article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
2(98)/2014
Jordan Mężyk1, Piotr Przystałka 2, Wawrzyniec Panfil3, Wojciech Moczulski4
ZINTEGROWANE UKŁADY STEROWANIA
WIELOZADANIOWYCH ROBOTÓW MOBILNYCH
1. Wstęp
Na świecie znane są praktyczne aplikacje robotów mobilnych wspomagających
człowieka w realizacji niebezpiecznych misji. Jednym z wiądących producentów
robotów mobilnych jest firma iRobot posiadająca w swojej ofercie typoszereg robotów
do zastosowań specjalnych (FirstLook, SUGV, PackBot, Warrior) oraz niemniej znana
firma Remotec, wytwarzająca m.in. małego robota insopekcyjnego MiniAndros oraz
dużego robota Wheelbarrow. Na rynku europejskim dostępne są nastomiast komercyjne
wersje robotów: firmy Cybernetix, m.in. roboty interwencyjne RM35 i Castor, firmy
PW Allen-Vanguard, m.in. sześciokołowe roboty HOBO i Defender, firmy ABP m.in.
roboty Bison i Cyclops [2,6]. W kraju największym producentem robotów mobilnych
oraz systemów wielorobotowych jest Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów [8],
w którym wytwarzane są m.in.: komercyjne roboty pirotechniczne Inspector i Expert,
rozpoznawcze Scout, oraz pirotechniczno-rozpoznawcze IBIS. Ponadto warto tu
przypomnieć dwa międzynarodowe projekty badawcze, w których PIAP pełni rolę
koordynatora:
„Zintegrowany
mobilny
system
wspomagający
działania
antyterrorystyczne i antykryzysowe” – PROTEUS [9] oraz "Transportable Autonomous
Patrol for Land Border Surveillance System" – TALOS [10]. Przytoczone powyżej
projekty oraz aktualne trendy światowe pokazują [1,7], że coraz większe znaczenie
praktyczne znajdują systemy wielorobotowe oraz systemy autonomiczne. Ten
charakterystyczny sposób wykorzystania robotów mobilnych pociąga za sobą
konieczność projektowania układów sterowania oraz systemów informatycznych,
których jedną z funkcjonalności jest możliwość współdziałania robotów i operatorów w
grupie.
Obecny rozwój techniki i nauki w dziedzinie robotyki mobilnej umożliwia
tworzenie rozwiązań konstrukcyjnych robotów współdziałających w grupie w celu
wykonania wieloaspektowych misji [1]. Można zauważyć, że w dzisiejszych czasach,
grupy robotów coraz częściej wykorzystywane są podczas działań prowadzonych przez
różnego rodzaju służby mundurowe [2]. Jest to niezwykle istotne szczególnie w trakcie
wykonywania zadań, w których narażone jest zdrowie i życie człowieka. W tego typu
sytuacjach równoległe zastosowanie wielu robotów mobilnych pozwala na
skuteczniejszą i szybszą reakcję tych służb co przekłada się na wprowadzenie czynnika
zaskoczenia w trakcie realizacji misji. Wielozadaniowość i wielowątkowość (równoległa
praca) tego typu urządzeń mechatronicznych determinuje ciągły rozwój ich układów
sterowania, które spełniać muszą krytyczne wymagania formułowane w procesie
Dr inż. Jordan Mężyk, Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy w Radomiu
Dr inż. Piotr Przystałka, adiunkt w Instytucie Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej
3
Dr inż. Wawrzyniec Panfil, adiunkt w Instytucie Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej
4
Prof. dr hab. Wojciech Moczulski, z-ca dyrektora Instytutu Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki
Śląskiej
1
2
179
projektowania. Aktualnie, podczas projektowania należy brać pod uwagę nie tylko
konieczność uzyskania rozwiązania praktycznego z potencjałem wdrożeniowym, ale
również wymagane jest aby rozwiązanie to charakteryzowało się uniwersalnością,
modułowością oraz perspektywą rozwoju w kierunku systemów autonomicznych.
