交通大學系統工程創新教學 嵌入式作業系統 專題初步設計

1. 嵌入式作業系統期末專題
提案 & 可行性分析
 拉亞計畫
授課老師：黃育綸 教授
執行學生：梁家維

2. Outline
 緣起、限制及發想
 SCAMPER
 背景知識 & 技術
 預計架構
 目標分析
 時程規劃

3. 緣起,限制及發想

4. 緣起、限制及發想-01/03
緣起
 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

5. 緣起、限制及發想-02/03
限制
 看完了剛剛的影片之後，我想到之前參與四軸飛行器製作時
的一些內容，尤其是其飛行的限制：
• 在相對空曠之空間表現較好(因氣流關係)
• 電池容量和其飛行時間及載重有極大關聯
• 即使停留在空間中亦不斷耗電
• 旋翼轉動時危險性相當高
• 飛行中墜落後機體通常都幾乎損毀

6. 緣起、限制及發想-02/03
發想
 針對四軸飛行器的問題，並針對以下條件
• 在倒塌的建築物中或相對狹窄的環境
• 想要長時間進行任務
• 降低對於外界之危險性以及動力停止下之機體完整性
有足爬行可偵測載具

7. SCAMPER

8. SCAMPER-01/04
使用法則選取
 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

9. SCAMPER-02/04
Substitute (替代)
 四軸飛行器  有足地面爬行器(載具轉換)
 耗電量的問題
 定點懸停及控制
 狹窄環境
 雷達掃描  超音波掃描 (掃描)
 裝置取得較為不易
 倒塌範圍空間較小

10. SCAMPER-03/04
Combine (合併)
 載具 + 避障 + 水平平衡 + 速度偵測 + 雷達掃描  地圖探測
 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
 希望完成類似於即時戰略遊戲中地圖探測的功能，能夠將原本完全未知的地圖
狀態修改成為有障礙物或無障礙物的狀態，以利使用者了解路線上之狀態。

11. SCAMPER-04/04
Adapt (調適)
 GPS定位以及測速  滑鼠測速
 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

12. 背景知識 & 技術

13. 背景知識 & 技術-01/01
地面爬行載具-四足蜘蛛機器人
 參考自以下網址：
• http://regishsu.blogspot.tw/p/blog-page_20.html
 主要借重於其硬體設計，其實
際測試成果如右影片所示：
 目前其架構僅有：
• 基本的硬體連線
 電源部分、馬達訊號部分
• 基本的步態程式
 前進、後退、左旋、右旋、三腳平衡

14. 背景知識 & 技術-02/02
超音波掃描
 參考自以下網址：
• http://howtomechatronics.com/projects/arduino-radar/
 以其架構為基礎，其實際測試成
果如右影片所示：
 目前其架構僅有：
• 基本的硬體連線
 電源部分、馬達訊號部分
• 基本的步態程式
 前進、後退、左旋、右旋、三腳平衡

15. 背景知識 & 技術-03/03
Multi-thread
 嵌入式作業系統所學的內容

16. 預計架構

17. 預計架構–01/
機械結構 & 電力架構
 以黃色線條圈住為伺服馬達 - MG-90
 電力架構如下：
12V 電池
DC-DC(5V) DC-DC(6V)
MG-90
MG-90
MG-90
MG-90
Arduino
pro mini-1
Arduino
pro mini-2Raspberry pisensors

18. 預計架構–02/
控制器架構
 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 pro mini-2。
 Arduino pro mini-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 pro mini-2
 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
pro mini-1
Raspberry pi
sensors
Arduino
pro mini-2

19. 預計架構–03/
作業系統架構
 尚在思考中...Raspberry pi

20. 目標分析

21. 目標分析–01/05
自平衡機制
 原先是利用右圖的運動學
去求出到每個位置時其各關
節角度為何。
 自平衡機制即為到固定位
置時(沒有進行移動)利用同
樣的方式去回推各個角度的
值為如何可以使加速規的值
為水平。

22. 目標分析–02/05
超音波掃描
 利用國中所學的回聲公式：
得到各個方位多遠有障礙物，並且配合伺服
馬達轉動角度的值，在系統中計算障礙物和
本身之間的相對關係。 1
2
v t
S


S S

23. 目標分析–03/05
滑鼠距離偵測
 利用國中所學的回聲公式：
得到各個方位多遠有障礙物，並且配合伺服
馬達轉動角度的值，在系統中計算障礙物和
本身之間的相對關係。 1
2
v t
S


S S

24. 目標分析–04/05
地圖拼接概念圖-1/2
 假設能夠確定移動速度及方位保持固定
• 假設每個時間單位內移動兩格
1 2 3

25. 1 2 3
目標分析–05/05
地圖拼接概念圖-2/2
1 2 3

26. 時程規劃

27. 目標簡易內容
1. 底層基本動作指令 & 馬達控制分解 [Arduino]
◦ Arduino  servo motor
2. 紅外線避障 [Arduino]
◦ 紅外線模組  Arduino  Raspberry Pi(記錄) & servo motor (動作)
3. 自平衡機制 [Arduino 、Raspberry pi]
◦ 加速規模組  Arduino  Raspberry pi(計算 & 平衡指令)  Arduino  servo motor
4. 超音波掃描 [Arduino]
◦ 超音波模組  Arduino  Raspberry pi(計算)
5. 滑鼠距離偵測 [Raspberry pi]
◦ 滑鼠  Raspberry pi
6. 地圖拼接 [Raspberry pi]
◦ 4.之結果 + 5.之結果  Raspberry pi(計算 & 回傳呈現)

28. 週次及預定進度
Week Date Target Note
09
11/08 ~ 11/14
(11/10)
10
11/15 ~ 11/21
(11/17)
11
11/22 ~ 11/28
(11/24)
Lab05
12
11/19 ~ 12/05
(12/01)
Lab06
13
12/06 ~ 12/12
(12/08)
14
12/13 ~ 12/19
(12/15)
15
12/20 ~ 12/26
(12/23)
Lab07
16
12/27 ~ 01/02
(12/29)
表定 demo 時間
1
2
3
4 1
4 2
5 1
5 2
6 1
6 2
6 3

29. Thanks For Your Listening