Nghiên cứu ứng dụng phần mềm thời gian thực xenomai trong điều khiển robot công nghiệp

PHẦN MỞ ĐẦU: BÁO CÁO NGHIỆM THU Tên đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng phần mềm thời gian thực Xenomai điều khiển robot công nghiệp” Chủ nhiệm đề tài: TS Phùng Trí Cơng Cơ quan chủ trì: Trƣờng Đại học Bách khoa – Đại học quốc gia Tp.HCM Thời gian thực đề tài: năm (12/2012-12/2014) Kinh phí đƣợc duyệt: 285.000.000 đồng Kinh phí cấp: 255.000.000 đồng • Kinh phí cấp giai đoạn 1: 180.000.000 đồng (Theo thông báo số: 197/TBSKHCN ngày 17 tháng 12 năm 2012) • Kinh phí cấp giai đoạn 2: 75.000.000 đồng (Theo thông báo số: 132/TBKHCN ngày 07 tháng 08 năm 2013) Mục tiêu: Xây dựng phương pháp điều khiển thời gian thực dựa hệ điều hành Linux phần mềm thời gian thực Xenomai cho robot công nghiệp có thị trường robot chế tạo nước ta Ứng dụng phương pháp để điều khiển động điện DC servo AC servo Từ ứng dụng để điều khiển mơ hình robot DOF thực tế Nội dung: (Theo đề cương duyệt) Công việc dự kiến Nội dung 1: Tìm hiểu ưu nhược điểm phần mềm thời gian thực Xenomai so với phần mềm điều khiển thông thường công nghiệp Công việc thực Đã ưu nhược điểm phần mềm thời gian thực Xenomai so với phần mềm điều khiển thông thường công nghiệp Nội dung 2: Nghiên cứu việc cài đặt phần mềm thời gian thực Xenomai ứng dụng Đã cài đặt thành công phần mềm thời gian thực Xenomai ứng dụng máy tính PC Nội dung 3: Nghiên cứu sử dụng Đã viết chương trình ứng dụng ứng dụng phần mềm cài đặt không gian user-space kernel-space Đã thực giao tiếp thời gian thực Nội dung 4: Nghiên cứu ứng dụng giao tiếp thời gian thực Xenomai với với thiết bị ngoại vi thông qua cổng song song Parallel, cổng nối thiết bị ngoại vi tiếp COM cổng USB • Đã chế tạo thành cơng mơ hình Nội dung 5: Ứng dụng điều khiển thời gian thực cho động điện DC mạch điện giao tiếp điều khiển động điện DC servo servo motor AC servo motor • Đã chế tạo thành cơng mơ hình mạch điện giao tiếp điều khiển động điện AC servo • Đã tiến hành điều khiển thành cơng vị trí mơ hình động DC servo AC servo • Đã chế tạo thành cơng mơ hình Nội dung 6: Ứng dụng phần mềm mạch điện giao tiếp điều khiển điều khiển thời gian thực Xenomai mơ hình robot 5DOF cho mơ hình robot 5DOF • Đã tiến hành điều khiển thành cơng thực tế giải thuật bám quỹ đạo hình vng hình trịn Những nội dung cịn lại (tổng qt): • Thực giao tiếp với thiết bị ngoại vi thông qua khe cắm PCIe Sản phẩm đề tài: 1) Bài báo hội nghị khoa học Nhóm nghiên cứu báo cáo báo hội nghị khoa học sau: ● Hội nghị Khoa học Công nghệ Trường ĐHBK TpHCM năm 2013: “Improving the Accuracy of Controlling DC Servo Motor by Real-time Method” ● Hội nghị toàn quốc Cơ điện tử năm 2014: “Research and Improving the Accuracy of Time in Controlling Motors using Xenomai Real-time Software” (Phụ lục 1) 2) Quy trình điều khiển thiết bị công nghiệp phần mềm thời gian thực Xenomai Nhóm nghiên cứu xây dựng thành cơng quy trình điều khiển thiết bị cơng nghiệp sử dụng phần mềm thời gian thực Xenomai (Phụ lục 3) 3) Thiết bị phần cứng Nhóm nghiên cứu chế tạo thành công sản phẩm phần cứng sau: ● Mơ hình thực nghiệm với mạch cơng suất, mạch điều khiển mạch giao tiếp máy tính cho động DC servo (Phụ lục 4) ● Mơ hình thực nghiệm với mạch điều khiển mạch giao tiếp máy tính cho động AC servo (Phụ lục 5) ● Mơ hình thực nghiệm với mạch điều khiển mạch giao tiếp máy tính cho mơ hình robot 