Proiect IT

******************** prof. Diaconu Aurel********

Teleoperare in domeniul militar

Controlul roboţilor mobili bazat pe teleoperare necesită un sistem robust cu o interfaţă intuitivă, flexibilă şi eficientă. În cele mai frecvente situaţii roboţii mobili sunt echipaţi cu senzori şi module controlabile, care furnizează un volum impresionant de date către utilizator. Proiectarea şi implementarea unui sistem fiabil devine o sarcină dificilă dacă robotul mobil este folosit ca mijloc de intervenţie operativă în situaţii complexe, care presupun siguranţă şi precizie în exploatare. Instrumentaţia virtuală are un rol important şi în acest domeniu, oferind soluţii pentru integrarea elementelor de control într-un sistem unitar, compact, cu un grad ridicat de mobilitate.

Controlul robotilor mobili folosind LabView

Instrumentaţia virtuală constituie o soluţie pentru proiectarea

şi dezvoltarea sistemelor de control pentru roboţi mobili.Integrarea eficientă, modularitatea, fiabilitatea dovedită în

exploatare sunt doar câteva din avantajele oferite de instrumentaţia virtuală. Combinarea instrumentaţiei virtuale cu programarea grafică în LabVIEW reduce considerabil timpul de proiectare şi validare a soluţiei. LabVIEW răspunde cerinţelor care apar în dezvoltarea unui sistem oferind instrumentele de implementare rapidă a unor teste mai simple sau mai complexe, dar extrem de utile în validarea soluţiei tehnice. SmartRoboCom reprezintă o variantă de implementare a unui sistem de control pentru roboţii mobili, programul fiind folosit pentru controlul a doi roboţi EOD(Explosive Ordnance Disposal).

Proiectarea interfetei operator- robot

Înţelegerea cerinţelor beneficiarului şi detalierea explicită a modului de operare constituie primul pas spre dezvoltarea unei interfeţe eficiente. La definirea structurii interfeţei am plecat de la necesitatea folosirii la maxim a ecranului, oferind strict elementele care pot ajuta operatorul în controlul robotului. Funcţiile şi elementele care ţin de particularizarea funcţionării sistemului au fost înglobate într-un meniu accesibil în zona de configurare şi control.

Telecomanda robotului mobil se face de un operator pe baza imaginilor de la două camere video. Pentru controlul articulaţiilor şi a elementelor mobile din structura robotului operatorul foloseşte două joystick-uri uniaxiale şi interfaţa programului SmartRoboCom, care înglobează toate elementele de control virtuale. Eficienţa maximă din punct de vedere al interacţiunii poate fi obţinută prin folosirea unui touchscreen.

Implementarea interfetei

Panoul frontal se compune din 6 zone care înglobează instrumentele folosite de operator pentru particularizarea şi conducerea misiunii :

A. video;B. schema robotului; C. grafice;D. descrierea funcţiilor;E. mesaje despre starea sistemului;

F. configurare şi control.

În zona A este afişată imaginea de la una din cele două camere aflate pe robot.

Figura 1 Zona în care se afişează imaginea video

În zona B este prezentată schema robotului peste care sunt suprapuse indicatoare pentru fiecare dintre articulaţii. În centrul indicatorului este inscripţionată tasta care trebuie apăsată pentru selectarea articulaţiei dorite. Când operatorul selectează o articulaţie indicatorul corespunzător îşi schimbă culoarea .

Figura 2 Schema robotului

Robotul de intervenţie pirotehnică în regim deplasare

În zona C operatorul poate alege unul din cele trei grafice disponibile:

Figura 3 Direcţia de deplasare a robotului faţă de centrul său

Evoluţia comenzilor în timp

Figura 4 Grafic despre evoluţia comenzilor în timpIndicaţii pentru deplasarea robotului

Figura 5 Modul de deplasare al robotului folosind joystick-urile

Zona D este rezervată descriererii funcţiilor care pot fi selectate de operator prin apăsarea tastei asociate. După apăsarea tastei sub simbolul fiecărei manşe se indică elementul controlat.

