Entwurf und Implementierung eines Mikrocontroller- Betriebssystems für den Direktsteuerungs- und Bahnfahrbetrieb eines Serviceroboters

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1 Praxisarbeit 3. Semester Entwurf und Implementierung eines Mikrocontroller- Betriebssystems für den Direktsteuerungs- und Bahnfahrbetrieb eines Serviceroboters Dennis Jöst Kurs: IT05G1 Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Institut für Angewandte Informatik Betreuer: Dipl.-Ing. S. Dietze Berufsakademie Karlsruhe Fachleiter: Prof. Hans-Jörg Haubner 1.Quartal 2007

2 Ehrenwörtliche Erklärung _ Ehrenwörtliche Erklärung Hiermit versichere ich, dass ich den vorliegenden Praxisbericht alleine und nur unter Verwendung der angegebenen Referenzen angefertigt habe. Dennis Jöst Bestätigung: Dipl. - Ing. Stefan Dietze (Betreuer) Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Angewandte Informatik

3 Inhaltsverzeichnis _ Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Situation und Problemstellung Serviceroboter Kasper Seramos Software Resultierende Aufgabenstellung Teilziele und Randbedingungen Strukturelles Konzept für MControl-OS Strukturierung der Funktionalität MControl Zustände USB-Kommunikation Anforderungen Kommunikationsprotokoll Realisierung PC-Seite LibUSB Treiber Funktionsweise des USBServers Realisierung µc seitig Atmel USB Framework USB Device Descriptor USB FIFO I²C und Sensorik Anforderungen Bumperinterrupt Timerinterrupt für Sensorwerte CAN-Kommunikation und Drivingcontrol Hardware EPOS Motorsteuerung Antrieb (Motor, Bremse, Encoder, Getriebe) CAN-Kommunikation CAN und canopen CANIDs und Belegung der Mailboxen bei MControl-OS PDO Kommunikation Zykluszeit Fahrmodi Velocitycontrol Segmentdrive Fazit und Ausblick Fazit Ausblick Verweise Abbildungsverzeichnis Anhang Libusb Funktionen Formeln zur Berechnung der Roboterbewegungen Headerdatei USB Datenstrukturen Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Angewandte Informatik

4 Einleitung _ 1. Einleitung Im Forschungszentrum Karlsruhe wird ein Serviceroboter für unterschiedliche Aufgaben entwickelt. Dieser Roboter soll hauptsächlich für die Pflege alters- oder krankheitsbedingt bedürftiger Menschen eingesetzt werden, aber auch für Inspektionen in großtechnischen Anlagen geeignet sein. Dieses breite Abwendungsspektrum ergibt sich der aus dessen Größe, der relativ großen Tragkraft, sowie aus der flexiblen Handhabung mit den zu tragenden Objekten und außerdem aus der Kombination von direkten und automatischen Bedienmodi. Im automatischen Modus soll der Roboter in erster Linie Bring und Holdienste verrichten. Dies geschieht indem er Objekte erkennt, sie mit Hilfe eines eingebauten Greifarms an speziellen Halterungen greift und an definierten Plätzen wieder abstellt. Zur Direktsteuerung gibt es einen lokalen Modus sowie einen Teleoperationsmodus /1/. Mit dessen Hilfe können Pfleger jederzeit und überall den Zustand der bedürftigen Person überwachen und ggf. sofort Hilfestellungen leisten. Das soll vor allem dazu beitragen, dass Pflegepersonal entlastet wird sowie bedürftige Menschen länger autonom sind und in ihrem eigenen Haus leben können. Die Anbindung des Roboters zu anderen Geräten im Haushalt geschieht über die Smarthome Umgebung /2/. Dabei handelt es sich um ein Netzwerk mit einer serviceorientierte Kommunikationsschicht, über die Geräte im Haushalt ferngesteuert werden können. So können beispielsweise über eine Smarthome Bedienoberfläche die Rollläden geschlossen werden, die Sprinkleranlage im Garten aktiviert werden oder Aufgabe an den Roboter gestellt werden, egal wo sich der Benutzer befindet. Ein Teil des Entwicklungsprozesses für den Serviceroboter ist die Entwicklung einer Software zur Motor und Sensoransteuerung und PC-Anbindung, über die Sie dieser Praxisbericht weiter informieren soll. Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Angewandte Informatik 1

5 Situation und Problemstellung 2. Situation und Problemstellung 2.1. Serviceroboter Kasper Abbildung 1 Konstruktion Serviceroboter KASPER Bei dem hier entwickelten KASPER (Karlsruhe Assistent Service Personal Robot) wurde der Schwerpunkt für die Entwicklung weniger auf menschenähnliches Aussehen als auf ein kompaktes und funktionales Gehäusedesign gelegt. Es soll eine Arbeitsmaschine entstehen die ähnlich wie ein Gabelstapler agiert. Eine Hubachse ermöglicht eine Hilfestellung beim Patiententransport und kann Lasten bis zu 120kg problemlos tragen. Der Greifarm hat vier Freiheitsgerade für Bewegungen und soll damit Gegenstände mit bis zu 10kg erreichen und anheben können. Weitere Informationen zur Plattform können in den Diplomarbeiten /3/ (Roboterarm), /4/ (Hubachse), und /5/ (Behältersystem) nachgelesen werden. Die Konstruktion der Plattform ist weitestgehend abgeschlossen. Des Weiteren wurde die Sensorik sowie die Steuerungselektronik grundlegend in Betrieb genommen. Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Angewandte Informatik 2

