Το πρότυπο IEC61499 ορίζει το Function Block ως νέο τρόπο ανάπτυξης συστημάτων ελέγχου και αυτοματισμού. Τα συστήματα αυτά αποτελούνται από κατανεμημένες, ενσωματωμένες συσκευές οι οποίες διασυνδέονται μέσω βιομηχανικών δικτύων πραγματικού χρόνου. Λόγω του κατανεμημένου χαρακτήρα των συστημάτων αυτών, η εύρεση και επιδιόρθωση σφαλμάτων και ο έλεγχος της ορθής λειτουργίας τους θα πρέπει να γίνεται στο περιβάλλον των ενσωματωμένων αυτών συστημάτων. Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής δίνεται μία υλοποίηση για την κάλυψη της παραπάνω ανάγκης. Ο χρήστης μέσω μίας γραφικής διεπαφής, έχει την δυνατότητα να εκτελεί βασικές λειτουργίες απασφαλμάτωσης στο περιβάλλον των ενσωματωμένων συστημάτων, σε πραγματικό χρόνο, με την χρήση του RTAI και του RTnet. / The IEC 61499 standard defines Function Block as a new way of developing control and automation systems. These systems consist of distributed embedded devices which interconnect via real time industrial networks. Due to the distributive character of these systems, debugging and operation integrity check, should be done on target environment. This dissertation provides a tool for covering this need. Via a graphical user interface the user has the ability to perform basic real time debugging operations in the target enviroment, using RTAI and RTnet.

Η παρούσα διπλωματική εργασία αναφέρεται στην μέτρηση και την καταγραφή της επιτάχυνσης ενός αντικειμένου. Μετράται η επιτάχυνση και στους τρεις άξονες και η μέτρηση γίνεται μέσω ενός ενσωματωμένου συστήματος, το οποίο είναι βασισμένο στην οικογένεια μίκρο-επεξεργαστών STM32 της εταιρίας ST Microelectronics. Συγκεκριμένα, το σύστημα είναι ο microcontroller STM32-103STK της εταιρίας Olimex, ο οποίος προγραμματίζεται κατάλληλα για τον σκοπό αυτό. Έτσι, αφού περιγραφούν οι ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά του προαναφερθέντος συστήματος και των περιφερειακών συσκευών που το πλαισιώνουν, περιγράφονται κάποιες από τις διαθέσιμες σουίτες εφαρμογών που διατίθενται για την ανάπτυξη ενσωματωμένων εφαρμογών. Στην συνέχεια παρουσιάζεται η μεθοδολογία πάνω στην οποία στηρίχθηκε η ανάπτυξη της ενσωματωμένης εφαρμογής. Συγκεκριμένα, ο προγραμματισμός του συστήματος προϋποθέτει την ανά τακτά χρονικά διαστήματα μέτρηση των τιμών επιτάχυνσης στους τρεις άξονες. Οι τιμές αυτές της επιτάχυνσης, αφού εγγραφούν στην οθόνη για να γίνουν ορατές στον χρήστη, αποθηκεύονται σε μία κάρτα τύπου SD (Secure Digital). / This diploma thesis is about measuring and recording an object’s acceleration. The measurement is performed via an embedded system based on the STM32 MCU family made by ST Microelectronics. Specifically the system is the STM32-103STK micro controller made by Olimex. At the beginning of this thesis, the description of the main attributes and features of STM32 processor are stated, and then the available development environments for building and debugging embedded applications. Next the methodology used to develop the embedded application is described. Specifically, the system is programmed to measure the 3-axis applied acceleration and after presenting the values through the monitor, it stores them into a SD (Secure Digital) card.