5-DOF có sẵn phịng thí nghiệm (Phụ lục 6) 4) Chƣơng trình điều khiển robot phƣơng pháp thời gian thực Nhóm viết chương trình điều khiển sử dụng phần mềm realtime Xenomai chạy Fedora Linux đạt kết sau ● Cải thiện độ xác điều khiển thời gian xác lập động DC servo: sai số xác lập đạt 1.67% với góc quay lớn 300 thời gian xác lập 2.5 giây (Đạt yêu cầu so với đăng ký là: sai số xác lập 2% với góc quay lớn 300 thời gian xác lập giây) ● Cải thiện độ xác điều khiển thời gian xác lập động AC servo: sai số xác lập đạt 0.33% với góc quay lớn 300 thời gian xác lập 0.8 giây (Đạt yêu cầu so với đăng ký là: sai số xác lập 2% với góc quay lớn 300 thời gian xác lập giây) ● Cải thiện độ xác điều khiển quỹ đạo robot theo quỹ đạo đường thẳng quỹ đạo đường tròn với sai số 3.75% (Đạt yêu cầu so với đăng ký là: sai số quỹ đạo 4%) CHƢƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Sơ lƣợc vấn đề Việc ứng dụng phương pháp điều khiển thời gian thực vào máy móc cơng nghiệp, đặc biệt robot, trình bày nhiều nhóm nghiên cứu giới Ưu điểm phương pháp tận dụng kho tài nguyên vô giá mã nguồn mở, hệ điều hành Linux, vốn chưa khai thác hết Ưu điểm thứ hai khắc phục lỗi ngắt thường gặp điều khiển sử dụng hệ điều hành Window Ưu điểm thứ ba đảm bảo việc điều khiển robot diễn khoảng thời gian mà người điều khiển mong muốn Vì có nhiều diễn đàn cơng nghệ tự động giới quan tâm đến việc xây dựng chương trình điều khiển thời gian thực dựa hệ điều hành Linux 1.1.1 Bộ điều khiển robot công nghiệp Các robot công nghiệp bán thị trường thường có phần mềm điều khiển kèm theo Mỗi hãng lại có phần mềm điều khiển khác nhau, ngơn ngữ lập trình khác Vì khó để điều khiển lúc nhiều robot máy tính chủ Một vấn đề khác nảy sinh nhà sản xuất thường hạn chế khả can thiệp người sử dụng vào phần cứng robot Chúng ta điều khiển robot thơng qua giao diện xây dựng sẵn dành cho người sử dụng Vì điều hạn chế việc tích hợp thêm phần cứng, ví dụ loại cảm biến, vào điều khiển robot Với phát triển vũ bão việc ứng dụng robot cơng nghiệp vào sản xuất, việc tích hợp loại cảm biến vào điều khiển robot sử dụng thục chúng nhu cầu cấp thiết nhà nghiên cứu robot Để khắc phục vấn đề này, nhiều nhóm nghiên cứu đưa mơ hình điều khiển cho robot cơng nghiệp Có hai mơ hình điều khiển phổ biến xem xét Thứ mơ hình điều khiển xây dựng dựa điều khiển phần mềm lập trình sẵn có cho robot Chúng ta xây dựng phương pháp giao tiếp với điều khiển robot thông qua cổng ngoại vi COM, Parallel, USB, CAN, Internet… Việc giao tiếp dùng để truyền nhận tín hiệu cảm biến từ máy tính chủ đến điều khiển ngược lại từ điều khiển robot đến máy tính chủ Việc điều khiển robot dựa phần mềm lập trình có sẵn xây dựng cho robot Ưu điểm phương pháp không tốn nhiều chi phí cho thiết bị ngoại vi phần lập trình cho robot Tuy nhiên, phương pháp hạn chế khả điều khiển robot tích hợp cảm biến theo ý muốn người sử dụng Thứ hai xây dựng điều khiển hoàn toàn mới, độc lập với phần mềm điều khiển robot có Phương pháp tiêu tốn chi phí cho việc xây dựng lại phần cứng điều khiển Tuy nhiên, lại có ưu điểm giúp người sử dụng tích hợp loại cảm biến điều khiển robot theo ý cách linh hoạt Một ưu điểm ngôn ngữ sử dụng cho điều khiển thường ngôn ngữ sử dụng chung cho cộng đồng điều khiển robot khơng phải ngơn ngữ lập trình cho loại robot riêng biệt Trong phần tìm hiểu mơ hình thứ hai, tức mơ hình xây dựng điều khiển cho robot số hướng