6 Situation und Problemstellung 2.2. Seramos Software Die Robotersteuerungssoftware SERAMOS (Service Roboter Application Modules) läuft auf dem Steuerungsrechner der Roboterplattform. Eine der Kernaufgaben der Software ist Selbstlokalisierung und die Positionsbestimmung von Behältern durch optische Landmarken. Eine Bildverarbeitung ermittelt dabei die Position einer optischen Landmarke relativ zu einer einzelnen Kamera und liest dabei auch eine Identifikationsnummer. Details über dieses Prinzip lassen sich in der Diplomarbeit /6/ nachlesen. Zwischen den ortsfesten Kalibriermarken verlässt man sich auf die Position aus der Odometrie. Dies bedeutet das Aufaddieren der Encoderwerte an den beiden Antriebsrädern des Roboters. Bei dieser Methode treten aber, z.b. aufgrund eines ungenauen Reifendurchmessers oder Reifenschlupf auf glatten Untergründen, immer kleinere Messfehler auf. Die Selbstlokalisierung ist eine der wichtigsten Vorraussetzungen zur Ausführung zahlreicher Betriebsarten der Software. Zu den wichtigsten verschiedenen Betriebsmodi gehört dabei, den Pfad zu einem Ziel zu ermitteln und das Fahren dahin /7/ sowie die Telekontrolle. Mithilfe dieser beiden Modi lässt sich die Plattform automatisch, halbautomatisch bzw. manuell an die verschiedene Stellen im Aktionsgebiet bewegen. Falls der Roboter von seiner Bahn abkommt und keine Landmarke an der erwarteten Stelle findet schaltet er z.b. in den Seek Modus und sucht diese selbstständig. Abbildung 2 Pioneer 2 Plattform Momentan wird die SERAMOS Software auf einer Pioneer 3 Roboterplattform von Activmedia /8/ getestet. Die Verwendung von Seramos für KASPER erfolgt zunehmend mit der Verfügbarkeit der Hardware. SERAMOS stellt eine Ansammlung von Modulen und Testprogrammen in verschiedenen Schichten dar und ist für die Anwendung mit mehreren Robotertypen vorgesehen. Die Kommunikation mit dem Betriebssystem der Plattform erfolgt über die Aria (Advanced Robot Interface for Applications /8/), eine Open Source Roboterbibliothek, welche die Verbindung zu den verschiedenen Fahrbetriebssystem von Activmedia-Robotern herstellt und hardwarespezifische Kommandos kapselt. Plattform Pioneer 2 MC Steuer-PC SERAMOS P2OS ARIA Serielle Kommunikation Abbildung 3 Schichtenmodell Pioneer 2 Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Angewandte Informatik 3

7 Situation und Problemstellung 2.3. Resultierende Aufgabenstellung Aus der oben beschriebenen Situation ergibt sich nun die Aufgabenstellung die Steuerungssoftware SERAMOS für KASPER zur Verfügung zu stellen. Der Grundgedanke ist dabei, dass dabei nur eine roboterspezifische ARIA-Roboterklasse entwickelt werden muss, mit der die anderen Module der SERAMOS Software nach Bedarf kombiniert werden. Dazu muss zunächst ein Betriebsystem für die neue Roboterhardware entwickelt werden. Dieses soll, wie das P2OS(s. Abb 3), die Ansteuerung des Motors und der Sensoren übernehmen. Da für diese Aktionen teilweise Reaktionen in Echtzeit nötig sind und der Steuer/Bedien-PC dafür ungeeignet ist, sollte ein OS(Operating System) auf einem Mikrocontroller implementiert werden. Die Kommunikation zwischen PC und dem Mikrocontroller soll über USB /9/ erfolgen. Die Kommunikation mit der Motorsteuerung erfolgt über den CAN Bus /10/ und die meisten Sensoren sind an einem gemeinsamen I²C Bus /11/ angebunden und Dieses Betriebssystem wird MControl-OS (Motion Control OS) genannt und ist Gegenstand dieser Praxisarbeit. Auf die Migration der Seramos Software soll späteren Arbeiten eingegangen werden Teilziele und Randbedingungen Im Rahmen der Zielsetzung zu Beginn der Planungsphase wurden einige Teilziele und Randbedingungen vereinbart. Detaillierte Angaben finden sich unter dem Unterpunkt Anforderungen der jeweiligen Kapitel. Sicherheitskonzept: bei Verbindungs- bzw. Kommunikationsfehlern muss das Betriebsystem in einem Fehlerzustand wechseln und die Motoren anhalten. Wird der Bumper der Roboterplattform aktiviert müssen die Motoren ebenfalls sofort gestoppt werden. Garantierte Reaktionszeit: Im Fahrbetrieb gibt es eine Zykluszeit in der jeweils ein Befehl ausgeführt wird. Diese Zeit muss garantiert sein und darf nicht überschritten werden. Bootup: Der Betriebsystem hat beim Hochfahren mehrere Zustände die den Fortschritt des Vorgangs signalisieren. Komponenten müssen einzeln zu- und abschaltbar sein. (z.b. Hochfahren ohne Sensoren). Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Angewandte Informatik 4

