CONSTRUCION DE UN BRAZO ROBÓTICO E INTERFACE DE CONTROL PARA UN SISTEMA EMPOTRADO BASADO EN EL SISTEMA OPERATIVO RTEMS

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C

ONSTRUCION DE UN BRAZO ROBÓTICO

E INTERFACE DE CONTROL PARA UN

SISTEMA EMPOTRADO BASADO EN EL

SISTEMA OPERATIVO RTEMS

AUTOR: ROBERTO RICA GUTIÉRREZ TUTOR: JUAN ZAMORANO FLORES D.A.T.S.I.

Facultad de Informática

Universidad Politécnica de Madrid MARZO, 2002

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Objetivos

• _{Definir el entorno de desarrollo}

• Construcción del hardware

• _{Diseño y programación del software de}

control

• Aplicación de demostración

• Conclusiones y líneas futuras

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Sistema Operativo RTEMS

• _{Real Time Executive for}

Multiprocesor Systems = Sistema operativo de tiempo real para sistemas multiprocesador.

• _{Se puede utilizar con los leguajes}

C/POSIX o Ada.

• _{Disponible para una amplia variedad}

de familias de procesadores.

• Prácticamente todo el sistema está escrito en lenguaje de alto nivel => fácil de adaptar a nuevas familias de procesadores

• Herramientas abiertas: GNAT, GCC, GDB...

• Características principales:

– Capacidad multitarea.

– Sistemas multiprocesador homogeneos y heterogeneos.

– Planificación basada en prioridades y expulsión.

– Comunicación y sincronización de hilos.

– Gestor de interrupciones.

– Gestión de memoria dinámica.

– Alto nivel de configuración por el usuario.

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Entorno de desarrollo

• _{Sistema empotrado = Sistema informático integrado en el}

aparato que controla.

• Sistema de tiempo real = Sistema en el que para que una aplicación sea correcta, debe entregar sus resultados dentro de un intervalo de tiempo.

• Lenguaje de programación C + Estándar POSIX

• Sistema de desarrollo cruzado = La creación del programa ejecutable no se realiza en el mismo sistema que luego la ejecutará.

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Hardware

• _{Host: PC con GNU Linux y Windows 95}

• Target: PC con tarjeta de E/S digitales

• _{Brazo: Kit de brazo robótico Fischertechnik}

• Interfaz entre Brazo y Target: tarjeta propia

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HOST

• _{Ordenador de propósito general PII400Mhz,}

128 Mb RAM, 4Gb HD.

• _{Windows 95 para documentación y}

conexiones a Internet.

• LINUX para alojar el sistema de desarrollo

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Host Target P. Potencia Sistema Físico Linux RTEMS Herramientas GNU ---Windows Office Acceso a internet ... • E/S Digitales • Soportado por RTEMS • Entradas TTL. • Salidas de potencia. • Fuente de alimentación. • Brazo robótico

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TARGET

• _{Sistema informático integrado en el aparato}

final al que controla.

• _{Ejecuta el programa desarrollado en el}

Host.

PC486: • Fácil de encontrar • Conocimiento anterior • Fácil de ampliar Efi332:

• Muy pequeño tamaño • Motorola 68332

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BRAZO I

Puntos a tener en cuenta:

• Grados de libertad que tiene.

• _{Posibilidades de ampliación y mejora.}

• Potencia y velocidad de sus motores.

• _{Relación entre precio y prestaciones.}

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BRAZO II

• _{Kit de la empresa Fischertechnik} • 4 grados de libertad.

• Motores de 9VDC.

• Construcción modular a base de piezas que encajan unas en otras.

• Motores de baja potencia.

• Piezas de plástico.

• 8 sensores de movimiento (interruptores).

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Interface entre Target y Brazo I

• _{Placa de entrada / salida digital.} • Nivel de señales TTL.

• 8 puertos de 8 pines cada uno programables como entrada o salida.

• El primer puerto se usa para el control de los 4 motores.

• El segundo puerto se utiliza para la entrada de la

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Interface entre Target y Brazo II

• _{Placa de potencia.}

• Traduce las señales TTL enviadas por el target en

señales con potencia suficiente para activar los motores.

• Basada en el L293B.

• Fuente de alimentación de 9VDC integrada.

• Posibilidad de fuente de alimentación externa.

