Σχεδιασμός και Υλοποίηση του Ηλεκτρικού/ Ηλεκτρονικού Υποσυστήματος, και Προγραμματισμός Πραγματικού Χρόνου Ρομπότ Διαστημικού Εξομοιωτή

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει θέμα το σχεδιασμό και την υλοποίηση του ηλεκτρικού/ ηλεκτρονικού υποσυστήματος, καθώς και την ανάπτυξη του λογισμικού ενός ρομπότ επίπεδου διαστημικού εξομοιωτή. Ο εν λόγω εξομοιωτής βρίσκεται στο Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών ΕΜΠ, και αποτελείται από ρομπότ, τα οποία αιωρούνται σε απόσταση 10 [μm] πάνω σε μια τράπεζα γρανίτη αμελητέας τραχύτητας. Σκοπός του εξομοιωτή είναι η πειραματική μελέτη της δυναμικής των ρομπότ σε συνθήκες που εξομοιώνουν την έλλειψη βαρύτητας στο επίπεδο, μέσω εξάλειψης της τριβής. Η πρωτοτυπία έγκειται στο ότι τα ρομπότ είναι μικρής μάζας, χαμηλού κόστους, πλήρως αυτόνομα και με υποσυστήματα ανάλογα με αυτά ενός πραγματικού διαστημικού ρομποτικού συστήματος. Η εργασία αυτή αφορά το νέο (δεύτερο) ρομπότ, αφού το πρώτο είναι λειτουργικό και έτοιμο για πειράματα. Κίνητρο για την ανάπτυξη ενός συστήματος σαν αυτό αποτελεί η συνεχώς αυξανόμενη σπουδαιότητα των ρομποτικών συστημάτων στο διάστημα σε περιπτώσεις όπως: εξερεύνηση του διαστήματος, κατασκευή, συντήρηση και επιθεώρηση συστημάτων, προσέγγιση και πρόσδεση σε άλλα σώματα που βρίσκονται σε τροχιά.

Τα ρομπότ του εξομοιωτή αποτελούνται από 3 υποσυστήματα: α) το μηχανολογικό: είναι κατασκευασμένα κυρίως από αλουμίνιο, διαθέτουν δύο βραχίονες δύο βαθμών ελευθερίας κι έναν σφόνδυλο αντίδρασης σαν εναλλακτικό τρόπο κίνησης, β) το πνευματικό: χρησιμοποιούν αέριο CO2 για να αιωρούνται μέσω 3 αεροεδράνων αλλά και για να κινούνται στο επίπεδο μέσω 3 ζευγών προωθητηρίων (thrusters), γ) το ηλεκτρικό/ ηλεκτρονικό: προσδιορίζουν τη θέση τους μέσω δύο συστημάτων αισθητήρων (οπτικοί αισθητήρες στο σώμα τους και εξωτερική κάμερα) και μέσω αυτομάτου ελέγχου επενεργούν κατάλληλα στο περιβάλλον.

Χρησιμοποιώντας την τεχνική του σχεδιασμού βασισμένου στο μοντέλο (model-based design), ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη του νέου ρομπότ έγινε σε συνολικό επίπεδο, αφού η ανάπτυξη αλγορίθμων και λογισμικού και η τελική εγκατάσταση στο υλικό (hardware) εξετάστηκαν σαν αλληλένδετα κομμάτια. Το πακέτο λογισμικού που χρησιμοποιήθηκε ήταν το xPC Target, της πρωτοπόρου στον τομέα εταιρίας, Mathworks. Στο περιβάλλον αυτό, τα απλά μοντέλα προσομοίωσης Simulink μετατρέπονται άμεσα σε προγράμματα C, τα οποία εκτελούνται σε πραγματικό χρόνο κατευθείαν στο τελικό υλικό (hardware) του ρομπότ. Πάνω σε αυτή τη βάση, έγινε δυνατή η αξιολόγηση και η εξέλιξη του σχεδιασμού σε όλη τη διάρκεια της ανάπτυξης. Έτσι, δόθηκε έμφαση στη καινοτομία, ενώ παρακάμφθηκαν πιθανά προβλήματα χαμηλού επιπέδου σε λογισμικό (software) και υλικό (hardware).