8 Strukturelles Konzept für MControl-OS 3. Strukturelles Konzept für MControl-OS 3.1. Strukturierung der Funktionalität Zur Schrittweisen Annäherung an das Problem wird das Betriebssystem zunächst in vier Module zerteilt(s. Abb. 4. Dazu werden zunächst die drei Hauptfunktionalitäten des Betriebssystems voreinander getrennt. Das Modul USB-Kommunikation kapselt die USB-Kommunikation mit dem Steuer/Bedienrechner. Die Verteilungsinstanz DeliverLoop sorgt für den Datenaustausch der USB Kommandos und Anfragen. mit den anderen Komponenten Die Interrupt Service Routine SensorISR liest hauptsächlich die Ultraschallsensoren über I²C ein. Der CAN- und Driving-Control-Prozess MControlISR übernimmt die Kommunikation mit Encodern und Motorsteuerung über CAN. Jedes Modul ist im Ablauf von den anderen Modulen entkoppelt. Current State Desired State Datenhaltung MControlISR Prozess zur Ansteuerung der Motorsteurung Segm Ctrl VelCtrl SensorISR Prozess zur Ansteuerung der Sensorik BumperINT IO Interrupt für Bumper DelivererLoop Schleife zur Verteilung der USBKommandos Prozesse MotionControlDrv Treiber zur Ansteuerung der Motorsteuerung CANOpenDrv USonicDrv Treiber zur Ansteuerung der Ultraschallsensoren USBBuffer Speichert Kommandos zwischen USBDrv Obere Treiberschicht Treiber zur Bereitstellung der CAN Open Funktionalität Definiert Endpoints und DeviceId CANDrv Treiber für die CANKommunikation I2CLib Treiber zur Ansteuerung des TWI Bus USBFramework Atmel Framework zur USB Kommunikaion Untere Treiberschicht Controller Area Network (CAN) Two Wire Interface (TWI) PIO USB Device Port (UDP) Hardwareschicht (Direktzugriffe) Abbildung 4 Blockdiagramm der Module Um die Module gegeneinander austauschbar zu machen wurden sie in unterschiedlichen Schichten angesiedelt. Prozesse werden zyklisch aufgerufen und greifen über die Treibermodule auf die jeweilige Hardware zu. Sie verändern einen desired State in der Datenhaltungsschicht der beim zyklischen Aufruf von MControlISR in den current State übernommen wird. Die Verteilung der eingehenden USB-Kommados erfolgt über der DelivererLoop. Sie meldet Zustandsänderungen und sendet zyklisch Sensorwerte. Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Angewandte Informatik 5

9 Strukturelles Konzept für MControl-OS 3.2. MControl Zustände Um das definierte Gesamtverhalten der Steuerung zu gewährleisten, wurden globale Zustände der Steuerung eingeführt (s. Abb. 5). Der jeweilige Ist-Zustand (CurrentState, s. Abb. 4) lässt sich über einen USB Befehl abfragen. In den verschiedenen Zuständen sind immer nur bestimmte USB-Kommandos erlaubt, andere werden ignoriert und verworfen. Die PC Software muss daher immer für den richtigen Zustand von MControl-OS sorgen. Reset Init Reset Reset Initialized Standby Activate Reset Activated DirectMAktivate DirectMDeaktivate SegmDrvDeaktivate SegmDrvAktivate USBDetach DMError Activate Error VelocityDrv BumperPressed BumperPressed SegmDrv Abbildung 5 Beschreibung der Zustände: Init Standby Activated VelocityDrv SegmDrv Stall Error Beschreibung der Ereignisse: Stall Abbildung 6 Zustandsdiagramm MControl MControl wird initialisiert und nimmt keine Befehle an. MControl ist Bereit und wartet auf Aktivierungsbefehle. In diesem State kann Peripherie zur Aktivierung freigegeben werden. Die Sensorik inklusive aller Peripherie wurde aktiviert und es werden regelmäßig Sensorwerte an den PC geliefert. Es werden Befehle zum Direktfahrbetrieb mit Geschwindigkeitsangaben angenommen. (z.b. für Joystickbetrieb) Es werden Fahrsegmente zwischengespeichert und nacheinander abgefahren (z.b. für den Bahnfahrbetrieb) Der Bumper wurde aktiviert und die Plattform wurde gestoppt. Der Fahrmodus muss neu aktiviert werden um weiter zu fahren. Bei Kommunikationsfehlern oder Fehlern in der Motorsteuerung wird eine Fehlermeldung übermittelt und in den Fehlermodus geschalten. Reset...Activate BumperPressed USBDetach DMError USB Kommando: MControl zurücksetzen USB Kommando: Jeweiligen Modus aktivieren. Der Bumper der Plattform wurde aktiviert Die USB Verbindung wurde unterbrochen Ein Fehler ist beim ausführen eines Fahrkommandos aufgetreten Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Angewandte Informatik 6

