1、中南大学硕士学位论文基于WindowsCE的挖掘机器人轨迹规划研究姓名：李渊博申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：何清华20060401，。：，原创性声明本人声明，所呈交的学位论文足本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。作者签名：奎翻擅日期： 鱼 年一月一日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学
2、位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名：导师签名中南大学硕七学位论文第一章绪论概述第一章绪论挖掘机作为一种主要用于土石方开挖的施工机械，以其应用广泛，施工效率高而在工程机械中占据重要地位，在能源、交通、农田水利、城镇建设以及现代化军事工程等领域发挥着重要的作用。然而，随着人类活动领域的拓展，对作业质量的提高和对人的工作环境的限制，这些领域存在的一些问题愈来愈不容忽视，如作业的 劳动强度较大，在 进行挖掘操作时，操作者需要在视觉和听觉的基础上，依靠经验 知识进行推理以对挖掘过程进
3、行控制和监视，体力和脑力消耗极大；工作环境恶劣，常常伴随有强烈的振动、噪音和尘埃，有时甚至面临塌方、辐射、爆炸以及化学物等威胁；机器对操作者的技术依赖较大，缺乏洲练有素的操作者难以完成高质量作业，例如平整作业要保证作业精度，需要操作者具有足够的经验和判断力，目测并同时操纵几个手柄；甚至有些工作环境人类不便直接进入。例如太空开发、水下作业等。实现挖掘机自动化、机器人化是解决上述问题的理想方案【】。年代以来，随着微电 子技术、 传 感器技术、计算机技术、控制技 术和通信技术的迅速发展，实现挖掘机局部操作控制的自动化甚至整机的完全自动化智能化已成为可能，同时实现 挖掘的自动化还是进一步提高挖掘机的作
4、业能力和效率的需要目前，对挖掘机 单机自动化智能化性能的提高主要有以下几方面的要求：智能监控和故障 诊断。现代挖掘机的监控功能已经不仅仅局限于对自身工况的监测和诊断，而且扩展到了对施工状况的监测，这对于司机提高施工质量和施工安全有很大的帮助。借助于此，操作者可以在主端监视器上观察到挖掘机器人反馈回来的实际运行轨迹，以及在工作过程中挖掘机器人动力系统的各个运行参数，如各部位工作压力、 发动机油门位置、 发动机转速等，如果机器出 现故障，还能进行 记录并提供分析结果。根据 这些信息，操作者可以 对机器的工作状况有一个全面的了解，甚至能完成极其精确的成型面施工，给机器入的维护、调整带来极大的方便。精
5、确作业 。在作业时，有时需要挖掘各种精确的成型面，挖掘机在这方面能力的提高将会极大地提高施工速度和质量。这方面的典型例子即所谓的单杆引导，司机只需操纵一个手柄就能快速完成诸如平整、修坡等对操作技术要求很高的任务。自主控制例如操作者只是在挖掘的时候手 动操作，而运土、卸载等工作则交由控制系统自动完成。自主状态的挖掘机器人具有环境识别功能，遇障能中南大学硕士学位论文第一章绪论自动加以判断，然后通过自主动作加以避障，避免机器和人员损失。上述要求逐渐趋于自动化和智能化，这也是挖掘机智能化发展的必经阶段。而要实现挖掘机的自动化作业，必须依靠机器人规划技术和自动控制技术。可以说，规划水平和控制水平的高低是
6、决定智能挖掘机器人实际作业能力的关键因素【】。一个完善而有效的作业规划和控制系统需要能使机器 识别环境、理解任 务并控制工作机构实时自动高效的完成任务所需的动作序列。近年来，相关学科和技术的发展为挖掘机的自动化智能化提供了坚实的发展基础。嵌入式元器件性价比的大幅度上升使搭建高性能的机电一体化成为可能；控制技术、机 电接口技术和传感器技术的进步使工程机械的自动化逐渐趋于实用；机器入学的发展和人工智能研究的成果使机器可以模拟人类的思维活动，获得一定的智能；而计算机仿真技术则为研究和实践提供了方便有力的测试和监视手段。因此，实现挖掘机的智能 监控与故障诊断、精确作 业直至自动控制不仅对相关学科有很大
