微小型机器人

嵌入式技术研究的应用
嵌入式技术与微小型机器人
• 家用方面：数字电视、信息家电、智能 玩具、手持通讯、存储设备的核心。
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家庭智能管理系统
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智能玩具与机器人
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• 工业方面：机床、冶金、电子、 交通、航空航天等行业技术升级 的重要基础；
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1981年Ready System发展了世界上第1个商业嵌入 式实时内核（VTRX32）包含了许多传统操作系统的特 征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中 断支持、内存管理等功能。
随后，出现了如Integrated System Incorporation (ISI) 的PSOS、IMG的VxWorks、QNX公司的QNX 等，Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，uCOS、Nucleux， 以及国内的Hopen、Delta OS等嵌入式操作系统。
• 按实时性要求分： （软件范畴）
– 非实时系统（PDA） – 软实时系统（消费类产品） – 硬实时系统（导引头等工业和军工系统）
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嵌入式硬件平台及 分类
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• 嵌入式处理器系统
–嵌入式处理器 –各种类型存储器 –模拟电路及电源 –接口控制器及接插件
• 嵌入式软件系统
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基于VXworks的火星探路者
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社会发展方面： 嵌入式Internet应用
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嵌入式技术刺激了 许多新的应用需求 军事国防 消费电子
信息家电 智能玩具
工业
工控设备 智能仪表
军事电子
嵌入式应用
通信设备 移动存贮
汽车电子
网络设备 电子商务
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3、发展的动力
• 微小型仿生武器平台以其机动灵活、快速响应、 高度智能的特征而正成为高科技环境下局部战争 和快速作战任务的新宠。 • 低成本、可重构、可隐蔽的微小型仿生军用武器 系统，体积小，重量轻，便于携带，可通过大批 量投射、空投或人工施放的方式将其布置在作战 区域。 • 例如，在美国每个军用仓库采用一台室内型探 测机器人，10年中总共节约35亿美元.因此探测 机器人的市场潜力是巨大的。
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微控制器的最大特点是单片化，体积大 大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。 微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。 微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合 于控制，因此称为微控制器。
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由于MCU低廉的价格，优良的功能， 所以拥有的品种和数量最多，比较有代表 性的包括8051、MCS-251、MCS96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列 以及 MCU 8XC930/931、C540、C541，并 且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用 MCU和兼容系列。
• DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的 DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由 分立元件实现。 1982年世界上诞生了首枚DSP芯片，在语音 合成和编码解码器中得到了广泛应用。 DSP的运算速度进一 步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。
• 目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的 TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens 的TriCore也有各自的应用范围。
今天RTOS已经在全球形成了1个产业，根据美国 EMF（电子市场分析）报告，1999年全球RTOS市场产 值达3.6亿美元，而相关的整个嵌入式开发工具（包括仿 真器、逻辑分析仪、软件编译器和调试器）则高达9亿 美元。 嵌入式技术与微小型机器人
IEEE定义 根据IEEE（国际电气和电子工程师协会） 的定义： 嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅 助操作机器和设备的装置”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。


这种希望能实现吗？？
这么样关键技术突破才能实现？？？
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仿人形（富士、东京、本田、索尼、日本计划、德国）
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仿生动物（蟒蛇、水蛇、行为、蚂蚁）
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扑翼式飞行器
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水下仿生（鱼、两栖、海豚、船舶）
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近来Atmel推出的AVR单片机由于其集 成了FPGA等器件，所以具有很高的性价比， 势必将推动单片机获得更高的发展。
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（2）、嵌入式数字信号处理器 ） • （DSP DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系
统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、FFT、 谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。
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嵌入式微处理器分类
嵌入式微控制器 （MCU）
嵌入式DSP处理器 (DSP)
嵌入式处理器
嵌入式微处理器 (MPU)
嵌入式片上系统 (System On Chip)
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（1）、嵌入式微控制器（MCU）
嵌入式微控制器的典型代表是单片机 这种８位的电子器件目前在嵌入式设备中 仍然有着极其广泛的应用。 单片机芯片内部集成ROM/EPROM、 RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、 看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、 A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种 必要功能和外设。
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王田苗
北京航空航天大学 机器人研究所
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人类长期探索生物学、仿生学、机械材料、智能 控制等方面深刻机理。 幻象希望研究出各种智能机器人,……

