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嵌入式作業系統期末專題
期末報告
? 拉亞計畫
授課老師：黃育綸教授
執行學生：梁家維

Outline
? 專題發想 & 目标设定
? 架构示意图
? 系統定義 & 腳位設定
? 相关知识
? 成果展示
? 未来展望

?有此一計畫的概念主要是源自
於看到了如右的短片：
? 其涉及之主題包括如下：
? 四軸飛行器
? 群集智能
? 雷達掃描後之3D繪圖建構模型
? 特徵比對
? 急難救助
專題發想 & 目标设定–01/04
? 專題發想
地面爬行？空中飛行

? SCAMPER
? S (替代)
? C (合併)
? A (調適-微調)
? M(修改-大幅更動)
? P (其他用途)
? E (消除)
? R (重排)
四軸飛行器 ? 有足地面爬行器
雷達掃描 ? 超音波掃描
載具 + 避障 + 雷達掃描 ? 地圖探測
GPS定位&測速 ? 滑鼠測速
@ 耗電量的問題
@ 定點懸停及控制
@ 狹窄環境
@ 裝置取得較為不易
@ 倒塌範圍空間較小
@ 避障：閃避路上的物體並持續行走
@ 水平平衡：保證超音波掃描為水平量測
@ 速度偵測 + 雷達掃描：能夠做為地圖拼接的基本概念
@ 災難現場或崩塌的環境下
@ 外界定位亦相當困難
@ 利用本身量測已走多遠距離以及多快速度前進

? 基於前一頁之 SCAMPER，我將目標條列於下：
? 實現四足載具
? 多控制架構之溝通機制
? 動作命令實現
? 自平衡機制
? 超音波掃描 & 避障功能
? 搭載 Linux 系統之四足載具
? 遠端遙控集資料接收
? 原先設定目標

? 修正後目標
? 由於時間限制，經由老師建議後修改專題目標如下：
? 實現四足載具
? 多控制架構之溝通機制
? 動作命令實現
? 姿態估測
? 紅外線避障功能
? 搭載 Linux 系統之四足載具
? 遠端遙控集資料接收

? 機械架構如下：
架构示意图–01/05
? 機械架構

MPU9250 ?
[加速規]
[電子羅盤]
[陀螺儀]
? 電力架構如下：
? 電力架構
12V 電池
DC-DC(7V) DC-DC(6V)
MG-90
MG-90
MG-90
MG-90
Arduino
nano-0
Arduino
nano-1
sensors
DC – 12 (V)
DC – 7 (V)
DC – 6 (V)
DC – 5 (V)
DC – 3.3 (V)
↑
FC-51
[紅外線傳感器]
ADNS-3080
[光流感測器]
↓
Raspberry pi
DC-DC(5V)
sensors
HC-05

? 控制器 & 感測器架構
? 整體架構概念如下：
? Raspberry pi
?類似於大腦的概念，將所有資訊進行統整並計
算相關結果，最後再將運動指令傳送給Arduino
nano-0。
? Arduino nano-1
?類似於受器的概念，將外界偵測到的相關資訊
回傳至本身後再進行簡單濾波等動作，並最終
傳送至Raspberry pi。
? Arduino nano-0
?類似於動器的概念，將Raspberry pi之動作或
平衡指令對應相關的伺服馬達進行控制。
MG-90
MG-90
MG-90
MG-90
Arduino
nano-1
Raspberry pi
sensors
Arduino
nano-0
sensors
手機

? 控制訊號 & 感測訊號架構如下：
? 控制 & 感測訊號傳輸架構
MG-90
MG-90
MG-90
MG-90
Arduino
nano-1
Arduino
nano-0
FC-51
I2C
UART
SPI
Pin
WIFI
UART(bluetooth)
ADNS-3080
MPU-9250
Raspberry pi
PC
HC-05
手機

? 作業系統架構如下：
? Linux 執行的程式在固定時間會進入系統中斷並執行以下：
? 量測加速度、角速度及地磁並計算得到姿態(其中會開多個 thread 進行讀取)。
? 將姿態利用 socket 透過 wifi 回傳給電腦端並顯示姿態。
? 收取使用者所下達之命令並做相對應動作。
? 傳送訊息給 Arduino_0 & Arduino_1 做相對應動作及回收資料。
? 回傳目前狀態給使用者。
? 作業系統架構

Leg - 0
Leg - 1
Leg - 2
Leg - 3
D2D3 D4
D5D6 D7
D8 D9D10
D11 D12D13
右前
右後左後
左前
系統定義 & 腳位設定–01/04
?四肢 & 馬達對應腳位定義

? Arduino nano–0 功能
? 接收 Raspberry pi 之動作命令
? 做為位置控制用
? 接收 Arduino nano–1 之動作命令
? 做為緊急事件反應用
? 送出各關節角度命令
? 達成所收到之動作命令
? Arduino nano – 0 (動器)
To Arduino nano-1 [UART]
[I2C]
To servo motor [pin]
(leg) – (part)
RX
TX
0–1
SDA
SCL
0–0
0–2
1–0
1–1
1–2
2–0
2–1
2–2
3–0
3–1 3–1
7V
Gnd

? Arduino nano–1 功能
?傳送量測訊號至 Raspberry pi
?ADNS-3080 – 移動座標值
? 傳送緊急動作命令至 Arduino–0
? 做為避障動作用
? Arduino nano – 1 (受器 & 腦幹)
RX
TX
SDA
SCL
F
SS
MOSI
MISO SCK
7V
Gnd
NCS
RST
To Arduino nano-1 [UART]
[I2C]
To FC-51 [pin]
(Forward)
To ADNS-3080 [SPI]

