定控制的精度和稳定性。

本文设计了以STM32F103RCT6单片机作为控制器的履带式移动机器人，可以实现对电磁诱导式设定路径的精确跟踪。具有路径跟踪功能的履带式移动机器人由硬件系统和软件系统组成。履带式移动机器人硬件系统主要包含电源、传感器、电机驱动、控制器、履带式移动机器人车架五个模块，各模块之间互相关联。软件系统主要包括ADC采集、IO口读取、位置提取算法、控制算法、PWM调制输出五个功能模块。

控制算法采用切线跟踪方式、弦线跟踪方式、圆弧跟踪方式三种传统算法进行设计。首先，通过应用三种算法对路径的跟踪实验，提取实验数据对三种传统算法的路径跟踪精度进行对比分析。其中切线跟踪方式整体偏差比例最高,达到14.88%，弦线跟踪方式整体偏差比例为8.92%，圆弧跟踪方式整体偏差比例为5.52%。接下来将三种传统算法进行结合，进行算法优化。通过实验，优化算法整体偏差比例为3.70%。实验证明，优化算法较三种传统算法偏差比例有明显的降低，提高了路径跟踪精度，得到更好的跟踪效果。

关键词：履带式移动机器人 路径跟踪算法 切线跟踪方式 弦线跟踪方式 圆弧跟踪方式

Design and implementation of track tracking control for crawler mobile robot.

Abstract

With the advent of "industry 4.0", mobile robots are playing an increasingly important role in the process of industrial development. The crawler mobile robot is widely used in intelligent factories, intelligent storage and exploration industries due to its characteristics such as large load capacity, strong barrier ability and good adaptability to the working environment. In the control technology of crawler mobile robot, the control algorithm is a key problem, and the superiority of control algorithm determines the accuracy and stability of control.

In this paper, a tracked mobile robot with STM32F103RCT6 microcontroller is designed, which can accurately track the path of electromagnetic induction. Tracked mobile robot with path tracking function consists of hardware system and software system. The crawler-type mobile robot hardware system mainly includes five modules: power supply, sensor, motor drive, controller and crawler-type mobile robot frame. The software system mainly includes ADC acquisition, IO port reading, location extraction algorithm, control algorithm, PWM modulation output five functional modules.

The control algorithm adopts three traditional algorithms: tangent tracking, string tracking and arc tracking. Firstly, the path tracking accuracy of the three traditional algorithms is compared and analyzed by using three algorithms to track the path and extracting the experimental data. Among them, the overall deviation ratio of tangent tracking mode was the highest, reaching 14.88%, that of string tracking mode was 8.92%, and that of arc tracking mode was 5.52%. Next, three traditional algorithms are combined for algorithm optimization. Through experiments, the overall deviation ratio of the optimization algorithm is 3.70%. Experimental results show that the error ratio of the optimization algorithm is significantly lower than that of the three traditional algorithms, which improves the accuracy of path tracking and achieves better tracking effect.

Key Words：Crawler mobile robot;Path tracking algorithm;Tangential tracking mode;String tracking;Arc tracking mode

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题简介 1

1.2 研究背景及发展现状 1

1.3 研究思路及方法 4

1.4 本章小结 4

第二章 系统总体设计 7

2.1 控制功能实现要求 7

2.2 设计思路 7

2.3 系统框架 8

2.4 元器件的选型 9

2.4.1 单片机的选取 9

2.4.2 5V稳压器的选取 10

2.4.3 3V稳压器的选取 11

2.4.4 运放的选取 11

2.4.5 电机驱动的选取 11

2.4.6 元器件清单 12

2.5 本章小结 13

第三章 系统硬件设计 15

3.1 系统硬件概述 15

3.2关键单元电路设计 15

3.2.1 电源 15

3.2.2 传感器模块 18

3.2.3 单片机接口 20

3.2.4 电机驱动 20

3.3本章小结 21

第四章 系统软件设计 23

4.1 软件设计流程 23

4.2 各模块程序设计 23

4.2.1 ADC采集 23

4.2.2 IO口采集 24

4.2.3实时位置的提取 25

4.2.4 PID控制器 27

4.2.5 PWM输出 29

4.3 本章小结 30

第五章 控制算法的验证与优化 31

5.1 控制算法概述 31

5.2 三种传统控制算法的验证与分析 31

5.2.1 切线跟踪方式的验证与分析 31

5.2.2 弦线跟踪方式的验证与分析 32

5.2.3 圆弧跟踪方式的验证与分析 33

5.3 控制算法优化 35

5.4 本章小结 37

第六章 总结与展望 39

6.1 总结 39

6.2 展望 39

参考文献 41

致谢 44

附录：程序源码 45

第一章 绪论

1.1 课题简介

履带式移动机器人是一种对环境的适应性较强、负载大、越障能力强的移动机器人，被越来越多的应用在探索、搜救、运输、智能仓储等行业。已经有不少学者对于履带式移动机器人的控制算法进行研究，然而由于其功能的特殊性、应用环境的复杂性，目前已经应用的履带式移动机器人控制器的控制规则大多数都是由具有丰富经验的人工进行确定。履带式移动机器人具有多种结构，针对某一特定的结构又有多种控制算法，控制算法往往是针对特定结构移动机器人实现精确跟踪的关键。

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