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系統識別號 U0002-2601201016575600
中文論文名稱 基於人型機器人嵌入式平台上即時控制系統多工任務應用之研究
英文論文名稱 Research of Multi-threads Applications for Real-Time Control Systems on Humanoid Robot Embedded Platforms
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 98
學期 1
出版年 99
研究生中文姓名 蔡佳良
研究生英文姓名 Jia-Liang Tsai
學號 696470078
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-01-14
論文頁數 71頁
口試委員 指導教授-李維聰
委員-朱國志
委員-趙啟時
委員-李維聰
中文關鍵字 嵌入式系統  機器人  即時系統 
英文關鍵字 scheduling  Embedded System  Real-Time System 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 競賽型的人型機器人在比賽過程中,往往伴隨著大量的資料傳輸與計算,為了能有效的處理這些相關資料以及有很好的效能展現,在這篇論文中,跟據小型人形機器人硬體系統整合設計之需求,設計出一個嵌入式系統平台為人行機器人所用,除了整合周邊傳輸硬體之外,也在軟體上建置了各功能的API程式功給各系統使用,藉由ARM平台的優點讓所完成的人形機器人之控制平台成為一個高效能且低功的系統。

CPU Scheduling(排班)是一項基本的操作系統功能,幾乎所有的計算機資源排程之前都會使用它。CPU當然是一個主要計算機資源,因此,排班是控制做作業系統設計的因素。CPU排班是當有很多可以執行的Processes時,去決定由哪一個Process去執行。之所以非常重要,因為它對整體性能全部系統可以有很大的影響和對資源利用(Sabrina et al.,2005.)。所以在本論文中,是在探討人行機器人控制理,行程處理程序(process)對系統效能的影響,而在這些行程處理程序之中,針對佔用CPU系統資源較久的行程處理程序提出來做討論:馬達行程理程序,它是一個不可搶先式之的行程處理程序 (Nonp-preemtive proces)。在人型機器人中,馬達運動控制是一比非常大量的負擔,因此在CPU排班過程中,佔用較長時間資源的行程處理程序,將會造成其他行程理程序及系統的影響。
所以在本論文中,藉由國科會計劃編NSC-(96~98)-2218-E-032-004 具有教育及競賽功能的人形機器人系統之設計 與開發-子計畫三:機器人即時分散嵌入式系統之研究(3/3)之下,,開發設計了嵌入式系統平台,,不但整合其他子計劃的硬體傳輸裝置介面,並且在即時模組(REAL TIME MODULE)上,設計API(Application Programming Interface)內容郭其他子計畫所使用。最後將會使用所設計好的系統,針對馬達行程處理程序做探討,希望在加入CPU排班之前,可以有效的減少佔用系統資源的時間,提升系統執行的效率。而在未來在加入其他行程處理程序於CPU排班之中做管理。
英文摘要 Abstract—With recent advances in the humanoid robots technology, the communication of robots has been the state of Ubiquitous Computing (said Mark Weiser). For the robot soccer game to say, once robots can share the information retrieved from different sensors, they will collaborate and have the opportunities to win the game. Moreover, the humanoid robots have more kinds of sensor such as motion control, environment sensing, motion detection, high-speed visual processing, artificial intelligence, knowledge management and intelligence control system than general robots. Therefore, competitive robots with a common operation platform will help integrate the requirements of different control systems. In this paper, a real-time distributed plat-form with REAL TIME MODULE in robot software framework was proposed to meet the real-time processing and distributed computing requirements
論文目次 目 錄