nghiên cứu phải sử dụng phương pháp thời gian thực để điều khiển robot 1.1.2 Các ứng dụng điều khiển thời gian thực Các robot công nghiệp ngày thường điều khiển điều khiển phân tán nhằm đạt độ xác cao vị trí lẫn thời gian Tuy nhiên, ứng dụng địi hỏi phải có thơng tin từ mơi trường ngồi, cần phải xử lý tín hiệu từ cảm biến trước gửi thơng tin hữu ích tới điều khiển robot Thời gian giao tiếp máy tính chủ điều khiển robot đóng vai trị quan trọng hoạt động hệ thống Có nhiều ứng dụng địi hỏi xác mặt thời gian suốt trình hoạt động Chúng ta xem xét việc sử dụng robot để bám theo vật di động nhờ tín hiệu từ camera Một thuật tốn cần thiết xây dựng để lấy thơng tin vị trí vật từ hệ stereo camera Thơng tin vị trí vật cần gửi đến điều khiển robot khoảng thời gian nhanh để robot bám theo vật Khi vật di chuyển nhanh, việc bám theo vật khó khăn Trong trường hợp này, cần phải xử lý thông tin từ camera gửi thơng tin vị trí vật đến điều khiển robot lúc Nếu có chậm trễ việc truyền tín hiệu, vật di chuyển vùng hoạt động camera robot bám theo vật Một ứng dụng khác muốn điều khiển robot cho khâu tác động cuối tác dụng lên bề mặt với lực khơng đổi (ví dụ robot lau kiếng) Chúng ta cần nhận thông tin từ cảm biến lực gắn vào robot gửi giá trị lực tiếp xúc đến điều khiển robot lúc Nếu có chậm trễ lực tiếp xúc thực tế lớn giá trị mong muốn làm hỏng bề mặt tiếp xúc Một ví dụ muốn điều khiển robot để gắp vật nằm băng tải di động theo hướng mong muốn Một camera sử dụng để xác định vị trí hướng vật cần gắp Sau thơng tin vị trí hướng vật gửi đến điều khiển robot Nếu có nhiều vật băng tải băng tải di chuyển với vận tốc lớn nhiệm vụ khó khăn thời gian giao tiếp máy tính xử lý ảnh điều khiển robot đóng vai trị quan trọng hoạt động hệ thống 1.1.3 Hệ điều hành thời gian thực Việc xây dựng phần mềm điều khiển thời gian thực dựa hệ điều hành Window tốn Vì nhiều nhóm nghiên cứu giới quan tâm đến việc xây dựng điều khiển dùng mã nguồn mở dựa hệ điều hành Linux Thế hệ điều hành thời gian thực (RealTime Operation System - RTOS)? “A real-time system is one in which the correctness of the system depends not only on the logical results, but also on the time at which the results are produced” - Theo John A Stankovic cộng Chúng ta tạm dịch là: “Hệ thống thời gian thực không bị ràng buộc tính xác kết tính tốn mà cịn ràng buộc thời gian kết đưa ra” Ta thấy hệ thống báo lỗi kết khơng đưa kịp thời Ta tạm hiểu thời gian thực tổng hợp tính tốn xác tính kịp thời Ngun lý hoạt động RTOS Các RTOS thường cung cấp mức xử lý ưu tiên Các cơng việc có mức ưu tiên cao thực trước Có nói điểm khác hệ thời gian thực với hệ không thời gian thực chương trình RTOS có thời gian định trước Điều có nghĩa hệ điều hành thực nhiệm vụ khoảng thời gian định Các đáp ứng thời gian nghiêm ngặt hệ điều hành thời gian thực có thành phần thời gian ngẫu nhiên Một thành phần thời gian ngẫu nhiên tạo trễ ngẫu nhiên, từ gây đáp ứng khơng thoả mãn yêu cầu thời gian Ƣu điểm RTOS Ưu điểm RTOS khả tách biệt với ứng dụng Nếu có chương trình bị "chết" hay hoạt động không hợp lệ, hệ điều hành thời gian thực nhanh chóng lập chương trình này, kích hoạt chế phục hồi bảo vệ chương trình khác hay thân hệ điều hành khỏi hậu lệnh sai Cơ chế bảo vệ tương tự áp dụng để tránh tình trạng tràn nhớ chương trình gây RTOS xuất hai dạng cứng mềm Hệ điều hành thời gian thực cứng hệ điều hành thời gian thực mà