嵌入式技术与微小型机器人
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。
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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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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？
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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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。
• • • • 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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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Fra bibliotek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
• 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。
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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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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）
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。
嵌入式技术研究的应用
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• 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。
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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。
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)
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）。
–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）