bezprzewodowe systemy komunikacji w sterowaniu robotów

bezprzewodowe systemy komunikacji w sterowaniu robotów

MODELOWANIE INśYNIERSKIE
36, s. 95-102, Gliwice 2008
ISSN 1896-771X
BEZPRZEWODOWE SYSTEMY KOMUNIKACJI
W STEROWANIU ROBOTÓW
MARIUSZ GIERGIEL, PIOTR MAŁKA
Katedra Robotyki i Mechatroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza
e-mail:[email protected],[email protected]
Streszczenie. Artykuł przedstawia zagadnienia związane z wykorzystaniem
systemów komunikacji bezprzewodowej w sterowaniu mobilnych oraz kroczących
robotów skonstruowanych w Katedrze Robotyki i Mechatroniki AGH. W pracy
omówione zostały poszczególne metody łączności jak równieŜ określono zakres
wykorzystania sieci WLAN i radiomodemów. Dodatkowo artykuł przedstawia
praktyczne zastosowanie systemów łączności bezprzewodowej zrealizowane
z wykorzystaniem radiomodemów SATEL do sterowania minirobota mobilnego
m.r.k oraz sześcionoŜnego minirobota kroczącego.
1.
WSTĘP
Niniejszy artykuł przedstawia zagadnienia związane z wykorzystaniem systemów
komunikacji bezprzewodowej w sterowaniu mobilnych oraz kroczących robotów
skonstruowanych w Katedrze Robotyki i Mechatroniki AGH.
W ostatnich latach rozwój mikrorobotyki a w szczególności robotyki mobilnej, wymusił
konieczność zastosowania do komunikacji wydajnych i zarazem pracujących na odpowiednim
poziomie systemów łączności (QoS - Quality of Service). Komunikacja bezprzewodowa
(mobilna) naleŜy do najbardziej dynamicznie rozwijanych dziedzin telekomunikacji.
Konieczność zapewnienia uniwersalnej łączności bezprzewodowej dla urządzeń mobilnych
była ogromnym wyzwaniem do stworzenia takich systemów opartych na lokalnych sieciach
bezprzewodowych WLAN jak równieŜ systemach radiomodemowych.[5,6]. W pracy
omówione zostały poszczególne metody łączności jak równieŜ określono zakres
wykorzystania sieci WLAN (zastosowania lokalne, dość ograniczony zasięg, bardzo duŜa
przepustowość łącza) i radiomodemów (duŜy zasięg, ograniczona przepustowość).
Dodatkowo artykuł przedstawia praktyczne zastosowanie systemów łączności
bezprzewodowej zrealizowane z wykorzystaniem radiomodemów SATEL do sterowania
minirobota mobilnego m.r.k oraz sześcionoŜnego minirobota kroczącego.
2.
ROBOTY MOBILNE WYKORZYSTANE W WERYFIKACI BEZPRZEWODOWYCH
METOD STEROWANIA
W ostatnich latach w Katedrze Robotyki i Mechatroniki AGH powstało wiele konstrukcji
robotów mobilnych zarówno kołowych jak i kroczących [3,4,6,7,8,9]. Przedstawione poniŜej
96
M. GIERGIEL, P. MAŁKA
zostały wybrane do weryfikacji z wykorzystaniem metod bezprzewodowych ze względu na
konstrukcję i rodzaj zastosowanych układów sterujących.
2.1. Minirobot kołowy m.r.k
Minirobot przedstawiony poniŜej powstał w ramach grantu promotorskiego. Jest to
konstrukcja oparta na dwóch kołach jezdnych i jednym samonastawnym. Jako układ sterujący
zastosowano tutaj sterownik swobodnie programowalny firmy GeFanuc.
Rys.1. Minirobot kołowy m.r.k
2.2. SześcionoŜny robot kroczący
Roboty kroczące wykorzystane do weryfikacji komunikacji bezprzewodowej oparte są na
konstrukcji sześcionoŜnej. System sterowania opracowano w nich z wykorzystaniem
procesorów ATMEGA oraz serwomechanizmów modelarskich [1,2,8,9]. Pierwszy robot
posiada 18 stopni swobody, 3 na kaŜdą nogę. Drugi robot jest układem prostszym
wykorzystującym 2 serwomechanizmy połączone cięgnami z odpowiednimi nogami.
a)
BEZPRZEWODOWE SYSTEMY KOMUNIKACJI W STEROWANIU ROBOTÓW
97
b)
Rys.2. Miniroboty kroczące, a) model 1 b) model 2
3.
