Robotersteuerung. VL Mikrorechentechnik 2. SS 2013 Professur für Prozessleittechnik

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1 Robotersteuerung VL Mikrorechentechnik 2 SS 2013 Professur für Prozessleittechnik

2 Übersicht Design eines endlichen Zustandsautomaten für die Steuerung eines Roboters C++ Konzepte: shared memory boost::interprocess MRT2 (c) 2013, UR Folie 2

3 Modularer Aufbau der Robotersteuerung HMI Module Guidance Module (Übergeordnete Führung) Control Module (Follow Line, Backward) Perception Module (Sensors) Actuator Module (Drives) MRT2 (c) 2013, UR Folie 3

4 Aufgabe 1 : Modusauswahl über HMI Roboter soll Linie verfolgen es stehen verschiedene Modi zur Auswahl jeder Modus muss nur einmal gewählt werden der Regler steuert dann, je nach Modus, kontinuierlich die Motoren an Der Automat für das Mensch-Maschine-Interface (HMI) soll den Roboter anhalten, den Roboter starten und das Programm beenden können

5 INACTIVE HMI-Modus == EXIT HMI-Modus == FOLLOW LINE HMI-Modus == STOP EXIT FOLLOW LINE HMI-Modus == EXIT Zustand Eingangsaktion Zustandsaktion Ausgangsaktion INACTIVE Reglermodus = STOP keine keine FOLLOW LINE Reglermodus = FOLLOW_LINE Follow keine EXIT Reglermodus = STOP keine keine

6 Aufgabe 2: Kollissionserkennung Anforderungen wenn der Roboter ein Hindernis mit seinen Abstandssensoren detektiert soll er zunächst stehen bleiben wenn das Hindernis näher kommt soll er rückwärts ausweichen, so dass es nicht zur Kollision kommen kann wenn das Hindernis sich entfernt soll er warten wenn das Hindernis wieder weit genug entfernt ist, soll er weiter fahren Nicht berücksichtigt: Kollisionsvermeidung beim Rückwärtsfahren und Verlassen der Linie durch das Ausweichen!

7 HMI-Modus == STOP HMI-Modus == FOLLOW LINE Distance < 10cm Distance > 15cm FOLLOW LINE Distance > 15cm HMI-Modus == EXIT HMI-Modus == EXIT WAIT Distance shrinks DRIVE BACKWARDS HMI-Modus == EXIT HMI-Modus == STOP Distance grows HMI-Modus == STOP Zustand Eingangsaktion Zustandsaktion Ausgangsaktion FOLLOW LINE Reglermodus = FOLLOW_LINE keine keine WAIT Reglermodus = STOP Abstandsänderung berechnen DRIVE BACKWARDS Reglermodus = BACKWARDS Geschwindigkeit = 0 Abstandsänderung berechnen Geschwindigkeit berechnen Geschwindigkeit setzen keine keine

8 Lösungsansatz Vollständig unabhängige Prozesse HMI Guidance Control I/O Kommunikation über strukturiertes Shared Memory guidance s m shared memory s m s m control sensors & actuators MRT2 (c) 2013, UR Folie 8

9 Shared Memory Objekt Wird in den Adressraum jedes Prozesses eingeblendet Übliche Zugriffsmechanismen, Kein Overhead, keine Synchronisation schnell & gefährlich Betriebssystemunabhängig definiert in posix.4 Methoden shm_open: Anlegen und Einblenden eines shm-objekts in den Adressraum des Prozesses close: Schließen des Zugriffs auf das shm-objekt shm_unlink: Zerstören des Shared Memory Objekts Herausforderungen: Lesen/Schreiben: Synchronisation Komplexe Datenstrukturen: Speicherverwaltung alle Zeiger müssen im shmem sein! MRT2 (c) 2013, UR Folie 9

10 Boost.interprocess Template Library mit shared_memory_object Konstruktor: shm_open Destruktor: close Member remove: shm_unlink Synchonisationsmechanismen (im Beispiel nur implizit verwendet) Mutex Semaphore Segmentmanager für die Speicherverwaltung und angepassten Zeigern (smart pointer) und Sammlungen (vector, list,...) Allokatoren auf der Basis eines Segmentmanagers Geschützten Codesegmenten für den asynchronen Zugriff mehrere MRT2 (c) 2013, UR Folie 10

11 Typdeklaration Simulator/prozessabbild.h Vereinfachung: Unser Prozessabbild ist ein Vektor von ints Typdefinition mit shmem-allokator #include <boost/interprocess/managed_shared_memory.hpp> #include <boost/interprocess/containers/vector.hpp> #include <boost/interprocess/allocators/allocator.hpp> using namespace boost::interprocess; typedef boost::interprocess::allocator<int, managed_shared_memory::segment_manager> ShmemAllocator; boost::interprocess::vector<int, ShmemAllocator> MyVector; // Name des shared memorys char const shmname[] = "MySharedMemory"; char const vectorname[] = "MyVector"; MRT2 (c) 2013, UR Folie 11

12 Anlegen des shmem im Simulator Simulator/simulator.cpp Schritt 1: Sicheres Zerstören von eventuell vorhanden alten shared_memory_objecten struct shm_remove { shm_remove() { shared_memory_object::remove(shmname); } ~shm_remove() { shared_memory_object::remove(shmname); } } remover; Schritt 2: Anlegen des Objekts segment und des STLkompatiblen Allokators alloc_inst managed_shared_memory segment(create_only, shmname, 65536); ShmemAllocator alloc_inst(segment.get_segment_manager()); Schritt 3: Anlegen des Vektors MyVector *myvector = segment.construct<myvector>(vectorname)(alloc_inst); MRT2 (c) 2013, UR Folie 12

13 Nutzen des shmem im HMI RobotHMI/Guidance.cpp class Guidance { private: managed_shared_memory segment; MyVector *myvector; public: }; Guidance(ostream* aout = &cout) : aout(aout), hmi_mode(stop), step(0), segment(open_only, shmname) { } myvector = segment.find<myvector>(vectorname).first; void behavior_startctrl(const AutomatonElement& ae, int& c) { } (*myvector)[0] = CTRL_MODE_FOLLOW; MRT2 (c) 2013, UR Folie 13