ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(98)/2014 Wojciech Moczulski 1, Wawrzyniec Panfil 2, Piotr Przystałka 3 SYSTEM STEROWANIA GRUPY WIELOZADANIOWYCH ROBOTÓW MOBILNYCH (2) - IMPLEMENTACJA SYSTEMU 1. Wstęp Obecnie kierunek praktycznych zastosowań robotyki mobilnej mocno zwrócony jest w stronę konstruowania i wytwarzania urządzeń mechatronicznych wspomagających człowieka w realizacji niebezpiecznych zadań [2, 5]. Z drugiej strony aktualne zainteresowania naukowców i inżynierów pokazują [1, 6], że coraz większe znaczenie praktyczne znajdują grupy robotów mobilnych, w tym tele-operowanych i autonomicznych systemów wielorobotowych. Taki sposób wykorzystania robotów mobilnych pociąga za sobą konieczność projektowania systemów informatycznych, których jedną z funkcjonalności jest możliwość współdziałania robotów i operatorów w grupie. Niniejsza praca jest drugą częścią publikacji System sterowania grupy wielozadaniowych robotów mobilnych, która wpisuje się w cykl artykułów poświęconych efektom realizacji trzyletniego projektu Wielozadaniowe mobilne roboty wykorzystujące zaawansowane technologie. Projekt ten 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. W pierwszej części opracowania omówiono najważniejsze elementy systemu sterowania oraz ich wzajemne relacje opisując architekturę systemu sterowania oraz cechy funkcjonalne z zastosowaniem notacji języka UML. Niniejsza część publikacji przedstawia szczegóły dotyczące implementacji systemu sterowania według opracowanego projektu. Szczególną uwagę skoncentrowano na wykorzystanej technologii programistycznej, która umożliwiła uzyskanie zakładanych wymagań funkcjonalnych. Podstawowym problemem w niniejszych badaniach było użycie takiej technologii informatycznej, która pozwala na integrację elementów systemu sterowania grupy robotów działających równolegle zarówno w przypadku robotów rzeczywistych jak również ich wirtualnych odpowiedników w środowisku symulacyjnym. Zagadnienie to rozwiązano dzięki użyciu środowiska developerskiego Microsoft Robotics Developer Studio, które oferuje odpowiednie mechanizmy programistyczne do tworzenie aplikacji rozproszonych działających synchronicznie lub asynchronicznie oraz stosowne narzędzia umożliwiające utworzenie środowiska symulacyjnego z uwzględnieniem praw fizyki. Dalsza część opracowania dotyczy również warstwy oprogramowania systemu sterowania stanowiącego graficzny interfejs użytkownika. W 1 Prof. dr hab. Wojciech Moczulski, z-ca dyrektora Instytutu Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej 2 Dr inż. Wawrzyniec Panfil, adiunkt w Instytucie Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej 3 Dr inż. Piotr Przystałka, adiunkt w Instytucie Podstaw Konstrukcji Maszyn Politechniki Śląskiej 197
pracy omówiono i przedstawiono przykładowe okna aplikacji, których działanie weryfikowano podczas testów grupy robotów w warunkach terenowych. Głównym celem badań w niniejszej pracy jest implementacja oprogramowania systemu sterowania dla trzech typów robotów wchodzących w skład grupy robotów do zastosowań specjalnych Rys. 1. Szczegółowy opis rozważanych robotów mobilnych można znaleźć w pracy [4]. Pierwszy z robotów pokazany na Rys. 1a to robot, który służyć może do lokalizacji osób i przedmiotów za pomocą kamery lub czujnika ruchu. Jego zadaniem może być również nawiązanie dwukierunkowego kontaktu głosowego z osobami, których życie jest zagrożone. Inną funkcją tego robota jest odtwarzanie drogi dojścia do poszukiwanego obiektu. Ważną funkcjonalnością tego robota jest przedni i tylny moduł, który może być wymienny. W ten sposób robota tego można wyposażyć w dodatkowe czujniki. Kolejnym robotem pokazanym na Rys. 1b jest robot transportowy wyposażony