SIECI BEZPRZEWODOWE W ROBOTYCE
W ostatnich latach nastąpił dynamiczny rozwój robotyki oraz zwiększenie moŜliwości
stosowania jej w wielu gałęziach gospodarki, przemyśle oraz Ŝyciu codziennym. Nastąpił
takŜe wzrost oczekiwań co do moŜliwości świadczenia usług przez takie właśnie roboty.
Od niedawna w robotach takich instaluje się systemy GPS, rozpoznawania głosu, sonary,
urządzenia nawigacyjne, a nawet cyfrowe kamery wideo. Wszystkie te usługi wymagają
zapewnienia odpowiednich warunków przekazu (przepływności bitowej, opóźnienia,
wariancji opóźnienia, poziomu strat pakietów itd.), czyli odpowiedniego poziomu QoS
(Quality of Service). Aby sprostać tym wymaganiom, podjęto próbę wykorzystania
nowoczesnych radiomodemów oraz sieci WiFi do komunikacji i sterowania minirobotami
[3,4,5,6].
3.1. Usługi i wymagania komunikacyjne dla systemów stosowanych w robotyce
Współczesna technika, a w szczególności bezprzewodowa transmisja danych, pozwala na
realizację niespotykanych dotąd w robotyce usług. Przedstawione zostaną tutaj najczęściej
spotykane usługi, określi się takŜe ich wymagania komunikacyjne [5]:
• Podstawowa usługa związana jest z samym sterowaniem robota w czasie rzeczywistym
on-line (wliczając w to np. sterownie manipulatorem robota). Konieczne jest w tym celu
zapewnienie transmisji izochronicznej o przepustowości zwykle do 100 kbit/s.
• Kolejną usługą jest tworzenie mapy pomieszczeń i nawigacja przy uŜyciu umieszczonego
w robocie np. lasera, systemu GPS itp. Wymagania transmisyjne takiej aplikacji są
stosunkowo niewielkie: konieczne jest zapewnienie transmisji asynchronicznej szybkości
ok. 40 kbit/s.
• Do najczęściej spotykanych usług naleŜą: transmisja głosu, dźwięku i obrazu (np.
mikrofon, kamera umieszczony na platformie robota). Wymagania transmisyjne mogą się
w tym wypadku zmieniać w bardzo duŜym zakresie – wierność przekazywanego głosu,
dźwięku i obrazu. W celu obniŜenia wymagań koniecznego pasma transmisyjnego stosuje
się odpowiednie kodeki i filtry.
3.2.
Ethernet bezprzewodowy WiFi w robotyce
Sieci bezprzewodowe Wi-Fi naleŜą do najbardziej dynamicznie rozwijanych dziedzin
telekomunikacji. Konieczność zapewnienia uniwersalnej łączności bezprzewodowej dla
98
M. GIERGIEL, P. MAŁKA
urządzeń mobilnych (w tym robotyki mobilnej) była ogromnym wyzwaniem do stworzenia
lokalnych sieci bezprzewodowych WLAN (Wireless Local Area Networks). Czynnikiem
podnoszącym atrakcyjność lokalnych sieci bezprzewodowych, opartych na działaniu fal
radiowych RF (Radio Frequency) lub podczerwieni IR (InfraRed), jest duŜa elastyczność i
łatwość jej rekonfiguracji zaleŜnie od bieŜących potrzeb uŜytkownika.
Standardy sieci bezprzewodowych wi-fi, jakie występują, scharakteryzować moŜna
następująco:
•
802.11a – 54 Mb/s częstotliwość 5 GHz
•
802.11b – 11 Mb/s częstotliwość 2,4 GHz posiada zasięg ok. 30 m w pomieszczeniu i 120
m w otwartej przestrzeni; w praktyce moŜna osiągnąć transfery rzędu 5,5 Mb/s. Materiały
takie jak woda, metal, czy beton obniŜają znacznie jakość sygnału; standard 802.11b
podzielony jest na 14 niezaleŜnych kanałów o szerokości 22 MHz, Polska wykorzystuje
tylko pasma od 2400 do 2483,5 MHz – kanał od 1 do 13
•
802.11n – 100-600 Mb/s
•
802.11g – 54 Mb/s częstotliwość 2,4 GHz, obecnie najpopularniejszy standard WiFi, który
powstał w czerwcu 2003 roku, wykorzystanie starszych urządzeń w tym standardzie
powoduje zmniejszenie prędkości do 11 Mb/s;
Struktura, jaką najczęściej stosuje się w systemach bezprzewodowych, oparta jest na punkcie
dostępowym tzw. Access Point (AP). Ogólny schemat takiego układu przedstawia rys. 3.
