В библиотеку
Разработка сенсорной системы в рамках проекта Symbrion Replicator
Кривоухов Д.А.
ДонНТУ, г. Донецк
Eugen Meister
Штутгартский университет IPVS Bildverstehen
В настоящее время продолжает развиваться автоматизация производства. Все больший объем работы выполняется искусственными организмами, часто без постоянного человеческого контроля. Разработка новых более продуктивных и эффективных автоматизированных роботехнических систем остается актуальной.
Кооперация и конкуренция между независимыми агентами может повысить приспособленность всей системы. Интересную форму коллективной системы демонстрируют некоторые бактерии и грибки, которые могут построить симбиотический организм. Симбиотические сообщества могут развить новые функциональные способности, которые помогут всем членам продуктивнее существовать в окружающей среде [1].
Главной целью проекта Symbrion Replicator (ранее двух проектов, в процессе развития слившихся в один) является исследование и разработка новаторских принципов адаптации и эволюции симбиотических роботехнических организмов, основанных на биологических принципах и современных вычислительных парадигмах. Такие организмы состоят из крупномасштабных роев роботов, которые могут соединяться друг с другом и симбиотически делиться энергией и вычислительными ресурсами в рамках одной искусственной формы жизни. Такие роботы могут динамически перестраивать свою структуру на один или несколько отдельных организмов, подбирая таким образом наиболее выгодную форму, и взаимодействовать с окружающим миром при помощи множества датчиков и исполнительных механизмов.
Биологические эволюционные парадигмы в совокупности с реализацией конструкции в виде роя роботов позволяют организмам автономно управлять своей аппаратной структурой и программным обеспечением. Таким образом искусственные робототехнические организмы становятся самостоятельно конфигурирующимися, лечащимися, оптимизирующимися и защищающимися с аппаратной и программной сторон. Это ведет не только к крайне приспосабливающимся, эволюционирующим и масштабируемым робототехническим системам, но и позволяет организмам перепрограммировать себя без человеческого контроля для достижения новой, непредусмотренной заранее функциональности. Кроме того, различные симбиотические организмы могут совместно эволюционировать, сотрудничать друг с другом и с окружающей средой [2].
Главной способностью модульного робота является построение из нескольких потенциально независимых модулей с ограниченной сложностью и возможностями, которые соединяются друг с другом для формирования более функционального робота.
Одной из проблем является организация электроники из-за строгих ограничений в размере и сложности аппаратной части [1].
Для того, чтобы уменьшить объем вычислительной работы для основного процессора, для системы сенсоров применяется отдельный самостоятельный процессор, обрабатывающий информацию от датчиков и посылающий команды главному процессору. Например, при разработке системы огибания препятствий при движении, основанной на инфракрасных датчиках, дополнительный процессор итерационно получает информацию, обрабатывает ее. И только при обнаружении препятствий передает команду главному процессору, что существенно сокращает нагрузку на основной процессор.
Ранее для обработки информации использовался процессор ARM Cortex M3, один из RISC-процессоров. RISC (англ. Reduced Instruction Set Computer) - вычислитель с сокращённым набором команд. Это концепция проектирования процессоров (ЦПУ), которая во главу ставит следующий принцип: более компактные и простые инструкции выполняются быстрее. Простая архитектура позволяет удешевить процессор, поднять тактовую частоту, а также распараллелить исполнение команд между несколькими блоками исполнения (т. н. суперскалярные архитектуры процессоров) [3].
Также одним из важным показателем при разработке электроники для данного робота является потребляемый ток. Каждый модуль робота автономен и работает от внутренних источников питания. Поэтому для обработки информации от сенсоров на замену Cortex выбран один из процессоров фирмы Texas Instruments семейства MSP430, наиболее важной особенностью которого является ультра-низкое энергопотребление.
Другой важной особенностью данного микроконтроллера является наличие встроенного аналогово-цифрового преобразователя с 12 независимыми каналами (ADC12). ADC12 – это 12-битный аналого-цифровой преобразователь со встроенной схемой сбора и сохранения. Первая часть состоит из мультиплексора, позволяющего разработчику выбирать один из возьми внешних контактов или один из четырех внутренних источников как сигнал для конвертации. Также в АЦП есть внутренний температурный сенсор, позволяющий получить примерное представление об операционной температуре [5]. Архитектура микроконтроллера в сочетании с пятью энергосберегающими режимами оптимизирована для увеличения срока работы батареи для портативных измерительных устройств [4].