10 USB-Kommunikation 4. USB-Kommunikation 4.1. Anforderungen Zum Steuerungsrechner der Plattform wurde die Kommunikation über USB gewählt um folgenden Anforderungen gerecht zu werden: Verfügbarkeit: Ein großer Vorteil ist die internationale Standardisierung und die sehr gute Verfügbarkeit von USB. Nahezu jeder aktuelle PC besitzt USB- Schnittstellen. Nach Installation der passenden Treiber Software wäre die Steuerung des Roboters auf sehr vielen Systemen möglich. Geringe Latenzzeiten: Bei der Übertragung der Direktsteuerbefehle vom PC zu MControl-OS nimmt die Latenzzeit der Kommunikation direkten Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit der Steuerung. Dabei sollte die Latenzzeit für die Übertragung typischerweise bei unter 3ms liegen. Die Anforderungen an die Bandbreite der Übertragung sind dagegen jedoch eher minimal. Robustheit: Es muss sicher sein, dass alle gesendeten Pakete beim Empfänger ankommen. Es dürfen keine Pakete verloren gehen oder Übertragungsfehler passieren. Fehler während der Übertragung, sowie ein möglicher Datenverlust müssen durch Fehlermeldungen angezeigt werden Kommunikationsprotokoll Ein USB Datenpaket besteht in dem eigens definierten Protokoll zwischen MControl- OS und Steuer/Bedien-PC aus acht Bytes Daten. Das erste Byte definiert bei jedem Paket den Kommandotyp. Dieser legt fest wie die folgenden sieben Bytes interpretiert werden müssen. Programmiertechnisch werden die Kommandos als C-Unions deklariert und können damit in einer gemeinsamen Header Datei (s. Anhang) sowohl in der MControl-OS Project auf dem Mikrokontroller als auch im USBServer auf dem PC eingebunden werden. Abbildung 7 USB Kommunikationspakete Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Angewandte Informatik 7

11 USB-Kommunikation 4.3. Realisierung PC-Seite LibUSB Treiber Für jedes USBGerät wird unter Windows ein Gerätetreiber benötigt. Für gewöhnlich müssen diese Treiber unter erheblichem Aufwand, z.b. durch die Verwendung des WindowsDDK (Driver Delvelopment Kit) selbst implementiert werden. Diesen zusätzlichen Aufwand galt es zu vermeiden und daher wurde die OpenSource Lösung LibUSB-Win32 /12/ in verwendet. Dabei handelt es sich eine Windows-Implementierung der Linux-Library LibUSB. LibUSB ist eine Art Universaltreiber für alle möglichen USB-Geräte. Er unterstützt das Suchen nach USB Geräten mit bestimmten DeviceIDs und das Lesen und Schreiben im Bulk- sowie im Interrupt-Transfer (siehe /9/). Zusätzlich wird ein Windows Programm mitgeliefert das automatisch eine Gerätebeschreibungsdatei (.inf) generiert. Diese wird benötigt um den Treiber über den Windows Gerätemanager zu installieren. Die Dokumentation der von der Library veröffentlichten Funktionen sind leider wenig bis gar nicht dokumentiert, daher findet sich im Anhang dieser Praxisarbeit eine kurze Auflistung der wichtigsten Funktionen. Bei ersten Lese/Schreib-Versuchen mithilfe der Funktionen bulk_write und bulk_read konnte keine ausreichend geringe Übertragungszeit pro Paket erzielt werden. Der Durchsatz lag gerade einmal bei Datenpaketen pro Sekunde. Die Ursache für diese langsame Übertragung ist die Windows Prozessverwaltung, die den USBProzess immer unterbricht sobald der USBServer Prozess auf bulk_write und bulk_read zugreift, da diese Funktionen erst einen Wert zurückliefern sobald der Transfer abgeschlossen ist. Abhilfe schafften die undokumentierten Funktionen, die nur in der LibUSB-W32, nicht aber in der Unix Version der LibUSB zu finden sind. Mithilfe der Funktion usb_bulk_setup_async lässt sich ein sog. Device Kontext öffnen. Gemeint ist damit ein eigener Thread der sich im Hintergrund um die USB Kommunikation kümmert. Übergibt man diesem Thread mit der Funktion usb_submit_async Daten werden diese im Hintergrund versendet, die Funktion kehrt also sofort zurück. Mit usb_reap_async kann man dann später im Programmablauf wieder auf die Fertigstellung des Sendevorgangs warten. usb_free_async gibt die, vom Thread belegten Ressourcen, wieder frei. Um eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit mithilfe des LibUSB Treibers zu erreichen werden in einer Schleife viele DeviceKontexte erstellt und jedem Kontext ein Datenpaket zum versenden übergeben, diese werden dann quasi gleichzeitig versendet und man kann die Kontexte wieder mithilfe der usb_reap_async Funktion synchronisieren, um die nächste größere Anzahl an Paketen zu versenden. Mit dieser Methode und ca. 15 Devicekontexten lässt sich der Paketdurchsatz auf Pakete pro Sekunde steigern. Praxistests zeigen, dass ohne weiteres auch Devicekontexte eröffnet werden können. Dies steigert aber den Durchsatz nicht mehr signifikant, bewirkt dafür aber eine zweistellige CPU Auslastung. Da Pakete/sek jedoch einer Latenzzeit pro Paket von 1,25ms - 1,7ms entsprechen konnte damit die Zielsetzung als erfüllt angesehen werden. Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Angewandte Informatik 8

