Метод информационного взаимодействия для систем распределённого управления в роботах с модульной архитектурой
Ключевые слова:
модульный робот, гетерогенный робот, мобильный робот, реконфигурируемость, система управления, распределённое управлениеАннотация
В статье приведено решение проблемы информационного взаимодействия между встраиваемыми вычислительными устройствами при реализации распределённого управления в информационно-измерительной и управляющей системе (ИИУС) роботов с модульной архитектурой. Распределённое управление реализуется за счёт проектирования каждого модуля как устройства со своей собственной ИИУС, содержащей все необходимые для выполнения своего функционала компоненты, включая вычислительные устройства. Вследствие такой функциональной завершенности модулей происходит распараллеливание вычислительного процесса функционирования робота как единой мехатронной системы. В результате существенно снижаются требования к мощности вычислительных устройств ИИУС модулей, в качестве которых оказывается возможным использовать недорогие микроконтроллеры и одноплатные ЭВМ — встраиваемые вычислительные устройства. Предложена сетевая организация структуры ИИУС робота, что позволило перенести свойство реконфигурируемости сети на структуру модульного робота. Анализ различных топологий сети показал, что топология типа «звезда» имеет ряд преимуществ по сравнению с топологией типа «шина» для применения в гетерогенных модульных роботах. Показано, что использование Robot Operating System (ROS) для реализации информационного взаимодействия между встраиваемыми вычислительными устройствами либо невозможно, либо существенно затруднено. Предложена спецификация, предназначенная для создания соответствующих программных интерфейсов и языка межмодульного взаимодействия, обеспечивающих включение модулей сторонних производителей в режиме «plug and play». Спецификация основана на принципах ROS, но позволяет реализовать ПО на встраиваемых вычислительных устройствах. На основе многокритериальной оптимизации по Парето получены рекомендации для выбора соответствующих аппаратно-программных средств. Работоспособность предложенного решения была доказана в ходе экспериментов на установке, состав которой приближен к условиям работы ИИУС гетерогенного модульного робота. Эксперименты показали, что совместная работа программной и аппаратной частей удовлетворяет всем обозначенным требованиям и применима для передачи сообщений исполнительного уровня с частотой до 100 Гц при любой нагрузке на сеть.Литература
1. Лопота А.В., Юревич Е.И. Этапы и перспективы развития модульного принципа построения робототехнических систем // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. СПб: Изд-во Политехнического ун-та. 2013. №1(164). C. 98–103.
2. Платонов А.К. Робототехника лунной базы // XXXIV Чтения по космонавтике. URL: http://www.keldysh.ru/section5/report.xhtm?src=section5.xml&filter=3. (дата обращения: 10.06.2017).
3. Murata S. et al. M-TRAN: self-reconfigurable modular robotic system // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2002. vol. 7(4). pp. 432–441.
4. Østergaard E.H., Kassow K., Beck R., Lund H.H. Design of the ATRON lattice-based self-reconfigurable robot // Autonomous Robots. 2006. vol. 21(2). pp. 165–183.
5. Qiao G. et al. Design of Transmote: a Modular Self-Reconfigurable Robot with Versatile Transformation Capabilities // Proceedings of the 2012 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. 2012. pp. 1331–1336.
6. Fukuda T., Ueyama T., Kawauchi Y., Arai F. Concept of cellular robotic system (CEBOT) and basic strategies for its realization // Computers Elect Engng. 1992. vol. 18. no. 1. pp. 11–39.
7. Baca J., Ferre M., Aracil R. A heterogeneous modular robotic design for fast response to a diversity of tasks // Robotics and Autonomous Systems. 2012. vol. 60. no. 4. pp. 522–531.
8. Lyder A.H. et al. On sub-modularization and morphological heterogeneity in modular robotics // Intelligent Autonomous Systems of Advances in Intelligent Systems and Computing. 2013. vol. 193. no. 12. pp. 649–661.
9. Hancher M.D., Hornby G.S. A modular robotic system with applications to space exploration // 2nd IEEE International Conference on Space Mission Challenges for Information Technology (SMC-IT'06). 2006. pp. 132–140.
10. Garcia R.F.M., Lyder A., Christensen D.J., Stoy K. Reusable Electronics and Adaptable Communication as Implemented in the Odin Modular Robot // IEEE International Conference on Robotics and Automation. 2009. pp. 1152–1158.
