ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(98)/2014 Jordan Mężyk 1, Piotr Przystałka 2, Wawrzyniec Panfil 3, Wojciech Moczulski 4 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 1 Dr inż. Jordan Mężyk, Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy w Radomiu 2 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 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 (CO 2, 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) c) Rys. 1. Roboty mobilne do zastosowań specjalnych 180
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., RS232/RS485/RS422, I 2 C, SPI, GPIO, A/D i PWM. Za pomocą interfejsu 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 2 C) 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 I 2 C 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
ETH OPCJA CAN ZASILANIE 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 Czujniki otoczenia PC Konwerter CAN podwozia WiFi Kontroler akumulatora Ładowarka pomocniczy 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 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 URG- 04LX-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 2CAN 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
ETH OPCJA CAN ZASILANIE 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 Czujniki otoczenia PC Konwerter CAN podwozia WiFi pomocniczy Kontroler akumulatora Ładowarka Układ do pobierania próbek Konektor Mikrokontroler 4 20 ma Czujnik gazów An Akumulator 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] 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). [6] Trojnacki M., Szynkarczyk P., Andrzejuk A.: Tendencje rozwoju mobilnych robotów lądowych (1). Przegląd robotów mobilnych do zastosowań specjalnych. Pomiary Automatyka Robotyka, 6/2008. [7] Trojnacki M., Szynkarczyk P.: Tendencje rozwoju mobilnych robotów lądowych (3). Autonomia robotów mobilnych stan obecny i perspektywy rozwoju. Pomiary Automatyka Robotyka, 9/2008. [8] Strona PIAP, {Dostępny - data: 02.03.2014, http://www.antyterroryzm.com/}. [9] Oficjalna strona projektu PROTEUS, {Dostępny - data: 02.03.2014, http://www.piap.pl/layout/set/return/content/view/return/685}. [10] 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, embedded systems, mobile robots, sensor and communication networks 186