摘要
传统捡拾机器人通常采用集中式控制系统，这种集中式控制系统的实时性和稳定性较差，其在一定程度上阻碍了机器人技术的发展与变革。为此，本文设计了一种以CAN(Controller Area Network)总线为核心的捡拾机器人分布式控制系统。为了提高捡拾机器人的控制精度，创新性地提出了机械手关节的正交模糊PID控制方法；为了减少控制系统的信息延时，创新性地提出了基于改进动态优先权算法的CAN总线通信方法。本文的主要研究内容如下： 首先，本文对捡拾机器人整体进行了运动学研究，建立了底盘两轮差速模型和五自由度机械手的运动学模型。同时针对多手捡拾机器人特殊的工作方式和整体的功能构造，以CAN总线为通信总线搭建了捡拾机器人的分布式控制系统。 其次，本文对捡拾机器人各功能模块进行了硬件设计，包含CAN总线通信模块、步进电机共阳极驱动模块和其他传感器模块等。除此之外，根据捡拾机器人的功能需求，对其整体控制系统进行了软件设计，主要分为4个部分：底盘驱动系统软件设计，机械手驱动系统软件设计，上位机软件设计，通信系统软件设计。底盘驱动系统主要包括步进电机驱动，红外避障和无线遥控。机械手驱动系统主要包括电动舵机驱动与调速，磁电编码器采集误差信号，并为了提高精度在电动舵机开环驱动上加入了正交模糊PID控制算法。上位机主要包括MFC界面设计与串口通信，基于PELCO-D协议的云台控制。通信系统主要包括CAN总线通信和USART通信。 然后，本文针对捡拾机器人通信系统的实际功能，设计了捡拾机器人CAN总线的应用层协议。同时提出了通信系统实时性的优化方法，以对数分区的最早截止时间算法(Earliest Deadline First, EDF)改进动态优先权算法，将对数分区量化后的优先级引入动态优先权算法中作为其次优先级，用来解决动态优先权算法中的优先权锁死的问题，提高了通信系统的实时性。通过Stateflow有限状态机动态仿真CAN总线的工作过程，分析了CAN总线通信过程中的各网络性能参数的变化趋势。 最后，搭建了捡拾机器人实验平台。通过机械手运动控制实验分析定位误差，验证了正交模糊PID控制算法能提高机械手关节驱动控制系统的准确性和稳定性。通过多机械手CAN总线通信实验，验证了本文设计的CAN总线应用层的合理性。通过多机械手捡拾实验，验证了多手捡拾机器人整机工作的完整性。
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