12 USB-Kommunikation Funktionsweise des USBServers Abbildung 8 Klassendiagramm USB-Server Der USBServer läuft auf dem Steuer/Bedien-PC und ist in C++ programmiert. Anforderungen an das Konzept waren vor allem eine hohe Modularität und Erweiterbarkeit des Systems. Kern des Systems ist die Klasse USBServer, sie durchsucht selbstständig bei der Konstruktion alle USB-Ports nach der DeviceId des MControl-OS und startet den USBThread. Die Klasse USBThread startet sich beim Erstellen in einem eigenen Thread und wickelt die USB-Kommunikation ab. Um den Steuerungsprogrammen die eigentlichen Funktionalitäten der Plattform zur Verfügung zu stellen existieren die MControlHandler. Sie werden alle von IfcMControlHandler abgeleitet und enthalten die Eventfunktion onrecievedata(). Um über diese Funktion benachrichtigt zu werden falls Informationen eintreffen, werden die Handler zunächst mit der Funktion registercallback() bei dem USB Server registriert. Der USBServer speichert alle Klassenreferenzen die ihm mit dieser Funktion übergeben werden in einer Map /13/, und ruft bei einem Datenempfang den Handler für den jeweiligen Kommando Code auf. Es existieren bereits 3 Handlerklassen: MControlSensors erhält Informationen über die aktuellen Ultraschallwerte und den Zustand des Bumpers und gibt diese auf der Konsole aus. MControlLogger erhält alle Log- und Debugmeldungen die MControl im Debug Modus liefert und schreibt diese in einen übergebenen Outputstream (z.b. stdout). MControlDirectCtrl nimmt Direktsteuerungskommandos für die Plattform an und leitet diese als USB Kommandos an den USB Server weiter. Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Angewandte Informatik 9

13 USB-Kommunikation 4.4. Realisierung µc seitig Atmel USB Framework Für diese Praxisarbeit steht das EvalutionKit AT91SAM7XC-EK /14/ zur Verfügung. Die USB Kommunikation funktioniert, bei dem auf diesem Entwicklungsboard verbauten Mikrocontroller (dem AT91SAM7XC256), über den UDP - den USB Device Port. Dabei handelt es sich um eine On-Chip Peripherie, welche die USB V2.0 Full Speed Spezifikation erfüllt. Ein USB-Transreciever und ein standardkonformer USB Stecker befinden sich bereits auf dem Evaluation-Board. Eine rudimentäre USB-Implementierung wird als Beispielprogramm beim Evaluation Kit mitgeliefert und ist in ersten Tests schnell lauffähig gemacht. Es stellte sich jedoch heraus, dass für eine gleichzeitig schnelle und stabile USB-Kommunikation, ein verhältnismäßig größerer Aufwand nötig ist. Aus diesem Grund hat Atmel schon seit längerem den Support für diese Beispielprogramme eingestellt. Seitens Atmel wird deshalb empfohlen für USB Implementierungen das AT91 USB Framework zu benutzen. Das Hauptmerkmal dieses Frameworks stellt die Architektur aus den folgenden Schichten dar: Eine Hardware-Abstraktions-Schicht (HAL) ist für Direktzugriffe auf die Mikrokontroller Hardware zuständig und wurde für alle AT91 Mikroprozessoren implementiert. Die USB API kapselt die Methoden zur USB Kommunikation und löst bei USB Events Callbacks auf die Anwendungsschicht aus. Die Anwendungsschicht besteht aus dem USB Class Driver und der eigentlichen Benutzeranwendung. Abbildung 9 Sofwareschichten USB Framework(Quelle: /15/) Detailliertere Informationen über das Atmel USB Framework finden sich im jeweiligen Application Note /15/. Die Aufgabe besteht jetzt also darin den USBClass Driver zu implementieren und der restlichen Application die gesendeten und empfangenen USB-Kommados zur Verfügung zu stellen. Der USB Class Driver enthält dabei die Device Descriptoren für das MControl-OS und implementiert die Device Class spezifischen Funktionen. Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Angewandte Informatik 10