7、的促进作用，而且对实现采掘工业的自动化和国民经济的发展都具有重要意义。挖掘机器人规划研究与应用现状自上世纪年代以来，世界上许多国家和地区都开始研究工程机械的自动化技术。借助于机器人规划技术的发展，挖掘机器人在自动化研究方面的成果层出不穷，而且正在走向实用阶段。根据 规划水平的高低，挖掘机的自动化技术研究可分为以下几个阶段：简单自动 化这个层次的自动化带有很大程度的刚性，自动作业过程一旦确定后就不能自主更改。其局限性在于只能使作业过程的某些指标满足要求。较为典型的有铲斗的姿态控制和平整作业自动化。这类自动作业系统中所包含的规划系统只是利用了反映机器自身状态的内部传感器信息而没有利用外部环境信息；
8、只能执行操作者设定的路径而没有自主决策能力，缺乏环境适应性。如日本三菱公司研制的挖掘机【可以保证动臂举升时铲斗的倾角保持不变。日本建筑有限公司研制的主从式反铲挖掘机，具有三种操作模式：模式，模式和模式。当处于模式时，操纵杆可引导铲斗作水平和垂直运动，并可独立 调整铲斗姿态；处于模式时，操纵杆可引导铲斗沿着任一倾角的斜面做平整作业，并可独立调整切深和铲斗姿态。韩国高等科技研究院和对挖掘机直线挖掘做了深入研究 ”，在吨挖掘机上采用时滞控制（）方法在的速度和各种挖掘角度下精度可达。中南大学硕士学位论文第一章绪论实际应用方面如日本公司最近推出的挖掘机自动深度、坡形控制系统，如图所示。该系统预设有四种操
9、作模式：坡度模式，在监视器中输入坡度即可可以实现。的斜坡挖掘；固定深度模式，挖掘以已有表面为基准的预期深度；激光模式，挖掘机可以与旋转激光器等激光高程参照物联用，当放置下水道及排水管时标程检查员就不必呆在沟哩，从而大大提高了安全性；盲操作模式，无论是在陆地还是水中作业，如果铲斗不在视野内，触摸式监视器会提供一个动态的铲斗位置图，确保每时每刻都能知道铲斗的位置。图一自动坡度深度控制系统美国厂商也推出了挖掘机自动显示和辅助挖掘系 统，如图所示。 类似于，也提供了高程、坡面精整以及盲操作功能，最多可输入三个坡度角，能限制的挖掘深度，并可以通过采集各个杆件上倾角传感器的信息在监视器上显示铲斗的位置和姿
10、态。应用了各项创新技术如激光技术，定位技术，无限通信技术等。图卜辅助挖掘系统需要注意的是和的坡面精整和固定深度挖掘并不是自动进行的，而是借助角度传感器和监视器的作用来辅助人工进行挖掘操作。这样虽然自动化程度不高，但是原理简单，可以适用于任何挖掘机，具备通用性，成本较低，易于商 业化。中南大学硕士学位论文第一章绪论具有外部传感器的自 动化这个自动化层次的挖掘机由于利用了外部传感器信息，具备了一定程度的柔性，进一步减 轻了操作者的负担。如采用了外部力传感器、视觉传感器或者定位系统的挖掘机器人，能准确感知未知世界的信息并加以反馈利用，以能和环境相适应，完成特定的任务。如波兰华沙大学研制的中型反铲液压
11、挖掘机，采用贴于油缸活塞杆上的具有温度补偿的应变片测量斗齿尖的受力，从而估计当前的挖掘力，操作者借助于液晶显示以安全作业。 视觉传感器也在移动机器人中有着广泛应用，以获取地形地貌信息，但由于代价昂 贵且后续处理复杂，因此应用的不多。日本公司研制的挖掘下水道的自动挖掘机，采用了激光导引系统和角位移传感器，可以让操作者知道斗齿尖与地面的距离， 辅助操作者进行平面精修作业。和的激光高程模式也利用了外部信息以获得机体的相对位置。美国技术学院的智能机械 动力学实验 室（，）的，以及等人年对带有反铲的系列拖拉机进行了改装【引，增加了 电液比例阀，位置和 压力传感器以及触觉人机接口，研制了一种触觉增强型的挖