Η Real time Specification of Java (RTSJ) ξεπερνάει τους περιορισμούς της Java που την κρίνουν ακατάλληλη για την ανάπτυξη συστημάτων πραγματικού χρόνου. H Real Time Java έχει ήδη χρησιμοποιηθεί στην ανάπτυξη βιομηχανικών συστημάτων ελέγχου με θετικά αποτελέσματα. Ωστόσο, η ευρεία χρήση στην ανάπτυξη εφαρμογών του πεδίου αυτού περιορίζεται σημαντικά από το γεγονός ότι οι μηχανικοί συστημάτων ελέγχου δεν είναι εξοικοιωμένοι με τις σύγχρονες τεχνολογίες ανάπτυξης λογισμικού. Το IEC61499 RTSJ-Based Framework, το οποίο παρουσιάζεται και επεκτείνεται στην παρούσα διπλωματική εργασία αξιοποιεί το νέο IEC61499 πρότυπο, το οποίο είναι βασισμένο στην έννοια του Function Block. Το framework αυτό επιτρέπει στον μηχανικό συστημάτων ελέγχου να δουλέψει στο επίπεδο σχεδίασης χρησιμοποιώντας την ευρέως διαδεδομένη έννοια του FB, εκμεταλλευόμενος το αυτόματα παραγόμενο Real time Java μοντέλο υλοποίησης του συστήματος. Στην παρούσα διπλωματική εργασία αρχικά παρουσιάζονται οι επεκτάσεις που προσφέρει το RTSJ στην standard Java ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Στην συνέχεια παρουσιάζεται το IEC61499 RTSJ-Based Framework και οι επεκτάσεις που έγιναν σε αυτό, ώστε να μπορεί να υποστηριχθεί η ανάπτυξη κατανεμημένων εφαρμογών. Ακολουθεί η ανάλυση της απόδοσης του περιβάλλοντος εκτέλεσης του framework και η περίπτωση χρήσης ενός συστήματος γραμμής παραγωγής, του Festo MPS. / The Real Time Specification of Java (RTSJ) addresses successfully the limitations of Java that make it inappropriate for the development of real time applications.Many positive experiences of using Real Time Java in the control and automation domain have already been reported so far.In spite of the many positive results, the wide use of Java in control and automation domain is prohibited due to the fact that the control engineers are not familiar with current software engineering technologies. The IEC61499 RTSJ-Based Framework, that is presented and extended in the context of this thesis exploits the new IEC61499 standard that is based on the Function Block(FB) concept.This framework allows the control engineer to work in the design level using the already widely accepted concept of FB and transparently use real-time Java for the implementation model of the system. In this thesis the extensions that the RTSJ provides to standard Java are initially presented.Next, the IEC61499 RTSJ-Based Framework is presented as well as the extensions that were added in the context of this thesis in order to support the development of distributed applications.In addition, the performance analysis of the framework's run-time environment is presented as well as the case study of a modular production system the Festo MPS

Τα τελευταία χρόνια τα ενσωματωμένα συστήματα πραγματικού χρόνου χρησιμοποιούνται σε ολοένα μεγαλύτερη γκάμα εφαρμογών. Κινητά τηλέφωνα, συσκευές αναπαραγωγής ψηφιακών δίσκων, εκτυπωτές, ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, αποτελούν λίγα παραδείγματα συσκευών που χρησιμοποιούν την τεχνολογία των ενσωματωμένων συστημάτων. Στην παρούσα διπλωματική εργασία ερευνήθηκαν οι δυνατότητες αξιοποίησης του Real-Time Linux σε ενσωματωμένα συστήματα. Μελετήθηκε διεξοδικά ο πυρήνας του λειτουργικού συστήματος Linux και ο αλγόριθμος χρονοδρομολόγησης που χρησιμοποιεί. Αναζητήθηκαν τρόποι μετατροπής του Linux σε λειτουργικό σύστημα για συστήματα πραγματικού χρόνου. Για το σκοπό αυτό, μελετήθηκε η έννοια του πραγματικού χρόνου όσον αφορά την κατασκευαστική διάσταση του συστήματος και το πρόγραμμα της εφαρμογής. Μια κατηγορία συστημάτων παραγματικού χρόνου είναι τα λειτουργικά συστήματα με δυνατότητες πραγματικού χρόνου. Αυτά οργανώνουν και καθορίζουν την χρήση των πόρων των συστημάτων ώστε να είναι ιδανική για εφαρμογές πραγματικού χρόνου πέρα από το περιβάλλον για ανάπτυξη και εκτέλεση των προγραμμάτων που παρέχουν. Γίνεται αναφορά στην έννοια της πολυεπεξεργασίας (multiprocessing), της χρήσης δηλαδή δύο ή και παραπάνω κεντρικών μονάδων επεξεργασίας (CPU) σε ένα υπολογιστικό σύστημα. Λόγω της αύξησης της θερμοκρασίας στα ηλεκτρονικά κυκλώματα με την αύξηση των ταχυτήτων ρολογιού στις κεντρικές μονάδες επεξεργασίας και την μείωση του μεγέθους των ηλεκτρονικών, η ταχύτητα του ρολογιού αλλά και η μείωση του μεγέθους περιορίζονται ώστε να υπάρχει αντοχή στις θερμοκρασίες που αναπτύσσονται. Το γεγονός αυτό σε συνδυασμό με την ιδέα του multiprocessing οδήγησε στην ιδέα των πολλαπλών ανεξάρτητων πυρήνων ανά κεντρική μονάδα επεξεργασίας (multicore systems) για βελτίωση της