Simulink: Softwareentwurf für eingebettete Systeme ROS-Arduino-Interface. von Christian Schildwächter

Transkript

1 Simulink: Softwareentwurf für eingebettete Systeme ROS-Arduino-Interface von Christian Schildwächter

2 Simulink Simulink S-Functions Softwareprojekt ROS-Arduino-Interface

3 Simulink 3

4 LIVE DEMO 4

5 External Mode Verbindung zwischen Simulink und Arduino über seriellen Port 0 - Darstellung und Aufzeichnung von Signalen des Arduino, z.b. Sensorwerte, Daten werden automatisch vom Arduino zu Simulink übertragen - Anpassung von Parametern (parameter tuning), Änderungen werden zur Laufzeit zum Arduino übertragen kein ständiges neu Generieren und Programmieren - Modell in Simulink dient als Interface zur Bedienung des Modells, das auf dem Arduino läuft 5

6 Simulink S-Functions (system-functions) - bieten die Möglichkeit den Funktionsumfang von Simulink zu erweitern - stellt die Programmiertechnische Umsetzung eines Simulink-Blocks dar - kann in MATLAB-Code, C/C++ oder Fortran geschrieben werden - werden zu MEX-Files compiliert (MATLAB Executable), die von MATLAB dynamisch gelinkt werden 6

7 C/C++ S-Functions Vier Dateien (erzeugen mit S-Function Builder): sfun ist Name der S-Function - sfun.c: enthält standard Callback Funktionen, die durch MATLAB/Simulink aufgerufen werden, und in diesen werden die benutzerdefinierten Funktionen aus sfun_wrapper.c aufgerufen - sfun_wrapper.c: enthält benutzerdefinierte Funktionen, die gewünschte Funktionalität bieten. Kann auch C++ Code enthalten und mit.cpp enden, wenn C++ Code als extern C definiert ist - sfun.tlc: wird vom Simulink Coder für die Code-Generierung, z.b. für Arduino, benötigt - sfun.mexw64: (für Windows 64 Bit) Binärdatei, die in MATLAB Umgebung ausgeführt wird Interface zwischen MATLAB und eigenem Code 7

8 S-Function Callbacks Zwei Callback Funktionen für eigene Funktionsaufrufe benötigt: mdlstart: - Aufruf der Initialisierungsfunktion aus sfun_wrapper.c - entspricht setup() von Arduino mdloutputs: - Aufruf der Funktion aus sfun_wrapper.c, die eigentliche Funktionalität enthält - entspricht loop() von Arduino 8

9 sfun.c: extern void myfunc(int *in, int *out); //Simulink Callback-Funktionen static void mdloutputs(...){ // in/output pointer 'in' und 'out' von Simulink holen //myfunc aus sfun_wrapper.cpp aufrufen myfunc(in, out); } sfun_wrapper.cpp: //eigene Funktionen, z.b. out=2*in extern C void myfunc(int *in, int *out){ *out = *in * 2; } 9

10 S-Function Builder 10

11 Softwareprojekt Aufgabenstellung Entwicklung eines ROS-Arduinio Interfaces, sodass man ausschließlich aus Simulink heraus eine Anwendung entwickeln kann, mithilfe der sich ein Arduino Board mit ROS verbindet Hilfsmittel: - Simulink Support Package for Arduino Hardware, stellt verschiedene Aruduino Funktionen in Simulink bereit wie: Analog Input, Digital Input/Output, PWM, - rosserial, serielle Verbindung eines Arduino Boards mit ROS

12 Robot Operating System - Open-Source Framework um Roboteranwendungen zu entwickeln - Hardwareabstraktion, Gerätetreiber,... - Nachrichtenaustausch per publish-subscribe, Komponenten stellen Daten unter einem Topic (z.b. distance) zur Verfügung und publishen diese, bzw. subscriben ein Topic und erhalten Daten Programm mit Simulink entwickeln, sodass Arduino Daten publishen und subscriben kann 12

13 Wie wurde das Ziel erreicht? - neue Library mit Publishern und Subscribern als S-Function Blöcke - für jeden Block eine C/C++ S-Function, die mithilfe der rosserial Library den Blockinput publisht oder subscribte Daten als Output weiter gibt 13

14 Beispiel: rangepublisher - sendet (publisht) Daten vom Typ sensor_msgs/range an ROS 14

15 Warum war das Projekt sinnvoll? - keine aufwändige Programmierung mit Ardunio Bibliotheken oder gar avr libc sehr hohe Abstraktionsebene - schnelles Prototyping durch einfache Modellbildung mithilfe von Blöcken - parameter tuning im Simulink external mode - viele vorhandene Simulink Funktionalitäten können verwendet werden, z.b. Filter, Signalquellen, Scopes,... - Programmierung eines Arduino und Einbindung in ROS auch für Nicht-Programmierer möglich 15

16 16

17 VIDEO 17

18 Zusammenfassung - S-Functions bieten die Möglichkeit in verschiedenen Programmiersprachen eigene Funktionen als Simulink Blöcke zu erstellen und in Modellen zu nutzen - Programmieren von Arduino in Simulink mithilfe des Simulink Support Package for Arduino Hardware oder eigenen Blöcken - Parameter zur Laufzeit verändern im external mode Hardware in the Loop - die aus dem Softwareprojekt entstandene Simulink Library ROS Arduino Interface bietet die Möglichkeit mit Hilfe von Blöcken Arduino und ROS zu verbinden und ist leicht erweiterbar um neue Datentypen/Messagetypes nach vorgegebenem Schema neue S-Function erstellen 18

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 19