第1章 緒論 - 1 -
1.1 前言 - 1 -
1.2 動機與目的 - 4 -
1.3 論文章節架構 - 5 -
第2章 背景知識與相關研究 - 6 -
2.1 作業系統(OS Operating System) - 6 -
2.1.1 即時系統 - 7 -
2.1.2 即時系統任務分類 - 9 -
2.1.3 排班執行分類 - 11 -
2.1.4 任務行程處理程序定義 - 11 -
2.1.5 排班原則 - 14 -
2.2 POSIX(Portable Operating System Interface) - 16 -
2.2.1 行程處理程序與信號 - 16 -
2.2.2 多重執行緒的觀念(Multi-Threads) - 20 -
2.3 嵌入式系統平台製作 - 20 -
2.3.1 系統平台上阻抗的評估 - 21 -
2.3.2 系統平台上分層與走線 - 23 -
2.3.3 系統平台上佈局與LAYOUT - 24 -
2.3.4 系統平台上PCB製作 - 27 -
2.3.5 系統SMT(Surface-mount techmologt) - 29 -
2.4 環境介紹 - 34 -
2.4.1 系統平台上PCB製作 - 35 -
第3章 問題描述與解決方法 - 42 -
3.1 問題描述 - 42 -
3.2 解決方法 - 44 -
第4章 研究成果展現 - 48 -
4.1 作業系統安裝 - 48 -
4.1.1 U-Boot安裝 - 48 -
4.1.2 Linux kernel安裝 - 52 -
4.2 Application Programming Interface(API) - 52 -
4.2.1 Motor API制定 - 53 -
4.2.2 Sensor API制定 - 55 -
4.3 實驗分析與模擬 - 57 -
4.3.1 實驗環境 - 58 -
4.3.2 人型機器人控制平台 - 62 -
4.3.3 人型機器人系統實驗模擬與探討 - 63 -
第5章 結論與未來展望 - 68 -
參考文獻 - 70 -
圖目錄
圖1.1 Honda ASIMO - 2 -
圖2.1 行程處理程序定義圖 - 8 -
圖2.2 硬即時與軟即時對Deadline的響應圖 - 9 -
圖2.3 行程(Process)執行過程內狀態圖 - 12 -
圖2.4 行程處理程序與多重執行緒結構圖 - 17 -
圖2.5 行程處理程序示意圖 - 18 -
圖2.6 Microstrip-Line - 22 -
圖2.7 Stripline - 22 -
圖2.8 特性阻抗計算軟體 - 23 -
圖2.10 PCB設計示意圖 - 26 -
圖2.11 PCB印電路板製作流程圖與系統PCB成品 - 29 -
圖2.12 錫膏機機板錫膏印圖與機板錫膏印製完成 - 30 -
圖2.13 SMT高速機RLC打件圖與泛用機IC元件打件 - 30 -
圖2.14 PCB迴焊作業與機板進行光學檢測 - 30 -
圖2.15 SMT 作業流程 - 31 -
圖2.16 BGA rework station - 33 -
圖2.17 機器人系統架構圖 - 34 -
圖2.18 嵌入式平台軟體架構圖 - 36 -
圖2.19 ARM920T 核心架構圖 - 37 -
圖2.20 AMBA BUS - 38 -
圖2.21 SC32442 核心架構圖 - 39 -
圖2.22系統方塊圖 - 40 -
圖3.1 RX-28 伺服馬達實體圖 - 44 -
圖3.2 馬達傳輸格式圖 - 44 -
圖3.3 RS485傳輸格式圖 - 45 -
圖3.4 單執行緒與多重執行緒示意圖 - 46 -
圖3.5 comport建置完成示意圖 - 47 -
圖3.6 RS232 硬體電路圖 - 47 -
圖4.1 OS porting流程圖 - 49 -
圖4.2 CPU、記憶體 ID讀取 - 49 -
圖4.3 U-BOOT程式燒錄 - 50 -
圖4.4NANDFLASH讀取控制時序 - 51 -
圖4.5 Linux作業系統完成架設 - 52 -
圖4.6 壓力感測器控制流程圖 - 55 -
圖4.7 人形機器人架構與自由度示意圖 - 58 -
圖4.8 人形機器人的運動控制分析圖 - 59 -
圖4.9 人形機器人左右腳運動控制分析圖 - 61 -
圖4.10 人型機器人系統架構圖 - 63 -
圖4.11 人型機器人系統程式流程圖 - 65 -
表目錄
表2.1 PCB製作規格表 - 28 -
表4.1 馬達API - 54 -
表4.2 壓力感測器控制相關函式 - 56 -
表4.3 壓力感測器傳送與接收封包格式 - 57 -
表4.4 單執行緒與多重執行緒分析表 - 66 -

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[14] Jia-Liang Tsai,Hua-Pu Cheng,Tin-Yu Wu,Wei-Tsong Lee and Kuo-Chih Chu, 2009. “Performance Analysis of a De-Real-Time Scheduling Scheme for Humanoid Robot Embedded System Platform”, the 10th International Conference on Automation Technology.
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