αποδοτικότητας, ακόμα και των συστημάτων ευρείας κατανάλωσης. Η διαφορά των πολυπύρηνων (multicore) συστημάτων με τα multiprocessing συστήματα, έγκειται στην συνύπαρξη των πυρήνων σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα (chip) αντί για πολλές κεντρικές μονάδες επεξεργασίας και η ομοιότητα τους, στο ότι ουσιαστικά τα multicore συστήματα εξομοιώνουν λειτουργίες πολυεπεξεργασμού. Πλεόν, πολλά ενσωματωμένα συστήματα διαθέτουν πολυπύρηνους επεξεργαστές καθιστώντας απαραίτητη την ανάπτυξη λειτουργικών συστημάτων πραγματικού χρόνου που να αξιοποιούν στο έπακρο τις δυνατότητες τους. Δοκιμάστηκε και αξιολογήθηκε η επέκταση ASMP-Linux που αποτελεί έναν τρόπο μετατροπής του Linux σε λειτουργικό σύστημα πραγματικού χρόνου. Το ASMP-Linux αξιοποιεί τις ικανότητες πολυεπεξεργασίας ενός συστήματος με τη δυνατότητα δημιουργίας διαμερισμάτων πραγματικού χρόνου σε κάθε στοιχείο επεξεργασίας. Αναπτύχθηκε εφαρμογή αξιολόγησης σε γλώσσα προγραμματισμού C. Τα αποτελέσματα μελετήθηκαν διεξοδικά μέσω γραφημάτων και εξαγωγής στατιστικών μέτρων όπως η μέση τιμή και η τυπική απόκλιση. Μελετήθηκε η περίπτωση χρήσης της εφαρμογής ελέγχου του Festo MecLab, που αναπτύχθηκε από τον διδακτορικό φοιτητή Γεώργιο Δούκα. Το Festo MecLab αποτελεί μια προσομοίωση γραμμής παραγωγής με σταθμούς στοίβαξης, μεταφοράς και χειρισμού. Η εφαρμογή ελέγχου εκτελέστηκε επιτυχώς στο λειτουργικό σύστημα πραγματικού χρόνου ASMP-Linux και περιγράφεται στο παράρτημα Α. Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας εκτελέστηκε στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης μέσω του προγράμματος Erasmus project που αφορά την ανίχνευση και χρονοσφράγιση προγραμμάτων ενσωματωμένων συστημάτων. H τεχνική αναφορά του project παρατίθεται στο παράρτημα Β. / In recent years, embedded real time systems are used in an increasingly wider range of applications. Mobile phones, compact discs players, printers, digital cameras, are a few examples of devices using the technology of embedded systems. This thesis investigated the possibilities of Real-Time Linux in embedded systems. The kernel of the Linux operating system and its scheduling algorithm was studied in detail. Ways of making Linux a real time operating system were sought. For this purpose, the essence of real time on the construction aspect of the system and the program application was studied. A class of real time-systems is real time operating systems. They organize and determine the use of resources systems that are ideal for real-time applications over the development environment and implementation of programs. The concept of multiprocessing, ie the use of two or more central processing units (CPU) on a computer system was also studied. Due to the increasing temperatures in electronic circuits and the reducing size of electronics, a limit in the reducing size is set, in order to withstand high temperatures. This, coupled with the idea of multiprocessing led to the idea multiple independent cores per CPU (multicore systems) to improve efficiency, even that of large-scale consumption. The difference between multi-core and multiprocessing systems is the coexistence of cells in an integrated circuit (chip) instead of several CPU's and their similarity is that multicore systems implement multiprocessing functions. Moreover, many embedded systems have multi-core processors making it necessary to develop real-time operating systems to exploit their full capabilities. We tested and evaluated the ASMP-Linux patch, which is a way of converting Linux operating system in a real time operating system. The ASMP-Linux fully exploits the capabilities of a multiprocessing system by adding the ability to partition the operating system in real time partitions on each independent core/CPU. An assesment application was developed in the C programming language. The results have been studied extensively through graphs and statistical measures such as mean and standard deviation. We studied the use of a control application of the Festo MecLab, developed by the doctoral student George Doukas. The Festo MecLab is a production line simulation that implements functions such as stacking, transport and handling. The control application was executed successfully in the real-time operating system ASMP-Linux and is described in Annex A. As part of this thesis a project on the detection and timestamping programs of embedded systems was performed at the Technical University of Vienna via the Erasmus program. A technical report of the project is given in Annex B.