w mały i lekki manipulator oraz zestaw dwóch czujników specjalistycznych. W przypadku zamiany tych czujników na kosz, robot ten służy do celów transportowych np. przedmiotów niebezpiecznych. Ostatni z robotów pokazany jest na Rys. 1c. Jego wyposażeniem jest układ do pobierania próbek gleby. Robot ten może również zostać wyposażony (jak poprzedni) w zestaw czujników specjalistycznych np. do detekcji różnego rodzaju zagrożeń, jak np. nadmierne stężenie gazów (CO 2, CO) w powietrzu, oraz do wykrywania zagrożenia pożarowego (wykrywanie żaru lub/i płomieni). Współdziałanie grupy pozwala na otrzymywanie informacji o charakterze ilościowym i jakościowym o obiekcie podlegającym monitorowaniu/inspekcji. a) Pathfinder b) Transporter c) Explorer Rys. 1. Wielozadaniowe roboty mobilne z wyposażeniem do zastosowań w służbach mundurowych Jak można zauważyć modułowa budowa robotów pozwala na elastyczne zmiany wyposażenia robotów. Pociąga to za sobą konieczność utworzenia uniwersalnego oprogramowania, które może zostać w łatwy sposób dostosowane do wybranej przez użytkownika konfiguracji wyposażenia robotów. W dalszej części pracy opisano utworzone oprogramowanie systemu sterowania wszystkich robotów mobilnych, które umożliwia osiągnięcie zakładanej funkcjonalności. 2. Środowisko programistyczne do implementacji systemu sterowania robotów współdziałających w grupie Dokonując przeglądu istniejących narzędzi pozwalających na budowanie systemów sterowania robotów mobilnych zdecydowano się na wykorzystanie oprogramowania Microsoft Robotics Developer Studio (MRDS). Wybrane środowisko [3] posiada narzędzie Concurrency and Coordination Runtime (CCR) umożliwiające zastosowanie programowania asynchronicznego z wykorzystaniem technologii.net w tworzeniu aplikacji współbieżnych oraz narzędzie Decentralized Software Services (DSS) 198
wykorzystujące również technologię.net i łączące cechy wzorca architektury REST (RepresentationalState Transfer) w tworzeniu aplikacji rozproszonych ze sformalizowaną kompozycją i architekturą powiadamiania o zdarzeniach. CCR pozwala na przesyłanie informacji pomiędzy równolegle wykonywanymi fragmentami kodu w ramach jednego procesu, natomiast DSS rozszerza tę koncepcję o komunikację pomiędzy różnymi procesami, a nawet jednostkami obliczeniowymi. Niniejsze cechy środowiska (MRDS) umożliwiają tworzenie powiązanych aplikacji, charakteryzujących się jednorodnym interfejsem oraz możliwością uruchamiania zarówno w ramach jednego węzła jak i poprzez sieć z wykorzystaniem protokołu TCP. Tak więc MRDS jest środowiskiem przeznaczonym do rozwoju i implementacji algorytmów i systemów sterowania robotów mobilnych (scentralizowanych i rozproszonych). Pozwala na łatwą instalację systemu sterowania na urządzeniach fizycznych oraz oferuje możliwość wcześniejszego przetestowania algorytmu sterującego w środowisku symulacyjnym. MRDS posiada bogate wzorce programowe, które można odpowiednio odstosować do własnych potrzeb. Taka metodyka postępowania pozwala na zaliczenie tego środowiska do oprogramowania do celów szybkiego prototypowania. Dodatkowo MRDS posiada moduł Visual Programming Language (VPL) pozwalający programować i analizować działanie programów w sposób graficzny. Rozwijane oprogramowanie dla danego robota (lub grupy) przed etapem wdrożenia można przetestować w dostępnym środowisku symulacyjnym - Visual Simulation Environment (VSE). Środowisko to udostępnia pełne wsparcie wizualizacji 3D oraz możliwość obliczeń z uwzględnieniem praw fizyki. Takie podejście pozwala na wyeliminowanie błędów w algorytmie sterowania jeszcze na etapie wstępnej weryfikacji modelu robota. 