12、掘机器入样机（，），用以开发和验证触觉控制算法在移动装备上的应用，它属于主从式机械手结构，如图所示。（）主机械手：（）从和械手：反铲挖掘机图主从式机械手的新颖之处在于直接在触觉人机接口上即可操作挖掘机，计算机通过解运动学逆解和接受从机械手末端的力反馈来实现自动挖掘。另外由于用电液比例阀代替了昂贵的伺服阀，因此成本相对较低。的系统控制结构如图所示。中南大学硕士学付论文第一章绪论图卜的系统控制结构离线编程自 动化唧离线编程系统首先构造挖掘机三维实体模型和环境模型，根据给定任务在离线情况下规划好无碰撞路径和轨迹，生成轨迹点序列，然后由控制器驱动液压装置跟踪给定序列点进行作业。在控制器工作过程中，操作
13、者无须直接操纵机器，但是可以干预。波 兰矿业大学研制了智能自主式挖掘机的模型，利用激光视觉系统进行三维环境识别，碰撞干涉检查， 动作规划和任务规划，但它并没有真正使用三维激光视觉系统，只是通过软件建立了封闭的三维环境，偏重于图形仿真。大学开发了一种机器人式挖掘机，通过测绘挖掘地点规划挖掘操作来控制挖掘设备挖掘埋在地下的管道。自主和半自主控制自主或半自主挖掘是挖掘机自动化控制的高级阶段。这个层次的挖掘机对环境或对象具有拟人的感知能力和认识能力，能模仿人的思维进行自主决策并监督执行。挖掘机的自主控制目前仍处于理论研究阶段，区别于普通机器人的电机驱动和控制性能好的特点，挖掘机器人的全自动化研究更具复
14、杂性，因此目前大部分研究工作都集中在半自主控制方面。这类自主或半自主作业挖掘机具有两个主要特点：具有根据给定任务自主决定路径的能力和能对传感器的信息充分利用的中南大学硕七学位论文第一章绪论能力。该阶段是挖掘机自动化发展的最终方向，控制结构同样一般分为两级，高级控制器进行在线规划，而低级控制器执行高级控制器输出的动作。在挖掘机进行工作前，只需输入挖掘任务，只要告 诉挖掘机需要完成什么任务，而其余工作如怎样完成及具体的操作步骤均由挖掘机自主完成，整个过程无需操作手的任何干涉，因此自主挖掘系统一般都有专家系统对任务进行分解，以决定当前的运动路径。挖掘机的自主和半自主规划与控制是国内外大学和科研机构的
15、研究热点之，作为一种 户外移动机器人已经自成体系，已经作了该领域最新的相关技术综述包括运动学动力学，遥操作，运 动规划，挖掘 规划策略以及其他的自主移动系统【，目前主要有以下研究成果：）的自主装载系统（），】是机器人研究所历时年的机器人项目，于年完成，其目的是利用机器学习理论研究自动化大型挖掘和装载过程的关键技术，包括传感器技术和软件实施算法，运动规划算法，控制系 统以及仿真和可视化支持技术。实验挖掘机是的吨斗容立方米机器，每次装载完成一个工作循环。测控硬件包括角度、压力传感器和控制器，所有计算都在装有操作系统的嵌入式计算机上进行，并通过无线互联网将相关数据传送到工作站。系统使用两个激光扫描测
16、距仪，用来对卡车进行确认和准确定位、观测土壤表面情况、识别障碍物等。该系统还提出一种用于实时轨迹规划和执行复杂挖掘机器人运动的参数化过程方法，这种方法建立在挖掘任务可以被描述为一系列简单的步骤或过程的观测资料的基础上，而这些简单的步骤是一种通用的模板，通过它可以把一系列的挖掘任务编码成知识，这些过程以参数的形式接收外部环境参数，并 结合模板中的变量来处理当前的任务。使用这种方法可以很容易处理挖掘机环境中的变化，而且还可以以子过程的方式为挖掘机添加新任务，从而使得可以处理挖掘机的异常工况。还具备经验知识数据库搜寻与更新功能，其大规模自 动挖掘装载路径及现场如图和所示。实验结果表明使用该系统，相同