Ένα rover όπως το Sojourner είναι, ή τουλάχιστον περιέχει μέσα του, ένα ενσωματωμένο σύτημα. Με τον όρο ενσωματωμένο σύστημα εννοούμε κάθε υπολογιστικό σύστημα το οποίο είναι σχεδιασμένο να εκτελεί συγκεκριμένες λειτουργίες για τον έλεγχο ενός μεγαλύτερου και ευρύτερου συστήματος. Πρόκειται λοιπόν για ένα σύστημα που εξυπηρετεί έναν εξειδικευμένο σκοπό σε αντίθεση π.χ. με τους προσωπικούς υπολογιστές, που είναι γενικού σκοπού. Ένα τέτοιο ενσωματωμένο σύστημα επιχειρήσαμε να κατασκευάσουμε στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής εργασίας, για να μπορέσουμε να ελέγξουμε ένα δικό μας όχημα. Το όχημα μας και το γενικότερο θέμα της διπλωματικής έχει ως πρότυπο το Sojourner, το πρώτο όχημα που κινήθηκε στην επιφάνεια του Άρη, και στο βαθμό που είναι εφικτό θα το αναπαράγουμε. Σε αυτό το σημείο είναι καλό να επισημάνουμε ότι παρά την ιδιαίτερη πηγή έμπνευσης αυτής της εργασίας, οι εφαρμογές που έχει ένα rover δεν περιορίζονται στη πλανητική εξερεύνηση. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε κάθε περίπτωση όπου η πρόσβαση για τον άνθρωπο είναι δύσκολη ή επικίνδυνη. Ένα κατάλληλα εξοπλισμένο rover για παράδειγμα μπορεί να αντικασταστήσει τα μάτια και τα χέρια του ανθρώπου στο εσωτρικό ενός πυρηνικού αντιδραστήρα ή ενός ηφαιστείου, όπου οι συνθήκες καθιστούν την ανθρώπινη παρουσία αδύνατη. Μια άλλη περίπτωση όπου ένα rover είναι χρήσιμο πάνως στη γη είναι σε αποστολές διάσωσης ανθρώπων σε συντρίμια κτηρίων όπου η απόκτηση εικόνας είναι δύσκολη. Εκτός αυτού οι δομές που θα υλοποιήσουμε και το hardware που θα χρησιμοποιήσουμε, είναι βασικές για κάθε ενσωματωμένο σύστημα. Οπότε πολλά επιμέρους κομμάτια της εργασίας έχουν αξία αφ’εαυτού τους. Για παράδειγμα η υλοποίηση ενός συστήματος ασύρματης επικοινωνίας έχει ευρύτατες εφαρμογές σήμερα. Το ίδιο ισχύει και για ένα λειτουργικό συστήμα που θα καλύπτει real time περιορισμούς, κάτι απαραίτητο για τη πλειοψηφία των ενσωματωμένων συστημάτων. Από αυτά γίνεται αντιληπτή η σημασία που έχει ο σχεδιασμός και η κατασκευή του οχήματος μας. Οι δυνατότητες που θέλουμε να έχει το δικό μας όχημα κινούνται στα 5 σημεία που αναφέραμε ότι είναι κοινά σε όλα τα rovers. Φυσικά κάποια στοιχεία όπως εξειδικευμένα επιστημονικά εργαλεία, τα οποία συλλέγουν δείγματα, δεν θα ενσωματωθούν. Δεν θα ενσωματωθούν ούτε μηχανισμοί προστασίας, προφανώς, από τις δύσκολες συνθήκες ( ακραίες θερμοκρασίες, ακτινοβολία ) που επικρατούν στο διάστημα και σε ξένους πλανήτες. Επίσης αν και θα προστεθεί ένας μηχανισμός ανίχνευσης εμποδίων, ώστε το σύστημα να γίνει αυτόνομο, δεν θα γίνει καμία αναφορά σε αυτό, στο παρών έγγραφο, καθώς αποτελεί αντικείμενο του δευτέρου μέρους αυτού του εγχειρήματος και κομμάτι άλλης διπλωματικής εργασίας. Ο στόχος λοιπόν αυτής της διπλωματικής είναι να κατασκευαστεί το όχημα με μία βασική λειτουργικότητα. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι θα χρειαστεί, πρώτον να δημιουργήσουμε ή να προμηθευτούμε τα μηχανικά μέρη που θα αποτελέσουν το σκελετό του οχήματος και να τον συνθέσουμε και δεύτερον να επιλεγεί το hardware που θα με το σωστό προγραμματισμό θα δίνει στο όχημα μας τις δυνατότητες που θέλουμε. Θα χρειαστεί δηλαδή να σχεδιάσουμε ένα βασικό λειτουργικό σύστημα που θα καλύπτει τις όποιες ανάγκες και περιορισμούς μας. Στο τέλος θα έχουμε ένα όχημα το οποίο θα μπορούμε να ελέγχουμε ασύρματα από έναν υπολογιστή. Το όχημα αυτό θα έχει τις βάσεις, είτε όσον αφορά το hardware, είτε όσον αφορά το software, ώστε να είναι δυνατή η προσθήκη επιπλέον υλικού, εξαρτημάτων και υπολογιστικών διεργασιών. / The aim of this diploma thesis is the creation of embedded system based on a 8086 microprocessor for the purpose of operating a vehicle and remotely controlling it through ZigBee PRO network.

Η εργασία αυτή ερευνά την σχεδίαση ενός σύγχρονου μικροϋπολογιστικού συστήματος βασισμένο σε επεξεργαστή ARM COrtex-M3. Στα πλαίσια αυτής της σχεδίασης έγινε μελέτη των συσκευών που είναι απαραίτητες για την λειτουργία ενός παλμογράφου, και σχεδιάστηκε λογισμικό προσέγγισης της λειτουργίας των βασικών περιφερειακών του. Επιπλέον, γίνεται μια ανάλυση ενός συστήματος απεικόνισης γραφικών, χωρίς την χρήση του μικροελεγκτή, και ποιοτικός σχεδιασμός του συστήματος αυτού. Τέλος, εξάγονται συμπεράσματα για πολυπλοκότητα του σχεδίου και σχολιάζονται οι συμβιβασμοί που είναι απαραίτητοι για την υλοποίηση ενός συστήματος πραγματικού χρόνου. / This thesis analyzes the design of a modern microprocessing system based on an ARM Cortex-M3 microcontroller. For the implemantation of the design thorough research on the necessary peripherals of an oscilloscope is presented and several applications simulating the behavior of its basic functions via its peripherals. Furthermore, a qualitative design is created on a potential graphical processing system, able to fulfill all of the tasks needed to depict on-screen, without burdening the central processor. Conclusions are drawn on the complexity of the design and the tradeoffs of designing a realtime system.

