1、- i -本科毕业论文（20 届）智能魔尺控制系统设计所在学院专业班级 电子信息工程学生姓名指导教师完成日期- ii -智能魔尺控制系统设计目 录前言 .2第 1 章 基本设计背景 .3第 1.1 节 国内外的研究现状 .3第 1.2 节 与本设计有关的研究积累和已取得的成绩 .3第 2 章 系统设计思路 .5第 2.1 节 魔方机器人分析 .5第 2.2 节 系统框架 .6第 3 章 硬件系统选型设计 .8第 3.1 节 MCU 控制器选择 .8第 3.2 节 STM32F103 开发板 .8第 3.3 节 人机交互控制系统硬件选型设计 .12第 3.4 节 九轴传感器 .13第 3.5 节
2、 步进电机及驱动 .21第 4 章 软件设计 .23第 4.1 节 uCOS-II 系统 .23第 4.2 节 控制流程 .26第 4.3 节 电机控制任务 .30第 4.4 节 GY85 数据采集及显示 .31第 4.5 节 TFTLCD 触摸显示屏及控制 .34- iii -第 5 章 系统测试 .36第 5.1 节 规划与协调 .36第 5.2 节 系统构型 .36结论 .39参考文献 .40致谢 .41附录 .42附录：实物图片 .42第 1 页智能魔尺控制系统设计【摘要】：本文介绍了一种新型的智能魔尺，并着重介绍了其控制系统的设计。智能魔尺具备魔尺的功能，其每个模块都可以自主移动并与
3、其他模块自组装成魔尺结构，还可以被配置成各种不同形态，实现变形。智能魔尺选用控制功能强大的 ARM 芯片和高靠的 GY-85 九轴传感芯片，形成闭环回路控制，应用 IIC 总线网络通信构建了模块化分布式控制系统，有效地实现了魔尺的运动控制。【关键词】：分布式系统；闭环；IICAbstract : In this paper, a new type of intelligent magic feet, and emphatically introduces the design of the control system of intelligent magic feet have the fu
4、nction that the magic feet, its each module can be autonomous mobile and self-assembled into magic feet with other module structure, and can also be configured to a variety of different forms, achieving intelligent control powerful magic ruler choose ARM chips and high on GY - 85 nine shaft sensor c
5、hip, form a closed loop control, the application of IIC bus network communication to build a modular distributed control system, effectively implement the motion control of magic rulerKey words: distributed system; closed cycle; IIC第 2 页第 3 页前言在航天航空、星际探索、地质勘查、地质灾害预报、军事侦察、救灾抢险等领域，因为不能预先确知非结构化的环境，需要执行
6、的任务往往也是变化莫测。因此传统的机器人设计和控制方法已经难以满足机器人在非结构的、未知的环境下自主工作的要求。模块化可重构机器人的拓扑形态是自主可变的，系统可以根据所处的环境通过组成模块之间的自主对接和分离实现整体或局部形态的改变，来调整其构形和功能，从而完成既定的任务，故能广泛应用于非结构化的环境。这样就对其控制系统提出了人工智能的更高要求，这也是当今机器人研究界最热门和尖端的研究方向之一。在分析了国内外机器人研究现状的基础上，本文概念性地设计了四种基本模块：旋转模块、控制模块、通信模块和连接模块。并采用减速齿轮减速机构作大传动机构，设计了一种机器人控制系统。构型数学表达是构型优化的基础，
