Курсы LabVIEW в Новосибирске!

LabVIEW
"LabVIEW DSC"

Оформление на курсы

05.03.2018

Разработка мобильного робота на базе ROS и устройств CompactRIO для использования в опасных условиях

Контроллеры CompactRIO предоставляют возможности использования самых современных достижений в области обработки данных и гетерогенных вычислений, поэтому мы можем реализовать усовершенствованные алгоритмы управления с детерминированным временем отклика и низкой задержкой.
Dr. Hamid Roozbahani, Lappeenranta University of Technology
Задача: Необходимо определить способы выполнения сборочных и ремонтных работ во вредных и опасных средах, там, где это не может сделать человек.

Решение: Спроектирован и разработан специальный мобильный робот, который может получать информацию об окружающей среде, ориентироваться в ней, а также производить ремонтные и сборочные работы в непригодных для жизни зонах.

Введение: Основанный в 1969 году, Lappeenranta University of Technology (LUT) является ведущей организацией Финляндии в области исследований в науке и бизнесе. Международное сообщество LTU состоит из примерно шести тысяч студентов и экспертов, вовлеченных в научные исследования и академическое образование.

Группа Интеллектуальных Систем занимается исследованиями в области проектирования мехатронных устройств, в частности использования виртуальных технологий и моделирования, необходимых для создания промышленных роботов. Группа участвует в важных международных исследовательских проектах и активно сотрудничает с партнерами в промышленности. У нас давняя традиция привлечения студентов к созданию решений в новых передовых промышленных областях.

Эти новые области открывают горизонты для открытий и испытаний инновационных методов и систем, хотя конечные пользователи пока еще не применяют существующие. Примерами подобных приложений являются тренажеры для автомобильных гонок и верховой езды, осуществляющие естественную обратную связь по параметрам движений. Такие мехатронные системы позволяют разрабатывать инновационные методы, которые можно применить в более сложных промышленных приложениях.

Мехатронные тренажеры, разработанные студентами
Инженерные решения международных проблем

В 2011 землетрясение в Тихом океане недалеко от берегов Японии вызвало цунами разрушающей мощности, которое повлекло за собой крупномасштабную катастрофу на Фукусимской атомной электростанции. Цунами отключило резервное питание систем охлаждения реактора, что привело к расплавлению активной зоны ядерного реактора, взрывам химикатов и выбросу радиоактивного вещества.

Фукусимская атомная электростанция после цунами
Для предотвращения развития катастрофы 50 добровольцев-техников, рискуя жизнью, вошли в зону взрыва, чтобы стабилизировать состояние реакторов. Эти мужественные ликвидаторы, известные как пятьдесят фукусимцев (fukushima 50), должны были провести простые ремонтные работы, включая закрытие клапанов в одном из самых опасных мест на планете. Воздействие экстремальной дозы радиации в перспективе может иметь серьезные последствия для их здоровья.

Подвиг пятидесяти фукусимцев вдохновил нашу команду, как и многих людей в мире. Мы восхищаемся их храбростью, но чувствуем, что современные мехатронные системы могут устранить необходимость участия людей в выполнении неквалифицированных ремонтных работ в таких опасных условиях. Эти обстоятельства и вдохновили нас на создание мобильного робота.

Краткая характеристика мобильного робота TIERA
TIERA - многоцелевой мобильный робот, который может выполнять ремонтные и сборочные работы в опасной местности. Функционал и строение робота определяется задачами, которые он должен будет решать, и суровыми условиями среды, в которой он будет функционировать. Наша группа рассмотрела и учла множество факторов среды при проектировании конструкции робота, включая радиацию, коррозию, токсичность, взрывоопасность, биологическую опасность, высокое напряжение и экстремальные температуры.