Η εργασία που παρουσιάζεται αφορά την ανάπτυξη ενός ενσωματωμένου συστήματος σε πολλαπλές επαναπρογραμματιζόμενες συσκευές (FPGAs), η επικοινωνία των οποίων γίνεται με τη χρήση του πρωτόκολλου επικοινωνίας TCP/IP. Αρχικά ορίστηκε σε κάθε επαναπρογραμματιζόμενη συσκευή, ένας ενσωματωμένος επεξεργαστής ΜicroBlaze, που ακολουθεί αρχιτεκτονικά την τεχνολογία RISC. Για την κατασκευή της TCP/IP συνδεσιμότητας, αναπτύθηκε σε κάθε core το απαιτούμενο λογισμικό σε γλώσσα προγραμματισμού C, με τη χρήση του open source πρωτοκόλλου επικοινωνίας Light Weight IP. Το συγκεκριμένο πρωτόκολλο είναι ειδικά κατασκευασμένο για σχεδίαση ενσωματωμένων συστημάτων και οι δυνατότητες του οδήγησαν στην ανάπτυξη λογισμικού, προσαρμοσμένο στις απαιτήσεις της ΤCP επικονωνίας και των διαθέσιμων πόρων του επιλεγμένου ενσωματωμένου επεξεργαστή. Η μεταφορά δεδομένων μεταξύ των FPGAs, πραγματοποιήθηκε με την σύνδεση των boards σε έναν μεταγωγέα επιπέδου ζεύξης(Ethernet switch) και Ethernet καλωδίων επικοινωνίας. Ακολούθως, σε κάθε core υλοποίηθηκε σχεδίαση υλικού, η οποία ενσωματώθηκε στο υπόλοιπο υλικό μέσω του διαύλου επικοινωνίας του MicroBlaze επεξεργαστή, με τη μορφή ενός περιφεριακού IP core. Για την επικοινωνία του επιπρόσθετου υλικού με το ενσωματωμένο λογισμικό, χρησιμοποιήθηκαν μηχανισμοί υλικού όπως ουρές δεδομένων εισόδου και εξόδου. Mε αυτόν τον τρόπο, κατέστη δυνατή η ανάπτυξη ενός μηχανισμού που περιλαμβάνει την αποστολή δεδομένων από το κομμάτι του λογισμικού στο υλικό, τη λήψη των δεδομένων από την custom περιφερειακή λογική, την επεξεργασία τους στο κομμάτι του υλικού, την ανάγνωση τους από το λογισμικό και την μετάδοση τους μέσω TCP/IP σύνδεσης σε ένα άλλο αναπτυξιακό, το οποίο μπορεί με τον ίδιο μηχανισμό να επεξεργαστεί τα ληφθέντα δεδομένα. Συμπερασματικά , με έναν αρκετά συμβατό τρόπο , γίνεται εφικτή η κατανομή οποιασδήποτε λογικής σχεδίασης, σε κομμάτια υλικού, τα οποία έχοντας ενσωματωθεί σε ξεχωριστά αναπτυξιακά boards, έχουν τη δυνατότητα να μεταφέρουν και να επεξεργάζονται δεδομένα μεταξύ τους, με χρήση ενός μηχανισμού λογισμικού, υπεύθυνο για τη διαμόρφωση της TCP επικοινωνίας. / This paper presents the development of an embedded system in multiple fpgas, which communicate with each other using ΤCP/IP communication protocol. Initially, a RISC-based embedded MicroBlaze Processor was set, at each device. In order to construct the TCP/IP connectivity, the required software part was developed at each core in programming language C, using the open source communication protocol Light Weight IP. This specific protocol is developed especially for embedded system design and its capabilities allow the construction of a software application, tailored to the requirements of a ΤCP communication and the available resources of the chosen embedded core. The data transfer between the FPGAs, was made with the use of an Ethernet Switch. Each FPGA was connected to an Ethernet switch port via a two directional Ethernet cable. Subsequently, a hardware design was developed at each core, and the custom logic was connected to the MicroBlaze processor local bus as a custom ΙP core peripheral. The communication between the additional hardware part and the embedded software was established with the use of first-in-first-out hardware components for the inputs and outpus of the ΙP core. This led to a successful developed mechanism which includes the transfer of data from software to hardware, the data processing in hardware design, the software reading of the processed data, and finally the data transmission to another FPGA Βoard via TCP/IP communication. In conclusion, a hardware design distribution in multiple FPGAs can be made in a convetional way. The hardware parts, which are embedded in different boards, are able to process, send and receive data across the network, using the appropriate software which is responsible for the configuration of the TCP/IP communication.

