基于μC/OS-Ⅱ吸尘机器人控制方法与软件的研究

论文摘要

吸尘机器人是一种智能移动机器人，它以室内环境为清扫对象，在无人干预的条件下实现自主工作，其开发工作涉及很多领域的理论和技术问题。本课题组开发的吸尘机器人以市场化为目标，采用了低成本的设计方案。本论文基于当前的吸尘机器人平台，完成驱动程序的设计；研究实时操作系统μC／OS-Ⅱ原理并完成了移植工作。总结机器人系统的控制结构，研究基于行为的控制方法和路径规划方法，并设计相关控制流程和程序；建立了系统的有限状态机模型，并在μC／OS-Ⅱ下实现了状态机的转移。扩展了机器人与PC机的通讯功能。全文分为六章进行论述。第一章结合机器人发展历史和时代背景，介绍了吸尘机器人的功能特点和系统组成。论述了移动机器人相关技术的研究现状，重点介绍嵌入式计算技术在控制系统实现中的作用。第二章介绍嵌入式系统软件的设计方法，然后重点论述了实时操作系统的概念与μC／OS-Ⅱ的工作原理。最后论述了ICCAVR编译环境下，μC／OS-Ⅱ在ATmega64微控制器上的移植过程。第三章对比当前各种移动机器人的方案优点和缺点，详细论述了主控制器接口方法和传感器模块、行走驱动、电源管理等模块的具体实现以及底层驱动程序的设计。最后介绍了机器人与PC机无线通讯模块：硬件、软件和通信协议的设计。第四章总体论述了机器人的软件控制结构及其各环节之间关系，在分析定位原理和误差影响因素的基础上提出改善措施；然后论述了实现基本行为的控制流程和程序设计；最后论述了一种新的基于行为的路径规划方法。第五章先介绍了有限状态机（FSM）理论，并建立了吸尘机器人工作过程的FSM模型，论述该模型的各个关键要素：状态与状态下的任务、事件、转移输出；最后论述利用状态查询表、状态机监控任务和任务同步触发机制在μC／OS-Ⅱ中实现该模型的方法和控制流程。最后一章概括了本论文的主要研究工作，并对以后的工作提出建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 吸尘机器人的发展概况
• 1.2 吸尘机器人的功能特点和系统组成
• 1.2.1 功能特点
• 1.2.2 系统组成
• 1.3 吸尘机器人的技术现状
• 1.3.1 自主移动机器人导航技术
• 1.3.2 传感器和信息融合技术
• 1.3.3 定位技术
• 1.3.4 路径规划技术
• 1.3.5 嵌入式计算技术
• 1.4 本论文的研究内容
• 第二章 实时操作系统μC/OS-Ⅱ的原理与移植
• 2.1 实时操作系统基本概念和功能
• 2.1.1 嵌入式系统的编程方法
• 2.1.2 任务切换与调度
• 2.1.3 共享资源、可重入函数
• 2.1.4 任务间通信与任务同步
• 2.2 实时操作系统μC/OS-Ⅱ的特点
• 2.3 μC/OS-Ⅱ内核的任务管理和调度
• 2.3.1 μC/OS-Ⅱ中任务的状态
• TCB）'>2.3.2 任务堆栈和任务控制块（OS_TCB）
• 2.3.3 就绪表
• 2.3.4 任务管理与任务调度
• 2.3.5 系统启动过程与任务调度的时机
• 2.4 μC/OS-Ⅱ在ATMEGA64上的移植
• 2.4.1 移植μC/OS-Ⅱ对处理器和编译器的要求
• 2.4.2 移植的内容
• 第三章 机器人系统方案分析、硬件驱动和无线通信模块设计
• 3.1 机器人系统方案分析
• 3.2 机器人硬件平台的实现和驱动程序
• 3.2.1 主控制器模块结构
• 3.2.2 行走驱动与位置反馈的实现
• 3.2.3 红外传感器电路实现
• 3.2.4 人机交互:液晶、按键、蜂鸣器
• 3.2.5 电源与充电管理
• 3.2.6 时间管理:带后备电池的实时时钟设计
• 3.3 机器人与PC机的无线通信模块的设计
• 3.3.1 通信模块硬件设计
• 3.3.2 通信协议与软件设计
• 3.3.3 PC端软件设计
• 第四章 控制结构和基本行为的实现
• 4.1 吸尘机器人系统的控制结构
• 4.2 定位方法与精度分析
• 4.2.1 定位算法的假设与推导
• 4.2.2 定位误差分析与改进措施
• 4.3 基本行为的实现
• 4.3.1 事件到行为的映射
• 4.3.2 基于局部定位的前移（forward move）和侧移（side move）
• 4.3.3 侧移和绕障行为的实现
• 4.4 基于行为的路径规划
• 4.4.1 路径规划方法简介
• 4.4.2 基于“直线+侧移”行为的全局梳状路径规划
• 4.4.3 实现方法的探讨
• 第五章 基于μC/OS-Ⅱ有限状态机模型的实现
• 5.1 有限状态机模型简介
• 5.2 吸尘机器人的有限状态机模型
• 5.3 μC/OS-Ⅱ下有限状态机的实现方法
• 5.3.1 状态转移关系与状态查询表（StateTable）
• 5.3.2 μC/OS-Ⅱ下的任务和中断服务
• 5.3.3 μC/OS-Ⅱ下任务同步和共享变量的保护
• 5.3.4 任务的调度方法
• 5.3.5 状态转换的实现—状态机监控任务
• 5.4 μC/OS-Ⅱ下程序设计的特点
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