嵌入式系统在服务机器人中的研究与应用

摘要

近年来，随着机器人相关技术的不断发展，机器人的应用逐渐从工业领域向着服务领域扩展，其工作环境逐渐从结构环境向着非结构环境扩展。服务机器人可以完成人员陪伴、家庭护理以及医疗助理等服务性工作，它对于应对我国社会老龄化问题具有潜在的重大意义。然而，服务机器人在社会、市场上的推广和普及依然存在着许多问题，其中比较突出的问题是其功耗过高以及人机交互缺乏人性化。
　　本文以电子科技大学机器人研究中心自主研制的服务机器人SRU(Service Robot of UESTC)为研究对象，详细阐述了其底层控制系统实现的全过程：从实际功能需求分析入手，提出其底层控制系统的实现目标；而后对嵌入式实时操作系统以及嵌入式TCP/IP协议栈的工作原理进行了研究并完成了嵌入式实时操作系统和嵌入式TCP/IP协议栈的移植；之后以现有的条件为出发点，对SRU的底层控制系统的功能和任务进行划分，包括了其运动功能、数据通信功能以及语音交互功能，设计了其软件框架以及每个功能任务所使用的数据包格式，并对各个任务进行了实现；最后在SRU平台上对所设计的底层控制软件进行了实验验证。具体包括以下几个方面的工作：
　　(1)以μC/OS-Ⅱ实时操作系统在Cortex-M3内核上的移植文件为基础，通过对Cortex-M4的内核架构以及μC/OS-Ⅲ实时操作系统的工作原理进行研究后，完成了μC/OS-Ⅲ在基于Cortex-M4内核架构的STM32F407微控制器上的移植工作，并对移植结果进行了测试；
　　(2)以已经移植成功的μC/OS-Ⅲ为基础，在对轻量级TCP/IP协议栈LwIP的工作原理进行研究后，在LwIP提供的驱动程序框架文件下完成了以太网物理芯片DP83848的驱动程序的编制，并完成了其操作系统模拟层的移植工作。从而完成LwIP协议栈在μC/OS-Ⅲ上的移植，并对移植结果进行了测试；
　　(3)在以上工作的基础上，以 SRU现有的条件为出发点，把它的功能分为了三个大块，即数据通信功能、语音交互功能以及运动功能，并对各个功能进一步细化为多个任务，然后设计了整个底层控制系统的框架以及各个任务所需的数据包格式，并对各个任务进行了实现。最后基于LabWindows/CVI集成开发环境，完成了SRU的上位机监控软件的设计与实现，并对所设计的底层控制软件进行了实验验证，主要包括了上位机控制测试以及语音控制测试。

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第一章 绪论

1.1课题研究背景及来源

1.2服务机器人概述

1.3嵌入式系统概述

1.4本文的主要工作及贡献

1.5本文的结构安排

第二章 服务机器人SRU介绍及需求分析

2.1 SRU的整体结构

2.2 SRU的功能及需求分析

2.3本章小结

第三章 服务机器人系统软件构建

3.1 STM32F407的内核架构

3.2μC/OS-III的工作原理

3.3μC/OS-III的移植

3.4μC/OS-III移植结果测试

3.5本章小结

第四章 服务机器人网络功能构建

4.1轻量级TCP/IP协议栈LwIP

4.2 LwIP在μC/OS-III上的移植

4.3 LwIP移植测试

4.4本章小结

第五章 服务机器人应用软件构建

5.1底层应用软件的设计与实现

5.2语音交互系统的设计与实现

5.3实验测试

5.4本章小结

第六章 上位机监控软件的设计与实现

6.1上位机工程目录结构

6.2面板设计

6.3回调函数的实现

6.4本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录A PendSV_Handler异常响应函数

附录B TCP数据接收函数

附录C 上位机中部分函数列表

攻硕期间的研究成果