基于Zynq的室内服务机器人平台的设计与实现

摘要

近年来，在嵌入式技术迅猛发展的推动下，嵌入式系统的功能逐渐强大，结合其所具备的低成本、低功耗、高集成度等众多特点，将嵌入式相关技术应用于室内服务机器人的开发能有助于其在日常生活中的推广应用。然而，目前基于嵌入式系统搭建的室内服务机器人通常都是面向具体应用需求进行系统集成式的设计，较少考虑平台化设计，因此在灵活性、可移植性和可扩展性等方面存在着不足。
　　本文以室内服务机器人在底层系统设计上的互通性为基础，分析了平台化设计的需求，并结合异构多核片上系统Zynq的相关特点，提出了一种层次化的室内服务机器人平台的设计方法。该平台自下而上主要分为物理层、数据处理层、应用层以及高性能扩展层四个层次。物理层为室内服务机器人平台的最底层，主要实现该平台与外界环境的交互，具体包括移动执行机构及感知系统，其中在外设硬件电路的实现上，对其接口进行了标准化设计；数据处理层的核心为Zynq中的FPGA部分，主要是实现底层外设的驱动以及部分高实时性要求的算法，充分发挥了FPGA在硬件设计上的灵活性和并行处理的优势；应用层的核心为Zynq中的ARM部分，移植了嵌入式 Linux操作系统，极大方便了高层应用程序的开发；高性能扩展层的核心为机器人操作系统（Robot Operation System，ROS），集成了众多开源的第三方组件及应用软件功能包，对室内服务机器人平台的应用功能进行了极大的扩展。
　　最后，本文对所实现的室内服务机器人平台进行了一系列的测试与实验，以验证该平台的可用性及特点。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究意义

1.4 论文主要内容与安排

2 室内服务机器人平台的分析与设计

2.1 平台化设计需求分析

2.2 控制系统核心处理器——Zynq AP SoC

2.3 基于Zynq的室内服务机器人平台的设计

2.4 本章小结

3 室内服务机器人平台的硬件系统实现

3.1 平台机械结构的实现

3.2 平台硬件电路的实现

3.3 本章小结

4 室内服务机器人平台的软件系统实现

4.1 Zynq芯片开发相关技术的研究

4.2 数据处理层功能的实现

4.3 应用层功能的实现

4.4 高性能扩展层功能的实现

4.5 本章小结

5 实验结果与分析

5.1 基本功能验证

5.2 实际应用测试

5.3 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间发表论文目录