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Software de control

• _{Interface de programación}

• Diseño del sistema de control

–

Arquitectura

–

Hilos y procedimientos

• Hilo Movimiento • Hilo Velocidad

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Inteface de programación hardware

Puertos:

• _0x180__{Control de motores (salida).}

• _0x181__{Lectura del estado de los sensores (entrada).}

• _0x182 Lectura del estado de los sensores extra (entrada).

Palabra puerto 0x180: PPAAFFGG donde:

PP = dos bits motor Pinza FF = dos bits motor Fondo AA = dos bits motor Altura GG = dos bits motor Giro

Palabra puerto 0x181: PpFcpPaFcaPfFcfPgFcg donde:

Pp = bit paso pinza. Pf = bit paso fondo.

Fcp = bit fin carrera pinza. Fcf = bit fin carrera fondo. Pa = bit paso altura. Pg = bit paso giro.

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Interface de programación del brazo

• Objetivo: Abstraer los detalles de la implementación, como puertos, valores hexadecimales, concurrencia de movimientos...

• Métodos utilizados para conseguir el objetivo:

– Constantes: elimina la necesidad de tratar con nºs hexadecimales.

– Procedimientos:

• InicializarBrazo(): Inicializa el sistema para el control del brazo.

• Lugar (int sentido): Devuelve la posición en grado de libertad indicado.

• leerInt (int puerto, int numero): Da el estado del Interruptor indicado.

– Hilos:

• Movimiento (*param_mov): Hilo que hace que el brazo se situe en un punto de uno de sus grados de libertad.

• EsperaInt (*espera_int): Hilo que no finaliza hasta que el interruptor indicado en la estructura pasada como parámetro es pulsado.

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Arquitectura del Sistema de Control

APLICACIÓN DE USUARIO

INTERFACE BRAZO

RTEMS

INTERFACE POSIX

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Hilos y procedimientos

IniciarBrazo Velocidad Crear 4 Motor EsperaInt FinCarr Movimiento EstMovimiento Posicion Lugar LeerInt InicializaVariables Variables Globales

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Aplicación de demostración

• _{Descripción del problema:}

Variante del juego de las torres de Hanoi

• _{Diseño de la solución usando el interface}

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Descripción del problema

• Se tienen tres zonas contiguas.

• En una de las zonas se tiene una pila de tres cajas de igual tamaño y distinto color.

• Se debe mover la columna de cajas de la primera zona a la última respetando las siguientes reglas:

– En cada jugada solo se puede mover una caja de una zona a otra.

– No se puede situar una caja encima de otra si en la configuración inicial del problema la que se quiere poner encima no estaba en una posición más elevada que la otra.

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Diseño de la solución

•

Se aplica un algoritmo de “divide y venceras”.

– Caso base: mover una caja de una zona a otra  Ordenar

al brazo llevar a cabo dicho movimiento.

– Si no se está en caso base  Mover x piezas de la zona

“a” a la zona “c”, dividir el problema de la siguiente forma:

• Mover x-1 piezas de “a” a “b”.

• Mover 1 pieza de “a” a “c”.

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Árbol de solución para 3 cajas

Hanoi (3,1,3)

Hanoi (2,1,2) Hanoi (2,2,3)

Mover (1,3)

Hanoi (1,1,3) Hanoi (1,3,2) Hanoi (1,2,1) Hanoi (1,1,3)

Mover (1,2) Mover (2,3)

Mover (1,3) Mover (3,2) Mover (2,1) Mover (1,3)

1 2 3

1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3

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Conclusiones

• _{Se ha construido un sistema que:}

– permite la docencia e investigación sobre sistemas de tiempo real

empotrados

– muy versátil y fácilmente ampliable.

– es de fácil construcción y reducido precio.

• _{Se ha adquirido experiencia en:}

– RTEMS.

– Estándar POSIX.

– Programación en C.

– Robótica y sistemas empotrados.

– Tratamiento de señales eléctricas controladas desde un ordenador.

– Control de movimiento y velocidad de motores con sistemas

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Líneas Futuras

•

Ampliación con otros kits de Fischertechnik para

crear sistemas más complejos y que tengan que

cooperar y permitan docencia e investigación con

sistemas de tiempo real distribuidos.

•

Cambio de la tarjeta de I/O por una con

posibilidad de interrupciones.

•

Cambio de los motores por motores paso a paso.

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