Niniejszy artykuł przedstawia efekty prac dotyczących warstwy fizycznej układów
sterowania robotów mobilnych do zastosowań specjalnych, które przeprowadzono przez
grupę badawczą z Instytutu Technologii Eksploatacji Państowego Instututu Badawczego
w Radomiu oraz Instytutu Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Prace te są kontynuacją współpracy obu jednostek w zakresie praktycznych
zastosowań robotyki mobilnej, a w szczególności systemów wielorobotowych [3,4,5].
2. Opis problemu
Głównym celem badań w niniejszej pracy jest opracowanie zintegrowanych
układów sterowania dla trzech typów robotów wchodzących w skład grupy robotów do
zastosowań specjalnych [5]. Na Rys. 1 pokazano grupę wielozadaniowych mobilnych
robotów składającą się z robota transportowego (Rys. 1a - Transporter), robota
eksploracyjnego (Rys. 1b - Explorer) oraz robota pierwszego kontaktu (Rys. 1c Pathfinder). Podstawowym zastosowaniem robota Transporter jest pobieranie robotów
typu Pathfinder, a także przedmiotów niebezpiecznych do specjalnego kosza na robocie,
a następnie ich transport do wskazanego miejsca docelowego. Robot typu Explorer służy
do inspekcji wizyjnej obiektów, pobierania próbek gleby, detekcji różnego rodzaju
zagrożeń, jak np. nadmierne stężenie gazów (CO2, CO) w powietrzu, oraz do
wykrywania zagrożenia pożarowego (wykrywanie żaru lub/i płomieni). Robota
Pathfinder można użyć np. do lokalizacji osób i przedmiotów za pomocą kamery lub
czujnika ruchu, do dwukierunkowego kontakt głosowego z osobami, których życie jest
zagrożone, lub do odtwarzania drogi dojścia do poszukiwanego obiektu. Każdy z
robotów sterowany jest przez operatora w sposób bezprzewodowy (możliwa jest
równoległa współpraca grup operatorów). Współdziałanie grupy pozwala na
otrzymywanie informacji o charakterze ilościowym i jakościowym o obiekcie
podlegającym monitorowaniu/inspekcji. W dalszej części pracy opisano warstwę
fizyczną układów sterowania robotów mobilnych, która umożliwia osiągnięcie
zakładanej funkcjonalności. Szczegółowy opis pokazanych tu robotów mobilnych
można znaleźć w pracy [5].
a)
b)
Rys. 1. Roboty mobilne do zastosowań specjalnych
180
c)
3. Układ sterowania robota Pathfinder
Mając na uwadze założenia dotyczące funkcjonalności robota Pathfinder,
zdecydowano się rozdzielić procesy systemu sterowania na zadania wysokiego oraz
niskiego poziomu (Rys. 2), które realizowane będą przez dwa niezależne układy. Z tego
względu centralną jednostkę obliczeniową i przetwarzającą robota zrealizowano na bazie
układu FoxBoarG20, który wyposażony jest w mikrokontroler ARM9 AT91SAM9G20
(400Mhz) firmy ATMEL, 64MB pamięci SDRAM, 4GB pamięci flash oraz zestaw
interfejsów tj. USB, RS232/RS485/RS422, I2C, SPI, GPIO, A/D i PWM. Za pomocą
interfejsu USB do jednostki centralnej podłączono urządzenia peryferyjne robota takie
jak kamera Logitech C500 o rozdzielczości 1280x1024 px, bezprzewodowa karta
sieciowa oraz karta dźwiękowa Speedlink SL-8850. Na komputerze pokładowym robota
zainstalowany został system Linux Embedded Debian, który pozwolił na
zaimplementowanie wszystkich wymaganych funkcjonalności systemu sterowania
wysokiego poziomu.
Do realizacji zadań niskiego poziomu przeznaczono dodatkowy mikrokontroler
jednoukładowy, programowany w języku C, wyposażony w moduły sprzętowe takie jak
liczniki z funkcją PWM, moduły komunikacji SPI, TWI (I 2C) oraz moduły UART do
komunikacji szeregowej. Do zastosowania w układzie sterowania wytypowano
mikrokontroler ATmega64 z rodziny AVR.