14 USB-Kommunikation USB Device Descriptor Nach USB OHCI (Open Host Controller Interface) Spezifikation muss jedes Gerät nach seinem Anschluss an den Host einen Enumerationsprozess durchlaufen. Dabei werden die Devicedescriptoren an den Host übermittelt. Diese Descriptoren enthalten wichtige Informationen für die USB Kommunikation. Die folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Informationen im Device Descriptor für die KASPER Ansteuerung: Length 0x12 Länge des Device Descriptors 18Bytes scusb 0x0200 USB 2.0 specifikation DeviceClass 0x00 Eigene Device Klasse (Vendor specific) DeviceSubClass 0x00 Eigene Subklasse DeviceProtokoll 0x00 Eigener Protokollcode Vendor 0x03EB Vendor Id (Atmel) Product 0x3256 Produkt Id bnumconfigurations 1 Eine Configuration folgt Configuration 0: TotalLength: 32 Gesamtlänge des Conf-Descriptors:32 Byte NumInterfaces: 1 Ein Interface ConfigurationValue: 1 Eine Konfguration Attributes: 0x80 Eigene Versorgung/kein Remote Wakup MaxPower: 0x50 Max 100mA Stromverbrauch Interface 0: InterfaceNumber: 0 Konfguration des Interfaces 0 AlternateSetting: 0 Keine Alternativeinstellungen NumEndpoints: 2 2 Endpoint in diesem Interface InterfaceClass: 255 Keine Interface Klasse InterfaceSubClass: 255 Keine Subklasse InterfaceProtocol: 255 Kein Protokollcode Endpoint 0: EndpointAddress 0x01 Adresse des Endpoints -> PC Tx Attributes 0x02 Bulk Transfer MaxPacketSize 64 64Bytes Paketgröße Interval 0 Mindeswarteintervall zw. Paketen 0 Endpoint 1: EndpointAddress 0x82 Adresse des Endpoints -> PC RX Attributes 0x02 Bulk Transfer MaxPacketSize 64 64Bytes Paketgröße Interval 0 Mindeswarteintervall zw. Paketen 0 Tabelle 1 USB Device Descriptor Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Angewandte Informatik 11

15 USB-Kommunikation USB FIFO Um den Ablauf der USB-Kommunikation weiter vom restlichen Programmablauf zu entkoppeln wurde zusätzlich das Modul USB-Buffer mit zwei FIFO(First-In-First-Out)- Zwischenspeichern für den Lese und Schreibzugriff implementiert. Damit wird erreicht, dass aus anderen Modulen lediglich zu sendende Daten in einen Pufferspeicher gelegt werden und vom USB-Interrupt versendet werden, sobald alle vorherigen USB-Kommandos gesendet wurden. Ähnlich funktioniert auch der Empfang der Daten über einen Pufferspeicher. Zur Implementierung eines solchen Pufferspeichers wurde ein C-Array mit der Größe von 1024 x 8Byte(Größe eines Kommandos) im Mikrokontroller RAM angelegt. Zusätzlich existieren 2 Zeiger auf das Erste und das letzte Element in der Queue. n. def n. def Buttom n. def n. def Elemente hinzufügen. Top n. def n. def Elemente entfernen Top n. def n. def 5 Buttom Abbildung 10 Funktionsweise des USB Buffers Der FIFO funktioniert nach folgendem Prinzip: wird dem FIFO ein Element entnommen wird der Wert am Buttom Zeiger zurückgeliefert und der Zeiger eins nach oben verschoben. Wird ein Element hinzugefügt wird der Top Zeiger inkrementiert und das Element an der neuen Position abgelegt. Eine Modulodivision beider Zeiger durch 1024 verhindert einen Arrayüberlauf. Erreicht nun der Buttom den Top Zeiger ist der Buffer leer. Kommt der Top Zeiger von unten am Buttom Zeiger an sind 1024 Elemente im Speicher, es kommt zum Bufferüberlauf. Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Angewandte Informatik 12