17、的情况下装满一卡车需要到秒，而熟练的操作手需要分 钟，因此该系统适合于连续重复挖掘装载的工况。的系统实现架构如图所示。图装 载工作循环过 程图大 规模挖掘装 载实验现场中南大学硕士学位论文第一章绪论图卜系统软件架构）澳大利亚机器人中，（，）的自主挖掘研究，挖掘机项目的最 终且标是实现全自动挖掘任 务，如自 动装载和挖掘，其所解决的问题可归纳为以下三类：挖掘任务规划、传感和计算、控制，实验挖掘机是吨斗容的微型液压挖掘机，经改装后装有个液压驱动油缸， 电液伺服阀，伺服控制器和工 业机，其系 统结构如图所示，二级控制结构如图所示，这种控制结构适合大部分挖掘机的运动规划，具有很大的普遍性。底层控制（）
18、即挖掘机运动学与动力学的鲁棒控制。使用滑模控 带（）来实现挖掘机的力与位置控制。高层控制（）高层控制包括任务规划、分解和执行。例如直 线挖掘和平整，由任务规划器来执行。其目 标足生成任务轨迹，其 计算推理过程需要周围环境的完整知识并藉此来预测动作的输出结果。中南大学硕士学位论文第一章绪论运动规划（）此模块从任务规划模块和传感器接收输入，确定运动路径并向底层控制器发送命令来实现期望运动。实验结果表明，的自主挖掘机轨迹精度在以内， 对于液压系统的非线性，及系统的不确定性有较好的鲁棒性。 稽船吲口啊：图卜自主挖掘机系统结构图图自主挖掘机二级控制结构）英国兰卡斯特大学智能挖掘机（，），将小型挖掘机进行
19、了改造，配备了电液比例阀，由块堆栈式计算机控制，并用精度为导航与定位，激光扫描器用于探测干涉和了解环境。系 统基于总线进行通信。实验挖掘机如图所示，系统结构如图所示。图实验挖掘机图系统结构图的目的是高效自主的挖掘沟渠，并且在没有人干预的情况下能适应各种土壤和障碍。其计算机控制系统具有两级分工：高阶控制系统是含有人工智能中南大学硕士学位论文第一章绪论挖掘规则的“行为管理器”，采用有限状态机模型构建整个软件，并具备知识获取与学习能力；低阶控制器则将控制指令转化为适当的电压信号驱动电液比例阀，使工作装置能够正确的运动。）韩 国工程技术研究院（鼢智能工程装备系统（，）韩国建设技术研究院的吼，和提出了一
20、种类似于图的智能工程装 备系统的原理结构，如图所示。提出，任务规划子系统（）获取分折相关信息和更新主机系统数据库，以确定操作任务并产生任务列表，并满足工作量，工作环境和时间限制等要求；任务执行子系统（）负责执行任务规划子系统产生的任务并监视给定任务的执行情况；而人机接口子系统（）提供命令输入和系统错误恢复的接口，所有的子系统都通过局域网进行通信。留一图系统原理图采用五种先进技术来实现，包括分布式人工智能（），全球定位系统（），传感器技术，无线通信技术以及路径规划技术等。，）大学基于模糊逻辑控制策略的自主挖掘控制研究大学的等人采用模糊逻辑控制策略和有限状态机（，）模型对挖掘机的自主挖掘进行了研究
21、，将挖掘目标划分成若干任务，将每个任务划分成若干行为，再将每个行为划分成各个动作，如图所示，并提出：由于 传感器信息如力，力矩数据的非结构性而且受挖掘土壤的作用影响较大，难以建立精确的铲斗一土壤作用模型，因此常规控制策略有不足押，；之处。图用于的目标分解）国内研究成果国内在挖掘机自主控制和运动规划方面的研究起步较晚，大部分还停留在轨迹跟踪和控制阶段，没有系统的研究自主挖掘的任务规划和控制策略，而且没有商用的，葬例。浙江大学机械设计研究所采用超声波传感器用于挖掘机器人满斗运土及空斗返回过程的障碍识别，并在此基础上提出一种虚拟阻力法，在事先规划路径时不考虑障碍的存在，丽在实际运行时利用安装在铲斗上
22、的测距传感器获取回转方向的障碍信息，虚拟构造出阻力区，借助阻抗控制实现自主避障。武汉科中南大学硕士学付论文第一章绪论技大学设计了基于知识的挖掘机多模式综合轨迹跟踪控制系统，该系统具有“砰一砰控制”、维持控制、非线性死区补偿控制、和模糊参数自适应控制等模式，根据挖掘机在工作中工作轨迹跟踪的误差和误差变化率的反馈，系统基于知识，智能地选 用合适的控制模式，实现平稳和高精度的轨迹跟踪控制。据称其控制精度绝大多数在以内，但也有少数时候达到。设备试运行显示，整个轨迹跟踪过程中挖掘机机械手臂运动平稳光滑，基本不振动，铲斗尖的运动速度可达。哈尔滨建筑大学提出了一种基于模糊算法的示教再现控制方法，由熟练工人引