3. Oprogramowanie systemu sterowania robota Pathfinder Biorąc pod uwagę wytyczne projektowe przedstawione w pierwszej części opracowania do sterowania robotem Pathfinder utworzono serwis MRDS oraz aplikację operatora Pathfinder UI (Rys. 2). Aplikacja ta umożliwia sterowanie predefiniowanym robotem rzeczywistym (Pathfinder 1, Pathfinder 2) lub robotem tego typu, który nie został wcześniej zdefiniowany np. z poza grupy (Pathfinder N) oraz wirtualnym robotem Pathfinder w środowisku symulacyjnym (panel DSS Node Configuration). Za pomocą tej aplikacji możliwe jest: sterowanie silnikami robota (panel Control), podgląd obrazu z kamery oraz obracanie automatyczne i ręczne obrazu kamery, konfigurację systemu audio/video (panel Audio-Video), odczyt i sterowanie położeniem anteny (panel Antenna angle), odczyt informacji z akcelerometrów (panel Location), odczyt i wizualizację stanu czujnika temperatury (poniżej panelu Location). Sterowanie robotem realizowane jest również za pomocą drążków analogowych kontrolera typu gamepad. Robot jest sterowany w trybie dyferencyjnym. Wychylenie lewego oraz prawego drążka odpowiada napięciu i polaryzacji zacisków cewek silników odpowiednio lewego i prawego. W środkowej części aplikacji użytkownika umieszczono podgląd obrazu z kamery robota. Obraz jest skalowany odpowiednio do szerokości okna aplikacji testowej. Obraz możemy obracać ręcznie za pomocą przycisku Flip V lub automatycznie wykorzystując do tego celu informacje z osi akcelerometru. Podczas obrotu obrazu, zostają również odpowiednio zamienione sygnały sterujące silnikami, aby ułatwić operatorowi jazdę robotem w pozycji odwróconej. Ponadto aplikacja operatora pozwala na: uruchomienie/zatrzymanie przesyłania dźwięku od operatora do robota, uruchomienie/zatrzymanie przesyłania dźwięku od robota do operatora, zapisywanie strumienia audio i video, konfigurację modułu audio/video. 199
Rys. 2. Aplikacja użytkownika do sterowania robotem Pathfinder 5. Oprogramowanie systemu sterowania robotów Transporter i Explorer Podobnie jak poprzednio zgodnie z wytycznymi projektu utworzono aplikację okienkową TransporteExplorer UI dla zdalnego sterowania robotami Explorer i Transporter. Główne okno aplikacji (Rys. 3a) utworzono w tej samej konwencji co poprzednie. Podobnie jak w przypadku robota Pathfinder tutaj użytkownik też ma możliwość podłączenia się do robota o predefiniowanym lub niezdefiniowanym adresie IP oraz do robota wirtualnego (panel DSS Node Configuration). Sterowanie robotem odbywa się w podobny sposób jak w przypadku Pathindera. Różnice jakie można zauważyć w sekcji poświęconej sterowaniu ręcznemu (panel Control) dotyczą napędu gąsienicy pomocniczej. Operator ma możliwość wyboru pomiędzy sterowaniem w pętli otwartej (góra, dół za pomocą przycisków UP, DOWN) lub w pętli sprzężenia zwrotnego za pomocą kontrolki graficznej. Dodatkowo panel ten zapewnia dobór odpowiedniej prędkości kątowej osi gąsienicy pomocniczej. W sekcji do obsługi systemów wizyjnych (panel Video) dostępne są przyciski zarządzające kamerą tylną i przednią. Zasadniczą różnicą tej aplikacji w stosunku do poprzedniego programu jest pojawienie się panelu do obsługi urządzeń peryferyjnych robota (panel Peripheral devices) oraz znacznie bardziej rozbudowana sekcja Sensors. W przypadku urządzeń peryferyjnych operator ma możliwość uruchomienia dodatkowego okna, w którym będzie mógł sterować manipulatorem lub układem do pobierania próbek, czy też obserwować parametry otoczenia monitorowane za pomocą czujników specjalistycznych. Ważną funkcjonalnością opracowanej aplikacji jest również możliwość wizualizacja danych z systemu detekcji otoczenia (Rys. 3c), która pozwala na sterowanie robotem nawet w przypadku braku widoczności otoczenia za pomocą kamer robota. Aplikacja pozawala również użytkownikowi robota na określenie aktualnej pozycji i orientacji robota w układzie globalnym oraz na przedstawienie ścieżki robota jaką poruszał się podczas wykonywania misji (Rys. 3b). 200
