MRBT – Řídicí elektronika v mobilní robotice Ing. Petr Gábrlík

Prezentace na téma: "MRBT – Řídicí elektronika v mobilní robotice Ing. Petr Gábrlík"— Transkript prezentace:

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

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

3 Specifikace aplikace a požadavků

4 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.

5 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

6 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

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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

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

13 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: 8xGPIO, UART, SPI, I2C Ethernet 10/100, RJ45 USB HDMI, audio 3,5mm

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

15 Příklady robotů a jejich řídicí členy

16 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:

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

18 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

19 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

20 Parrot AR.Drone 2.0 ARM Cortex A8, 32 bit, 1 GHz 256 MB DDR2 RAM
Linux 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: Zdroj: řízení motorů navigační deska řídicí deska

21 Curiosity – Mars Science Laboratory
Curiosity Mars Rover „NASA's $2.5bn Curiosity rover: An Apple PowerBook on wheels“ ( Zdroj: en.wikipedia.org Zdroj: Apple PowerBook G3 1997 cena notebooku: 2000 $ Curiosity – Mars Science Laboratory 2012 cena projektu: $

22 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: $ Hlavní počítač: řízení robotu, komunikace se zemí.. Druhý stejný záložní, pro případ chybovosti prvního Periferie, př. kamery, mají vlastní řídicí elektroniku

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

24 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: Zdroj:

25 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: Soutěžní robot – nemusí plnit průmyslové/vojenské standardy

26 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.

27 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.

28 Průmyslová robotika Použití programovatelných automatů, PLC
PLC ABB Robotics Obsahuje řídicí jednotky manipulátorů Plní průmyslové standardy Vyupžití: Balení, svařování, montáž Zdroj: Zdroj:

29 Děkuji za pozornost