Концептуальная модель робота TIERA
Еще одной ключевой особенностью, реализация которой необходима для передвижения в опасной зоне, является высокая мобильность. Это отличается от большинства существующих промышленных роботов, которые обычно являются стационарными и состоят из связанных звеньев, прикрепленных к неподвижной поверхности. Мы должны были тщательно рассмотреть, как реализовать систему таким образом, чтобы оператор смог дистанционно управлять роботом из безопасного места, и, следовательно, спроектировать сенсорную систему, систему связи (WiFi и 4G), систему виртуальной реальности и систему тактильной обратной связи для захвата объекта, необходимые для интуитивного дистанционного выполнения операций.

Дополнительные особенности TIERA
  • Безвентиляторный встроенный компьютер, управляющий большей частью оборудования робота
  • Робототехнические манипуляторы и инструменты, реализующие различные виды ремонтных работ
  • Система машинного зрения, позволяющая оператору получать сигнал визуальной обратной связи с камер робота
  • Датчики для получения информации об окружающей среде

Схема робототехнической системы
Подсистемы робота TIERA
Подсистема передвижения Сенсорная подсистемаПодсистема управления и программное обеспечение
Система передвижения высокой проходимости (четыре независимых коробки передач серводвигателей) Стереоскопические камеры, установленные на голове, возможность трехмерной потоковой передачи и распознавания образовЦентрализованная система управления CompactRIO
Два манипулятора с механизмами захвата Камеры, интегрированные в каждый манипуляторОбмен данными по WiFi и 4G
Инструменты ремонта и сборки, включая электрические отвертку, дрель, режущий инструмент и паяльник Световая локация (лидар) и 10 ультразвуковых датчиков расстоянияИнтеллектуальная система питания
Подвижные голова и шея с возможностями панорамирования и наклона Одна 360 камера, совместимая с визуализацией в очках виртуальной реальностиНовое методология - LabVIEW и ROS
Джостик с обратной связью по усилию Инерциальная навигационная система
Система согласования с летающим роботом Квадрокоптер для обзора местности (скрыт внутри робота)

Усовершенствование нашей первоначальной системы управления
В начале работы над проектом система управления всего робота была спроектирована на базе системы Linux Robot Operating System (ROS), исполняемой на промышленном компьютере Advantech. В процессе работы мы достаточно быстро поняли, что одного единственного промышленного контроллера будет недостаточно для того, чтобы выполнить поставленные задачи. Поэтому наша команда разработчиков решила использовать CompactRIO в качестве главной системы управления на базе ПО NI Linux Real-Time во взаимосвязи с ROS. Выбранная новая архитектура позволила реализовать очень мощную систему, которая повысила управляемость нашего робота при очень высокой точности и очень небольшой задержке.

Почему NI?
Интегрированное программное обеспечение платформы CompactRIO, широкий диапазон характеристик и конструктивного исполнения, разнообразные каналы ввода/вывода и высокая производительность упрощают проектирование высокоэффективных встраиваемых систем управления и мониторинга. Контроллеры CompactRIO предоставляют самые современные достижения в сфере обработки данных и гетерогенных компьютерных вычислений, так что мы можем реализовать на их основе новейшие алгоритмы управления с детерминированным временем ответа и низкой задержкой. Кроме того, различные модули ввода/вывода С серии обеспечивают преобразование сигналов в соответствии с типом измеряемой величины, содержат встроенные средства гальванической развязки и высокопроизводительные аналого-цифровые преобразователи, так что мы можем измерять необходимые сигналы с высокой точностью.

cRIO-9035: основной контроллер TIERA
Мы исключили необходимость в отдельных подсистемах, подключив датчики, индикаторы, камеры, двигатели напрямую к CompactRIO. Графическая среда программирования LabVIEW использовалась для обработки данных в CompactRIO. В LabVIEW мы запрограммировали и встроенный процессор и FPGA, хотя обладали ограниченными практическими знаниями языков описания аппаратных средств. Мы использовали встроенные функции LabVIEW для интуитивного управления синхронизацией и памятью и тем самым упростили создание подпрограмм обработки сигналов, анализа, управления и реализации математических алгоритмов.