a) Główne okno aplikacja użytkownika b) wizualizacja danych z systemu lokalizacji c) wizualizacja danych z systemu detekcji otoczenia d) widok kamery z symulatora Rys. 3. Aplikacja użytkownika do sterowania robotami Transporter i Explorer 201
W przypadku gdy niezbędne jest np. przeszkolenie nowych operatorów grupy robotów, w opracowanej aplikacji przewidziano możliwość jej podłączenia do zaawansowanego środowiska symulacyjnego. W tedy użytkownik robota korzysta z tej samej aplikacji co w przypadku rzeczywistego robota przy czym dane (np. widok z kamer Rys. 3d lub dane z czujników) pochodzą z wirtualnego środowiska symulacyjnego. 6. Wnioski i podsumowanie W trakcie realizacji projektu przeprowadzono badania weryfikacyjne robotów Pathfinder, Transporter i Explorer w warunkach rzeczywistych w budynkach i w terenie otwartym. Podczas tych badań weryfikowano poprawność opracowanego oprogramowania. W wyniku tych badań potwierdzono wysoką wydajność i stabilność tych aplikacji. Utworzone oprogramowania pozwala na zarządzanie całej grupy robotów w sposób równoległy przez wielu operatorów oraz na sterowanie ich wyposażeniem tj. manipulator lub układ pobierania próbek jednocześnie monitorując parametry otoczenia oraz wykrywając przeszkody występujące w otoczeniu robota. Przeprowadzone testy potwierdziły znaczące korzyści zastosowania środowiska MRDS w procesie prototypowania systemów sterowania grup robotów. Podziękowania Rozważania 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] Johns K., Taylor T.: Professional Microsoft Robotics Developer Studio, Wiley Publishing, 2008. [4] 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). [5] Trojnacki M., Szynkarczyk P., Andrzejuk A.: Tendencje rozwoju mobilnych robotów lądowych (1). Przegląd robotów mobilnych do zastosowań specjalnych. Pomiary Automatyka Robotyka, 6/2008. 202
[6] Trojnacki M., Szynkarczyk P.: Tendencje rozwoju mobilnych robotów lądowych (3). Autonomia robotów mobilnych stan obecny i perspektywy rozwoju. Pomiary Automatyka Robotyka, 9/2008. Streszczenie W artykule pokazano oprogramowanie do sterowania grupy wielozadaniowych robotów mobilnych do zastosowań w służbach mundurowych. W pracy przedstawiono funkcjonalność grupy robotów, jaką uzyskano dzięki zastosowaniu środowiska do szybkiego prototypowania systemów sterowania robotów mobilnych - Microsoft Robotics Developer Studio. Zaprezentowane wyniki badań stosowanych są efektem 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. Słowa kluczowe: robotyka mobilna, systemy wielorobotowe, interfejsy człowiekmaszyna, szybkie prototypowanie systemów sterowania A CONTROL SYSTEM FOR A GROUP OF MULTI-TASK MOBILE ROBOTS (2) - SYSTEM IMPLEMENTATION Abstract The article shows a software that can be used to control a group of multi-task mobile robots which can be applied in order to aid uniformed services. In this paper, the authors illustrated the functionality of the multi-robot system that has been obtained with the use of an environment for rapid control system prototyping - Microsoft Robotics Developer Studio. The presented results of the applied research were achieved as an outcome of the project High-tech multipurpose mobile robots 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) with the collaboration between Institute of Fundamentals of Machinery Design Silesian University of Technology and Institute for Sustainable Technologies - National Research Institute. Keywords: mobile robotics, multi-robot systems, human-machine interfaces, rapid prototyping of control systems 203