23、导工作装置沿挖掘轨迹运动，并由计算机记录运动轨迹所对应的工作装置的位置信息，再由计算机控制重复示教轨迹。从以上国内外的研究与应用可以看出，由于挖掘机液压驱动系统的高度非线性和低阻尼性，以及铲斗与土壤相互作用具有不确定性，如其挖掘力受土壤的粘性、均匀性以及内部摩擦力的影响，常规的机器人规划控制技术难以满足自动挖掘的运动控制要求，所以国外挖掘机器人的轨迹规划控制方法主要有两种：基于规则和基于模型，而且大部分挖掘机自主系统都采用了基于规则的控制。从上面对挖掘机自动化的发展阶段的分析可见，实现轨迹规划进而实现自主的路径规划，直至 实现自动的任务规划是挖掘机器人自动化智能化发展的主线。虽然在各个阶段中所
24、要具体实现的功能不同，但挖掘机器人铲斗末端的轨迹规划与控制是实现各个自主功能的基础，也是实现挖掘机自动化的关键技术之一。轨迹规划系统的体系结构及嵌入式系统的地位为满足挖掘机器人控制系统可靠性高、扩展性好的要求，在硬件构架上确定采用嵌入式、分布式的两级计算机控制结构，以运动控制器作为系统的核心，以嵌入式作为规划平台，控制器和之间利用总线进行通讯，形成一种分散控制、集中管理的控制结构， 这种控制结构最大的优点是可靠性高、开放性好，并能随时根据新增要求设计新的模块挂接在原系统中。为实现上述要求，根据挖掘机的结构和工作特点，挖掘机器人规划控制系统主要有以下几个模块：数据采集模块，负责获得动臂、斗杆、铲
25、斗以及回转的角度信息，并且非回转用传感器采用基于总线结构的传感器，回转使用旋转编码器；运动控制模 块，用于实现具体的传感器数据采集与处理、电液驱动和运动控制算法；主端控制计算机，采用堆 栈式模块实现 ，用于实现机器人的工况管理中南大学硕士学位论文第一章绪论和传感器数据监控、离 线轨迹规划、 远程无线监控，实现定位，图形导引、盲操作以及机器故障诊断等功能，并作 为用户接口（）；定位模块，用于 对当前挖掘机位置进行定位， 实现机群管理；系统结构如图所示。，嵋娴数据采集模块总线主板 水温传感器串口运动控制器油温传感器，一转速传感器 动臂关斗杆关铲斗关回转控制节控制节控制节控制其他传感器攮式嘴模块输出
26、控耕嗣电液比例驱动装置动臂斗杆铲斗回转油缸油缸油缸马达图卜挖掘机器人规划控制系统结构总图随着工程机械向着智能化、自动化和集群化方向发展，未来的智能化工程机械将不需要操作人员的参与，通过安装各种复杂的传感器来获取环境信息，具有自我感知、自主决策、自动控制的功能，而嵌入式系统由于其可移动计算、 处理能力强、稳定性高、成本低、体积小而逐渐在挖掘机器人中得到广泛应用，因此本文的研究具有适应未来应用扩展的前瞻性。嵌入式系统包括硬件平台和嵌入式软件两部分， 对于具备操作系统的嵌入式平台来说，其多任务处理能力、复杂算法实现能力和数据管理性能更能发挥其移动计算平台的优势。在挖掘机器人的规划系统中，它将作 为规
27、划和管理不可或缺的载体和实现平台。课题来源与论文研究的主要内容课题 来源本课题来源于国家“。项目“液压挖掘机机电一体化及制造信息化”，课题编号为。，。中南大学硕士学位论文第一章绪论本文研究的主要内容挖掘机器人的轨迹规划与控制系统是一个复杂的整套系统。本文以嵌入式系统作为开发平台，以控制器为核心， 总体上以实现挖掘机器人的自主直线挖掘和类似于、的监控系统为 目标，主要专注于轨迹规划的上位机实现和自主直线挖掘的编程调试，实现图中除模块外的大部分功能。具体来说主要研究并实现以下几个方面的内容：（）嵌入式开发平台的构建；操作系统的横向性能比较、选型以及移植；基础模块如总线通信模块和串口通信模块的开发；
