基于FPGA的变电站巡检机器人运动控制系统设计与实现.pdf

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1、分类号密级0基于FPGA的变电站巡检机器人运动控制系统设计与实现研究生姓名：廖雯指导教师姓名、职称：谭会生教授学科专业：电气工程研究方向：复杂机电系统的信息集成和协调控制湖南工业大学二〇一八年六月十日摘要变电站巡检机器人可降低运行人员工作的强度，提高巡检工作的质量，减少人工巡检的漏检隐患，提高巡检工作的效率。因此研究和开发变电站巡检机器人，具有重要的社会和经济意义。当前变电站机器人发展的主要技术难题有行驶控制算法、路径规划和传感器技术等。本课题以变电站巡检机器人的研究为对象，以设计开发一种基于FPGA变电站巡检机器人运动控制系统为目标，围绕运动控制算法、智能快速寻迹算法和运动

2、控制系统的硬件实现，进行了比较深入的研究，主要工作和结论如下：针对机器人转向问题，提出了采用基于模糊PID的参数自整定电子差速控制策略。在MATLAB/Simulink中搭建了驱动电机的仿真模型并进行了仿真研究，设计了一种基于模糊PID的改进型电子差速转向控制器，仿真结果表明，该转向控制器，可降低机器人转向过程中的震动，减少转向过程中的不稳定因素。针对巡检机器人的自主行走，提出了一种Dijkstra与蚁群算法的融合路径规划算法，利用改进的可视图法对机器人的循迹环境重新划分，应用Dijkstra算法首先进行一次加速循迹，在此结果上再利用蚁群算法进行二次加速精确循迹，既快速又准确

3、的得到了全局最优路径，并在Matlab中对融合算法进行了仿真研究，仿真结果验证融合路径规划算法的快速性与准确性。为了提高智能循迹的实时性，提出了一种用FPGA实现蚁群算法的方法。详细地介绍了蚁群算法实现的总体结构和各个模块的设计思想，编写了各种VHDL程序及测试平台，并利用QuartusII13.0软件调用Modelsim对蚁群算法实现的各个VHDL程序进行了硬件仿真，仿真结果表明，各VHDL程序模块功能正确，实现了蚁群算法的FPGA硬件设计。为了研发一个完整的巡检机器人，进行了基于ARM的机器人驱动电机控制电路的设计与制作，搭建了巡检机器人运动控制系统实验平台，包含FPGA

4、+ARM运动控制硬件平台的搭建与基于Linux树莓派板卡的无线通信机制的构建，同时设计了上位机测试软件，最后对系统进行了联调。关键字：变电站巡检机器人；运动控制；电子差速；蚁群算法；FPGAIABSRTACTSubstationinspectionrobotscanreducetheintensityofoperationpersonnel,improvethequalityofinspectionwork,reducethehiddendangerofmanualinspection,andimprovetheefficiencyofinspectionwork.There

5、fore,researchanddevelopmentofsubstationinspectionrobotshaveimportantsocialandeconomicsignificance.Themaintechnicalproblemsinthedevelopmentofsubstationrobotsincluderunningcontrolalgorithms,pathplanning,andsensortechnologies.Thissubjecttakestheresearchofpatrolrobotsinsubstationsastheobject,an

6、ddesignsanddevelopsapatrolrobotmotioncontrolsystembasedonFPGAsubstationasthegoal,andcomparesthemotioncontrolalgorithm,theintelligentfasttracingalgorithmandthehardwareimplementationofthemotioncontrolsystem.In-depthresearch,majorworkandconclusionsareasfollows:Fortherobotsteeringproblem,aself-

7、tuningelectronicdifferentialcontrolstrategybasedonfuzzyPIDisproposed.ThesimulationmodelofthedrivemotorwasbuiltinMATLAB/Simulinkandasimulationstudywasconducted.AnimprovedelectronicdifferentialsteeringcontrollerbasedonfuzzyPIDwasdesigned.Simulationresultss