仿人机器人分布式控制系统主控层的研究与实现

论文摘要

仿人机器人的研究和应用一直是智能机器人领域最活跃的研究热点。针对国内研究机构对于小型家用仿人机器人研究较少,系统移植性差以及成本高昂等问题,本实验室以小型化、多功能、低成本、通用性为目标,开发了基于分布式控制的小型仿人机器人MIH-I实体。本文以提高小型仿人机器人控制系统的实时性、稳定性、可移植性为目标,设计了基于CAN总线的双主机结构主控层的仿人机器人分布式控制系统。其中,本文设计的主控层由基于分时操作系统的主控系统与基于实时操作系统的主控系统两部分组成。本文设计了基于Windows操作系统的主控层控制系统。分时操作系统面向系统整体平均性能的最优化,操作界面友好,系统成熟,便于开发调试。因此该系统便于实现仿人机器人控制系统的通用化,实现对于传感器与多媒体信息的采集及处理以及仿人机器人的调试等方面的功能。本文采用分层模式设计该主控系统框架。该框架由表示层,业务层和数据层三部分组成,其中业务层作为仿人机器人软件系统的核心,采用模块化设计,使用消息作为各个模块通信协调机制,多线程多进程作为并发执行的机制。最后在此框架基础上完成该主控系统实例,该实例系统主要面向用户操作,传感器与多媒体信息的采集与处理等方面的应用。经实验证明,此框架具有良好的扩充性和可重用性等优点,在该框架基础上构建的控制系统为仿人机器人的调试提供了极大的便利,满足仿人机器人控制与调试的要求,并为仿人机器人主控层控制系统的扩展提供了基础。为满足仿人机器人行走所需的控制系统的高实时性和稳定性要求,弥补分时系统在实时性方面的缺陷,本文采用了另增加一个基于实时操作系统的主控系统的方法。在综合考虑成本,可扩展性以及系统性能的基础上,本文最终采用RT-Linux操作系统来构建实时主控系统。经过实验表明,通过基于RT-Linux操作系统的仿人机器人主控系统,可以有效的实现仿人机器人双足行走的实时性和稳定性要求,系统设计简单可靠,并具有很好的扩展性和移植性,符合仿人机器人控制的目标和系统设计的标准。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 仿人机器人的研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 研究问题与研究意义
• 1.4 本文工作及内容安排
• 第二章 小型仿人机器人分布式控制系统的设计
• 2.1 概述
• 2.1.1 分布式控制系统
• 2.1.2 CAN 总线
• 2.2 仿人机器人控制系统的要求
• 2.3 仿人机器人控制系统设计
• 2.3.1 主控层
• 2.3.2 通信层
• 2.3.3 协调执行层
• 2.4 仿人机器人的步态规划设计
• 2.4.1 离线规划
• 2.4.2 在线规划
• 2.4.3 仿人机器人控制系统的步态规划
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于WINDOWS 平台的控制系统研究
• 3.1 主要结论
• 3.2 概述
• 3.3 控制系统软件框架设计
• 3.3.1 需求分析
• 3.3.2 框架设计
• 3.3.3 任务、模块通信协调
• 3.4 控制系统实例实现
• 3.4.1 通信数据接口的实现
• 3.4.2 运动控制模块的实现
• 3.4.3 传感器信息采集模块的实现
• 3.5 实验和结论
• 3.5.1 实验与调试
• 3.5.2 实验结论
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于RT-LINUX 平台的控制系统研究
• 4.1 概述
• 4.1.1 RT-Linux 简介
• 4.1.2 RT-Linux 的实现
• 4.2 RT-LINUX 和LINUX 进行通信的方法
• 4.3 系统的设计与实现
• 4.3.1 设计方案
• 4.3.2 实现过程
• 4.3.3 基于RT-Linux 的控制系统结构设计
• 4.4 实验及结论
• 4.5 本章小结
• 第五章 全文总结
• 5.1 主要结论
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文
• 致谢