Rys. 2. Koncepcja układu sterowania robota Pathfinder
Zaprojektowano i wykonano obwód drukowany zawierający układy zasilania 12V,
5V oraz 3,3V, mikrokontroler AVR, akcelerometr do monitorowania orientacji robota,
układy kluczujące 12V do zasilania oświetlacza oraz złącza do podłączenia pozostałych
układów wykonawczych i sensorycznych. Na schemacie blokowym przedstawionym na
Rys. 3 zaznaczono jednym kolorem układy znajdujące się na wspólnym obwodzie
drukowanym lub w jednym module. Mikrokontroler ATmega64 wyposażony jest w
cztery liczniki, dwa ośmiobitowe jednokanałowe oraz dwa szesnastobitowe
trójkanałowe. Liczniki 8-bitowe pracują w trybie Fast PWM i przeznaczone są
wyłącznie do sterowania pracą silników robota. Dzięki temu w bardzo prosty sposób
realizowane jest sterowanie prędkością silników w zakresie od 0 do 255, gdzie 0 oznacza
zatrzymanie, a 255 oznacza prędkość maksymalną. Dodatkowe wyjścia ogólnego
przeznaczenia przeznaczone są do komunikacji z podwójnym sterownikiem typu
SDD287 dla silników szczotkowych prądu stałego.
181
Rys. 3. Schemat blokowy układu sterowania robotem Pathfinder
Moduł komunikacji SPI mikrokontrolera wykorzystywany jest do odczytu danych
o orientacji robota za pomocą akcelerometru zamontowanego na płytce układu
elektronicznego. Wykorzystano trójosiowy, programowalny akcelerometr LIS3LV02DL
z firmy ST o zakresie ±2g/±6g. Dane z akcelerometru wykorzystywane są do
automatycznego pozycjonowania anteny robota tak, aby uniknąć uszkodzenia anteny w
razie przewrócenia się robota. Możliwe jest też ustawienie anteny w zadanej pozycji
przez operatora co pozwala na uniknięcia zablokowania robota przy penetracji niskich
szczelin, gdzie robot mógłby zaczepić anteną o sklepienie. Do pozycjonowania anteny
wykorzystuje się serwomechanizm Hitec HS-65MG, który sterowany jest wyjściami
ogólnego przeznaczenia. Sygnał sterujący generowany jest
za pomocą
szesnastobitowego licznika. Moduł komunikacji TWI mikrokontrolera używany jest do
komunikacji z czujnikiem temperatury. Wykorzystany czujnik MLX90614 jest
pirometrycznym, dwustrefowym czujnikiem temperatury, który używa uproszczonej
komunikacji I2C zwanej SMBus. Czujnik został umieszczony w przedniej ściance
robota, obok kamery, w taki sposób, aby wskazywał temperaturę obiektu widocznego w
obiektywie kamery. Układ sterowania wyposażony jest w dwa wyjścia kluczowanego
napięcia 12V. Umożliwiają one programowe sterowanie dwoma urządzeniami o mocy
nie przekraczającej 50W każde, na przykład oświetlaczem kamery. Układ kluczowania
napięcia jest izolowany optycznie od mikroprocesora, natomiast elementem
wykonawczym jest układ IRF540. Płytka PCB układu elektrycznego wyposażona jest w
złącza monitorowania stanu akumulatorów. Obsługiwane są one przez wejścia ogólnego
przeznaczenia, które mogą pełnić również funkcję wejść układu przetwornika
analogowo/cyfrowego. Możliwe zatem jest bezpośrednie monitorowanie stanu
akumulatorów przez podłączenie złącz balansera pakietów do płytki lub podłączenie
pośrednich modułów monitorujących stan pakietów. W obecnej wersji robota Pathfinder
używane są specjalizowane moduły zdolne do monitorowania i ładowania dwóch
pakietów jednocześnie.
