兼容ROS的嵌入式实时机器人通信系统的设计与实现

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1、硕士学位论文兼容ROS的嵌入式实时机器人通信系统的设计与实现DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFEMBEDDEDREAL-TIMEROBOTCOMMUNICATIONSYSTEMCOMPATIBLEWITHROS邵壮哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP311.52学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工程硕士学位论文兼容ROS的嵌入式实时机器人通信系统的设计与实现硕士研究生：邵壮导师：曲明成讲师副导师程栋梁工程师申请学位：工程硕士学科：软件工程所在单位：计算机科学与技术学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Cla

2、ssifiedIndex:TP311.52U.D.C:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFEMBEDDEDREAL-TIMEROBOTCOMMUNICATIONSYSTEMCOMPATIBLEWITHROSCandidate：ShaoZhuangSupervisor：LecturerQuMingchengViceSupervisor:EngineerChengDongliangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringS

3、peciality：SoftwareEngineeringAffiliation：SchoolofComputerScienceandTechnologyDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要机器人行业近年来迅猛发展，但机器人产品开发周期较长，与市场对机器人的需求产生了矛盾。机器人操作系统ROS（RobotOperatingSystem）以其实现代码的模块化，提高代码复用率，大大缩短了机器人开发周期的特点，在机器人行业逐

4、渐占据重要地位。ROS是基于Linux内核的，所以对硬件性能有较高要求，低端的低成本硬件平台性能不足以运行Linux也就不支持ROS，因此难以整合到ROS的分布式通信系统之中。本文就是以此为出发点，设计和实现了一个基于STM32的低成本低功耗的兼容ROS通信标准的嵌入式实时机器人通信系统。该系统通过兼容ROS的发布/订阅功能，无缝地整合到ROS的分布式通信系统之中。而且该系统为应用的开发者预留了形式上类似于ROS的开发接口，便于ROS应用开发者快速上手。为了对ROS通信标准实现兼容，本文工作是建立在对ROS工作机制和实现细节充分分析的基础上，对该系统自底向上逐层次设计和实现

5、的。硬件平台选用了低成本低功耗的STM32微控制器；操作系统选择低端嵌入式平台广泛使用的FreeRTOS，在考虑到硬件性能的同时保证了系统的实时性；通信协议栈选用LWIP，功能强大且占用资源少。在STM32上移植好FreeRTOS和LWIP的基础上，编写兼容ROS的消息中间件以实现对ROS的兼容。考虑到中间件的效率和稳定性，采用FreeRTOS消息队列对中间件各部分进行解耦，实现异步；考虑到系统对消息的处理能力和资源利用率，将中间件设计为一个多任务模型实现并发；基于该系统运行完全是由消息驱动这一特点，采用回调机制对消息进行处理。之后对中间件的实现细节进行封装，为应用开发者预

6、留类ROSAPI。最后基于预留的API编写了两个Demo用于验证该系统功能和测试该系统性能。功能测试中，两个Demo分别实现ROS消息的发布和订阅，并实现了与上位机的ROS通信；非功能测试采用FreeRTOS的调试API和专用的嵌入式系统测试工具Tracealyzer，详细测试该系统运行中的堆栈使用和任务调度情况，证明该系统的稳定性，通过测试工具的时间戳对系统实时性进行测试，系统对消息的处理时间在十微秒级，能够满足实时性要求。综上，该系统为低端嵌入式设备提供了一种无缝融入ROS分布式通信系统的解决方案，在有低成本低功耗要求的机器人开发场景下具有很高的实用价值。关键词：ROS

7、；嵌入式系统；分布式通信；低成本-I-AbstractAbstractWiththetremendousdevelopmentofrobotindustry,thelongdevelopmentcycleofrobotproductbecomesthecontradictionbetweensupplyanddemand.ROS(RobotOperatingSystem)takesadvantageofmodularityofcodeandshortenthedevelopmentcycleofrobotprodu