? Raspberry Pi 功能
? 收集 MPU-9250 接收之 9 軸之資料
? 進行身體姿態的顯示
? 接收使用者所下之動作命令並傳送至Arduino_0
進行動作
? 傳送目前動作及狀態給使用者
? Raspberry Pi (大腦)
SDA
SCL Gnd
VCC
TX
RX
SDA
AD0
SCL
VCC
Gnd NCS
[I2C]
To HC-05 [UART]
To MPU-9250 [SPI]

相关知识 – 01/08
? 座標轉換 – 1/4 – 等效示意圖
-z
y
x

? x = 0
(把整個肢段壓在 yz 平面上時)
? P(x, y, z)
tan( )
x
y
?? 1
tan ( )
x
y
? ?
? ?
2 2
( )offsetL Z T Coxa? ? ?
Cosine Rule
2 2 2
2 cosa b c bc A? ? ?
2 2 2
2 cosb a c ac B? ? ?
2 2 2
2 cosc a b ab C? ? ?
1
1 cos ( )offsetZ
L
? ?
?
2 2 2
22( )( )cos( )Tibia Femur L Femur L ?? ? ?
2 2 2
1
2 cos
2( )( )
Tibia Femur L
Femur L
? ? ? ?
? ?
?
2 2 2
1 1
cos ( ) cos
2( )( )
offsetZ Tibia Femur L
L Femur L
? ? ? ?
? ?
?
1 2? ? ?? ? ?
相关知识 – 02/08
? 座標轉換 – 2/4 – 逆運動學–1

? 已知的常數
? Coxa = length_c
? Femur = length_a
? Tibia = length_b
? Zoffset = z_absolute
? length = length_side
Cosine Rule
2 2 2
2 cosa b c bc A? ? ?
2 2 2
2 cosb a c ac B? ? ?
2 2 2
2 cosc a b ab C? ? ?
2 2 2
1
cos
2( )( )
L Tibia Femur
Tibia Femur
? ? ? ?
?
?
? P(x, y, z)
相关知识 – 03/08
? 座標轉換 – 3/4 – 逆運動學–2

?
?
?
0x ?
2 2
T x y? ?
1
tan ( )
x
y
? ?
?
atan2(y,x)?? ?
sqrt(pow(x,2) pow(y,2))T? ? ?
?
?
?
0x ?
2 2
T x y? ? ?
1
tan ( )
x
y
? ? ?
?
?
atan2( y, x)?? ? ? ?
1*sqrt(pow(x,2) pow(y,2))T? ? ? ?
?
?
?
2 2 2
1 1
tan ( ) cos
2( )( )
offsetZ Tibia Femur L
H Femur L
? ? ? ? ?
? ?
?
atan(z,H) + acos((pow(femur_len,2) - pow(tibia_len,2) + pow(H,2) + pow(z,2))?? ?
/ (2 * femur_len * sqrt(pow(H,2) + pow(z,2)))
2 2 2
1
cos
2( )( )
L Tibia Femur
Tibia Femur
? ? ? ?
?
?
acos((pow(femur_len,2) + pow(tibia_len,2) - pow(H,2) - pow(z,2))?? ?
/ (2 * femur_len * tibia_len))
H T Coxa? ?
T - coxa_lenH? ?
H
相关知识 – 04/08
? 座標轉換 – 4/4 – 逆運動學–3

2 2
_ (2 x_default length _side) y_steptemp a ? ? ? ?
_ 2 (y_start y_step) length _sidetemp b ? ? ? ?
2 2
_ (2 x_default length _side) (2 y_start y_step length _side)temp c ? ? ? ? ? ? ?
? 假設以三個肢段固定並轉動剩餘肢段，其轉
動示意圖以及簡化如圖所示：
? 利用 Cosine Rule 可得：
1 2 2 2
cos ((temp_a) (temp_b) (temp_c) )
_
2 temp_a temp_b
temp ?
?
? ?
?
? ?
相关知识 – 05/08
? 旋轉

相关知识 – 06/08
? 步態 – 1/2 – 前進
Initial State Step-01
(site_now[2][1] == y_start)
Step-02
(site_now[2][1] != y_start)
step != 0
step--
step != 0
step--
break
step == 0
step == 0
step

Initial State Step-01
(site_now[3][1] == y_start)
Step-02
(site_now[3][1] != y_start)
step != 0
step--
step != 0
step--
break
step == 0
step == 0
step
相关知识 – 07/08
? 步態 – 2/2 – 後退

相关知识 – 08/08
? 其餘相关知识
? 姿態估測 – 四元數法(Quarterion)
? 資料傳輸
? UART、SPI、I2C、Bluetooth、wifi
? 避障演算法
...

未来展望 – 01/04
? 總體
? 耗電量估測 & 計算
? 訊號傳輸穩定性 & 時序建立
? Raspberry pi 散熱
? 電路板 layout
? 輕量化

未来展望 – 02/04
? 底層 (Arduino_0 part)
? 四個肢段獨立控制
? 角度運行穩定性控制
? 中斷時序確立
? 多組步態建立
? 步態穩定性控制

未来展望 – 03/04
? 外界訊號量測層 (Arduino_1 part)
? ADNS-3080 量測穩定性
? 資料傳輸穩定性 & 規格建立
? 避障演算法 & 穩定性
? 中斷時序確立
? 加入超音波量測模組
? 超音波量測 & 方位對應(伺服馬達控制)

未来展望 – 04/04
? 決策 & 資料傳輸層 (Raspberry pi part)
? ...很多...

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