4. Układy sterowania robotów Transporter i Explorer
Ze względu na bliźniacze konstrukcje układów jezdnych robotów Transporter i
Explorer ich układy sterowania zrealizowano w dwóch wariantach posiadających część
wspólną. Jak można zauważyć na Rys. 4 i Rys. 5 podstawowym elementem części
bazowej układu sterowania obu robotów jest przemysłowy komputer pokładowy Aaeon
typu AEC-6625, który charakteryzuje się wysoką odpornością udarową (5 G wartości
skutecznej i 20 G wartości szczytowej). Jednostka centralna wyposażona jest w procesor
Intel P4500 1.86GHz z pasywnym chłodzeniem, 2GB DDR3 SODIMM, dysk SSD o
182
pojemności 32GB. Komputer ten przejmuje całość zadań w systemie sterowania
układami wykonawczymi robota oraz zadania nadrzędne takie jak komunikacja z
operatorem lub nawigacja. Ważnym elementem wspólnym obu układów sterowania jest
moduł zasilania. Jako źródło zasilające zastosowano akumulatory Winston 40Ah, 26,4V
wraz z ładowarką BMS-MC16, wyposażoną w interfejs CAN oraz prądowy czujnik
Halla. Konstrukcja ładowarki pozwala na wpięcie jej do sieci CAN i monitorowanie
stanu akumulatorów z poziomu komputera głównego. Dodatkowo oba układy sterowania
wyposażone są w bezprzewodową kartę sieciową BulletM2 firmy Ubiquiti Networks z
interfejsem sieci Ethernet, pozwalającą na komunikację pomiędzy robotem i operatorem
oraz innymi robotami.
HUB
USB
USB
PC
USB
Czujniki
otoczenia
Konwerter
CAN
Napęd
Napęd
Napęd
podwozia
CAN
ZASILANIE
ETH
WiFi
Napęd
Napęd
pomocniczy
Napęd
Napęd
Napęd
Napęd
Napęd
Napęd
OPCJA
Kontroler akumulatora
Ładowarka
Manipulator
Akumulator
Rys. 4. Schemat blokowy układu sterowania robota Transporter
W układzie sterowania obu robotów znajdują się dwa rodzaje urządzeń –
podłączane do komputera bezpośrednio przez interfejs USB oraz wymagające układów
pośredniczących. Do tej pierwszej grupy, zaznaczonej na Rys. 4 i 5 jako czujniki
otoczenia, zaliczają się kamery cyfrowe umieszczane na platformach jezdnych robotów,
elementy układu detekcji otoczenia oraz układ lokalizacji względnej i bezwzględnej.
Pierwszy z wymienionych układów zrealizowano w oparciu o skanery laserowe URG04LX-UG01 firmy Hokuyo charakteryzujące się zakresem skanowania od 0 do 240 i
wykrywaniem przeszkód w odległości do 5,6m. Natomiast drugi układ opracowano
stosując urządzenie nawigacyjne MTi-G firmy Xsens, które jest zintegrowanym
urządzeniem pomiaru inercyjnego z systemem GPS. Pozostałe urządzenia łączone są do
komputera głównego za pomocą magistrali CAN. Komputer centralny wyposażony jest
w zewnętrzny adapter USB2CAN typu I-7565-CPM, który umożliwia połączenie
głównej jednostki obliczeniowej ze sterownikami silników napędowych platform (napęd
podwozia). Co więcej, takie rozwiązanie pozwala na doposażenie platformy bazowej w
dodatkowe urządzenia specjalistyczne uzyskując odpowiednią funkcjonalność dla
robotów Transporter lub Explorer. Oba podwozia posiadają jeszcze jeden wspólny
element (opcjonalny), którym jest układ napędowy gąsienicy pomocniczej. Dlatego w
obu wariantach występuje on jako opcja. Robot transportowy wyposażony jest w
manipulator, który połączony jest z jednostką centralną za pomocą magistrali CAN co
zaznaczono na Rys. 4. Explorer jest robotem eksploracyjno-interwencyjny a jego układ
183
sterowania pokazany na Rys. 5. również pozwala na podłączenie, z użyciem magistrali
CAN oraz odpowiednich konwerterów, dodatkowego wyposażenia tj. układ pobierania
próbek gleby lub/oraz czujniki specjalistyczne np. do monitorowania gazów
niebezpiecznych.
