臺灣博碩士論文加值系統

全向移動機器人為一種特殊之輪式機器人，具有可任意在平面上移動而不需改變其姿態的優點。本論文旨在推導出全向移動機器人之動態數學模型，針對此模型利用計算轉矩(computed torque)控制法則消除系統之非線性項，並結合PID控制法則設計軌跡追蹤控制器。控制器的實現是以數位信號處理器(digital signal processor, DSP)為基礎，使用德州儀器公司所生產之定點式數位信號處理器，型號為TMS320F2812。在周邊電路的部份，使用Altera公司生產之Cyclon系列的FPGA設計了QEP (quadurature encoder pulse)電路，作為接收馬達編碼器回授信號的介面。實作方面以C語言來實現所有控制演算法，透過DSP控制板來提供系統控制力的運算及輸出，再搭配PWM驅動電路驅動直流馬達帶動全向移動機器人完成路徑追蹤的控制目的。由模擬與實驗結果顯示，所完成之控制系統可達到軌跡追蹤之目的。

The omnidirectional mobile robot is a special type of wheeled robot. It has an advantage of moving arbitrarily on a flat surface without changing its pose. In this study, the dynamic model of the omnidirectional mobile robot is derived. In controller design, the computed torque control law is designed to cancel the nonlinear terms of the system. Then the PID controller is used for trajectory tracking control. The implementation of the controller is based on a digital signal processor (TMS320F2812) produced by Texas Instruments. The FPGA device produced by Altera is used to implement the QEP (quadurature encoder pulse) circuits. The QEP circuits are use to be an interface for receiving the signals from the encoders set on the motors. In the experiment, the control law is implemented on a digital signal processor using C language. The DC motors are driven by the PWM driver board. The simulation and experimental results are provided to show the effectiveness of the control system.

目 錄

頁次
中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
圖表目錄 VII
第一章 緒論
1-1 研究背景 1-1
1-2 研究動機及目的 1-1
1-3 研究步驟 1-2
1-4 相關文獻回顧 1-4
1-5 本文結構 1-5
第二章 基礎動力學簡介
2-1 前言 2-1
2-2 牛頓運動定律 2-1
2-3 剛體平面動力學 2-2
第三章 全向移動機器人與直流伺服馬達數學模型
3-1 前言 3-1
3-2 全向移動機器人機構部份動態模型之建立 3-1
3-3 永磁式直流馬達數學模型與參數識別 3-11
3-4 全向移動機器人整體系統數學模型 3-18
第四章 軌跡追蹤控制器設計
4-1 前言 4-1
4-2 計算轉矩控制法則 4-1
4-3 計算轉矩控制器設計 4-2
4-4 PID控制器設計 4-3
第五章 系統軟、硬體平台架構與核心晶片介紹
5-1 前言 5-1
5-2 整體系統架構 5-1
5-3 全向移動機器人機構 5-2
5-4 核心晶片 5-7
5-4-1 DSP TMS320F2812 5-7
5-4-1-1 PWM介面 5-8
5-4-2 FPGA 5-12
5-5 週邊電路 5-13
5-5-1 DSP記憶體位址解碼電路 5-13
5-5-2 PWM驅動電路 5-16
5-5-3 QEP電路 5-18
5-6 電池組 5-22
5-7 軟體程式 5-24
5-7-1 Code Composer Studio簡介 5-24
5-7-2 Quartus II簡介 5-28
第六章 模擬與實作結果
6-1 前言 6-1
6-2 模擬結果 6-1
6-2-1 圓形軌跡 6-3
6-2-2 直線軌跡 6-6
6-2-3 弦波軌跡 6-10
6-3 系統整合 6-13
6-4 實作結果 6-16
6-4-1 實作圓形軌跡 6-16
6-4-2 實作直線軌跡 6-20
6-4-3 實作弦波軌跡 6-23
第七章 結論與未來展望
7-1 結論 7-1
7-2 未來展望 7-1
參考文獻

[1]K. Watanabe, Y. Shiraishi, S. G. Tzafestas, J. Tang, and T. Fukuda, “Feedback Control of an Omnidirectional Autonomous Platform for Mobile Service Robots,” Journal of Intelligent and Robotic Systems, Vol. 22, No. 3, pp. 315-330, 1998.
[2]K. S. Byun, S. J. Kim, and J. B. Song, “Design of a Four-Wheeled Omnidirectional Mobile Robot with Variable Wheel Arrangement Mechanism,” Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Robotics & Automation, pp. 720-725, May 2002.
[3]C. C. Tsai, L. B. Jiang, T. Y. Wang, T. S. Wang, “Kinematics Control of an Omnidirectional Mobile Robot,” Proceedings of 2005 CACS Automatic Control Conference Tainan, Taiwan, pp. 13-18, 2005.
[4]R. L. Williams, B. E. Carter, P. Gallina, and G. Rosati, “Dynamic Model with Slip for Wheeled Omnidirectional Robots,” IEEE Transactions on Robotics and Automation, Vol. 18, No. 3, pp. 285-293, June 2002.
[5]I. E. Paromtchik, H. Asama, T. Fujii, and I. Endo, “A Control System for an Omnidirectional Mobile Robot,” Proceedings of the 1999 IEEE International Conference on Control Applications, pp. 1123-1128, August 1999.
[6]Y. Liu, X. Wu, J. J. Zhu, and J. Lew, “Omni-Directional Mobile Robot Controller Design by Trajectory Linearization,” Proceedings of the American Control Conference, pp. 3423-3428, June 2003.
[7]F. L. Lewis, D. M. Dawson, and C. T. Abdallah, Robot Manipulator Control Theory and Practice, Marcel Dekker Inc., New York, 1993.
[8]漆安慎，杜嬋英，「力學」，五南圖書出版公司，民國八十八年十一月。
[9]李成富，「工程力學」，乾泰圖書有限公司，民國七十六年五月。
[10]蕭天賜，「以數位訊號處理器為基礎之多功能控制平台的研製」，國立成功大學工程科學系碩士論文，民國九十五年七月。
[11]張智凱，「以FPGA為基礎之適應性步階回歸控制線型感應馬達驅動系統」，國立東華大學電機工程學系碩士論文，民國九十五年七月。
[12]T. C. Lee, C. H. Lee, and C. C. Teng, “Adaptive Tracking Control of Nonholonomic Mobile Robots by Computed Torque,” Proceedings of the 38th Conference on Decision & Control, pp. 1254-1259, December 1999.
[13]F. L. Lewis, C.T. Abdallah, and D. M. Dawson, Control of Robot Manipulators, Macmillan Publishing Company, New York, 1993.
[14]張碩，「自動控制」，鼎茂圖書出版股份有限公司，民國九十年。
[15]TM320F281X Digital Signal Processors Data Manual, Texas Instruments Inc., April 2001.
[16]Cyclone Device Handbook, ALTERA Inc., 2002.
[17]莊慧仁，「FPGA/CPLD 數位電路設計入門與實務應用」，全華科技圖書股份有限公司，民國九十五年。
[18]張義和，「Protel DXP電腦補助電路設計全記錄」，全華科技圖書股份有限公司，民國九十二年。