Figura 6 Descrierea funcţiilor şi tastele asociate

Apăsând tasta F1 se alege regimul deplasare robot. După apăsarea tastei operatorul deplasează robotul folosind cele două manşe astfel:

manşa dreaptă pentru a mişca şenila dreaptă, iar manşa stângă pentru a mişca şenila stângă.

Figura 7 Afişarea articulaţiei controlate

Apăsând tasta F2 operatorul alege turela.Mişcând manşa stângă înainte/înapoi operatorul roteşte

turela spre dreapta/ spre stânga.Apăsând tasta F3 operatorul alege Articulaţia 1 şi Articulaţia

2.Mişcând manşa stângă înainte/înapoi operatorul înclină/ridică

braţul din Articulaţia 1. Mişcând manşa dreaptă înainte/înapoi operatorul înclină/ridică antebraţul din Articulaţia 2.

Apăsând tasta F4 operatorul alege Articulaţia 3 şi Rotire gheară. Mişcând manşa stângă înainte/înapoi operatorul înclină/ridică gheara din Articulaţia 3. Mişcând manşa dreaptă înainte/înapoi operatorul roteşte gheara spre dreapta/ spre stânga.

Apăsând tasta F5 operatorul alege Strânge gheară.Mişcând manşa stângă înainte/înapoi operatorul strânge/

eliberează gheara.Apăsând tasta F6 operatorul alege regimul Orientare camera

de marş. Mişcând manşa stângă înainte/înapoi operatorul roteşte camera spre dreapta/spre stânga. Mişcând manşa dreaptă înainte/înapoi operatorul înclină/ridică camera.

Apăsând tasta F7 operatorul Schimbă camera de la care este transmisă imaginea.

Apăsând tasta F8 operatorul Aprinde/Stinge farurile.Apăsând tasta F9 operatorul porneşte inregistrarea misiunii.Apăsând tasta F10 operatorul extrage un cadru din imaginea

video pe care, dacă doreşte, poate să-l salveze pe harddisk.Apăsând tasta F11 operatorul lansează în execuţie misiunea

permiţând transmiterea comenzilor către robot.Apăsând tasta F12 operatorul amorsează disruptorul.Apăsând tasta CTRL+F12 operatorul acţionează disruptorul.

Mesajele despre starea sistemului sunt afişate în zona E. Dacă sistemul funcţionează fără probleme este afişat mesajul “SISTEMUL FUNCTIONEAZA NORMAL” .Programul gestionează mesajele de eroare care pot surveni şi avertizează utilizatorul despre eroarea care a apărut în sistem.

Figura 8 Mesaje despre starea sistemului

Dacă eroarea apărută este critică,în special dacă iniţializarea programului sau comunicaţiei cu dispozitivul de achiziţie a datelor sau/şi robotul, utilizatorul este forţat să închidă programul .

Figura 11 Pagina de configurare video

Figura 12 Ferestrele de configurare a grabber-ului video

Schema cinematica a functiilor

După identificarea elementelor care definesc interfaţa cu operatorul trebuie creat liantul care dă viaţă programului – diagrama bloc care specifică fluxul datelor în maniera specifică LabVIEW.

Pentru a exploata facilităţile LabVIEW şi din dorinţa de a crea un program modular am definit o structură ierarhică care materializată ulterior în VI-urile suport. Am folosit această tehnică pentru o verificare graduală a fiecărui modul, uşurând astfel depanarea unor eventuale probleme apărute în dezvoltarea programului. În plus binecunostul avantaj al modularităţii îl reprezintă posibilitatea refolosirii funcţiilor în alte programe.

Pentru achiziţia datelor de la joystick-uri am dezvoltat o suită de VI-uri pentru:

-iniţializarea comunicaţiei („PMdiag_init.vi”),-realizarea comunicaţiei („PMdiag_CN_MEM.vi”),-citirea şi interpretarea datelor („PMReadManse.vi”).A fost necesară o soluţie dedicată deoarece dispozitivul de

achiziţie a datelor de la joystick-uri a fost unul particular pentru acest proiect.