tác vụ không thực thi mà cịn phải thời gian, khơng cho phép sai lệch thời gian Nếu tính xử lý ứng với kiện khơng xảy hay xảy không đủ nhanh, RTOS cứng chấm dứt hoạt động giữ không gây ảnh hưởng đến độ tin cậy tính sẵn sàng phần cịn lại hệ thống RTOS máy tính nhúng trở nên phổ biến ứng dụng quan trọng nên nhà phát triển thương mại tạo nên RTOS với tính sẵn sàng cao Những sản phẩm có thành phần phần mềm chuyên dụng làm chức cảnh báo, chạy chương trình chẩn đốn hệ thống để giúp xác định xác vấn đề trục trặc hay tự động chuyển đổi sang hệ thống dự phòng Hiện thời RTOS sẵn sàng cao hỗ trợ bus Compact PCI tổ chức PCI Industrial Computer Manufacturers Group, bus dùng cho phần cứng trao đổi nóng Ứng dụng RTOS Do yêu cầu khắt khe thời gian, việc sử dụng tài nguyên, quan trọng việc lập lịch, hệ điều hành thời gian thực có tính ứng dụng cao Chúng giống thư viện, dùng, thêm bớt dịch vụ cho phù hợp với ứng dụng thời gian thực để phát triển ứng dụng thời gian thực cách nhanh hơn, tin tưởng Chúng ta tìm thấy hệ điều hành thời gian thực nơi sống Chúng phổ biến hệ điều hành mà bạn quen thuộc Windows, Mac OS Unix Chúng âm thầm làm việc bên định tuyến chuyển mạch mạng, động xe, máy nhắn tin, điện thoại di động, thiết bị y tế, thiết bị đo lường điều khiển công nghiệp vô số ứng dụng khác Một số hệ điều hành thời gian thực LynxOS LynxOS loại hệ điều hành thời gian thực cứng, làm việc với Unix Java Các thành phần LynxOS thiết kế tiền định có nghĩa phải đáp ứng khoảng thời gian biết trước Thời gian đáp ứng tiền định đảm bảo cổng vào phải tải nặng mơ hình đơn luồng kernel, làm cho chương trình phục vụ ngắt ngắn nhanh LynxOS 3.0 phát triển từ kiến trúc nguyên gốc (chỉ gồm mô đun làm tất việc) phiên ban đầu lên đến thiết kế microkernel Dung lượng microkernel 28 Kbyte cung cấp dịch vụ lập lịch, phân luồng ngắt đồng Các dịch vụ khác cung cấp mô đun dịch vụ nhỏ gọi Kernel Plug-Ins (KPIs) Nhờ thêm KPIs vào microkernel, hệ thống cấu hình để hỗ trợ vào quản lý file, TCP/IP, Nó hoạt động hệ điều hành UNIX đa nhiệm Công ty CF InFlight sử dụng LynxOS cho điều khiển Skycam Robotic từ hệ thống nhúng Linux real-time [9] VxWorks VxWorks hỗ trợ khách hàng dễ dàng chạy hầu hết vi xử lý thiết kế tính tốn phân tán Nó cịn sử dụng điều khiển mạng thiết bị truyền thông, thiết bị đo kiểm tra, thiết bị ngoại vi, hệ thống tự động hoá, thiết bị hàng không vũ trụ, loại sản phẩm tiêu dùng khác Vxworks có vài điểm giống với Unix shell, hàm debugging, quản lý nhớ, giám sát thực thi hỗ trợ đa nhiệm Hệ điều hành bao gồm lõi cho lập lịch đa nhiệm, trả lời ngắt, truyền thơng tiến trình hệ thống file Lập trình VxWorks khó cho người lập trình lập trình viên phải viết code yêu cầu tối thiểu Tuy nhiên, thực tế cho thấy lượng nhỏ nội dung cần lưu trữ phục hồi VxWorks, sử dụng tài ngun Unix, chạy nhanh VXWorks có sử dụng robot tập đoàn KuKa VxWorks hệ điều hành thời gian thực sử dụng hệ nhúng điển hình kể đến hệ điều hành cho robot Hỏa năm 1997 [10] µC/OS µC/OS nhân hệ điều hành thời gian thực J Labrosse xây dựng Nó nhân hệ điều hành thời gian thực có tính khả chuyển cao, mềm dẻo, có tính ưu tiên, thời gian thực đa tác vụ µC/OS hỗ trợ tính sau: lập lịch, truyền thông điệp, đồng chia sẻ liệu tác vụ, quản lý nhớ, thiết bị vào ra, hệ thống file, mạng µC/OS hỗ trợ nhiều vi xử lý gọn nhẹ để sử dụng cho nhiều hệ thống nhúng Phiên µC/OS-II tăng cường thêm khả đặt tên tới