Σχεδιασμός και παρακολούθηση λειτουργιών σε αποστολές ρομποτικών οχημάτων

1. Σχεδιασμός και παρακολούθηση
λειτουργιών σε αποστολές
ρομποτικών οχημάτων
Φοιτητής: Λυκάρτσης Ιωάννης
Επιβλέπων: Ανδρέας Συμεωνίδης

2. Διάρθρωση παρουσίασης
Περιγραφή προβλήματος
Στόχος της διπλωματικής
Αρχιτεκτονική Συστήματος
Παρουσίαση Διεπαφής
Συμπεράσματα
Μελλοντικές Εφαρμογές

3. Διεργασίες αποστολής ρομποτικών οχημάτων
Παρακολούθηση και τον έλεγχος των υποσυστημάτων του ρομπότ και του
εξοπλισμού
Ανάλυση και αναφορά της απόδοσης του ρομπότ
Σχεδιασμός, χρονοπρογραμματισμός και εκτέλεση των διεργασιών της αποστολής
Διαχείριση του ενσωματωμένου (on-board) λογισμικού
Παράδοση πακέτων δεδομένων της αποστολής
Λήψη και ανάλυση των μηνυμάτων τηλεμετρίας

4. Διεργασίες αποστολής ρομποτικών οχημάτων
Επισκόπηση συστήματος διεργασιών αποστολής

5. Κοινά προβλήματα ανάπτυξης διεπαφών τηλεχειρισμού
Διαφορετικές υλοποιήσεις παρά το γεγονός ότι πολλές λειτουργίες
είναι κοινές
Λιγοστή επαναχρησιμοποίηση κώδικα
Χρονοβόρα εκπαίδευση των χειριστών
Πρόχειρη υλοποίηση κυρίως όταν πρόκειται για διεπαφή που θα
χρησιμοποιηθεί σε τεστ

6. Στόχος εφαρφμογής GRASP
Εργαλείο γρήγορης παραγωγής διεπαφών τηλεχειρισμού
Ανεξαρτησία από το είδος του ρομπότ (Rover, UAV, Arm etc)
Ελαχιστοποίηση κόστους και χρόνου εκπαίδευσης χειριστών
Προσαρμοστικότητα σε αλλαγές του on-board software
Μεγιστοποίηση επαναχρησιμοποιήσιμου κώδικα
Υποβοήθηση χειριστή κατά την διεκπαιρέωση της αποστολής

7. Ρομπότ που υποστηρίζει το GRASP
Bridget
Πρωτότυπο rover για την αποστολή Exomars το 2020
6 ρόδες (6 μετακίνησης, 4 περιστροφής)
Στερεοκάμερα
Star Tracker
Φώτα (λευκά και υπεριώδη)

8. Ρομπότ που υποστηρίζει το GRASP
LARAD
Ρομποτικός βραχίονας 6 βαθμών ελευθερίας μήκους 2 μέτρων
Συστήματα ελέγχου βασισμένα αποκλειστικά σε SpaceWire
Δυνατότητα εκτέλεσης διεργασιών με εργαλεία του end-effector
Δυνατότητα άμεσου ελέγχου κινητήρων αρθρώσεων

9. Τεχνολογίες Ανάπτυξης
Γλώσσα Προγραμματισμού: Qt 5.5 with C++
Εργαλείο ανάπτυξης Qt: Qt Creator 3.4
Εργαλείο ροής βίντεο: GStreamer 0.10
Εργαλείο σχεδιασμού γραφικών: OpenGL
Εργαλείο μετατροπής αρχείων 3D μοντέλων: Assimp

10. Αρχιτεκτονική του Συστήματος
Πακέτα κλάσεων
Ένα πακέτο που περιέχει τις κλάσεις που εκτελούν τις κοινές λειτουργίες των ρομπότ
Ένα πακέτο για κάθε ρομπότ, που περιέχει τις κλάσεις που υλοποιούν τα widget της διεπαφής του
Επικοινωνία κλάσεων
Χρήση του συστήματος σήματος/θυρίδας (signal/slot) της Qt, που καθιστά εύκολη την ενημέρωση
για γεγονότα μεταξύ διαφορετικών αντικειμένων
Κάθε πακέτο κλάσεων διαθέτει μία κλάση που αναλαμβάνει τον καθορισμό των επικοινωνιών
μεταξύ των διαφορετικών κλάσεων του πακέτου

11. Αρχιτεκτονική του Συστήματος
Πακέτο Γενικής Διεπαφής

12. Αρχιτεκτονική του Συστήματος
Πακέτο διεπαφής Bridget

13. Αρχιτεκτονική του Συστήματος
Επιλογή ρομπότ αποστολής και αρχικοποίηση του συστήματος

14. Αρχιτεκτονική του Συστήματος
Υποσύστημα διεπαφής διεργασιών αποστολής ρομπότ

15. Βασικό Σενάριο Χρήσης

16. Επικοινωνία εδάφους-ρομπότ
Επικοινωνία μέσω TCP/IP
Σε περίπτωση συνεργασίας 2 ρομπότ (πχ βραχίονας πάνω σε όχημα) δυνατότητα
είτε επικοινωνίας με έναν κοινό on-board υπολογιστή είτε με 2 ξεχωριστούς
Σε πραγματικές αποστολές επιθυμητή η χρήση DTN (Delay Tolerant Network)
που επιτρέπει την αντιμετώπιση ακραίων συνθηκών κατά την επικοινωνία

17. Μοντέλο Επικοινωνίας
Operator GRASP Client Server
Rover
Arm
Plans & Commands TC message TCP/IP Socket
Display TM message TCP/IP Socket
Accept/Reject
Port A
Port B

