课程设计--基于ARM 嵌入式系统的拟人机器人控制器的设计

《基于ARM嵌入式系统的人机器人控制器的设计》

课程设计报告

系 别： 计算机与电子信息工程系

专业班级：

学生姓名：

学 号：

指导教师：

（课程设计时间：2013年5月15日——2013年6月25日）

学校

ARM嵌入式系统课程设计任务书

一、设计（调查报告/论文）题目

课题：基于ARM 嵌入式系统的拟人机器人控制器的设计

二、设计（调查报告/论文）主要内容

首先构思机器人的机械结构设计，由此计划元件的购买。其次根据机器人的结构设计构思硬件设计，确定设计的可靠性。有设计框图搭建硬件电路。由硬件电路的搭建构思软件的设计框图，并根据设计框图编写软件，用仿真软件搭建硬件电路结合程序仿真，仿真结果符合设计要求后用实体元件完成机器人的设计。

三、原始资料

开发板的原理图和实验参考程序，参考实验讲义和课设讲义

以及嵌入式系统原理与应用技术教材

一块ARM开发板和底板（未焊接）

四、要求的设计（调查/论文）成果

 使用实验板和板上的S3C2410芯片,通过计算机实现对其端口的设置；

 完成实验方案的设计，根据原理图完成硬件的搭建；

 设计机器人行走的方案的程序框图，根据框图编写程序；

 根据实验方案，把编写的程序分别进行分组，并封装成一个个可供用户调用的函数；将编写好的程序烧入搭建好的电路，先在仿真软件上进行仿真，仿真通过后，进行硬件的连接，改错，调试。

 在实验完成的基础上完成课程设计报告的撰写，按照模板的格式书写，要求有软件流程图和调试过程。

五、进程安排

1 准备和审题，讲解原理 0.5天

2 系统分析 1

3 总体设计和硬件的完成 1.5

4 详细设计（编写代码） 2

5 调试和测试 3

6 撰写课程设计报告 1

7 课程设计成果验收 0.5

8 正式提交课程设计报告和系统源程序 0.5

六、主要参考资料

嵌入式系统原理与应用技术教材

S3C2410芯片资料

Arm开发板硬件原理图和底板的硬件原理图

舵机的工作原理资料

RT 2Linux 操作系统的使用方法手册

指导教师（签名）：

20

年 月

日

1. 引言 ...................................................................................................................................................... 5

2.课程设计目的 ....................................................................................................................................... 7

3.课程设计题目描述和要求 ................................................................................................................... 7

4课程设计报告内容 ............................................................................................................................... 9

4.1拟人机器人系统架构 ................................................................................................................... 9

4.2拟人机器人控制器软硬件设计 ................................................................................................... 9

4.3拟人机器人步行控制方案 ......................................................................................................... 11

6 参考文献 ............................................................................................................................................ 15

1. 引言

目前，国内普遍认同的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。北京航空航天大学何利民教授给出这样的定义：“嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。”可以这样认为，嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。嵌入式系统一般有嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序4个部分组成。“嵌入性”、“专用性”和“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素，对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。嵌入式系统无处不在，在移动电话、数码相机、MP4、数字电视机顶盒、微波炉等设备中都使用了嵌入式系统。嵌入式计算机系统是整个嵌入式的核心，可以分为硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层。

拟人机器人是机器人研究的一个重要分支, 是由仿生学、机械工程学和控制理论等多种学科相互融合而形成的一门综合学科。研究人员除了通过软件进行仿真,

还制作了各种类型的机器人实体。比较著名的国外有本田公司的Asimo、sony 公司的Qrio、开放机器人项目OpenPINO 等, 国内有北京理工大学牵头研制的“汇童”拟人机器人、哈工大的“H IT ”足球机器人、清华大学的THB IP2I 等。不过这些机器人体积庞大, 成本高昂。目前也开发了很多简易的小型机器人 ,