đối tượng nhân Đặc biệt với phiên V2.6, gán tên tới tác vụ, đèn báo, mailbox, hàng đợi, nhóm kiện hay vùng nhớ Do đó, phát lỗi hiển thị tên đối tượng đó, cho phép nhanh chóng xem thơng tin đối tượng Ngoài ra, V2.6 cho phép sửa lỗi đọc thơng tin cấu hình ứng dụng hiển thị thơng tin QNX Neutrino Mục đích QNX Neutrino phổ biến rộng rãi hệ thống mở POSIX API theo mơ hình bậc thang mạnh cho hệ thống diện rộng từ hệ nhúng tài ngun hẹp đến mơi trường máy tính phân tán mạnh Hệ điều hành QNX Neutrino hỗ trợ nhiều dòng vi xử lý Intel x86, ARM, XScale, PowerPC, MIPS SH-4 QNX Neutrino chuẩn mực cho ứng dụng nhúng thời gian thực Nó co giãn tới kích thước nhỏ cung cấp nhiều tác vụ hoạt động đồng thời, tiến trình, điều khiển lập lịch thứ tự ưu tiên chuyển ngữ cảnh nhanh Người phát triển dễ dàng tuỳ biến OS cho phù hợp với ứng dụng từ cấu hình nhân nhỏ (microkernel) với vài module nhỏ tới hệ thống trang bị phát triển mạng diện rộng để phục vụ hàng trăm người dùng QNX Neutrino đạt mức độ chun mơn hố tính hiệu quả, tính module hố tính đơn giản với hai yếu tố sau: • Kiến trúc microkernel QNX đảm bảo cách ly nhớ process, không cho chúng sơ ý phá hoại lẫn • Giao tiếp liên q trình dựa thơng điệp Hiện nhóm nghiên cứu học viện kỹ thuật Harbin (Trung Quốc) dùng QNX điều khiển cánh tay robot Java Sun Realtime Ngơn ngữ an tồn Java cung cấp môi trường thân thiện so với ngơn ngữ mức độ thấp, có phần mềm thời gian thực hệ thống nhúng truyền thống Tuy nhiên, trở ngại Java ứng dụng điều khiển dự đoán trước hiệu suất thời gian đáp ứng không cao Phiên Sun Java Real-Time System bao gồm thu rác thời gian thực mở tính khả thi Java cho việc điều khiển Robot Nhóm nghiên cứu Đại học Lund thực hệ thống điều khiển chuyển động cho robot cơng nghiệp IRB340 hãng ABB hồn tồn thời gian thực Java [3] Theo báo cáo, hệ thống điều khiển robot thực hoàn toàn Java thực máy ảo chứng nhận 1.1.4 Phần mềm thời gian thực Xenomai Dự án Xenomai bắt đầu vào tháng năm 2001 Vào năm 2003, kết hợp với dự án RTAI để tạo cấu trúc phần mềm thời gian thực miễn phí tích hợp cơng 10 Việc truyền liệu nhờ vào cặp dây truyền tín hiệu vi sai, có ý nghĩa tín hiệu lấy dựa vào sai khác đường dây CAN_H CAN_L Đường dây bus kết thúc điện trở 120Ω Hình 8.8 thể sơ đồ kết nối mạng CAN Hình 8.8 : Sơ đồ CAN bus Hình 8.9 : Sơ đồ mạch kết nối nguồn 24V, động driver Hình 8.9 thể mạch kết nối nguồn với động kết nối động với driver Mạch thiết kế công tắc đóng mở cấp nguồn cho động cơ, giúp cho việc kiểm sốt nguồn cấp ngắt an tồn hoạt động Hình 8.10 thể sơ đồ chân driver DCS3T-26 mà nhóm sử dụng để điều khiển động robot Hình 8.11 thể mạch vi điều khiển PIC18F4680 mà 95 nhóm chế tạo Hình 8.12 thể tồn bộ điều khiển robot sau kết nối dây Hình 8.10 : Driver động DC servo robot Hình 8.11 : Mạch điều khiển khớp robot 96 Hình 8.12 : Bộ điều khiển robot 8.2 Ứng dụng Xenomai điều khiển quỹ đạo hình vng 8.2.1 Mơ tả thí nghiệm Nhóm tiến hành điều khiển robot bám theo quỹ đạo hình vng Để kiểm chứng độ xác bám quỹ đạo nhóm điều khiển robot vẽ tờ giấy A4 quỹ đạo mà robot dịch chuyển Trên quãng đường mà robot dịch chuyển, nhóm gắn cảm biến tiệm cận điện dung vị trí mà nhóm định trước Mỗi lần robot qua vị trí có tín hiệu trả điều khiển làm đèn sáng Nhóm sử dụng board EASYPIC để đo xác định thời điểm mà robot qua vị trí xác định Nhóm tiến hành điều khiển cho robot chạy bám quỹ đạo hình vng 12 lần đo thời