16 I²C und Sensorik 5. I²C und Sensorik 5.1. Anforderungen Die Sensorik ist ein wichtiger Bestandteil der Roboterhardware. In der aktuellen Konstruktion der Plattform sind drei Ultraschallsensoren zur Abstandsmessung installiert. Eine Stoßstange(Bumper) ist an der Frontseite des KASPER installiert und betätigt bei Auslösung einen Taster. Die Verwertung der Ultraschallmessdaten auf Seite geschieht auf Seite des PCs, eine Betätigung des Bumpers soll einen sofortigen Notstop der Plattform zur Folge haben. Daraus ergeben sich im Detail folgende Anforderungen an das Sensorikmodul: Aktualität: Die Messwerte der Ultraschallsensoren müssen noch aktuell sein, wenn sie am Steuer-PC ankommen. Ein Alter von mehr als 500ms wäre nicht mehr akzeptabel. (Bei Maximalgeschwindigkeit hätte die Plattform in dieser Zeit ca. einen halben Meter zurückgelegt) Sicherheitskonzept: Eine Betätigung des Bumpers muss eine Bremsvorgang aller Motoren innerhalb von 2ms initiieren und ein Stop in weniger als ms zur Folge haben. Diese Abschaltung muss daher auf Mikrokontrollerebene passieren. Erweiterbarkeit: Die Anzahl der Ultraschallssensoren könnte in nächster Zeit noch erhöht werden um auch Abstandsmessungen für Rückseite und Seitenteile vorzunehmen Bumperinterrupt Bei dem Bumper handelt es sich elektrisch lediglich um einen Taster. Dieser wird gegen 5V geschaltet und direkt auf einer der I/O Leitungen des Mikrocontrollers gelegt. Um die Reaktionszeit zu ermöglichen, die im Rahmen des Sicherheitskonzepts gefordert wurden, wird ein externer Interrupt benutzt. Da dieser Interrupt eine sehr hohe Priorität besitzt, wird bei einer Auslösung des Bumpers der Programmablauf an beliebiger Stelle unterbrochen und der Desired State des Programms auf Stall gesetzt. Bei der nächsten Ausführung der CANISR (siehe Kapitel 6.3) wird sofort ein Notstopp durchgeführt. Abbildung 11 Beschaltung des Bumpers Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Angewandte Informatik 13

17 I²C und Sensorik 5.3. Timerinterrupt für Sensorwerte Die Ultraschallsensoren des KASPER handelt es sich um fertige Module (SRF 10) der Firma roboter-teile.de. Sie sind über den I²C Bus mit dem Two Wire Interface des AT91 verbunden. Jeder Sensor hat dabei eine von 16 fest zuweisbaren Adressen. Unter dieser Adresse auf dem TWI Bus lassen sich dann die vier Register eines Sensors lesen und schreiben. Zwei Register enthalten die letzte Entfernungsmessung. Sowohl die Signalverstärkung als auch die Reichweite des Sensors in Register eins und zwei angepasst werden. Durch Schreiben in Register null kann man eine Messung starten. Nähre Informationen hierzu bietet das Datenblatt des Sensors /16/. Eine Ultraschallmessung kann abhängig von der eingestellten Reichweite, aufgrund der Laufzeit des Schalls, bis zu 65ms dauern. Da das Betriebssystem für diese Zeit nicht unterbrochen werden darf, sollen die Messungen nebenläufig, d.h. von einem Timerinterrupt, durchgeführt werden. Die Grundidee dabei ist, dass in einer internen Zustandsmaschine bekannt ist ob eine Sensorabfrage bereits getätigt wurde und nach dieser Information entweder eine neue Messung gestartet wird oder die Messwerte abgeholt werden (s. Abb. 11). Der Timerinterrupt wird über interne Taktleitungen getriggert und mit einer Frequenz von 5400Hz aufgerufen (ca. alle 0,185ms). Innerhalb der Interruptroutine wird zyklisch für jeden Sensor die untenstehende Zustandsmaschine (Beim ersten Aufruf Sensor 1, beim zweiten Sensor 2, usw.) ausgeführt. Abbildung 12 Zustandsdiagramm Sensorinterrupt Im Zustand Start wird eine einmalige Initialisierung der Sensoren vorgenommen. Dabei werden die Verstärkung und die Reichweite der Sensoren eingestellt. Im Zustand Ready wird die Messung gestartet und danach im Zustand Wait auf deren Fertigstellung gewartet. Falls im Zustand GetValues gültige Werte gelesen werden, wird wieder in den Zustand Ready gewechselt. Bei Fehlern (z.b. I²C Timeout) wird in den Zustand Error gewechselt. Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Angewandte Informatik 14

18 I²C und Sensorik Für eine korrekte Abfrage der Sensoren muss der Wert der Kostanten WAITTIME bestimmt werden, sie legt fest wie oft der Interrupt nach dem Starten der Messung für diesen Sensor aufgerufen werden muss bis die Werte abgefragt werden. Daher gilt für WAITTIME x, den Interruptintervall T, die Anzahl der Sensoren c und die gewünschte Zeit in ms t: x = t T * c Formel 1 Berechnung der Konstanten WAITTIME Durch die parallel erfolgenden Messungen mit der Wartezeit t = 50ms (WAITTIME von 90 Zyklen) pro Sensor sind die drei Sensoren alle 50,56ms neu eingelesen (s. Abb. 12). Abbildung 13 Timingdiagramm Sensorinterrupt Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Angewandte Informatik 15

19 CAN-Kommunikation und Drivingcontrol 6. CAN-Kommunikation und Drivingcontrol 6.1. Hardware EPOS Motorsteuerung Für die Steuerung der beiden Motoren des KASPER wird die Positioniersteuerung EPOS 70/10 der Firma maxon motor eingesetzt. Sie ist modular aufgebaut und ermöglicht den direkten Anschluss der Inkrementalencoder. Da an ein EPOS höchstens ein Motor angeschlossen werden kann, gibt es auf KASPER zwei dieser Steuerungen. Abbildung 14 EPOS Motorsteuergerät Zur Inbetriebnahme der Positioniersteuerung wird diese zunächst über die serielle Schnittstelle mit dem PC verbunden. Über das, von der Firma maxon mitgelieferte, PC Programm lassen sich dann motorspezifische Konfigurationsparameter (z.b. Maximaldrehzahl) setzen und die canopen Konfiguration durchführen. Im Betrieb sind die beiden EPOS Steuergeräte nur noch über den CAN-Bus mit MControl-OS verbunden. Zur genauen Identifikation einer Steuerung dient die CAN- ID, welche sich per Kippschalter am Gehäuse einstellen lässt. Für den Fahrbetrieb des Serviceroboters müssen daher lediglich entsprechende CAN-Kommandos abgesetzt werden und Encoderwerte wieder ausgelesen werden. Für diesen Vorgang unterstützt ein EPOS Steuergerät, unter anderem, folgende Betriebsmodi: Im Current Mode lässt sich ein konstantes Drehmoment regeln. Dies geschieht über eine Vorgabe für den Stromverbrauch des Motors. Der Velocity Mode dient zur Angabe einer Sollgeschwindigkeit die mit Hilfe vorgegebener Beschleunigungs- und Verzögerungsrampen angenähert wird. Die Geschwindigkeit wird hierbei immer in Umdrehungen pro Sekunde angegeben. Der Position Mode wird benutzt um die Motorstellung in eine bestimmte Position zu verändern. Die Positionsangabe kann absolut oder relativ zur momentanen Position erfolgen. Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Angewandte Informatik 16

20 CAN-Kommunikation und Drivingcontrol Antrieb (Motor, Bremse, Encoder, Getriebe) Bei dem Antrieb des KASPER handelt es sich um ein Komplettsystem der Firma maxon. Dieses besteht aus dem Motor, einer Feststellbremse, dem Encoder zur Positionsbestimmung und einem Getriebe für die Kraftübertragung. Beim Motor handelt es sich um das Modell RE45 (Bestellnummer ). Mit einer Nennleistung von 150Watt erzielt er eine Leerlaufdrehzahl von 7580 U/min und ein Dauerdrehmoment von 170 mnm. Abbildung 15 Antrieb des KAPER Die anmontierte Bremse Brake AB hat ein Bremsmoment von 0,4Nm. Sie wird wie der Motor mit 24V betrieben und ist bei 24V deaktiviert und bei 0V aktiviert. Bei dem Getriebe mit der Modellbezeichnung GP 42 handelt es sich um ein Planetengetriebe dieses wurde auf den Motor aufgesteckt und sogt für eine effiziente Kraftumsetzung. Der Encoder trägt die Bezeichnung HEDL5540, hat 3 Kanäle und eine Auflösung von 500 Zählschritten pro Umdrehung. Er wird an der Rückseite des Motors montiert. Weitere Informationen zu dem Antriebsystem finden sich im technischen Datenblatt des Motors /14/ CAN-Kommunikation CAN und canopen Die Kommunikation von MControl-OS mit den EPOS Motorsteuerungen erfolgt über den CAN-Bus. Es handelt sich dabei um ein asynchrones, serielles Bussystem, das 1983 von Bosch für die Vernetzung von Steuergeräten in Automobilen entwickelt wurde. Seit 1993 ist sie als ISO international standardisiert und stellt eines der bedeutendsten Bus Systeme für die Kommunikation von Steuergeräten dar. Im Gegensatz zu anderen Bus-Systeme hat er folgende Vorteile: Der CAN-Bus erlaubt eine Multi-Master Hierarchie, damit kann im Fehlerfall ein Komplettausfall des Systems, durch z.b. redundante Hauptsysteme verhindert werden. Broadcast Kommunikation: Grundsätzlich ist ein Paket immer an alle Geräte am Bus gerichtet. Damit ist Datenintegrität dadurch gewährleistet, dass alle Geräte am Bus immer mit den gleichen Daten arbeiten. Fehlerbehandlung und Erkennung: Jedes Paket wird mittels Prüfsumme auf Korrektheit der Übertragung überprüft. Bei Fehlern wird die Übertragung wiederholt. Die CAN Spezifikation der CiA (CAN in Automation) umfasst die Datenübertragungs- (physikal layer) und die Sicherungsschicht (data link layer) des OSI Modells. Und definiert daher die Übertragungsraten, maximale Leitungslänge und Topologien, so- Forschungszentrum Karlsruhe Institut für Angewandte Informatik 17

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