HUB
USB
USB
PC
USB
Czujniki
otoczenia
Konwerter
CAN
Napęd
Napęd
Napęd
podwozia
Akumulator
Napęd
Napęd
Napęd
Napęd
Napęd
pomocniczy
Układ do
pobierania
próbek
OPCJA
CAN
Kontroler akumulatora
Ładowarka
ZASILANIE
ETH
WiFi
Konektor
Mikrokontroler
4÷20 mA
Czujnik gazów
An
Konektor
Mikrokontroler
4÷20 mA
Czujnik gazów
An
Rys. 5. Schemat blokowy układu sterowania robota Explorer
5. Badania weryfikacyjne
Ze względu na aplikacyjny charakter projektu badania weryfikacyjne układów
sterowania robotów Pathfinder, Transporter i Explorer odbywały się podczas prób
testowych w warunkach rzeczywistych w budynkach i w terenie otwartym. W ramach
zadań dotyczących weryfikacji układów sterowania robotów przeprowadzono
następujące testy:
weryfikacja czasu działania robotów przy zasilaniu akumulatorowym w
typowych warunkach pracy,
weryfikacja zasięgu systemu komunikacji dla różnych wariantów sieci
bezprzewodowej,
badania nadrzędnych i podrzędnych systemów sterowania (układy sterujące,
wykonawcze i sensoryczne),
obserwacja poprawności działania układów nawigacji robotów oraz układów
detekcji otoczenia.
W wyniku tych badań potwierdzono wysoką sprawność, wydajność i stabilność
weryfikowanych podukładów. Obecnie zastosowane akumulatory pozwalają na
nieprzerywalną pracę całej grupy robotów do 2,5h. W najlepszej konfiguracji sieci
bezprzewodowej możliwe jest osiągnięcie zasięgu komunikacji do 50m w budynkach i
do 300m na obszarze otwartym. Układy sterowania i odpowiednie oprogramowanie
pozwalają na równoległe sterowanie grupy robotów przez operatorów oraz sterowanie
ich wyposażeniem tj. manipulator lub układ pobierania próbek jednocześnie monitorując
parametry otoczenia oraz wykrywając przeszkody występujące w otoczeniu robota.
6. Wnioski i podsumowanie
Jednym z głównych celów badań w niniejszej pracy było opracowanie
zintegrowanych układów sterowania dla trzech typów robotów wchodzących w skład
184
grupy robotów do zastosowań specjalnych. Pierwszy z układów zaprojektowano i
wykonano dla małego i zwinnego robota inspekcyjnego Pathfinder o podwoziu
kołowym. Układ ten został utworzony w oparciu o 32. bitowy mikrokontroler z rodziny
ARM oraz 8. bitowy mikrokontroler z rodziny AVR. Pozwoliło to na rozdzielenie
procesów wymagających i nie wymagających operacji w czasie rzeczywistym.
Dodatkowo osiągnięto uniwersalny sposób dołączania nowych urządzeń peryferyjnych
do robota co umożliwia rozwój tej konstrukcji w przyszłości w kierunku pełnej
autonomii działania. Drugi z układów sterowania zaprojektowano i wykonano w dwóch
wariantach. Jest to podyktowane faktem, że kolejne dwa roboty (eksploracyjnointerwencyjny robot Explorer i transportowy Transporter) posiadają bliźniaczy układ
jezdny oparty na podwoziu gąsienicowym. W obu wariantach układów wykorzystano
komputery pokładowe oraz inne komponenty oparte na komercyjnych rozwiązaniach
przemysłowych. Wszystkie krytyczne elementy układów sterowania połączono z
wykorzystaniem szeregowej magistrali komunikacyjnej CAN. W tym przypadku
modułowa architektura warstwy fizycznej układu sterowania również pozwala na rozwój
tej konstrukcji w kierunku pełnej autonomii działania. Przeprowadzone badania
weryfikacyjne układów sterowania w warunkach rzeczywistych potwierdziły duży
potencjał praktyczny proponowanego rozwiązania.
Podziękowania
Badania pokazane w artykule są częścią wyników projektu „Wielozadaniowe
mobilne roboty wykorzystujące zaawansowane technologie”, który został zrealizowany
przy współpracy Instytutu Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej oraz
Instytutu Technologii Eksploatacji – Państwowego Instytutu Badawczego w Radomiu w
ramach
Programu
Strategicznego
„Innowacyjne
Systemy
Wspomagania
Technologicznego Zrównoważonego Rozwoju Gospodarczego”.
