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EOS_2015_Fall Team1 - 拉亞計畫

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交通大學系統工程創新教學
2015 嵌入式作業系統 專題成果展示
作者:梁家維
計畫網站:http://see.nctu.edu.tw/category/embedded/

Published in: Engineering
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EOS_2015_Fall Team1 - 拉亞計畫

  1. 1. 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
  2. 2. Outline  專題發想 & 目標設定  架構示意圖  系統定義 & 腳位設定  相關知識  成果展示  未來展望
  3. 3. 目標設定
  4. 4. 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 & 目標設定–01/04  專題發想 地面爬行?空中飛行
  5. 5. 專題發想 & 目標設定–02/04  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
  6. 6.  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 專題發想 & 目標設定–03/04  原先設定目標
  7. 7. 專題發想 & 目標設定–04/04  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
  8. 8. 架構示意圖
  9. 9.  機械架構如下: 架構示意圖–01/05  機械架構
  10. 10. MPU9250  [加速規] [電子羅盤] [陀螺儀]  電力架構如下: 架構示意圖–02/05  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
  11. 11. 架構示意圖–03/05  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
  12. 12.  控制訊號 & 感測訊號架構如下: 架構示意圖–04/05  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
  13. 13.  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。 架構示意圖–05/05  作業系統架構
  14. 14. 系統定義 & 腳位設定
  15. 15. 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
  16. 16.  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 系統定義 & 腳位設定–02/04  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
  17. 17.  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 系統定義 & 腳位設定–03/04  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]
  18. 18.  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 系統定義 & 腳位設定–04/04  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]
  19. 19. 相關知識
  20. 20. 相關知識 – 01/08  座標轉換 – 1/4 – 等效示意圖 -z y x
  21. 21. • 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     相關知識 – 02/08  座標轉換 – 2/4 – 逆運動學–1
  22. 22. • 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) 相關知識 – 03/08  座標轉換 – 3/4 – 逆運動學–2
  23. 23. • • • 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 相關知識 – 04/08  座標轉換 – 4/4 – 逆運動學–3
  24. 24. 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        相關知識 – 05/08  旋轉
  25. 25. 相關知識 – 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
  26. 26. 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 相關知識 – 07/08  步態 – 2/2 – 後退
  27. 27. 相關知識 – 08/08  其餘相關知識  姿態估測 – 四元數法(Quarterion)  資料傳輸  UART、SPI、I2C、Bluetooth、wifi  避障演算法 ...
  28. 28. 成果展示
  29. 29. 成果展示  型態變化
  30. 30. 未來展望
  31. 31. 未來展望 – 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
  32. 32. 未來展望 – 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
  33. 33. 未來展望 – 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)
  34. 34. 未來展望 – 04/04  決策 & 資料傳輸層 (Raspberry pi part)  ...很多...

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