MRBT – Řídicí elektronika v mobilní robotice Ing. Petr Gábrlík 4. března 2014

Obsah přednášky Specifikace aplikace Hardwarové požadavky Softwarové požadavky Druhy výpočetních prostředků Praktická řešení v různých projektech

Specifikace aplikace a požadavků

Specifikace aplikace a požadavků Požadovaný výkon. Zpracování množství dat, počítačové vidění. Real-time operace. Volba vhodného operačního systému. Modulárnost, budoucí rozšiřitelnost. Konstrukční omezení – velikost, hmotnost.. Způsob komunikace s nadřazeným systémem. Zvýšená odolnost vůči vnějším vlivům. Teplotní rozsah, voděodolnost, EMC, kosmické záření. Spolehlivost – použití časem ověřené platformy. Hledisko ceny. Prototyp x sériová výroba. Technická podpora – zákaznická podpora, knihovny, dokumentace.

Další hardwarové požadavky Komunikační sběrnice Připojení snímačů a ovládacích prvků Možnosti napájení Doba provozu, životnost Standardy Industrial, Automotive, Military, Medical Rozsah teplot Pracovní, skladovací Odolnost vůči vibracím Pozor na pevné disky EMC

Softwarová koncepce Supersmyčka Vláknová struktura Snadná implementace Nevhodné pro více úlohové a real-time aplikace Obsluha přerušení Vláknová struktura Paralelní běh úloh Systémové nároky plánovače úloh (paměť, procesorový čas) Potřeba vyššího výkonu

Vláknová struktura - příklady Malý operační systém FreeRTOS – preemptivní embedded RTOS Knihovny pro běžná rozhraní a protokoly Velký operační systém Linux, Windows CE Nutný vyšší výpočetní výkon Nutno řešit sestavené a konfiguraci OS Platforma .NET / .NET Micro Nezávislost na použitém HW Omezené možnosti nastavení vláken

Elementární prostředky Dostupné prostředky Elementární prostředky Snadná aplikace přímo na konstruované zařízení Mikrokontroléry, DSP, FPGA Hotová řešení PC, Notebook, PDA Embedded PC PLC Smartphone Embedded moduly

Mikrokontroléry Vhodné pro bezprostřední řízení Možnost zajištění deterministického běhu aplikace Integrované komunikační sběrnice UART, I2C, SPI, CAN, Ethernet Knihovny pro práci s periferiemi Výhodné z hlediska spotřeby energie Rozdílnost výpočetního výkonu Nutná úplná tvorba vlastního hardware

PC Univerzální nástroj pro vývoj Výhodný poměr cena / výkon Modulárnost Připojení karet s průmyslovými sběrnicemi Množství dostupných operačních systémů Nutnost zajištění výkonného zdroje napájení Nevhodná odolnost pro aplikace v jiném než kancelářském prostředí

Notebook Částečně vyřešeno napájení Vyšší odolnost než PC Součástí je displej Výhoda během ladění, nevýhoda během provozu pokud není nutná vizualizace Obtížná modifikovatelnost Chybějící komunikační sběrnice

Embedded PC Nižší energetická náročnost Pasivně chlazené Zlepšené EMC Průmyslové komunikační sběrnice Lepší odolnost Nižší výpočetní výkon, omezená podpora multimédií Vyšší cena

Raspberry Pi Malý jednodeskový počítač Procesor ARM11, 700 MHz Grafický procesor 256 (512) MB RAM Jako paměť SD karta OS: Linux (Debian, Arch) Cena od 1000 Kč Dobrý poměr cena/výkon Zdroj: http://cs.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi 8xGPIO, UART, SPI, I2C Ethernet 10/100, RJ45 USB HDMI, audio 3,5mm

PLC Spolehlivost provozu Kvalita provozu Nízko úrovňové programovací jazyky Omezený rozsah dostupných sběrnic Absence zpracování multimédií

Příklady robotů a jejich řídicí členy

Jednoduché roboty Kráčející roboti, malí koloví roboti (sledovač čáry..) Typicky HW na míru s 8 bitovými mikrokontroléry (ATMega, PIC) Požadavky: I/O porty Komunikační rozhraní AD převodníky .. Stačí malý výpočetní výkon Programové řešení: supersmyčka Zdroj: www.snailinstruments.com

Intel Pentium 200 MHz & Quake 2 Sojourner – Mars Rover Rok 1997 Intel Pentium 200 MHz & Quake 2 Přistání na Marsu