AP
Rys.3. Schemat struktury sieci wi-fi stosowanych w robotyce
3.3.
Radiomodemy w robotyce
Innym sposobem komunikacji bezprzewodowej wykorzystywanym w sterowaniu robotów
są radiomodemy. Stosuje się je przy połączeniach na dalsze odległości. UmoŜliwiają one
bezprzewodową - analogową lub cyfrową - transmisję na odległość do 100 km przy szybkości
rzędu 2 Mb/s. W tych urządzeniach wykorzystywana jest transmisja w tzw. technologii widma
rozproszonego, co zapewnia niski współczynnik błędów i duŜą odporność na zakłócenia
zewnętrzne - tzw. radiolinia. Radiomodemy słuŜą zarówno do przesyłania głosu, obrazu i
danych cyfrowych.
BEZPRZEWODOWE SYSTEMY KOMUNIKACJI W STEROWANIU ROBOTÓW
99
Radiomodemy składają się z trzech zasadniczych elementów: nadajnika i odbiornika
radiowego oraz modemu. Zasada działania tego urządzenia odpowiada przesyłaniu danych za
pośrednictwem kabla, z tą róŜnicą, Ŝe transmisja przebiega w trybie half-duplex (przesyłanie
danych z szybkim przełączaniem kierunku).
Przykładowy radiomodem wykorzystany w do komunikacji z minirobotem kołowym m.r.k
przedstawiony został poniŜej
Radiomodem SATELLINE–1870 posiada następujące cechy
główne [6,7,810]:
•
Prędkość transmisji danych 9.6 Kbps przy odstępie
sąsiedniokanałowym 25 KHz, co daje 80 kanałów.
•
Łącze radiomodemu SATELLINE–1870 kompatybilne
elektrycznie ze standardem RS-232.
•
Pasmo 868-870 MHz dla radiowych urządzeń nadawczych i
nadawczo-odbiorczych nie jest wymagane pozwolenie
radiowe
•
Moc radiomodemu jest automatycznie dobierana w zaleŜności
od maksymalnej dopuszczalnej mocy obowiązującej w danym
podpaśmie (5 mW ÷ 100mW).
4.
BEZPRZEWODOWE SYSTEMY STEROWANIA MINIROBOTA KOŁOWEGO
ORAZ ROBOTA KROCZĄCEGO
W niniejszym rozdziale przedstawione zostaną systemy komunikacji bezprzewodowej
zastosowane do sterowania rzeczywistych robotów mobilnych zbudowanych w KRiM AGH,
które szczegółowo zostały omówione w początkowej części niniejszego artykułu. Koncepcja
zastosowania takiej komunikacji do robotów mobilnych wynikła z konieczności zapewnienia
autonomiczności i niezaleŜności podczas pracy w nieznanym i niedostępnym środowisku.
Opis i schemat budowy takiego systemu przedstawiają rysunki zamieszczone poniŜej [4,6,7].
a)
100
M. GIERGIEL, P. MAŁKA
b)
Rys.4. Schemat struktury systemu sterowania bezprzewodowego robota kołowego m.r.k
a) z wykorzystaniem systemu wi-fi, b) z wykorzystaniem radiomodemów
Przedstawione rozwiązania zweryfikowano z wykorzystaniem robota kołowego m.r.k.
Zbudowano w tym celu odpowiedni system wizualizacyjno-sterujący oparty na systemach
SCADA. Jego ogólną charakterystykę i budowę przedstawiono w kolejnym rozdziale.
5.
WERYFIKACJA BEZPRZEWODOWYCH SYSTEMÓW ŁĄCZNOŚCI ROBOTA
KOŁWEGO NA PRZYKŁADZIE M.R.K
Układ słuŜący do weryfikacji systemów bezprzewodowych oparty jest na systemie
wizualizacyjno-sterującym. W ramach tej struktury zaprojektowano i wykonano układ
przeznaczony do komunikacji poprzez radiomodemy oraz wi-fi. Otrzymane wyniki dowiodły
celowości zastąpienia tradycyjnych sposobów łączenia poszczególnych członów systemów
sterujących z wykonawczymi [4,6,7].
