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| 編輯推薦： |
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本书介绍如何面向不确定环境设计嵌入式控制系统，主要内容包括基于Linux的系统设计、基于模型的仿真以及xPC-Target系统设计，包含各种实际系统的应用。全书共7章，其中：第1章介绍嵌入式系统的设计；第2章讨论使用基于Linux的嵌入式系统设计以及基于Linux的系统在水下航行器上的实现和测试；第3章介绍水下航行器嵌入式系统的建模与仿真；第4章介绍如何使用xPC-Target进行嵌入式系统原型设计和测试；第5~7章分别介绍PIC、ARDUINO和树莓派在实际应用中的使用。
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| 內容簡介： |
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工业机器、汽车、飞机、机器人和机械装置上都可能使用嵌入式系统。本书研究了远程控制的水下航行器（ROV），特别是水下机器人航行器（URV），它们具有广泛的应用，比如用于海洋探索、环境监测以及为极 端环境中的行动提供支持。书中详细阐述了嵌入式系统的设计、开发方法，从最初的概念（机械和电气）到建模和仿真（数学关系），再到创建图形用户界面（软件）及其实际执行（机电一体化系统测试），从而实现对机器人航行器的控制，为使用标准PC硬件（包括Linux、Raspbian、ARDUINO和MATLAB xPC-Target）的实时系统的原型开发、仿真、测试和设计提出新的解决方案。
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| 關於作者： |
曾庆祥
（Cheng Siong Chin）
英国纽卡斯尔大学新加坡分校（Newcastle University in Singapore）系统建模与设计专业副教授，中国重庆大学机械与运载工程学院客座教授，英国高等教育学会会士、IMarEST会士、IEEE和IET高级成员。曾就职于ST-Electronics 、Seagate、Soil Machine Dynamics（SMD）、Xylem、Global Foundries、SembCorp Marine、POSH等国际知名公司，长期从事机器人、海洋工程、能源系统和声学等领域智能系统建模和复杂系统仿真的研究，取得丰硕成果。
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| 目錄：
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译者序
前言
致谢
第 1 章 绪论 1
1.1 嵌入式系统概述 1
1.2 基于 Athena III PC104 的嵌入式
系统示例 2
1.3 基于 ARDUINO 的嵌入式系统
示例 3
1.4 基于树莓派的嵌入式系统示例 5
1.5 基于 PIC 的嵌入式系统示例 5
1.6 动机 6
1.7 嵌入式系统原型的系统设计方法 8
参考文献 11
第 2 章 基于 Linux 的嵌入式系统
设计 13
2.1 Linux 操作系统 13
2.2 为嵌入式系统构建 Linux 环境 15
2.3 Linux 中的程序设计 20
2.4 系统设计与架构 21
2.4.1 主进程设计 23
2.4.2 传感器进程设计 27
2.4.3 传感器融合线程设计 28
2.4.4 控制进程设计31
2.4.5 执行器驱动程序设计 31
2.4.6 网络通信线程设计 32
2.5 控制系统组件的测试 33
2.5.1 惯性测量单元33
2.5.2 DVL 传感器单元 38
2.5.3 图像视频单元41
2.5.4 深度传感器单元 44
2.6 卡尔曼滤波器 46
2.7 图形用户界面 49
参考文献 53
第 3 章 嵌入式水下航行器系统的
建模与仿真 54
3.1 概述 54
3.2 ROV 概览 54
3.3 ROV 动力学建模 55
3.3.1 水动力阻尼模型 57
3.3.2 水动力附加质量模型 62
3.4 实验结果验证 66
3.4.1 升沉模型辨识66
3.4.2 偏航模型辨识69
3.5 ROV 模型仿真 73
3.6 仿真 ROV 模型的外部扰动 78
3.7 布放和回收过程模型 80
3.8 控制系统设计 81
3.8.1 滑模控制 82
3.8.2 面向 SMC 的模糊遗传算法 83
3.8.3 PID 方法 90
3.9 ROV 海上实验 93
参考文献 95
第 4 章 xPC-Target 嵌入式系统
设计 97
4.1 概述 97
4.2 用于仿真测试的硬件接口概览 99