11. Andreev V., Kim V., Pletenev P. The principle of full functionality – the basis for rapid reconfiguration in heterogeneous modular mobile robots // Proceedings of the 28th DAAAM International Symposium. 2017. pp. 0023–0028.
12. Quigley M. et al. ROS: an open-source Robot Operating System // ICRA workshop on open source software. 2009. vol. 3. no. 3.2. pp. 5.
13. Андреев В.П., Ким В.Л., Подураев Ю.В. Сетевые решения в архитектуре гетерогенных модульных мобильных роботов // Робототехника и техническая кибернетика. 2016. № 3(12). С. 23–29.
14. EtherCAT Technology Group, Industrial Ethernet Technologies. URL: https://www.ethercat.org/download/documents/Industrial_Ethernet_Technologies.pdf. (дата обращения: 17.03.2016).
15. Ethernet POWERLINK Communication Profile Specification Version 1.2.0. URL: http://www.ethernet-powerlink.org/en/downloads/technical-documents/action/open-download/download/epsg-ds-301-v120-communication-profile-specification/element/ 5158/?no_cache=1 (дата обращения: 17.03.2016).
16. RFC: 791 Internet Protocol. URL:https://tools.ietf.org/html/rfc791 (дата обращения: 17.05.2017).
17. Digital Standards Organization COSS – Consensus Oriented Specification System. URL: https://web.archive.org/web/20161002092144/http://www.digistan.org/spec:1 /coss (дата обращения: 17.05.2017).
18. Андреев В.П., Плетенев П.Ф. Разработка технологии межмодульного общения в гетерогенном модульном мобильном роботе // Труды международной научно-технической конференции «Экстремальная робототехника». 2016. С. 245–255.
19. Kirsanov K. Software architecture of control system for heterogeneous group of mobile robots // Procedia Engineering. 2015. vol. 100. pp. 216–221.
20. Hintjens P. "0MQ – The Guide". URL: http://zguide.zeromq.org/page:all (дата обращения: 17.03.2016).
21. Плетенев П.Ф. 1/ПММВ – Протокол взаимодействия в гетерогенном модульном мобильном роботе. URL: https://asmfreak.github.io/modular_robots_rfc/1/ПММВ/ (дата обращения: 20.01.2017).
22. Глухих И.Н. Оптимизация векторного критерия. Парето-оптимальные решения. URL: http://systematy.ru/articles/44_optimizatsiya_vektornogo_kriteriya__pareto-optimalnyie_resheniya (дата обращения: 17.03.2017).
2. Платонов А.К. Робототехника лунной базы // XXXIV Чтения по космонавтике. URL: http://www.keldysh.ru/section5/report.xhtm?src=section5.xml&filter=3. (дата обращения: 10.06.2017).
3. Murata S. et al. M-TRAN: self-reconfigurable modular robotic system // IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2002. vol. 7(4). pp. 432–441.
4. Østergaard E.H., Kassow K., Beck R., Lund H.H. Design of the ATRON lattice-based self-reconfigurable robot // Autonomous Robots. 2006. vol. 21(2). pp. 165–183.
5. Qiao G. et al. Design of Transmote: a Modular Self-Reconfigurable Robot with Versatile Transformation Capabilities // Proceedings of the 2012 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. 2012. pp. 1331–1336.
6. Fukuda T., Ueyama T., Kawauchi Y., Arai F. Concept of cellular robotic system (CEBOT) and basic strategies for its realization // Computers Elect Engng. 1992. vol. 18. no. 1. pp. 11–39.
7. Baca J., Ferre M., Aracil R. A heterogeneous modular robotic design for fast response to a diversity of tasks // Robotics and Autonomous Systems. 2012. vol. 60. no. 4. pp. 522–531.
8. Lyder A.H. et al. On sub-modularization and morphological heterogeneity in modular robotics // Intelligent Autonomous Systems of Advances in Intelligent Systems and Computing. 2013. vol. 193. no. 12. pp. 649–661.
9. Hancher M.D., Hornby G.S. A modular robotic system with applications to space exploration // 2nd IEEE International Conference on Space Mission Challenges for Information Technology (SMC-IT'06). 2006. pp. 132–140.
10. Garcia R.F.M., Lyder A., Christensen D.J., Stoy K. Reusable Electronics and Adaptable Communication as Implemented in the Odin Modular Robot // IEEE International Conference on Robotics and Automation. 2009. pp. 1152–1158.
