类人机器人控制系统的底层设计与步态规划

作     者：程南瑞 

作者单位：江南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘国栋

授予年度：2009年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：类人足球机器人 控制系统 S3C2440A TMS320F2812 VIVI 嵌入式Linux 零力矩点(ZMP) 步态规划 

摘      要：类人机器人足球比赛是近来迅速兴起的一种机器人对抗比赛,建立类人足球机器人平台并参与该项活动有助于推动在嵌入式理论应用方面和人工智能方面的研究。 本课题以实验室原有的AFU机器人为参照,以获得更好的类人足球机器人比赛成绩为目标,设计了一种改进型的类人足球机器人AFU2008。本文重点研究了三个问题,论文的主要工作如下: 1.首先分析了RoboCup机器人足球比赛对类人机器人的设计规定,结合原有AFU机器人的经验设计了一个全新的机械结构,并且选择了更为先进的驱动元件。接着详细分析了控制系统的需求并选用了主从方式的控制结构:主控制板选用三星S3C2440A处理器,完成实时视觉信息处理、无线网络通信、决策及任务规划等上层任务;运动控制板选用DSP芯片TMS320F2812作为处理器,主要完成各个传感器信息的采集及转换、控制舵机的运行等下层任务,主控制板与运动控制板之间采用RS232接口进行通信。然后设计了控制系统具体电路并对其原理作了详细分析。 2.分析比较了几种主流操作系统的优缺点,最终选择优势最多的嵌入式Linux作为AFU2008机器人的操作系统,内核版本选用了2.6.13。接着介绍了BootLoader的工作原理,选择VIVI作为控制系统的引导程序并对其完成了修改和移植;然后建立了交叉编译环境,完成了内核和根文件系统的修改和移植工作。最后,启动Linux系统,对主控制板的主要功能模块进行了必要的测试。 3.首先建立了类人足球机器人的运动学模型;接着根据零力矩点(ZMP)稳定性判据,采用参考余弦轨迹的方法进行机器人的步态规划,并应用逆运动学求解出这种运动轨迹下的机器人关节的转角值;然后将转角数据送入控制系统,对机器人进行控制,同时使用机器人脚底的压力传感器测算到实际ZMP位置,根据实际ZMP与期望值之间的误差,应用补偿方法进行在线修正;最后通过仿真和实际实验证明了该方法的有效性。