Обмен данными между компонентами системы осуществляется с помощью встроенных драйверов и API, так что мы смогли сконцентрировать наши силы на разработке робота. Это значит, что мы потратили меньше времени на решение проблем сбора данных, а больше времени уделили анализу системы и увеличению надежности наиболее важных компонентов робота.

Более того, расширяемая архитектура LabVIEW, использованная нашей командой разработчиков гарантирует, что система может быть легко усовершенствована и переконфигурирована программным способом даже после развертывания.

Инновационный подход к централизованному управлению роботом
Основная особенность централизованной системы управления TIERA заключается в интеграции NI Linux Real-Time и CompactRIO с гибкостью и функциями Linux Robot Operating System, что позволило реализовать множество новых функций нашего робота.

Схема интеграции CompactRIO с датчиками, актюаторами и ROS системой
Цифровая связь играет важную роль в функционировании любого современного робота. Мы можем реализовать обмен данными между оператором и роботом, между устройствами управления и ее периферийным оборудованием, между различными программными узлами, исполняемыми процессором робота и многое другое.

По локальной сети можно передавать управляющие сообщения, публикуемые ROS главной станции, для перемещения звеньев робота. Бортовой компьютер подписывается и считывает эти сообщения. От компьютера, встроенного в робот, сигнал поступает в каждое устройство в соответствии с командами. Сигналы дистанционного управления поступают в главную станцию, обрабатываются ROS и отправляется на модуль Advantech по WiFi.

Мы рассчитываем прямую и обратную задачи кинематики в ROS на главной станции, а обобщенные координаты передаем контроллеру для управления механизмами. Как было описано ранее, подсистемы робота функционируют под управлением ROS, некоторые подсистемы мы запрограммировали в LabVIEW. Мы можем объединить код каждой из частей в одну программу управления, которая контролирует каждое из устройств робота и управляет ими. Мы расположили контроллеры этих устройств в одной локальной сети, что позволило осуществить обмен данными между ними.

Мы можем интегрировать контроллер CompactRIO в робототехническую систему, используя библиотеки LabVIEW для публикации информации по протоколам ROS в одной локальной сети. Университет Тафтса разработал эту библиотеку, и она находится в открытом доступе на LabVIEW Tools Network (http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/ru/nid/213279). Приложения LabVIEW выполняются в CompactRIO и на главной станции одновременно.

Интерфейс пользователя отображает информацию от датчиков и позволяет использовать информацию после публикации в сети другими подсистемами робота. Например, вращение колеса должны прекратиться, если расстояние до препятствия меньше допустимого значения. Совместная работа ROS и LabVIEW дает нам возможность использовать различные устройства и контроллеры, подключенные к одной сети. Наша задача - организовать из устройств локальной сети единую систему, состоящую из различных технических средств и программного обеспечения.

Будущее TIERA
Мы протестировали каждую подсистему робота, и все они показали себя полностью функциональными. Быстро прогрессируя вместе с роботом TIERA, на данный момент мы начинаем первое тестирование всей системы и планируем дальнейшее ее усовершенствование.

Быстрый прогресс робота TIERA
Универсальность и модульность TIERA и контроллера CompactRIO означают, что не существует ограничений для выполнения сборочных и ремонтных работ в опасных для человека местностях с помощью робота. Мы можем быстро переопределить робота для различных отраслей промышленности и других областей человеческой деятельности, таких как:

  • Больницы: доставка лекарственных средств, транспортировка еды и медикаментов
  • Уборка: автоматическая уборка больших площадей, таких как супермаркеты, аэропорты, промышленные зоны
  • Склады, распределение и логистика: эффективное перемещение объектов со складских полок в зоны выполнения заказов
  • Промышленность: сборочные работы, доставка материалов
  • Военное дело и безопасность: ликвидация последствий взрыва, наблюдение и мониторинг опасных зон
  • Добыча полезных ископаемых: открытие новых залежей полезных ископаемых, разведка в опасных зонах
  • Судостроение: сварка и резка
  • Исследования: исследование вулканов, Антарктиды и Арктики