28、（）挖掘机器人工作装置运动学动力学研究，得到驱动油缸在各个位置的长度、速度、加速度和受力；（）挖掘机器人工作装置末端连续轨迹的规划，主要研究其自主直线挖掘：（）软件开发，包括上位机规划软件，控制器应用软件， 显示屏控制、通信程序和界面等；（）实验验证各个节点之间的通信，通过算法调试得到轨迹规划实 际效果：（）对已做工作的总结和未来研究和应用的展望，明确下一步工作所需要解决的关键问题。本章小结本章在查阅大量国内外文献并加以归类分析的基础上，综述了国内外的研究和应用成果， 详细介绍了简单自动化阶段的挖掘机实用案例，总结了自主和半自主挖掘机的大部分理论研究成果，并以和为模板，以挖掘机器人的自主直线挖
29、掘为目标，确定了本文以嵌入式系统为平台，以控制器为核心的轨迹规划与控制的总体方案和主要研究内容。中南大学硕十学位论文；基于的嵌入式开发平台构建第二章基于的嵌入式开发平台构建嵌入式系统的基本概念及特点嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。随着硬件功能的增强， 应用的扩展和对实时性、可靠性的要求，越来越多的嵌入式系统倾向于安装操作系统。现在的嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、 监视或管理等功能。嵌入式系统将操作系统
30、和功能软件集成在计算机硬件系统之中，特别适合于要求实时和多任务的应用，它是将先进的计算机技术、半 导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。嵌入式计算机系统与通用型计算机系统相比具有以下特点：（）嵌入式系统通常采用面向特定应用的嵌入式，一般工作在为特定用户设计的系统中，通常具有低功耗、体积小、集成度高的特点，并且把通用型中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计的小型化；（）嵌入式系统是将先进的计算机技术、半 导体技 术、 电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一特点决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知 识集成系统；（）嵌入式系统的
31、硬件和软件都必须高效率的设计，量体裁衣，去 处冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能：（）为了提高程序执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储芯片中而不是存储在磁盘等载体中；（）嵌入式系统本身不具备开发能力，必 须有一套开 发工具和环境才能开发，而且即使 设计完成后用户也不能对其中的应用程序进行修改；嵌入式系统的硬件核心是处理器，一般需要对实时多任务有很强的支持能力，并且功耗尽量低；而操作系统和应用软件是实现具体应用功能的关键，由于存储空间的限制和对实时性的要求，软件的代码必须高质量、高效率、高可靠性和适合需要的实时性。中南大学硕士学付论文第二章基于的嵌入式开发平台构建挖掘
32、机器人轨迹规划嵌入式平台的构建嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围设备、操作系统和应用软件组成。嵌入式处理器和外围设备共同组成了系统应用的硬件载体，称为目标板，嵌入式操作系统和应用软件一同编译并下载到目标板上，完成系统预定的功能。挖掘机器人的嵌入式开发平台结构如图所示。操作系统驱动程序应用软件厂处理器外设存储器图挖掘机器轨迹舰划开 发平台结构嵌入式硬件选型由于工程环境的恶劣环境，嵌入式硬件平台必须具有高可靠性、抗冲击和温度范围广的特点。而问世于年，基于总线的总线结构的硬件能够满足这些要求，它是一种专门为嵌入式应用而定义的工业控制总线，在软件上与一般的完全兼容。年扩展成，增加了总线定义。总线产 品