Таким образом MSP430FG4618 является оптимальным микроконтроллером для сенсорной системы, которая включает в себя, микрофон, инфракрасные сенсоры, зуммер, датчики силы, температуры, влажности.
Инфракрасные сенсоры используются для организации системы избегания препятствий при движении и при коммуникации. Главной проблемой при выборе датчика является малое расстояние чувствительности, т.к. размер является строгим ограничением и использование мощных сенсоров невозможно. Инфракрасные сенсоры состоят из передатчика и приемника. Передатчиком служит инфракрасный диод. Решением проблемы с мощностью передатчика стало использование генератора импульсов для управления состоянием диода. При использовании импульсов диод включается на короткое время и согласно техническим данным при этом через него можно пропускать гораздо больший ток, чем при постоянной работе. Были проведены опыты с сенсором OMRON EE-SY110 и использование импульсов позволило увеличить дистанцию чувствительности с 5 мм до 30 см.
Микрофон и зуммер используются как альтернативный способ коммуникации между роботами. Датчики силы служат для обнаружения и фиксирования давления на корпус. Для этих датчиков были выбраны сенсоры фирмы Interlink, работающие по принципу динамического сопротивления, которое изменяется в зависимости от давления.
Каждая из четырех боковых сторон робота оснащена одинаковым набором элементов: микроконтроллер, сенсоры и др. Таким образом каждый процессор контролирует свою сторону независимо от других и наличие многоканального АЦП позволяет разместить большее количество сенсоров. Проблемой остается наличие мертвых зон для инфракрасных сенсоров. Для тестируемого датчика область обнаружения представляется в виде конуса с углом вершины в 15 градусов и даже наличие четырех сенсоров не перекрывает всю площадь, а использование большего числа датчиков недопустимо.
В течении работы было спроектировано несколько тестовых печатных плат для определения наиболее оптимальных связующих элементов. Платы проектировались с использованием профессиональной программы Mentor graphics. Результат тестов – жесткие коннекторы хоть и лучше фиксируют платы относительно друг друга, но при этом в случае нагрузки на угол есть риск разрушения контактных элементов. Использование гибких проводных коннекторов более оптимально, т.к. в случае ударов разрушается сам провод, а не плата. Также кроме тестовых плат были разработаны схемы сенсоров (инфракрасные, давления, микрофон). Для обработки полученных сигналов было написано соответствующее программное обеспечение. Итогом работы стало создание единой программы, которая поочередно выполняла опросы сенсоров, снятие данных с которых для выполняемых функций должно быть итерационным, а также по запросу выполнялась запись звуковой последовательности либо воспроизведение ранее записанных звуков. Программа тестировалась с использованием разработанных ранее плат и как результат выполняла поставленные задачи.
Использование полученного опыта в рамках ДонНТУ я считаю маловероятным, т.к. отсутствует соответствующее финансирование. Материальная поддержка проекта Symbrion Replicator позволяет проводить сравнительные исследования различных составляющих схемотехники робота, например, приобретать несколько процессоров, сенсоров и т.д. с целью нахождения наиболее оптимального. Программа Mentor graphics является широко распространенной и используемой, но также и дорогостоящей. В итоге, наиболее полезным результатом проделанной работы касательно ДонНТУ является то, что руководители отдела остались довольны нашим вкладом в проект, что послужит дальнейшему развитию международного сотрудничества.
Используемая литература:
- 1. Kernbach Serge, Meister Eugen, Schlachter Florian, Jebens Kristof, Szymanski Marc, Liedke Jens, Laneri Davide, Winkler Lutz, Schmickl Thomas, Thenius Ronald, Corradi Paolo, Ricotti Leonardo «Symbiotic Robot Organisms: REPLICATOR and SYMBRION Projects” (PerMIS 08, August 19-21, 2008, Gaithersburg, MD, USA)
- 2. Official web-site of project Symbrion Replicator [Электронный ресурс]:- Режим доступа http://www.symbrion.eu/tiki-index.php
- 3. RISC процессоры [Электронный ресурс]:- Режим доступа http://ru.wikipedia.org/wiki/RISC
- 4. “MSP430xG461x Mixed Signal Microcontroller SLAS508G -- APRIL 2006 -- REVISED OCTOBER 2007” datasheet
- 5. «Embedded Systems Design using the TI MSP430 Series» Chris Nagy ISBN: 0-7506-7623-X TK7895.E42N34 2003