基于ARM的海洋环境探测机器人系统的设计与开发

论文摘要

海洋环境资源智能监测技术是海洋环境资源开发的重要组成部分和主要发展方向,是实现海洋环境实时监测、资源探测、海洋灾害预警和防治等的重要手段,对于国民经济、国防安全具有重要的意义。但是在环境恶劣的海区,载人监测船很难靠近进行实地勘测。为了克服载人监测船的缺陷,有必要开发一种智能化的海洋环境资源探测机器人。本文研究基于ARM的海洋环境探测机器人系统的设计与开发。半潜式海洋环境探测机器人系统基于GPS技术和GPRS无线通信技术,配备了速度、摄像头等传感器,而且搭载了温度、深度传感器等海洋测量仪器设备,实现在远程控制中心对海洋环境进行实时监测。本系统是一个融合计算机、电子、通信技术的软硬件综合体。硬件平台采用ARM9嵌入式微处理器。软件平台的核心,则是根据软件设计的需求采用了嵌入式Linux操作系统。本文内容主要涉及嵌入式Linux内核、文件系统的移植,Linux下GPS、传感器和基于V4L(Video For Linux)的图像信息的采集,基于GPRS网络的无线通信,以及基于VFH(Vector Field Histogram)的避障算法的改进。论文首先分析了国内外海洋环境探测机器人的现状和发展趋势。介绍了嵌入式系统,ARM处理器,GPS的原理以及GPRS的网络结构。然后,提出了环境探测机器人系统的软硬件总体结构,并逐步对硬件平台和软件模块的设计进行了选择和细化。软件设计中,首先完成了嵌入式系统的交叉编译环境搭建,然后完成了嵌入式Linux系统的内核、文件系统的编译和移植工作。之后,编写串口通信程序,对GPS和传感器信息进行采集和解析。同时,在嵌入式Linux系统中加载摄像头驱动,并编写基于V4L的图像采集程序,实现图像信息采集。最后,给出了嵌入式平台上通过GPRS无线模块接入网络的实现方法,并编写基于socket的网络通信程序,实现机器人端与远程监控平台的实时通信。同时,由于探测机器人必须在三维环境中进行避障处理,所以本文在探测机器人上布置两层声纳来获取障碍物的三维信息,并提出一种改进的VFH算法,使其在三维空间内做到实时避障。仿真结果表明,该算法具有良好可行性和有效性。最后本文对整个系统进行测试,分别在人工湖和近海中进行测试,验证了系统的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外现状
• 1.3 课题研究内容
• 1.4 论文的组织结构
• 2 课题相关理论和技术
• 2.1 嵌入式系统简介
• 2.1.1 嵌入式系统特点
• 2.1.2 嵌入式操作系统简介
• 2.1.3 嵌入式Linux 操作系统
• 2.2 ARM 简介
• 2.3 GPS 简介
• 2.4 GPRS 简介
• 2.4.1 GPRS 特点
• 2.4.2 GPRS 的网络结构
• 3 总体设计方案
• 3.1 海洋环境探测机器人系统设计
• 3.1.1 机械结构设计
• 3.1.2 核心控制系统设计
• 3.2 远程监控中心系统
• 3.3 基于GPRS 的无线通信系统
• 4 系统平台搭建
• 4.1 基于ARM 的嵌入式硬件平台搭建
• 4.1.1 嵌入式平台选择
• 4.1.2 模块选择
• 4.1.3 硬件平台搭建
• 4.2 系统软件平台搭建与配置
• 4.2.1 软件系统组成
• 4.2.2 交叉编译环境的建立
• 4.2.3 BootLoader 介绍
• 4.2.4 内核的编译
• 4.2.5 根文件系统
• 4.2.6 内核与文件系统的烧写
• 5 数据采集
• 5.1 基于串口的数据采集
• 5.1.1 串口通信
• 5.1.2 NMEA0183 通信协议
• 5.1.3 GPS 信息解析
• 5.1.4 传感器信息解析
• 5.2 图像采集
• 5.2.1 摄像头驱动加载
• 5.2.2 基于 v4l 的图像采集程序开发
• 6 基于GPRS 网络的无线通信
• 6.1 组网的方案选择
• 6.1.1 组网方案一
• 6.1.2 组网方案二
• 6.2 TCP 与UDP 协议的选择
• 6.3 GPRS 模块拨号上网实现
• 6.3.1 PPP 协议
• 6.3.2 内核配置及拨号脚本编写
• 6.4 socket 网络编程
• 6.4.1 socket 简介
• 6.4.2 socket 常用数据结构
• 6.4.3 socket 常用函数接口
• 6.4.4 客户端的设计与实现
• 6.4.5 远程监控系统设计与实现
• 7 基于VFH 的三维实时避障算法
• 7.1 避障算法简介
• 7.2 声纳布置
• 7.3 VFH 算法的改进
• 7.3.1 CV 值的确定
• 7.3.2 栅格向量化
• 7.3.3 障碍密度的确定
• 7.3.4 航行方向的确定
• 7.4 仿真结果
• 8 测试
• 8.1 湖试
• 8.2 近海测试
• 9 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文
• 研究成果