Literatura:
[1]
Ambroszkiewicz S., Borkowski A., Cetnarowicz K., Zieliński C. (Red.).:
Inteligencja wokół nas. Współdziałanie agentów softwarowych, robotów,
inteligentnych urządzeń. W: Monografie Komitetu Automatyki i Roboty Polskiej
Akademii Nauk, Tom 15, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa,
2010.
[2]
Czupryniak R., Szynkarczyk P., Trojnacki M.: Tendencje rozwoju mobilnych
robotów lądowych (2). Nowe kierunki w robotyce mobilnej. Pomiary Automatyka
Robotyka, 7-8/2008.
[3]
Moczulski W., Adamczyk M., Januszka M., Panfil W., Przystałka P., Wyleżoł
M.: Team of Specialized Mobile Robots for Group Inspection of Large-area
Technical Objects, K. R. Kozłowski (Ed.): Robot Motion and Control, LNCIS
396 , Springer-Verlag, 2009, s.411-420.
[4]
Moczulski W., Adamczyk M., Januszka M., Panfil W., Przystałka P., Wyleżoł
M.: Autonomous mobile robots for Inspecting Industrial Objects, Mazurkiewicz
A. (Ed.): Technological Innovations for Sustainable Development, ITeE-PIB,
Polska-Izrael, 2009, s. 215-230.
185
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
Moczulski W., Skarka W., Targosz W., Panfil W., Przystałka P., Wyleżoł M.,
Januszka M., Pająk D.: Wielozadaniowe mobilne roboty do inspekcji obiektów
technicznych. W: Postępy robotyki. T. 1. Pod red. K. Tchonia, C. Zielińskiego.
Warszawa : Oficyna Wydaw. Politechniki Warszawskiej, 2012, s. 199-206,
bibliogr.11 poz. (Prace Naukowe ; Politechnika Warszawska Elektronika ; z.
182).
Trojnacki M., Szynkarczyk P., Andrzejuk A.: Tendencje rozwoju mobilnych
robotów lądowych (1). Przegląd robotów mobilnych do zastosowań specjalnych.
Pomiary Automatyka Robotyka, 6/2008.
Trojnacki M., Szynkarczyk P.: Tendencje rozwoju mobilnych robotów lądowych
(3). Autonomia robotów mobilnych stan obecny i perspektywy rozwoju. Pomiary
Automatyka Robotyka, 9/2008.
Strona PIAP, {Dostępny - data: 02.03.2014, http://www.antyterroryzm.com/}.
Oficjalna strona projektu PROTEUS, {Dostępny - data: 02.03.2014,
http://www.piap.pl/layout/set/return/content/view/return/685}.
Oficjalna strona projektu TALUS, {Dostępny - data: 02.03.2014,
http://www.piap.pl/layout/set/return/content/view/return/686}.
Streszczenie
W niniejszym opracowaniu przedstawiono architekturę warstwy fizycznej systemu
sterowania grupy wielozadaniowych robotów mobilnych do zadań specjalnych, w
których wykorzystano zaawansowane technologie. W artykule przedstawiono wybrane
rezultaty badań stosowanych w zakresie układów sterowania robotów, które uzyskano
jako efekt projektu zrealizowanego w ramach Programu Strategicznego „Innowacyjne
Systemy Wspomagania Technologicznego Zrównoważonego Rozwoju Gospodarczego”.
Słowa kluczowe: układy sterowania, systemy wbudowane, roboty mobilne, systemy
sensoryczne i komunikacyjne
INTEGRATED CONTROL SYSTEMS
OF MULTI-TASK MOBILE ROBOTS
Abstract
The paper focuses on the hardware architecture of the control system for multi-task
mobile robots which make use of advanced technologies and can be applied to aid
uniformed services in realization of different operations. In this paper, selected results of
the applied research are presented. They were obtained as an outcome of the research
project that has been carried out in the framework of Strategic Programme “Innovative
Systems of Technical Support for Sustainable Development of Economy” (Innovative
Economy Operational Programme).
Keywords: control system,
communication networks
embedded
186
systems,
mobile
robots,
sensor
and