Η παρούσα διπλωματική εργασία περιγράφει τη διαδικασία της μελέτης, του σχεδιασμού και και της υλοποίησης μίας συσκευής ανάγνωσης ηλεκτρονικών βιβλίων (e-book reader). Στόχος μας είναι η κατασκευή ενός ολοκληρωμένου ενσωματωμένου συστήματος υλικού και λογισμικού, το οποίο θα επιτελεί τον παραπάνω ρόλο. Αρχικά, θα περιγράψουμε τον γενικό σχεδιασμό του συστήματος και θα γίνει μία εισαγωγή στο υλικό της αναπτυξιακής πλατφόρμας A13-OlinuXino-MICRO και στην αρχιτεκτονική ARM του επεξεργαστικού της πυρήνα. Στη συνέχεια, θα ασχοληθούμε με τη διασύνδεση της οθόνης της συσκευής στην παραπάνω πλατφόρμα και με το σχεδιασμό του κυκλώματος φορητής τροφοδοσίας του συστήματος. Στο δεύτερο μισό της εργασίας, θα μελετήσουμε το κομμάτι του λογισμικού. Θα δούμε πώς γίνεται να ρυθμίσουμε σωστά ένα αναπτυξιακό περιβάλλον, για τη δημιουργία εκτελέσιμου κώδικα με στόχο υπολογιστικά συστήματα αρχιτεκτονικής ARM. Χρησιμοποιώντας το περιβάλλον αυτό, θα δημιουργήσουμε το λειτουργικό σύστημα της συσκευής μας, το οποίο βασίζεται στον πυρήνα Linux. Τελικώς, γίνεται ο προγραμματισμός της εφαρμογής ανάγνωσης των αρχείων e-book. / This diploma thesis describes the process of researching, designing and assembling an e-book reader device. Our aim is to develop a complete embedded system, using the necessary hardware and software. First of all, there is an introduction to the development platform's hardware (A13-OlinuXino-MICRO) and the ARM architecture of the processing core, in general. Next, a description of the display's interface is taking place, along with the way it is interconnected to the rest of the system's hardware. After that, we focus on the implementation of the portable power supply circuit. In the second half, the research is shifted towards the system's software. The proper way of setting up a cross-compilation development environment, targeting ARM systems, is described. Using this environment, we are going to end up with the operating system of the target platform, which is based on the Linux kernel. Finally, the last thing to consider is the programming process of the e-book reading application.

Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής είναι η μοντελοποίηση, ο έλεγχος και η κατασκευή ενός επίπεδου ρομποτικού φιδιού βασισμένο σε υπολογιστικώς ανεξάρτητα μέρη τα οποία επικοινωνούν μέσω ασύρματου δικτύου \eng{Wifi} μεταξύ τους, καθώς και με εξωτερικές συσκευές για σκοπούς τηλεχειρισμού. Η κατασκευή βασίζεται στα ενσωματωμένα υπολογιστικά συστήματα \eng{Overo} της εταιρίας \eng{Gumstix}. Στόχος της διπλωματικής είναι η υλοποίηση της κίνησης του πλευρικού κυματισμού του φιδιού στο επίπεδο και η μελέτη της αποδοτικότητας του καθώς και η αντιμετώπιση του προβλήματος ελέγχου του. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά στην ανάγκη της ανάπτυξης ρομπότ εμπνευσμένα απο βιολογικούς οργανισμούς, συγκεκριμένα φιδιών, τις εφαρμογές τους στον πραγματικό κόσμο, την σχετική δουλειά καθώς και την συνεισφορά της παρούσας εργασίας. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ανάλυση της δυναμικής του επίπεδου φιδιού και επεξηγείται η σημαντική εξάρτηση από τα διάφορα μοντέλα τριβής για την κίνηση του ρομπότ στο επίπεδο. Στο τρίτο κεφάλαιο αναλύεται το πρόβλημα ελέγχου και παρουσιάζονται προτεινόμενοι ελεγκτές για την κίνηση της πλευρικής κυμάτωσης, επεκταμένοι για σύγκλισης τροχίας καθώς και τα αποτελέσματα της προσωμείωσης με βάση τους συγκεκριμένους νόμους ελέγχου. Στη συνέχεια στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα διάφορα στάδια κατασκευής του ρομπότ από τον σχεδιασμό του σκελετού, στη λογική των ανεξάρτητων μελών,τα κατασκευαστικά μέρη κάθε μέλους, μέχρι την αρχιτεκτονική του προγραμματισμού του και του χειρισμού του. Τέλος,στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθονται τα πειραματικά αποτελέσματα και σχολιάζεται η απόδοση της κατασκευής. / The subject of this thesis is the modelling, control and development of a planar snake-like robot based on modular links that communicate to each other via a Wifi network, as well as to other devices in order to remote control it. The links are based on the embedded computer-on-module Overo from the company Gumstix. The aim of this thesis is the implementation of the lateral undulation locomotion of snakes on a planar surface and the study of its efficiency as well as to present a control method for it. The first chapter points out the need of developing robots based on various existing biological organisms, specifically snakes ,their applications to real-world problems, the related work and the contribution of the current thesis. The second chapter contains the dynamic analysis of planar snake robots and explains the strong dependence on friction models for the movement of snakes on planar surfaces. In the third chapter, a control law is proposed to achieve lateral undulation as well as an extension of it to achieve trajectory tracking and the simulation results based on these control laws are presented. The fourth chapter contains the various stages of the development of the snake robot, from the design of its body, to the concept of modular links, to the programming architecture of them and their remote control. Finally, the fifth chapter presents the experimental results and comments on the efficiency of the developed robot.