điểm mà robot qua cảm biến tiệm cận nhằm xác định khoảng thời gian mà robot hồn thành vịng quỹ đạo Nhóm tiến hành thí nghiệm với hệ điều hành thời gian thực Linux-Xenomai hệ điều hành Linux thơng thường để so sánh kết 97 Hình 8.13 : Mơ hình robot 5DOF với đầu bút cảm biến tiệm cận Vì Xenomai chủ yếu tập trung vào quản lý nhiệm vụ thời gian thực nên phần giao diện đơn giản Nền giao diện giống hình DOS Để dùng Xenomai điều khiển quỹ đạo hình chữ nhật, phải khởi tạo nhiệm vụ thời gian thực Hình 8.14 thể bước chuẩn bị cho việc vận hành robot Hình 8.15 thể thơng số robot q trình làm việc gồm : ● Vị trí robot theo phương X, Y, Z ● Giá trị góc xoay khớp robot ● Frame truyền mang gia trị góc xoay robot 98 Hình 8.14 : Các lệnh chuẩn bị cho robot hoạt động Hình 8.15 : Thơng số làm việc robot 99 8.2.2 Kết đạt đƣợc Kết thời gian hồn thành vịng quỹ đạo hình vng thể bảng số liệu Bảng 8.5 : Kết thí nghiệm điều khiển robot bám quỹ đạo hình vng dùng Linux thơng thường Linux-Xenomai Thời gian hồn thành vịng (giây) TT Linux thơng thƣờng Linux-Xenomai Cảm biến Cảm biến Cảm biến Cảm biến 144 146 145 150 145 145 145 145 144 145 146 149 144 144 150 153 145 143 155 153 145 145 157 155 145 147 150 152 145 145 150 149 144 144 149 152 10 145 144 167 175 11 145 147 169 176 Kết vẽ quỹ đạo hình vng dùng Linux thơng thường Linux-Xenomai thể hình sau Hình 8.16 : Kết sai số vẽ quỹ đạo hình vng 50mm x 50mm (sai số 3%) 100 Hình 8.17 : Quỹ đạo vẽ hình vng dùng Xenomai (1-5-12 lần) Hình 8.18 : So sánh quỹ đạo vng 12 lần Xenomai (trái) – Normal linux (phải) Từ kết đo thấy sử dụng Xenomai điều khiển robot đảm bảo thời gian hoàn thành vòng quỹ đạo khoảng thời gian định trước (145 giây), sử dụng hệ điều hành Linux thơng thường làm chậm thời gian hồn thành vịng quỹ đạo Độ xác điều khiển vị trí dùng LinuxXenomai dùng Linux thơng thường tương đương Nhận xét : Điều khiển mơ hình robot bám quỹ đạo hình vng dùng Xenomai với sai số 3% (đạt yêu cầu) đáp ứng thời gian tốt dùng Linux thông thường 8.3 Ứng dụng Xenomai điều khiển quỹ đạo hình trịn 8.3.1 Mơ tả thí nghiệm Nhóm tiến hành điều khiển robot bám theo quỹ đạo hình trịn Để kiểm chứng độ xác bám quỹ đạo nhóm điều khiển robot vẽ tờ giấy A4 quỹ đạo mà robot dịch chuyển 101 Trên quãng đường mà robot dịch chuyển, nhóm gắn cảm biến tiệm cận điện dung vị trí mà nhóm định trước Mỗi lần robot qua vị trí có tín hiệu trả điều khiển làm đèn sáng Nhóm sử dụng board EASYPIC để đo xác định thời điểm mà robot qua vị trí xác định Nhóm tiến hành điều khiển cho robot chạy bám quỹ đạo hình trịn 12 lần đo thời điểm mà robot qua cảm biến tiệm cận nhằm xác định khoảng thời gian mà robot hồn thành vịng quỹ đạo Nhóm tiến hành thí nghiệm với hệ điều hành thời gian thực Linux-Xenomai hệ điều hành Linux thông thường để so sánh kết 8.3.2 Kết đạt đƣợc Kết thời gian hoàn thành vịng quỹ đạo hình trịn thể bảng số liệu Bảng 8.6 : Kết thí nghiệm điều khiển robot bám quỹ đạo hình trịn dùng Linux thơng thường Linux-Xenomai Thời gian hồn thành vịng (giây) TT Linux thông thƣờng Linux-Xenomai Cảm biến Cảm biến Cảm biến Cảm biến 61 59 60 63 61 61 62 63 61 62 63 63 61 62 64 65 62 62 64 67 61 60 69 69 61 61 65 68 61 62 66 64 62 62 65 66 10 61 62 65 64 11 62 60 65 64 Kết vẽ quỹ đạo hình trịn dùng Linux thông thường Linux-Xenomai thể hình sau 102 Hình 8.19 : Kết sai số vẽ quỹ đạo trịn đường kính 40mm (sai số 3.75%) Hình 8.20 : Quỹ đạo vẽ hình trịn dùng Xenomai (1-5-12 lần) Hình 8.21 : Quỹ đạo trịn 12 lần dùng Xenomai (trái) Linux thông thường (phải) 103 Từ kết đo thấy sử dụng Xenomai điều khiển robot đảm bảo thời gian hồn thành vịng quỹ đạo khoảng thời gian định trước (61 giây), Linux thơng thường khơng thể đạt Trong thí nghiệm kết độ xác vị trí dùng hệ điều hành Linux thông thường Xenomai tương đương Nhận xét : Điều khiển mơ hình robot bám quỹ đạo hình trịn Xenomai với sai số 3.75% (đạt yêu cầu) đảm bảo độ xác thời gian tốt dùng Linux thông thường 104 CHƢƠNG XI: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 9.1 Công việc hoàn thành Trong đề tài “Nghiên cứu ứng dụng phần mềm thời gian thực Xenomai điều khiển robot cơng nghiệp”, nhóm nghiên cứu hồn thành nội dung sau:  Nhóm ưu nhược điểm phần mềm thời gian thực Xenomai so với phần mềm điều khiển robot thơng thường Từ nhóm rút ưu điểm vượt trội hệ điều hành thời gian thực Linux-Xenomai điều khiển  Nhóm nghiên cứu thành cơng bước cài đặt phần mềm thời gian thực Xenomai máy tính PC  Nhóm sử dụng ứng dụng Xenomai Nhóm trình bày cách viết chương trình khơng gian user-space kernel-space  Nhóm thực thành cơng giao tiếp máy tính với thiết bị ngoại vi sử dụng phần mềm thời gian thực Xenomai thông qua: giao tiếp nối tiếp COM, giao tiếp song song Parallel, giao tiếp USB  Nhóm chế tạo thành cơng mơ hình điều khiển động DC servo AC servo sử dụng phần mềm thời gian thực Xenomai Kết mà nhóm có đạt yêu cầu so với đăng ký (Sai số xác lập 2% với góc quay lớn 300, thời gian xác lập giây) Nhóm nghiên cứu tiến hành thí nghiệm để ưu điểm hệ điều hành Linux-Xenomai so với Linux thông thường điều khiển động  Nhóm chế tạo thành cơng mạch điện giao tiếp điều khiển mơ hình robot DOF có sẵn phịng thí nghiệm ứng dụng phần mềm thời gian thực Xenomai để điều khiển robot Nhóm tiến hành điều khiển robot bám quỹ đạo hình vng hình trịn Kết mà nhóm có đạt yêu cầu so với đăng ký (Sai số xác lập điều khiển quỹ đạo 4%) Nhóm nghiên cứu tiến hành thí nghiệm để ưu điểm hệ điều hành Linux-Xenomai so với Linux thông thường điều khiển quỹ đạo robot theo thời gian 105 9.2 Hạn chế đề tài Đề tài ứng dụng phần mềm thời gian thực Xenomai để điều khiển robot công nghiệp hướng nghiên cứu nước ta Vì nhóm nghiên cứu khơng thể tránh sai xót q trình thực Một số thiếu xót đề tài trình bày đây: • Nhóm nghiên cứu chưa thực việc điều khiển thiết bị sử dụng card giao tiếp thông qua khe cắm PCIe Đây chủ đề khó khơng Xenomai hỗ trợ driver người sử dụng phải tự viết driver cho card điều khiển Hiện số lượng card điều khiển mà Xenomai hỗ trợ cịn hạn chế • Việc điều khiển động robot hạn chế tốc độ nhỏ nên nhóm nghiên cứu chưa ưu điểm vượt trội phần mềm điều khiển thời gian thực Xenomai • Giao tiếp mà nhóm sử dụng giao tiếp nối tiếp COM nên bị hạn chế tốc độ giao tiếp • Thiết bị phần cứng mà nhóm sử dụng chưa chuẩn nên sai số điều khiển cịn lớn • Chưa thực so sánh phần mềm thời gian thực Xenomai với phần mềm thời gian thực khác • Nghiên cứu dừng việc xem xét nhân CPU, chưa xem xét hệ đa CPU 9.3 Hƣớng phát triển đề tài Sau thực đề tài, nhóm nghiên cứu nhận thấy tiềm lớn việc ứng dụng phần mềm thời gian thực Xenomai để điều khiển robot thiết bị công nghiệp, đặc biệt tiêu chí đảm bảo độ xác thời gian Dựa vào kết nghiên cứu đề tài, nhóm nghiên cứu đề xuất số hướng ứng dụng nhằm mục đích phát triển đề tài tương lai: • Ứng dụng phần mềm thời gian thực