Rys.5. Układ weryfikujący poprawność działania i funkcjonowania bezprzewodowych
systemów łączności
BEZPRZEWODOWE SYSTEMY KOMUNIKACJI W STEROWANIU ROBOTÓW
M
101
α
a)
t
t
α&
α
b)
t
t
Rys.4. Charakterystyki parametrów ruchu uzyskane podczas weryfikacji
a) momenty i przemieszczenia, b) prędkości kątowe α& i β&
PowyŜsze charakterystyki przedstawiające poszczególne parametry ruchu uwidaczniają
poprawność zastosowanej metody łączności.
6.
PODSUMOWANIE
W artykule przedstawiono systemy łączności bezprzewodowej stosowane w robotyce
mobilnej. Szybki rozwój systemów telekomunikacyjnych i miniaturyzacja przyczyniły się do
zastosowania ich do minirobotyki mobilnej. Przedstawione rozwiązania zweryfikowane
zostały na obiektach rzeczywistych zbudowanych w KRiM AGH. W szczególności omówiony
został minirobot kołowy, który wyposaŜono w odpowiedni system wizualizacyjno - sterujący
pozwalający na sprawdzenie poprawności działania zastosowanej metody łączności. System
powstał w wyniku badań prowadzonych w KRiM nad pozycjonowaniem i nadąŜaniem
robotów mobilnych. Dalsze badania będą dotyczyły przeniesienia i zaadaptowania systemu do
sterowania robotów kroczących, w szczególności omówionych w niniejszym artykule.
Komunikacja bezprzewodowa niesie za sobą mnóstwo pozytywnych i uniwersalnych
rozwiązań, począwszy od sterowania, nawigacji poprzez przekaz obrazu i dźwięku do
systemów nadrzędnych. Wszystkie te elementy zostały zaimplementowane w minirobocie
kołowym i jego systemie sterującym.
LITERATURA
1. Morecki A., Knapczyk J.: Podstawy robotyki. Teoria i elementy manipulatorów i robotów.
Warszawa: WNT, 1999.
2. Trojnacki M.: Synteza ruchu kończyn dwunoŜnego robota kroczącego. Teoria Maszyn
i Mechanizmów. T.2. Kraków 2004, s. 163-168.
3. Giergiel M., Małka P.: Wybrane zagadnienia pozycjonowania kołowego minirobota
mobilnego. „Pomiary, automatyka, kontrola” 2005, nr 5, s. 28-30.
102
M. GIERGIEL, P. MAŁKA
4. Giergiel M., Małka P.: Zastosowanie systemów SCADA oraz bazy danych w sterowaniu
minirobota kłowego. Zeszyty Naukowe Pol. Rzesz. ”Mechanika” z.65, 2005, s. 125-132.
5. Natkaniec M.: Zastosowanie sieci bezprzewodowej IEEE 802.11 do sterowania robotami
mobilnymi. „Przegląd Mechaniczny” 1999, z. 3, s. 18–25.
6. Giergiel M., Małka P.: Mechatroniczne projektowanie mobilnego minirobota kołowego.
Projektowanie mechatroniczne – zagadnienia wybrane. Kraków 2005, s. 76-84,
7. Giergiel J., Giergiel M., Małka P.: Mechatronics of wheel minirobot m.r.k.. “Mechanics
and Mechanical Engineering” Łódź 2006.
8. Giergiel M., Małka P.: Modelowanie kinematyki sześcionoŜnego robota kroczącego.
W: XLVI Sympozjon „Modelowanie w mechanice”. Wisła 2007.
9. Giergiel M., Małka P.: Projekt sześcionoŜnego minirobota kroczącego w ujęciu
mechatronicznym. W:VII Warsztaty projektowania mechatronicznego. Kraków 2007.
10. www.astor.com.pl
WIRELESS COMMUNICATION IN MICROROBOT CONTROLL
Summary. In this paper some possibilities of application of wireless
communication in controlling mobile and walking robots was shown. An
illustrative example by the point of application into build by authors mobile robot
was explained. The necessity of assurance of universal wireless data transmission
for mobile systems was extreme challenge in creation of such systems like local
networks wireless and systems using radiomodems. This paper presents some
discussions about methods of practical utilization of two different ways of
wireless connection using WLAN and radiomodem technology. This article
presents some practical aspects of using of wireless communication in controlling
of mobile minirobot and hexapod walking robot. Next aspect taken into account
will be usage of WiFi technology, which thanks to its parameters gives chances to
allow of transferring in one connection both the signals about condition of
individual sensor and the image from installed cameras.