După iniţializarea comunicaţiei dintre pupitrul de comandă şi robot folosind „PRdiag_init.vi” se foloseşte

„P_RIP_COM.vi” pentru transmiterea comenzilor şi a datelor pentru comenzi, iar controlul camerelor video se realizează cu „P_CM_COM.vi”.

Figura 13 Ierarhia VI-urilor

Iniţializarea grabber-ului video USB şi toate funcţiile asociate cu prelucrarea imaginilor video au la bază kitul SDK „IVision LabVIEW Toolkit 1.7” .

DESCRIER E A VI-URILOR

PMdiag_init.vi este folosită pentru configurarea portului serial, verificarea prezenţei dispozitivului DAQ la portul specificat. În funcţie de schimbul de mesaje se returnează un idex al erorii survenite şi semnificaţia lui.

Figura 14 Panoul frontal şi semnificaţia PMdiag_init.vi

PMReadManse.vi extrage valorile joystick-urilor din mesajul primit, aplicând şablonul predefinit, interpretează aceste valori furnizând Valoare Y1, Valoare Y2 şi 2 clustere cu valorile corespunzătoare pentru Evoluţia comenzilor şi Deplasarea robotului în acel moment.

Figura 15 Semnificaţia PMReadManse.vi

Partea din program care nu este transparentă în mod direct operatorului, dar care are rolul de a actualiza cele trei variabile locale DATA1, DATA2, DATA3, interpretând datele de la joystick-uri este prezentată în continuare.

Figura 16 Achiziţia şi interpretarea datelor de la joystick-uri

Interpretarea funcţiilor, formarea mesajelor şi transmiterea

acestora către robot se face utilizând „P_RIP_COM.vi”şi „P_CM_COM.vi” într-o combinaţie de secvenţe şi structuri case.

Figura 18 Formarea mesajului şi transmiterea către robot

Din considerente de siguranţă s-a implementat o schemă de prioritate a comenzilor astfel încât mişcarea unui grup de articulaţii este permisă în cazul în care grupul selectat are un nivel de prioritate superior, sau toate celelalte de rang superior acestuia sunt deselectate. Pentru controlul grabber-ului video şi prelucrarea imaginilor se foloseşte următoarea secvenţă:

Figura 19 Secvenţa din program pentru prelucrarea imaginilor

Fluxul de date pentru afişarea imaginilor foloseşte funcţiile din biblioteca OpenCV şi poate fi rezumat prin iniţializarea şi pornirea grabber-ului, crearea unei ferestre şi stabilirea caracteristicilor acesteia (poziţie, părinte, nume, etc.), afişarea fluxului de date în această fereastră.

Interfaţa grafică a programul a devenit funcţională prin definirea diagramei bloc, programul în ansamblu fiind un instrument util, necesar pentru controlul robotului. Accentul pus pe dezvoltarea interfeţei are un câştig şi prin timpul considerabil redus necesar pentru învăţarea programului.

Figura 20 SmartRoboCom GUI

În această lucrare am descris aplicarea instrumentaţiei virtuale şi a LabVIEW în proiectarea şi implementarea unei soluţii software robuste, flexibile şi eficiente pentru controlul unui robot mobil complex, care a solicitat măsuri de siguranţă în exploatare deosebite.

Soluţii similare pot fi implementat pentru roboţi mobili mai simpli sau mai complecşi. SmartRoboCom este un instrument pentru controlul roboţilor mobili de la distanţă de un operator. Particularizând funcţia de comunicaţie se pot controla roboţi mobil prin intermediul reţelei Internet.

O provocare poate fi implementarea unei soluţii de fuziune a datelor pentru controlul unui robot mobil folosind LabVIEW RT şi o platformă embedded care rulează unul din algoritmii folosiţi la roboţii autonomi.

Alte exemple din domeniul militar

Alte exemple de folosire a teleoperarii in domeniul militar sunt chiar echipamentele militare si armele folosite fie pentru antrenamente fie in razboi (tancuri,amfibii,avioane de cercetare sau transportoare)

Dispozitiv de comanda a echipamentelor robotizate sau cu comanda de la distanta.