7、本文提出了一种基于关联矩阵的构型表达方法，该矩阵能够表达出一个构型的所有信息，并且与构型一一对应。构型设计是多变魔尺机器人设计的核心内容，本文建立了构型设计的优化模型，量化了运动学评价指标在构型优化中采用了遗传算法，通过实例计算，验证了该构型设计方法的有效性。第 4 页第 1 章 基本设计背景第 1.1 节 国内外的研究现状国外对可重构模块化机器人研究起步较早,主要成果有：美国卡梅隆大学 RMMS 可重构模块化机器人 1，日本东芝公司研制的 TOMMS 可重构机器人系统，加拿大 ESI 公司生产的模块化机器人系统,德国 AMTEC 公司的 Power Cube 模块产品等 2。东芝公司TOMM
8、S 的设计概念见图 1-1。图 1-1 TOMMS 的设计概念国内有许多研究所和高校对可重构模块化机器人进行研究,如中国科学院沈阳自动化研究所、东南大学、上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学等，也取得了许多成果 3，这为我国在可重构机器人方面打下基础。第 1.2 节 与本设计有关的研究积累和已取得的成绩1.2.1. 模块化可重构机构理论以及离散运动的表达方式可重构模块化机器人是机器人学的一个新的发展方向,其研究的核心和基础问题是可重构机器人的模块设计以及模块组合的运动规划 4。北京航空航天大学机器人研究所提出的基于蛇形魔方机构分析的模块化可重构机构理论以及离散运动的表达方式为项目的研究提供了
9、重要参考信息 5。1.2.2. 模块机器人的结构对模块机器人的结构进行了研究。可以归纳出 6 种模块，其中包括 3 种关节模块,2种连杆模块和 1 种基座模块，同时还对 3 个自由度模块机器人的结构进行了设计。第 5 页可重构模块化机器人系统是由一组具有标准连接接口的模块组成，这些模块能够根据特定的任务要求而被快速装配成不同构型的机器人。文献中有对可重构模块化机器人的基本模块、构型数学表达方法、构型优化方法与运动学作了相应研究 6。1.2.3. 模块化机器人通用接口模块化机器人通用接口的研究和设计是重要基础。基于现场总线的通信接口是模块化机器人常见选择，例如基于 CAN 总线的控制系统结构能够
10、适应机器人模块的连接机构，进行状态监视和控制，并能灵活扩展 7。1.2.4. 多变魔方机器人的人机交互基于本人的现有水平，借助现有软件资源可提高开发效率。利用 ARM 软件技术能对多变魔方机器人进行有效而灵活的控制，并能提供良好的人机交互界面，能充分体现上位机的图形、控制和数据管理能力的优势,以及对机器人的适应性和控制驱动能力，见参考文献 8。第 6 页第 2 章 系统设计思路第 2.1 节 魔方机器人分析2.1.1. 魔方机器人的类型(1)、 魔方机器人模型这是一种用魔尺的零件经过简单加工粘合和手工做成的魔方机器人模型。它内部并不带有任何电子设备或器件，供儿童或部分爱好者玩弄之用。经过不断改
11、进，越来越酷似机器人。图 2-1 所示的是一种魔方机器人模型。图 2-1 魔方机器人模型(2)、 解魔方机器人解魔方机器人如图 2-2 所示，可以将一个任意打乱顺序的魔方复原。它由支架、电机、机械臂、颜色识别器和主控板组成。将打乱的魔方放入机器人的工作区，机器人的上下左右机械臂自动将魔方钳住。根据算法，机器人可以将魔方旋转回原来的状态，然后自动松开机械臂。制作这种机械人需要制作者有较高的技术水平，且制作时间较长，过程较复杂。第 7 页图 2-2 解魔方机器人(3)、 自组合魔方机器人自组合机器人拥有自重构、自组装和群体机器人的功能。每个独立模块都可以自主移动与其他模块自组装成一个整体，从而配置
12、成不同的形状，实现变形。可以在机器人的两端进行模块增减。模块越多，可组合的形状也就越多。新型的可重构模块化机器人(多变魔方机器人)，它同时拥有自重构、自组装和群体机器人的特点。多变魔方机器人的每个模块都可以自主移动并与其他模块自组装成魔方结构，还可以被配置成各种不同形态，实现变形。 以上级各种魔方机器人都需要一个完备的控制系统，以胜任各种任务。基于本要求，本论文拟在设计一款魔方自主系统，以供后人研究、参考。第 2.2 节 系统框架2.2.1. 单元模块设计多变魔方机器人由 n x n 个相同的小模块机器人组成，如图 2-3 所示为多变魔方机器人的最小组合，其中每个小方块代表一个具有完全相同结构的模块机器人。机器人控制系统能够根据指令以及传感器信息控制机器人完成一定的动作或作业任务，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣。传统机器人控制系统有集中式、主从式、分散式三类控制方式。但它们都不太适合作为多变魔方机器人的控制系统，因为多变魔方机器人有着模块化，可重组的鲜明特点。为了能够充分发挥多变魔方机器人的特点，有必要为它设计适合其特点的控制系统。
