粮食是战略储备物资,确保储粮安全是我国一项需长期坚持的战略任务。我国的粮食储藏时间通常较长,为了防止虫害和粮食变质,除了对粮食进行投药熏蒸,一些粮库还会采用低氧和高二氧化碳的环境进行储粮,而这些环境因素都会危害到粮仓工作人员的人身安全。此外,由于粮食的颗粒流动特性,工作人员在粮仓粮面上行走容易下陷,需要在粮仓中间位置铺设走道板以便工作人员入仓查看、取样,而我国粮库单仓容量较大,很难实现对粮仓的全面查看。为了保障工作人员的安全,弥补传统人工查看模式存在的不足,设计一款在粮面巡视的机器人,为了确保机器人在粮面顺畅自主的行走,控制系统的设计成了粮面巡视机器人的设计重点。根据粮堆的散粒体特性,机器人巡视系统选用履带式机器人。为了保证粮面巡视履带机器人在粮堆表面顺畅自如地行走,考虑履带底盘和车架的重量、结构以及载重目标等因素,确定履带机器人的动力设计目标。履带底盘和车架重量50kg,尺寸1200?1000?600 mm,最大负载包括电池共100kg,最大爬坡角度30°以及满载最大行驶速度1.0m/s。根据动力学目标,确定无刷直流电机的额定扭矩、额定功率。最后确定电机和动力电池的各项参数。根据选用无刷直流电机的功率设计了相应的电机驱动控制器。通过逆变电路、驱动电路、霍尔换相检测电路、电流采样电路等电机驱动控制电路的相关设计,实现无刷直流电机的正转、反转、加速、减速;设计PID调速,实现对履带机器人电机转速的精确控制;通过建立转弯模型,确定转弯时内外驱动轮转速以及转弯角度之间的关系,设计电子差速算法,实现履带机器人左、右转弯运动控制。最终,完成电机驱动控制器的整体设计,实现履带机器人在粮仓粮面顺畅自如地行走。为了保障粮面巡视履带机器人能够在粮面自主行走,基于DW1000模块搭建较高精度的超宽带室内定位系统。通过对经典基于到达时差技术(TDOA)相关定位算法进行仿真分析,表明在视距环境中Chan氏算法定位精度高。然而,复杂环境中人员流动及障碍物遮挡等因素会阻碍超宽带信号的传输,引起非视距(NLOS)误差,导致Chan氏算法定位精度下降。基于无迹卡尔曼滤波算法(UKF)能够充分挖掘出观测值里蕴含的信息,针对UWB室内定位系统,提出改进的UKF算法,并与Chan氏算法相结合,以提高定位精度。改进UKF算法与Chan氏算法相结合的混合定位算法首先由Chan氏算法完成初定位,剔除误差较大的TDOA测距值,然后通过改进的UKF进行二次精确定位。实验结果表明:相比于Chan氏算法,该算法在粮仓粮面大部分点位定位精度提高30%左右,有效的降低了NLOS误差的干扰。此外,在混合算法中改进的UKF简化了状态预测向量及其协方差矩阵的计算,在实现高定位精度的情况下降低了算法的复杂性。在完成以上关键技术的基础上,以STM32F429为核心设计一个粮面巡视履带机器人控制系统,控制系统由电机驱动控制器、超宽带定位模块、激光雷达避障模块、无线通讯串口模块等组成。巡视机器人控制系统通过无线通讯串口模块接收到上位机传来的目标位置指令,通过超宽带定位系统确定自身的位置并计算得到两者的距离值,朝着目标位置与自身位置的距离值不断减少的方向,控制系统驱动履带机器人进行运动,运动过程中通过激光雷达进行防撞躲避。经现场反复测试,工作人员可通过指令控制履带机器人达到设定的目的地,实现履带机器人在粮仓粮面的自主巡视。