Sojourner – Mars Rover Přistání 1997 Řídicí mikrokontrolér Intel 80C85 Představen v roce 1977 Frekvence 2 MHz, 8 bit 64 kB RAM, 16 kB PROM Vysoká ochrana proti ionizujícímu záření Embedded RTOS VxWorks Mise: Zkoumání vzorků pomocí spektrometru Pořizování snímků 2x černobílá 768x484 1x barevná 768x484 Zdroj: en.wikipedie.org Zdroj: en.wikipedie.org

Quadrocopter - UAMT 2010: 8 bit AVR ATMega16, 16 MHz 2012: 32 bit ARM Cortex-M3, 50 MHz Programové řešení: FreeRTOS, supersmyčka, nepreemptivní scheduler Požadavky: Čtení/zpracování dat ze snímačů Výpočet stabilizace Řízení akčních členů – externí desky Komunikace se základnou – řízení, přenos dat Nevýhody: Malý výpočetní výkon pro práci s obrazovými daty

Parrot AR.Drone 2.0 ARM Cortex A8, 32 bit, 1 GHz 256 MB DDR2 RAM Linux 2.6.32 256 MB DDR2 RAM 800 Mhz video DSP TMS320DMC64x zpracování obrazu – letová stabilizace 60 fps QVGA (320 x 240) kamera 4x AVR pro řízení BLDC motorů Zdroj: www.parrot.com Zdroj: www.revoit-asia.com řízení motorů navigační deska řídicí deska

Curiosity – Mars Science Laboratory Curiosity Mars Rover „NASA's $2.5bn Curiosity rover: An Apple PowerBook on wheels“ (www.theregister.co.uk) Zdroj: en.wikipedia.org Zdroj: www.sdtimes.com Apple PowerBook G3 1997 cena notebooku: 2000 $ Curiosity – Mars Science Laboratory 2012 cena projektu: 2 500 000 000 $

Curiosity Mars Rover Hlavní počítač IBM RAD750, 32 bit, 200 MHz, 256 MB RAM Real-Time operační systém pro embedded aplikace VxWorks 150/250 nm technologie Speciální úpravy pro odolnost proti ionizujícímu záření Rozsah pracovních teplot -55 až +125 °C Cena procesoru: 200 000 $ Hlavní počítač: řízení robotu, komunikace se zemí.. Druhý stejný záložní, pro případ chybovosti prvního Periferie, př. kamery, mají vlastní řídicí elektroniku

Curiosity Mars Rover RAD750 pro aerospace aplikace Zdroj: wordpress.mrreid.org

Vojenské roboty Musí plnit různé vojenské standardy, zkoušky Zejména zkoušky EMC a vibrací Nelze použít běžné PC, notebooky apod. Problémy s vysokofrekvenčními sběrnicemi, plotnovými disky.. Standardně elektronika na míru, mikroprocesorové řešení Zdroj: www.science.howstuffworks.com Zdroj: www.orpheus-project.cz

DARPA Grand Challenge – Stanley, 2005 Zpracování velkého množství dat Real-Time operace Vybavení: 5x laserový scanner Sick AG Ligar GPS Inerciální snímače Kamery Odomentrie Řídicí člen: 6x PC 1,6 GHz Intel Pentium M Použity různé distribuce Linuxu Zdroj: www.emeraldinsight.com Soutěžní robot – nemusí plnit průmyslové/vojenské standardy

Soutěžní roboty Robotour – soutěž autonomních robotů Výhodné použití notebooků Jednoduché ladění v terénu Dostatečný výkon pro práci s obrazem, navigační algoritmy Robot zpravidla obsahuje další výpočetní jednotky – mikrokontroléry pro řízení motorů apod.

FEKTBot - UAMT Robot nemá centrální řídicí jednotku Dílčí studentské projekty obsahují vlastní řídicí členy – mikrokonroléry 4x PC ZOTAC s LCD panely Instalované projekty: Laserový projektor Rotační LED zobrazovač Ozvučovací modul Zabezpečovací modul Podavač reklamních materiálů Měřič síly stisku atd.

Průmyslová robotika Použití programovatelných automatů, PLC PLC ABB Robotics Obsahuje řídicí jednotky manipulátorů Plní průmyslové standardy Vyupžití: Balení, svařování, montáž Zdroj: www.pddnet.com Zdroj: www.roboticbagpalletizer.com

Děkuji za pozornost