4.3 硬件接口 100
4.4 使用 xPC-Target 进行硬件在环
测试 108
4.4.1 使用台式机作为目标 PC 创建
xPC-Target 实时内核 109
4.4.2 使用 Athena II-PC104 作为目标
PC 创建 xPC-Target 实时
内核
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| 內容試閱：
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嵌入式控制系统的快速原型设计主要受系统配置、规格和操作系统的限制，而介绍如何从最初的概念（机械和电气）、建模和仿真（数学关系）、图形用户界面（软件）到实际应用（机电系统测试）的嵌入式系统书籍十分缺乏。因此，在设计阶段处理物理机电系统设计部分时，难以实现控制系统的设计。
不管是在当前的文献中还是在工业应用中，都有许多有趣的机电系统。在水下机器人航行器（URV）等海洋车辆上的应用反映了机电系统的多学科性质，即将各种独立工程学科的数学方面统一起来。水下机器人航行器的应用范围非常广泛，例如探索海洋的极端深度、采集从食物到石油的各种资源、监测环境、支持国防行动、运输货物以及支持娱乐活动。此类系统大多在极端环境下运行，面临着巨大的静水压力、强大的作用力、电子设备的不良影响以及电磁信号的高衰减等挑战。系统的人机交互和实际应用使嵌入式系统的设计过程变得复杂。对于传感器平台的监控和开发方法也有强烈的需求，以便在原型阶段和实际实施中开发出更智能、更高效的系统。此外，本书还演示了其他面临类似问题的用于真空清洁的陆地机器人和用于检查的爬壁机器人，介绍了在磁悬浮式输送系统、温度监测、人脸识别以及在不确定环境中利用摄像机和振动传感器进行的视觉检测等方面的应用。
为了实现更高效、可持续的嵌入式控制系统设计，通常使用低成本的微控制器为典型的机器人系统构建运动控制系统。虽然位置控制很容易实现，但更高级的控制应用超出了微控制器的能力，例如在水下实现不同的速度和位置控制的算法、信息流和实时性要求等。上述控制系统由 ADC、DAC、SBC 或与工作站 / 主机 PC 连接的 DSP 组成。通常，还需要实时操作系统，如 QNX、UNIX 或 RT-Linux。在这些系统中，需要做大量的工作来处理硬件之间的接口代码、驱动程序和通信。尽管这种系统更具成本效益和计算效率，特别是对于基于 Linux 的操作系统，但与控制系统设计相比，它通常需要更多计算机工程和底层编程方面的专业知识。因此，用于计算机编程的时间随着分配给控制算法设计的大量时间的减少而增加。
基于此，本书提出了基于 MathWorks 的 xPC-Target 使用标准 PC 硬件进行原型设计、仿真、测试和部署实时系统的方法。xPC-Target广泛应用于汽车系统设计、过程控制、振动控制、控制工程教学以及机器人系统等领域。当然，使用基于 Linux 的操作系统的传统设计以及
PIC-Microchip、ARDUINO 和树莓派的使用在本书中也有介绍。
本书是为寻求开发易于控制的嵌入式系统的应用程序的读者准备的。内容的选择以使工程师或学生能够处理嵌入式系统设计的基本目标为指导。本书可以作为基于 Linux 的嵌入式系统、xPC-Target、PIC-Microchip、ARDUINO 和树莓派的入门课程的教材、参考书或实验练习材料。有关 MATLAB 和 xPC-Target 的更多信息，可参考相应软件包中的帮助文档、手册和在线资源。
本书内容分为七章，并附有部分程序代码。主要内容包括基于 Linux 的系统设计、基于模型的仿真以及 xPC-Target 系统设计。书中还包含各种实际系统的应用，如水下机器人航行器、爬壁机器人、磁悬浮式输送系统、温度监测、人脸识别以及在不确定环境中利用摄像机和振动传感器进行的视觉检测等方面的应用。由于不可能在每一章中涵盖所有主题，因此各章将重点介绍嵌入式系统设计过程中涉及的内容。本书采用的软件工具包括 Ubuntu/Fedora， Python，Qt，MATLAB/Simulink，以及来自 PIC-Microchip、ARDUINO 和树莓派的其他开源软件开发工具包。
●第 1 章介绍嵌入式系统的设计。
●第 2 章讨论使用基于 Linux 的操作系统和系统架构设计方法进行嵌入式系统设计的软件及配置，以及基于 Linux 的系统在水下航行器上的实现和测试。
●第 3 章介绍嵌入式水下航行器系统的建模与仿真。
●第 4 章演示如何使用 xPC-Target 进行嵌入式系统原型设计和测试。
●第 5 章介绍 PIC 在实际应用中的使用。
●第 6 章展示 ARDUINO 在实际应用中的使用。
●第 7 章演示树莓派在实际应用中的使用。
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