MODELOWANIE INśYNIERSKIE ISSN 1896-771X 36, s. 95-102, Gliwice 2008 BEZPRZEWODOWE SYSTEMY KOMUNIKACJI W STEROWANIU ROBOTÓW MARIUSZ GIERGIEL, PIOTR MAŁKA Katedra Robotyki i Mechatroniki, Akademia Górniczo-Hutnicza e-mail:giergiel@agh.edu.pl,malka@agh.edu.pl 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. 2.2. SześcionoŜny robot kroczący Rys.1. Minirobot kołowy m.r.k 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 101 a) M α t t b) α& α 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.