基于发布订阅的机器人通信中间件设计与实现

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1、硕士学位论文基于发布订阅的机器人通信中间件设计与实现作者姓名张衍迪学科专业软件工程指导教师朱金辉副教授所在学院软件学院论文提交日期2016年4月DesignandImplementationofCommunicationMiddlewareforRobotBasedonPublish/SubscribeTechnologyADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：ZhangYandiSupervisor：Prof.ZhuJinhuiSouthChinaUniversityofTechnologyGuangz

2、hou,China分类号：TP3学校代号：10561学号：201320133168华南理工大学硕士学位论文基于发布订阅的机器人通信中间件设计与实现作者姓名：张衍迪指导教师姓名、职称：朱金辉副教授申请学位级别：硕士学科专业名称：软件工程研究方向：嵌入式软件与系统论文提交日期：2016年4月20日论文答辩日期：2016年6月5日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：蔡毅委员：周杰薛一波宋恒杰杨捷华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独义进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加标注引用的内容外，

3、本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡ｊ献的个人和集体，均已在文中ｙｌ明确方式掠明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名日期：如年６月么日／学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，巨Ｐ：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校有权保存并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅（除在保密期内的保密论文外）；学校可公布学位论文的全部或部分内容，可允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位

4、论文一。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相致。本学位论文属于；□保密，（校保密委员会帘定为渉密学位时间：年月日＿）于＿＿年＿月＿日解密后适用本授权书。垃不保密，同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览；同意将本人学位论文提交中国学术期刊（光盘版）电子杂志社全文出版和编入ＣＮＫＩ《中国知识资源总库》，传播学位论文的全部或部分内＂＂（请在上相应方框内打Ｖ）．．；么５，６作名：么者签日期自嫌Ｉ指ａ导教师签名：日期么（．居．２／：作者联系电话电子邮箱：；联系地址（邮）含编摘要随着机器人硬件技术的发展，精度

5、更高功能更丰富的传感器和运算性能更强的计算器使现代智能机器人系统越来越复杂，相应的机器人软件设计与开发也变得愈加复杂，特别是机器人软件通信的开发。为了保证机器人软件通信的速度，提高机器人软件开发的便利性，本文根据机器人软件开发的特性与硬件特性，研究适合机器人软件通信的模型与通信方式。根据机器人软件开发以及硬件的特点，机器人软件具有分布式计算的特点，因此发布订阅通信模型适用于机器人软件通信中，解决机器人软件中复杂的多点通信。Linux作为开源操作系统广泛应用与包括机器人软件等各个领域，选择Linux操作系统作为研究平台具有实用性。机器人软件天生就对实时性有很高的要求，x

6、enomai实时改造方案既能为机器人软件提供实时性，又可以利用xenomai实时任务提高通信效率。本文基于Linux操作系统平台与xenomai实时解决方案，优先考虑通信速度，设计与实现适合机器人软件通信的发布订阅通信中间件，同时为xenomai实时用户线程与Linux普通用户线程提供相同的功能与接口。本文分析了发布订阅通信模型在机器人软件通信中的适用性，采纳发布订阅通信作为机器人软件通信中间件的通信模型。从源代码层级深入分析了xenomai双内核实时化方案的实现原理。根据不同的通信规模（线程间通信、进程间通信和多机间通信）分别设计不同的通信方法。设计红黑树结合哈希表

7、的方法存储用户线程与主题连接的信息，能够方便、快速地进行插入、删除和更新信息操作，动态地更新信息。使用环形消息队列封装管理用户缓冲区和用于进程间通信的共享内存。实现在用户环形缓冲区的无锁通信，在环形共享内存的读写中使用CAS无锁技术同步。使用xenomai实时任务构建机器人软件通信中间件，提高机器人软件通信的效率。使用心跳机制和日志备份机制监控中间件的运行状态，保证中间件的运行安全。最后设计合理的测试实验，对本文设计与实现的发布订阅机器人通信中间件与国内外具有代表性的机器人中间件、机器人通信中间件以及通信中间件（ROS、LCM、ACH和OROCOS）