Σαν κεντρική υπολογιστική μονάδα επιλέχτηκε μια κάρτα PC-104, και συμπληρώθηκε με κάρτες ίδιου φορμάτ για παροχή ισχύος, και ενσωμάτωση ψηφιακών εισόδων/εξόδων. Για την τροφοδοσία του συστήματος χρησιμοποιήθηκαν μπαταρίες LiPo. Αναπτύχθηκε σύστημα εντοπισμού μέσω τριών οπτικών αισθητήρων προσαρτημένων στο σώμα του ρομπότ, αλλά και ένα δεύτερο σύστημα βασισμένο σε εξωτερική κάμερα που παρακολουθεί τον χώρο εργασίας. Δύο ασύρματες Ethernet γέφυρες χρησιμοποιήθηκαν για α) τηλεχειρισμό του ρομπότ και β) ασύρματη λήψη δεδομένων κίνησης από το σύστημα της εξωτερικής κάμερας σε πραγματικό χρόνο. Σχεδιάστηκαν και εκτυπώθηκαν οι απαραίτητες ηλεκτρονικές πλακέτες: μία για διανομή ισχύος στα διάφορα υποσυστήματα, μία για οδήγηση των προωθητηρίων (thrusters), και μία για συλλογή δεδομένων από τους οπτικούς αισθητήρες. Τέλος, έγιναν αρκετά πειράματα κίνησης με το ρομπότ σε τελική μορφή, με στόχο την αξιολόγηση των αλγορίθμων επεξεργασίας που αναπτύχθηκαν, πάνω σε δεδομένα των δύο συστημάτων εντοπισμού.

The present diploma thesis deals with the design and implementation of the electric/ electronic subsystem, as well as the software development of a robot of a planar space simulator. This simulator has been placed in the Control Systems Lab of the Mechanical Engineering Department of NTUA, and it consists of robots hovering in a distance of 10 [μm] over a granite table of negligible roughness. The purpose of the simulator is the experimental study of the robots’ dynamics in conditions that simulate zero gravity in 2D, through the elimination of friction. The novelty lies in the fact that the robots are of low mass, low cost, completely autonomous and carry subsystems that resemble these of a real space robot. This work refers to the new (second) robot, as the first is functional and ready for experiments. The motivation for the development of such a system is the increasing importance of space robots in cases such as: space exploration, construction, maintenance and inspection of systems in space, approach and attachment to other bodies in orbit.

The robots of the simulator consist of 3 subsystems: a) mechanical: they are made of aluminum, and they bear two arms, with two joints each, and a reaction wheel as an alternative way of motion, b) pneumatic: they use CO2 gas in order to hover using 3 air-bearings, and for planar motion using 3 pairs of thrusters, c) electric/ electronic: they estimate their posture using two systems of sensors (optical sensors on their body and an external camera) and through automatic control act appropriately upon the environment.

Employing the technique of model-based design, the development of the new robot was carried out as a whole, since the design of algorithms, the software development and the final integration on the hardware were studied as interdependent parts. The software used was xPC Target, from Mathworks. In this environment, C code is quickly generated from simple Simulink models, and it is finally executed on the robot’s hardware in hard real time. In this manner, validation and verification of the design were continuously performed throughout the development. As a result, emphasis was put on innovation, while at the same time potential low-level problems in hardware and software were surmounted.

In order to attain computation autonomy a PC-104 system is used, including a CPU board, a 48 Digital I/O card and a power supply board. Power autonomy is achieved using Li-Po batteries. The localization of the robot is achieved through two different systems of sensors: (a) relative estimation sensors, that is to say three optical sensors, for fast estimation and (b) an absolute estimation sensor, namely an off-board camera, providing more accurate estimation. Two wireless Ethernet bridges are used for a) the remote control of the robot, and b) to receive motion data from the camera system in real time. Four PCBs have been designed and printed for power routing, thrusters’ control, collecting optical sensors' data and another one to be used as a control panel. Finally, several experiments were carried out with the robot in full format, in order to evaluate the processing algorithms that were developed, on data derived from the camera and the optical sensors systems.