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/

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. 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. 目標設定

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. 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.  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. 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. 架構示意圖

9.  機械架構如下：
架構示意圖–01/05
 機械架構

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. 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.  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.  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. 系統定義 & 腳位設定

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.  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.  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.  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. 相關知識

20. 相關知識 – 01/08
 座標轉換 – 1/4 – 等效示意圖
-z
y
x

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. • 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. •
•
•
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. 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. 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. 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. 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. 成果展示

29. 成果展示
 型態變化

30. 未來展望

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. 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. 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. 未來展望 – 04/04
 決策 & 資料傳輸層 (Raspberry pi part)
 ...很多...