但其中大部分采用简单的单片机进行控制, 可实现的动作和功能非常有限, 或者需要连接上位机来对它进行控制, 自主性不足。

基于现有的条件, 综合考虑系统的性能和成本,研制了一种基于ARM 9 处理器, 采用嵌入式Linux 的小型拟人机器人, 可以实行静步行走, 同时可扩展视觉、无线网络和音频输入输出功能, 是一种可完全独立自主化的拟人机器人, 为相关学科的研究提供了一个验证平台, 还可以作为大学和中专院校机电专业、自动化专业、计算机专业、仪表与检测专业的试验平台, 进一步完善后, 也是机器人舞蹈和机器人足球等项目的良好载体. 机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，它的研究开始于20世纪中期。第一代遥控机械手1948年诞生于美国原子能委员会的阿尔贡研究所，当时用来对放射性材料进行远距离操作，以保护原子能工作者免受放射线照射。第一台工业机器人产生于1956年，是英格尔博格(Engelberger)将数字控制技术与机械臂结合的产物。当时主要是为了克服串

联机构累积的系统误差，以便达到较高的空间定位精度，提出了示教再现的编程方式，从而使重复定位精度差不多比绝对定位精度提高了一个数量级。1968年，日本川崎重工引进美国IMATION公司的UNIMATE机器人制造技术，开始了日本机器人时代。1970年，在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。此后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。1979年IMATION公司推出了PUMA系列工业机器人，它的关节由电动机驱动，可配备视觉、触觉、力觉传感器。到1990年己有30万台机器人在全世界使用。其中高性能的机器人所占比例不断增加，特别是各种装配机器人的产量增加较快，和机器人配套使用的的机器视觉技术和装备也得到迅速发展。进入20世纪90年代后，装配机器人及柔性装配技术进入了大发展时期。日本一直拥有全世界机器人总数的60%左右。到1998年，美国拥有机器人8万台，德国为7万多台，分别占世界机器人总数的15%和13%左右。到2005年，全世界的机器人总数约100万台。

自50年代第一台机器人装置在美国诞生以来，机器人的发展经历了一个从低级到高级的发展过程。

第一代机器人是示教再现型工业机器人，它们装有记忆存储器，由人将作业的各种要求示范给机器人，使之记住操作的程序和要领。当它接到再现命令时，则自主地模仿示范的动作作业。

第二代机器人是装有小型计算机和传感器的离散编程的工业机器人，它能感知外界信息并进行“思维”，它比第一代机器人更灵活、更能适应环境变化的需求。

第三代机器人是智能机器人，它不但有第二代机器人的感觉功能和简单的自适应能力，而且能充分识别工作对象和工作环境，并能根据人给的指令和它自身的判断结果自动确定与之相适应的动作，是人工智能发展到高级阶段的产物，也是当今机器人发展的重点和热点。

随着机器人技术的发展，机器人的用途越来越广，开始从传统的工业领域，向军事、公安、医疗、服务等领域渗透。与此同时，机器人的概念也越来越宽，己从狭义的机器人，开始向机器人技术扩展。世界上一些发达国家，都非常重视机器人技术的研究，都将机器人作为一个战略高技术给予支持。这是因为机器人不仅将形成一个大产业，而且将对国家的综合国力，对国家的可持续发展有着巨

大而深远的影响。

2.课程设计目的

提出在拟人机器人控制器的设计中使用ARM9处理器S3C2410和RT2Linux构建小型拟人机器人控制器的系统架构。

以硬件和软件上实现以拟人机器人的行走的总体方案的设计。

3.课程设计题目描述和要求

1) S3C2410处理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核，采用FBGA封装，采用0.18um制造工艺的32位微控制器。该处理器拥有：独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache，MMU，支持TFT的LCD控制器，NAND闪存控制器，3路UART，4路DMA，4路带PWM的Timer ，I/O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口，IIC-BUS 接口，IIS-BUS 接口，2个USB主机，1个USB设备，SD主机和MMC接口，2路SPI。S3C2410处理器最高可运行在203MHz。

2) 需要硬件的数量。

在系统设计中，不仅要选择使用何种微处理器，还要选择存储器的数量、所使用的外设及其它的内容。因为在满足性能要求的同时也要考虑制造费用的约束，硬件设备的选择是十分重要的，硬件太少，将不能达到性能的要求，硬件设备过多又会使产品变得过于昂贵。

3) 时限要求。

通过提高CPU的时钟频率的方法来提高程序运行速度以解决时间约束的方法显得十分笨拙，因为程序的速度有可能受存储系统的限制，因此必须从整个系统的观点来考虑这个问题