Xenomai cho hệ điều khiển robot tốc độ cao Một ứng dụng lĩnh vực hệ thống đóng gói gắp tơm tự động Hệ thống 106 bao gồm tay máy có nhiệm vụ gắp tôm từ băng tải vào thùng Một yêu cầu đặt sản phẩm tơm phải có kích thước đủ tiêu chuẩn Do dùng camera gắn băng tải chụp ảnh liên tục để kiểm tra kích thước tơm Con tơm đạt u cầu kích thước gắp vào thùng Để cao suất băng tải phải di chuyển với tốc độ cao Vì hệ điều hành thông thường đáp ứng kịp • Ứng dụng phần mềm thời gian thực Xenomai cho hệ đa nhiệm Trong đề tài nhóm nghiên cứu nghiên cứu cách sử dụng phân chia nhiệm vụ thời gian thực nhân CPU Đối với hệ gồm nhiều CPU, phân chia nhiệm vụ thời gian thực thực nhiều công việc lúc công việc đảm bảo thời gian • Ứng dụng phần mềm thời gian thực Xenomai cho hệ tự trị, đặc biệt board mạch nhúng (ARM) Đây board mạch chuyên dụng cho mục đích điều khiển cụ thể Các hệ thống điều khiển thực tế theo hướng này, tức thiết bị cơng nghiệp dung điều khiển chuyên dụng để điều khiển thiết bị • Cải thiện độ xác điều khiển quỹ đạo robot DOF vị trí lẫn thời gian Hiện nhóm tính tốn quỹ đạo cho robot truyền tín hiệu điều khiển xuống điều khiển robot thơng qua giao tiếp RS232 Chúng ta điều khiển trực tiếp robot cách sử dụng card điều khiển thơng qua khe cắm PCIe 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Aroca R V and al., Scara robot controller using realtime linux, In: IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, 2007, 1-6 [2] Han S H and al., Real-time control of an industrial robot using image-based visual servoing, In: IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 1999, : 1762-1767 [3] Robertz S G and al., Using real-time Java for industrial robot control, In: JTRES Proceedings of the 5th International Workshop on Java Technologies for Real-time and Embedded Systems, 2007 [4] Valera A and al., Solving the inverse dynamic control for low cost real-time industrial robot control applications, Robotica journal, 2003, 3:261-269 [5] Zhou Y and al., Real-time control experiments using an industrial robot retrofitted with an open-structure controller, In: International Conference on System, Man, and Cybernetics, 1993, 4:553-559 [6] Macchelli A and al., A real time control system for industrial robots and control applications based on real-time Linux, In: The 15th International Federation of Automatic Control World Congress, 2002 [7] Goldenberg A A and al., An Approach to Real-Time Control of Robots in Task Space : Application to Control of PUMA 560 without VAL-II, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1988, 2:231-238 [8] Choi B W and al., Real-time control architecture using Xenomai for intelligent service robots in USN environments, Intelligent Service Robotics, 2009, 2:139-151 108 PHỤ LỤC Phụ lục sản phẩm • Bài báo khoa học • Xác nhận hướng dẫn học viên cao học • Quy trình điều khiển thiết bị cơng nghiệp phần mềm thời gian thực Xenomai • Sơ đồ mạch công suất, mạch điều khiển mạch giao tiếp máy tính cho mơ hình động DC servo • Sơ đồ mạch điều khiển mạch giao tiếp máy tính cho mơ hình động AC servo • Sơ đồ mạch điều khiển mạch giao tiếp máy tính cho mơ hình robot 5-DOF Phụ lục quản lý • Thuyết minh, Hợp đồng Phụ lục hợp đồng • Giấy gia hạn thời gian thực đề tài • Quyết định phê duyệt kinh phí • Xác nhận tốn tài chính: Bảng tốn giấy Thẩm tra tốn • Biên họp giám định • Biên họp nghiệm thu sở 109