象人一样在家照看老人、护理病人？与世界明星 足球队一起踢球？ 象蛇一样爬行在狭窄管道进行维修，穿越在废墟 中寻找幸存生命？ 象飞鸟一样翱翔天空，象小蜜蜂一样观测花朵？ 象鱼类一样高效机动游动？
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（3）、嵌入式微处理器（Micro Processor Unit)
2）近距离电子干扰
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1）侦察
2）近距离监测
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2、微小型武器相关研究计划
• • • • • • 美国STTR计划机器人“龙虾” 美国水下自主扫雷“机器蟹”（长56厘米，重10.4千克，承载 3.17千克，由近海登陆艇控制） 美国海军机器人章鱼（由潜艇或水面舰船控制发射， 用于 浅海水域作战） 德国、英国以及挪威都在研究体积小、重量轻、成本低，并且 可以大量携带的一次性使用微小型扫雷武器 美国DARPA正在进一步资助这方面研究，计划进一步研究样机， 在今后的5至6年内装备部队 英国皇家海军正在开展仿生机器鱼推进机理研究
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嵌入式与机器人定义
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嵌入式新技术是后PC时代的技术春天
事实上，嵌入式技术无处不在。 当我们满怀憧憬与希望跨入21世纪大门的时候，计算机 技术也开始进入一个被称为后PC技术的 春天。 我们不仅拥有那种放在桌上处理文档、进行工作管理和 生产控制的计算机“机器”，而且一个普通人也可能拥有从 大到小的各种使用嵌入式技术的电子产品，小到MP3、PDA、 手机、智能玩具等微型数字化产品，大到网络家电、智能家 电、车载电子设备等。 在工业和服务领域中，大量嵌入式技术也已经应用于工 业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等 各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。 微小型武器系统
可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌 入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵 盖机电等附属装置。
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一般定义
―以应用为中心、以计 算机技术为基础、软件硬件 可裁剪、功能、可靠性、成 本、体积、功耗严格要求的 专用计算机系统。”
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嵌入式系统定义要素
–专用计算机系统(非PC智能电子设备)
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应用 : 由于危险作业机器人具有微小型、低成本、隐 蔽性好、快速反应、机动性高、生存能力特别强等特点， 有可能引起未来战场产生神奇的变革——以小胜大，草木 皆兵，防不胜防。
运载飞机
运载飞机
敌方敌方雷 达与导弹 雷 达
与导弹
微型电子干扰飞行 器行器微型电子干扰飞行器器
1）侦察
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美国DARPA
– 微小型武器系统最大的支持者 – 共设7个处: – 国防技术处
– – – – – – 特殊项目处 信息系统处 信息技术处 战术技术处 微系统技术处 先进技术处
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• 国外专业实验室
美国iROBOT实验室是在美国处于领先地位的 微小型仿生技术研究开发重点实验室之一。 重点研究开发面向微小型仿生机器人的高机 动性、人机交互、多机器人协作算法、人工智能技 术等核心技术，并也支持研究开发具有军事应用前 景的扫雷、侦察、监视及处理对人体有毒害垃圾等 系统样机。
–实时操作系统（RTOS） –板级支持包（BSP） –设备驱动（Device Driver） –协议栈（Protocol Stack） –应用程序（Application）
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嵌入式处理器
• 嵌入式处理器的发展趋势
– 经济性（成本） – 微型化（封装、功耗） – 智能化（功能、速度）
• 嵌入式处理器的分类和现状
– – – – – 微控制器（MCU） 微处理器（MPU） 数字信号处理器（DSP） 混合处理器和片上系统（SOC） 可编程片上系统（SOPC）
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从硬件方面目前世界上具有嵌入式功 能特点的处理器已经超过1000种，流行 体系结构包括MCU，MPU等30多个系列。 从单片机、DSP到FPGA有着各式各 样的品种，速度越来越快，性能越来越 强，价格也越来越低。 根据其现状，嵌入式处理器可以分成 下面几类 ：
网络
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嵌入式系统的定义
嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持 的MP3和一个PC104的微型工业控制计算机都可以认为是嵌 入式系统。 嵌入式系统已经有了近30年的发展历史，它是硬件 和软件交替发展的双螺旋式发展。 最早的单片机是Intel公司的8048，它出现在1976年 Motorola同时推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80 系列，这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的 ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、两个16位 定 时 器。 之后在80年代初，Intel又进一步完善了8048，在它 的基础上研制成功了8051。
• • • • 以应用为中心 以计算机技术为基础 软件硬件可裁剪 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗严格要求 • 知识集成应用系统（CSEA） • 技术密集资金密集 • 高度分散不可垄断 • 面向应用不断创新 嵌入式技术与微小型机器人
嵌入式系统 的分类
• 按表现形式分： （硬件范畴）
– 芯片级嵌入（含程序或算法的处理器） – 模块级嵌入（系统中的某个核心模块） – 系统级嵌入
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• 另外，还有美国DRAPER实验室，它起源于20世 纪30年代由惯性导航之父Charles Stark Draper博 士创立的一个发展角运动及直线运动精确测量仪 器的MIT教学实验室，后来主要研究发展和应用 先进制导、导航及控制(GN&C)关键技术，应用 于军用和民用的飞行器、潜器、战术战略导弹、 太空飞行器、无人交通工具等。 • 还有美国CMU大学机器人研究所、美国MIT船舶 工程实验室和人工智能技术实验室、美国JPL实 验室等。
微小型机器人需求背景
微小型武器系统
主 要 内 容
• •
科学研究意义 现代战争的启示
•
美国研究计划
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ห้องสมุดไป่ตู้ 现 代 战 争 的 启 示
1、战争形态的演变
• 战争目的的演变（经济、制约， 而不是领土） • 战争攻击对象的演变（城市、 港口、百姓与敌方混和） • 战争手段的演变（远程、空降、 小分队、侦察攻击）