33、具有以下特点：小尺寸结构， 标准模块的机械尺寸为；自堆栈式针、孔连接，具有良好的抗震性；总线驱动电流低，功耗少，每个模 块约瓦功耗；上述特点使产品成为嵌入式应用标准的系统平台，为设计系统应用的工程师提供了标准的、高可靠的、功能 强大的同时方便应用的系统组件，从而将人力从繁琐的基于芯片的设计中解放出来，并可大大缩短产品研发周期，提高市场竞争力，因此广泛应用于军事、医 疗和工程等领域。 产品的上述性能使得挖掘机器人的轨迹规划硬件平台首选这种结构的嵌入式板卡，包括主板和卡。综合考虑性能、价格以及外设等因素，本 应用选择研祥的中南大学硕七学位论文第二章基于的嵌入式开发平台构建作为主板，它是国内第一款在
34、尺寸上开发的全功能嵌入式工业主板，其主要具有以下功能和特点：表研祥嵌入式主板功能特点结构”单板结构处理器板上集成增强型低功耗系列，无需风扇可正常工作系统内存槽支持最大在板视频，共享内存，同时支持和叮、显示。分辨率最大，分辨率最高，在板以太控制器接口控制器一个通道，支持个设备音频接口支持环绕 音频接口接口个接口多接口接口芯片一个接口、一个并口、二个、一个键盘鼠杯接口、一个接口固态盘接口 电子盘看门狗定时器级可编程，秒电源外形尺寸工作温度（ ）相对湿度，非凝结卡也是基于总线结构，叠加于主板之上。目前大多数卡功能都差不多，而且硬件实现并不复杂，区 别主要在于价格和可靠性。选择研华作为系统的通信模块，
35、其主要有以下性能特点： 两个通信端口；控制器，收发器；温度范围；标准结构，重：嵌入式硬件平台的实物如图所示。图嵌入式硬件平台中南大学硕士学位论文第二章基于的嵌入式开发平台构建嵌入式操作系统选型操作系统是开发平台的关键部分，担负着驱动底层硬件、分配资源并提供应用接口的重任。而对嵌入式应用来说，更需要一个健壮而实时的操作系统来扮演管理者的角色，因此操作系统的选型就显得异常重要。从上世纪八十年代起，国际上就有一些组织、公司，开始进行商用嵌入式系统和专用操作系统的研发，主要的产品有，和等。由于功能、使用领域和实验室条件的限制，本文主要在、和盛博嵌入式之间比较选择。操作系统选型需要考虑的因素很多，一般而
36、言，主要有如下一些影响因素：可裁减性系统内核最小 时只有，但 仅 有内核没有任何用处。盛博嵌入式一般为左右，如果去掉等模块则可以做到更小；可以由的开发套件方便的进行裁剪。操作系统的基本内核可以精简到。加上网络、中文字库等组件一般达到以上；是公司开发的应用于国防和工业控制的高效实时操作系统，由集成开 发平台定制，其内核只有几百，加上各种功能组件后也不过：系统可靠性可靠性主要包含两个方面的含义：一是控制计算机本身要连续稳定运行，二是系统检查出故障后要有保持安全状态的能力。稳定性方面，在实时控制操作系统中，一般要提供源代码或者提供许可证，由控制器生产商来保证系统的稳定性。控制器生产商根据应用需要定制操作系统，经过一段时间的完善和测试以后投入使用，测试的方式和 时间由生产商确定。通 过这种方式定制的操作系统一般情况下可以稳定运行，但微软公司既没有保证连续运行的时间，也不公开源代码，从 这个方面说，的稳定性受到质疑。从故障角度来看，实时操作系统在应用中是以内核模式工作的，应用的故障会立刻造成系统崩溃。内核具有内存管理功能，可以检查出应用造成的系统异常，抑制由于应用不正常直接破坏系统的危险性。所以比一般的实时系统健壮。对于来说，其稳定性一般比较好，很少会出现死机或崩溃的情况，如果说有的稳定性的话，那么就有的 稳定性。但的稳定性不如人意，出现过几次系统无法启动的情况，而用户自己定制