11. Andreev V., Kim V., Pletenev P. The principle of full functionality – the basis for rapid reconfiguration in heterogeneous modular mobile robots // Proceedings of the 28th DAAAM International Symposium. 2017. pp. 0023–0028.
12. Quigley M. et al. ROS: an open-source Robot Operating System // ICRA workshop on open source software. 2009. vol. 3. no. 3.2. pp. 5.
13. Андреев В.П., Ким В.Л., Подураев Ю.В. Сетевые решения в архитектуре гетерогенных модульных мобильных роботов // Робототехника и техническая кибернетика. 2016. № 3(12). С. 23–29.
14. EtherCAT Technology Group, Industrial Ethernet Technologies. URL: https://www.ethercat.org/download/documents/Industrial_Ethernet_Technologies.pdf. (дата обращения: 17.03.2016).
15. Ethernet POWERLINK Communication Profile Specification Version 1.2.0. URL: http://www.ethernet-powerlink.org/en/downloads/technical-documents/action/open-download/download/epsg-ds-301-v120-communication-profile-specification/element/ 5158/?no_cache=1 (дата обращения: 17.03.2016).
16. RFC: 791 Internet Protocol. URL:https://tools.ietf.org/html/rfc791 (дата обращения: 17.05.2017).
17. Digital Standards Organization COSS – Consensus Oriented Specification System. URL: https://web.archive.org/web/20161002092144/http://www.digistan.org/spec:1 /coss (дата обращения: 17.05.2017).
18. Андреев В.П., Плетенев П.Ф. Разработка технологии межмодульного общения в гетерогенном модульном мобильном роботе // Труды международной научно-технической конференции «Экстремальная робототехника». 2016. С. 245–255.
19. Kirsanov K. Software architecture of control system for heterogeneous group of mobile robots // Procedia Engineering. 2015. vol. 100. pp. 216–221.
20. Hintjens P. "0MQ – The Guide". URL: http://zguide.zeromq.org/page:all (дата обращения: 17.03.2016).
21. Плетенев П.Ф. 1/ПММВ – Протокол взаимодействия в гетерогенном модульном мобильном роботе. URL: https://asmfreak.github.io/modular_robots_rfc/1/ПММВ/ (дата обращения: 20.01.2017).
22. Глухих И.Н. Оптимизация векторного критерия. Парето-оптимальные решения. URL: http://systematy.ru/articles/44_optimizatsiya_vektornogo_kriteriya__pareto-optimalnyie_resheniya (дата обращения: 17.03.2017).
Method of Information Interaction for Distributed Control Systems of Robots with Modular Architecture
Abstract
The paper presents a solution to the problem of information interaction between embedded computing devices in the implementation of distributed control in the information-measuring and control system (IMCS) of robots with modular architecture. Distributed control is realized by designing each module as a device with its own IMCS containing all the components necessary to perform its functionality, including computing devices. As a consequence of such a functional completion of the modules, the computations needed to control the robot as a single mechatronic system are parallelized. As a result, the requirements to the power of computing devices of modules’ IMCS are significantly reduced, as it is possible to use inexpensive microcontrollers and single-board computers – embedded computing devices. The network organization of the IMCS structure of the robot is proposed, which allowed the transfer of the reconfigurability property of the network to the structure of the modular robot. Analysis of various network topologies has shown that the topology of the "star" type has several advantages over the topology of the "bus" type for use in heterogeneous modular robots. It is shown that the use of the Robot Operating System (ROS) for the implementation of information interaction between embedded computing devices is either impossible or significantly hampered. A specification is proposed for the creation of appropriate programming interfaces and a language for inter-module communication, which enable the inclusion of third-party modules in the plug and play mode. The specification is based on the principles of ROS, but allows one to implement software on embedded computing devices. On the basis of Pareto's multi-criteria optimization, recommendations were obtained for selecting the appropriate hardware and software. The efficiency of the proposed solution was proved in the course of experiments on an installation whose composition is close to the working conditions of the IMCS of a heterogeneous modular robot. The experiments showed that the joint operation of the software and hardware parts meets all the specified requirements and is applicable for the transmission of messages of the executive level with a frequency of up to 100 Hz under any load on the network.
Опубликован
2018-03-30
Как цитировать
Андреев, В. П., & Плетенев, П. Ф. (2018). Метод информационного взаимодействия для систем распределённого управления в роботах с модульной архитектурой. Труды СПИИРАН, 2(57), 134-160. https://doi.org/10.15622/sp.57.6
Раздел
Робототехника, автоматизация и системы управления
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями:
Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).
