Μεθοδολογία ανάπτυξης αντικειμενοστραφούς λογσιμικού για ρομποτικά συστήματα με ανατροφοφότηση από αισθητήρες

Abstract

This work presents a new methodology for the development of software that allows the integration of external sensors in open robotic systems that are controlled at the end- effector level. The methodology defines a process that leads to the creation of a library of modular and reusable objects, which are intended for composition of robotic systems. By implementing new reusable objects for the needs of new applications the library becomes enriched. The development process follows the iterative model of requirements-analysis- design-implementation-testing. The methodology, which is based on an open architecture, enables easy and fast development. The modularity and re-use that is achieved through the object oriented approach enable the production of high quality software at the control objects level. The proposed architecture includes the subsystems of Sensor Management SM, State Error Calculator SEC, Sensor - Actuator Interface SAI and Actuator Management AM. The AM determines the next system state preventing under proper conditions the oscillation of the end-effector. The coupling with the sub systems that operate based on the sensor cycle is done through the SAI subsystem. The SM sub system gives the possibility of integration of the most popular sensors, (proximity, force-torque, cameras, tactile and range sensors). The SEC subsystem extracts the state error at the end effector level, using the measurements that are received from SM. The methodology provides significant benefits to applications that employ external sensors. It achieves the decoupling of the subsystems design from their use and provides the principles of modular implementation of particular applications that are expressed by the proposed open architecture. The library objects are reusable and thus provide benefits such as speed of development, high quality and low cost. The library is extensible quantitatively, by adding new objects or sub systems, as well as qualitatively, by incorporating improved algorithms. Therefore the new control and pattern recognition algorithms can be quickly and reliably incorporated and a closer connection between research and industry can be established. The methodology was verified by composing industrial applications that can be used as a paradigm for the implementation of new systems. The first of them is related to the automatic sunroof fitting onto car bodies with use of feedback from 4 cameras, while the second application executes automated measurement of gaps on car shells by employing stereo vision. The third application concerns a robot for visual inspection of gaps on vehicles and can be implemented through reuse of sub systems. The experimental results show that with proper parameterization the applications operate according to the requirements, thus proving the validity of the methodology.

Παρουσιάζεται μια νέα μεθοδολογία για την ανάπτυξη λογισμικού, που επιτρέπει την ενσωμάτωση εξωτερικών αισθητήρων σε ανοικτά ρομποτικά συστήματα με στόχο τον έλεγχο στο επίπεδο τελικού στοιχείου δράσης. Η μεθοδολογία ορίζει μια διαδικασία, που οδηγεί στη δημιουργία μιας βιβλιοθήκης από τμηματικά και επαναχρησιμοποιήσιμα αντικείμενα, τα οποία προορίζονται για σύνθεση εφαρμογών. Με την υλοποίηση νέων επαναχρησιμοποιήσιμων αντικειμένων για τις ανάγκες νέων εφαρμογών εμπλουτίζεται η βιβλιοθήκη. Η διαδικασία ανάπτυξης ακολουθεί το μοντέλο απαιτήσεων-ανάλυσης- σχεδίασης-υλοποίησης-ελέγχου με επαναληπτικό τρόπο. Η μεθοδολογία, που έχει ως άξονα μια ανοικτή αρχιτεκτονική, παρέχει τη δυνατότητα εύκολης και ταχείας ανάπτυξης. Η τμηματικότητα και η επαναχρησιμοποίηση, που επιτυγχάνονται μέσω της ακολουθούμενης αντικειμενοστραφούς προσέγγισης, δίνουν τη δυνατότητα παραγωγής υψηλής ποιότητας λογισμικό στο επίπεδο των αντικειμένων ελέγχου. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική περιλαμβάνει τα υποσυστήματα Διαχειριστή Αισθητήρων (SM), Υπολογιστή Σφάλματος Κατάστασης (SEC), Διεπικοινωνίας Αισθητήρων - Στοιχείων Δράσης (SAI) και Διαχειριστή Στοιχείων Δράσης (AM). Ο Διαχειριστής Στοιχείων Δράσης δίνει τη δυνατότητα καθορισμού της επόμενης κατάστασης εμποδίζοντας υπό κατάλληλες προϋποθέσεις την ταλάντωση του τελικού στοιχείου δράσης. Η σύζευξή του με τα υποσυστήματα που λειτουργούν με βάση την περίοδο δειγματοληψίας του αισθητήρα γίνεται μέσω του υποσυστήματος Διεπικοινωνίας Αισθητήρων - Στοιχείων Δράσης. Το υποσύστημα Διαχειριστή Αισθητήρων δίνει τη δυνατότητα ολοκλήρωσης των πιο δημοφιλών αισθητήρων, (προσέγγισης, δύναμης-ροπής, κάμερες, αισθητήρες αφής και απόστασης). Το υποσύστημα Υπολογιστή Σφάλματος Κατάστασης έχει τη δυνατότητα με βάση τα αναγνωρισθέντα πρότυπα που λαμβάνει από το Διαχειριστή Αισθητήρων να υπολογίζει το σφάλμα κατάστασης στο επίπεδο του τελικού στοιχείου δράσης. Η μεθοδολογία προσκομίζει σημαντικά οφέλη σχετικά με την υλοποίηση ρομποτικών εφαρμογών που κάνουν χρήση εξωτερικών αισθητήρων. Επιτυγχάνει την αποσύζευξη της σχεδίασης υποσυστημάτων και αντικειμένων της βιβλιοθήκης από τη χρήση τους και παρέχει τις βασικές αρχές της τμηματικής υλοποίησης των συγκεκριμένων εφαρμογών που εκφράζονται από την προτεινόμενη ανοικτή αρχιτεκτονική. Τα αντικείμενα της βιβλιοθήκης είναι επαναχρησιμοποιήσιμα και επομένως παρέχουν τη δυνατότητα για ταχεία ανάπτυξη, αυξημένη ποιότητα και μειωμένο κόστος. Η βιβλιοθήκη είναι επεκτάσιμη τόσο ποσοτικά με προσθήκη νέων αντικειμένων ή υποσυστημάτων καθώς και ποιοτικά με ενσωμάτωση βελτιωμένων αλγορίθμων. Καθίσταται επομένως εφικτή η γρήγορη και αξιόπιστη ενσωμάτωση των νέων αλγορίθμων ελέγχου και αναγνώρισης προτύπων και δίνεται η δυνατότητα αμεσότερης σύνδεσης της έρευνας με την παραγωγή. Η μεθοδολογία ελέγχθηκε με τη σύνθεση βιομηχανικών εφαρμογών, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως παράδειγμα για τη σύνθεση νέων συστημάτων. Η πρώτη από αυτές σχετίζεται με την αυτόματη προσαρμογή ηλιοροφής σε αυτοκίνητο με χρήση ανάδρασης από 4 κάμερες, ενώ η δεύτερη εφαρμογή εκτελεί αυτόματη μέτρηση διακένων σε αυτοκίνητα με χρήση στερεοσκοπικής όρασης. Η τρίτη εφαρμογή μπορεί να υλοποιηθεί με επαναχρησιμοποίηση σε επίπεδο υποσυστημάτων και αφορά ρομπότ οπτικής επιθεώρησης διακένων. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι με κατάλληλη παραμετροποίηση οι εφαρμογές λειτουργούν σύμφωνα με τις επιθυμητές προδιαγραφές, επιβεβαιώνοντας με αυτό τον τρόπο την αξία της μεθοδολογίας.