H συγκεκριμένη διπλωματική εργασία αποτελεί συνέχεια μιας σειράς διπλωματικών εργασιών οι οποίες είχαν ως πηγή έμπνευσης το ρομποτικό όχημα (robot rover) Sojourner το οποίο είχε σταλθεί στον πλανήτη Άρη από τη NASA το 1997. Συγκεκριμένα είχε υλοποιηθεί παλαιότερα μια διπλωματική εργασία στην οποία σκοπός ήταν η κατασκευή ενός ενσωματωμένου συστήματος και του αντίστοιχου οχήματος που θα ελέγχεται στα πρότυπα του ρομποτικού οχήματος Sojourner, όσο αυτό είναι εφικτό. Πιο συγκεκριμένα είχε κατασκευαστεί ένα όχημα και είχε γίνει ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός ενσωματωμένου συστήματος βασισμένο στον επεξεργαστή της Intel 8086. Σκοπός στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία, είναι ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός ενσωματωμένου συστήματος, το οποίο θα στηρίζεται σε ένα πιο σύγχρονο υπολογιστικό σύστημα και ταυτόχρονα η υλοποίηση ενός μηχανισμού, με τον οποίο το όχημα θα μπορεί να ανιχνεύει στοιχειωδώς την ύπαρξη κάποιου πιθανού εμποδίου. Αρχικά επιλέχθηκε να υλοποιηθεί μηχανισμός στερεοσκοπικής όρασης προκειμένου να πραγματοποιείται η αναγνώριση πιθανού εμποδίου. Η επιλογή αυτή αποτέλεσε σημαντικό παράγοντα για τον μετέπειτα προγραμματισμό του συστήματος. Στη συνέχεια έγινε ο σχεδιασμός του ενσωματωμένου συστήματος και η επιλογή του hardware που το απαρτίζει. Οι επιλογές που έγιναν προσπάθησαν να αντισταθμίσουν τους παράγοντες κόστους και ταχύτητας. Το επόμενο βήμα αποτέλεσε η software υλοποίηση, δηλαδή ο προγραμματισμός του ενσωματωμένου συστήματος. Αρχικά υλοποιήθηκαν οι ρουτίνες για την κίνηση. Κατόπιν αναπτύχθηκε το πρόγραμμα που αφορά την στερεοσκοπική όραση και στο τέλος έγινε ο προγραμματισμός του radio module. Στη συνέχεια συνδυάστηκαν όλα τα παραπάνω μαζί ώστε να αποτελέσουν την τελική εφαρμογή. Στο τέλος πραγματοποιήθηκε η αξιολόγηση της επιλογής του υπολογιστικού συστήματος που χρησιμοποιήθηκε, καθώς και εξήχθησαν συμπεράσματα για πιθανές μελλοντικές προσθήκες και δυνατότητες. / This diploma thesis belongs to a series of diploma theses, which were inspired by NASA’s robot rover Sojourner which had been sent on Mars in 1997. Specifically, in an older diploma thesis, an embedded system was designed and implemented in order to move and control a vehicle, like it had been done with Sojourner, in a feasible degree. More specifically, a vehicle was constructed and an embedded system which was based on Intel 8086 processor was designed and implemented. The goal of this diploma thesis is the design and implementation of an embedded system which is based on a modern computer system. Moreover a mechanism for elementary locating a possible obstacle was implemented. In the first stage, stereo vision was chosen to be the process in which the vehicle would recognize a possible obstacle. That choice was a significant factor for the later system programming. Afterwards, the hardware that is used on the vehicle was chosen. Those choices tried to have a trade-off between cost and performance. The next step was the programming of the embedded system. This step consisted of three more steps. In the first step, movement functions which were responsible for moving the vehicle were programmed. Secondly, the program responsible for stereo vision was also written and the third step was the programming of the radio module which was used. Finally, all those three programs were combined in order to produce the final application. In the end, we assessed the choice of the computer system we used as well as the whole system and we reached on some conclusions. Also, some suggestions for future additions were introduced.