18. Παρουσίαση συστήματος GRASP

19. Επιλογή ρομπότ χειρισμού

20. Προσαρμοστικότητα
Εντολών
Χρήση αρχείων XML
Ομαδοποίηση εντολών
Καθορισμός παραμέτρων εντολής
(όνομα, ορίσματα, όρια
ορισμάτων, προϋποθέσεις
εκτέλεσης κλπ)
Επιλογή από τον χειριστή εντός της
εφαρμογής ποιες εντολές
σκοπεύει να χρησιμοποιήσει

21. Widget καθορισμού επικοινωνίας
Καθορισμός σύνδεσης εδάφους-
ρομπότ
Προβολή τελευταίου μηνύματος
που αποστάλθηκε/ελήφθη

22. Widget Σχεδίου
Αποστολής
Δημιουργία αλληλουχίας εντολών
Εκκίνηση της αποστολής
Δυνατότητα προσωρινής
παύσης/επανεκκίνησης της
αποστολής

23. Widget Χρονοδιαγράμματος
Δημιουργία σχεδίου αποστολής
Αλληλουχία εντολών
Διάρκεια εκτέλεσης κάθε εντολής
Παρακολούθηση εκτέλεσης
Εποπτεία των πραγματικών μηνυμάτων τηλεεντολών και τηλεμετρίας που
ανταλλάσσονται στην διάρκεια της αποστολής

24. Widget Χρονοδιαγράμματος

25. Περιορισμοί σχεδίου αποστολής
Προστασία του ρομπότ χειρισμού από ανεπιθύμητες καταστάσεις
ελέγχου
Απαγόρευση στο χειριστή να δημιουργήσει σχέδιο ελέγχου που θα
οδηγήσει το ρομπότ σε αστάθεια
Ενημέρωση για την αιτία του σφάλματος

26. Προετοιμασία πολύπλοκων
εντολών
Ορισμένες εντολές απαιτούν πληθώρα
ορισμάτων
Επίπονο για το χειριστή να δημιουργεί την
κατάλληλη μορφή της εντολής
Δημιουργία ξεχωριστών widget που παρέχουν:
Κατάλληλη διεπαφή επιλογής των
ορισμάτων
Εύκολες προσαρμογές στις τιμές των
ορισμάτων

27. Widget Άμεσης οδήγησης
Χειρισμός του ρομπότ με συνεχόμενες εντολές κίνησης
Αυξομείωση της ταχύτητας με προκαθορισμένο βήμα
Αλλαγή τρόπου μετακίνησης (Ackermann/Point Turn)

28. Παρουσίαση Τηλεμετρίας
Πίνακες Ενδείξεις
Διαγράμματα

29. Λήψη εικόνας-
βίντεο
Χρήση Gstreamer για streaming του
βίντεο από τις on-board κάμερες στην
οθόνη του χειριστή
Δυνατότητα λήψης φωτογραφίας

30. Widget Χάρτη
Χάρτης δύο διαστάσεων που αναπαριστά το έδαφος της αποστολής
Δυνατότητα σημείωσης πάνω στο χάρτη (εμπόδια, ευρήματα κλπ)
Αναπαράσταση θέση και προσανατολισμού του ρομπότ
Αναπαράσταση προσανατολισμού της κάμερας
Το είδος του χάρτη εξαρτάται από τις πληροφορίες τηλεμετρίας που επιστρέφει
το εκάστοτε ρομπότ (πχ θέση GPS, Digital Elevation Map κλπ)
Σχεδιασμός μονοπατιού που ακολούθησε το ρομπότ

31. Χάρτης αποστολής

32. 3D αναπαράσταση
Δυνατότητα οπτικοποίσης του ρομπότ
στο χώρο
Προϋποθέτει την ύπαρξη των μοντέλων
CAD του ρομπότ
Αξιοποίηση των μηνυμάτων τηλεμετρίας
για ανανέωση της αναπαράστασης
Δυνατότητα “κίνησης” της κάμερας
Χρήση Assimp και OpenGL για την 3D
αναπαράσταση

33. Αποτελέσματα
Τεστ χρήσης GRASP με το Bridget
Εύρεση στόχων (σημαδεμένες πέτρες με χρώμα που εμφανίζεται υπό υπεριώδες φως) στον χώρο
προσομοίωσης της επιφάνειας του πλανήτη Άρη
Διάσχιση του εδάφους και αποφυγή των απροσπέλαστων εμποδίων υπό σκοτάδι (χρήση μόνο των
φώτων του ρομπότ)
Σύνολο 10 στόχοι, Διάρκεια 60 λεπτά
Συμπεράσματα πειράματος
Χειριστής που γνώριζε το GRASP βρήκε 7 στόχους και είχε 0 συγκρούσεις
Χειριστής που δεν είχε καμία επαφή με το GRASP βρήκε 4 στόχους και είχε 1 σύγκρουση

34. Μελλοντικές Εφαρμογές
Επέκταση αυτονομίας του GRASP κατά την διάρκεια της αποστολής,
ελαχιστοποιώντας τον φόρτο εργασίας του χειριστή
Παροχή εργαλείων ομαδοποίησης εντολών για ευκολότερη εποπτεία στο
χρονοδιάγραμμα εκτέλεσης
Συνδυασμός με κάποιο περιβάλλον προσομοιώσεων
Παροχή εργαλείων δημιουργίας διεπαφών υψηλού επιπέδου (χωρίς να χρειάζεται
να γραφτεί κώδικας)

35. Ευχαριστώ!!