TU BRAUNSCHWEIG

B1 | Steuerungs- und Kommunikationsarchitekturen

Einleitung und Anforderung

Roboter, die konstruktiv auf geschlossenen (parallelen) kinematischen Strukturen aufgebaut sind, weisen steuerungstechnische Probleme auf, wie sie bei seriellen Strukturen nicht vorkommen, insbesondere, wenn konstruktive Elemente aktiv, z.B. adaptronisch, ausgeführt sind. Ein dezentraler Steuerungsansatz hierfür, bei dem beispielsweise separate Regelkreise für einzelne Komponenten innerhalb der kinematisch gekoppelten Roboterantriebe zur Anwendung kommen, verhindert letztlich den zeitkritischen Zugriff auf für die übergeordnete Steuerung wesentliche Zustandsgrößen des Roboters. Innerhalb des SFB 562 wird daher zur Realisierung der Steuerung von Parallelrobotern ein zentraler Ansatz verwendet. Alle zum hochdynamischen Betrieb des Roboters notwendigen Berechnungen sind dazu in modularen Softwarekomponenten gekapselt, die je nach Komplexität der Roboterstruktur und Roboterdynamik enge Wechselwirkungen erfordern. Zur Realisierung von Trajektorien unter Einbezug von Arbeitsraumüberwachung und Konfliktstrategien sowie der Regelung der Antriebe auf Momentenebene, bietet ein zentraler Ansatz den Vorteil eines schnellen Austausches von Informationen unter den verschiedenen Programm-Modulen und ermöglicht somit hochdynamische Bewegungen der Roboter-Struktur. Dieser Ansatz bedingt aber zugleich eine zeitkritische Verteilung unterschiedlichster Informationen zwischen der Steuerung und externen Komponenten (Antriebe, adaptronische Elemente, verschiedenste Sensoren und Aktoren).

Aufgabe des Teilprojekts B1

Kommunikationssysteme, wie sie sich im Aktor- / Sensorbereich räumlich ausgedehnter Anlagen der Fertigungstechnik bereits etabliert haben, sind für diese Anforderungen nicht geeignet, da die erforderliche Bandbreite und Synchronisationsgenauigkeits-Anforderung für übertragene Daten weit über den aktuell angebotenen Systemen liegt. Die Entwicklung einer geeigneten, modularen Kommunikations-Infrastruktur, ist zentrale Aufgabe dieses Teilprojekts. Sie besteht aus

  1. Standard Kommunikationsbus mit hohem Datendurchsatz und Echtzeitfähigkeit auf Basis des IEEE-1394a-Standards (FireWire),
  2. Applikationsspezifisches Kommunikationsprotokoll (Industrial Automation Protocol, IAP) und
  3. Kommunikations-Middleware auf Basis eines Echtzeitbetriebssystems (MIRPA-X, QNX).

Realisierung der Kommunikations-Infrastruktur

Durch die im Teilprojekt erfolgten Arbeiten der letzten beiden Förderungszeiträume wurde für die Robotersteuerungen des SFB 562 eine vollständige Kommunikations-Infrastruktur definiert und entwickelt, die neben der Unterstützung von Modularität und Flexibilität bei der Programmierung einen deterministischen Prozessablauf (Scheduling) und notwendige Echtzeit-Kommunikation zwischen lokalen und externen Softwarekomponenten ermöglicht und die somit für komplexe Steuerungs-Applikationen hervorragend geeignet ist. Abbildung 1 zeigt die von der untersten Kommunikationsebene bis zur Anwenderschicht durchgängige Architektur.

Abbildung 1: Softwareschichten der Kommunikations-Infrastruktur

Die oberste Kommunikationsebene realisiert über die Middleware MiRPA-X nachrichtenbasierte Kommunikations- und Synchronisationsdienste, die Organisation von schnellen, über einen Namensdienst vereinheitlichten und nicht-blockierenden Shared-Memory-Diensten sowie die Ablaufsteuerung zeitkritischer Steuerungsfunktionalitäten. Auf der mittleren Kommunikationsebene kommt das Industrial Automation Protocol (IAP) zur Anwendung, das über die Nutzung von Diensten der Middleware MiRPA-X auf Daten innerhalb der Steuerungsapplikation zugreift und einen Datentransfer über echtzeitfähige isochrone und asynchrone Mechanismen des IEEE-1394-Standards (untere Ebene) zwischen zentraler Steuerung und verteilten Roboterkomponenten realisiert.

Ergebnisse und Optimierungspotential des Ansatzes

Die Ergebnisse der Arbeiten vor allem innerhalb des vergangenen Förderungszeitraums bestätigten die Funktionalität sowie die Echtzeitfähigkeit des umgesetzten Kommunikations-Konzepts auch beim Einsatz komplexer Steuerungsstrukturen. Dabei konnte mit der gewählten Implementierung, die weitgehend auf Standard-Modulen (PC und diskrete DSP-Module) basiert, der gewünschte Zyklustakt von 8 kHz für das Kommunikationssystem erreicht werden, für die gesamte Steuerung allerdings noch nicht.

Zur Zeit ist das zentrale Steuerungskonzept an die Implementierung auf einem Steuerungsrechner gebunden. Durch Optimierung der derzeitigen Implementierungen in der Kommunikations-Infrastruktur sind Verbesserungen hinsichtlich Zykluszeiten für die Steuerung zu erzielen. Der Ansatz zur Erweiterung auf ein leistungsfähiges und skalierbares System jedoch ist die Implementierung von viel diskutierten Konzepten zu verteilten Steuerungen (Distributed Realtime Control). Dies erfordert auch für die Kommunikations-Infrastruktur die Erweiterung hin zu einem verteilten System, ohne die derzeit erreichte (und noch optimierbare) zyklische und deterministische Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen. Die gewählte modulare Kommunikationsarchitektur ist eine ideale Basis für einen derartigen Ansatz. Die Kopplung mehrerer Rechner über die echtzeitfähige Kommunikationsarchitektur ermöglicht prinzipiell einen Aufbau als Multicomputer oder Cluster of Workstation (COW) Computer, die klassisch lose gekoppelt sind, und diese Architektur mit typischen Merkmalen eines Mutiprozessorsystems in enger Kopplung durch Synchronisationsmechanismen (z.B. Semaphore, Mutex etc.) auszustatten. Ziel ist es daher, diese kostengünstigen Multicomputer-Architekturansätze durch die Eigenschaften des Kommunikationssystems mit einer Performanz auszustatten, die für (aufwändigere) Multiprozessorsysteme typisch sind. Ein Konzept hierfür wurde bereits im vergangenen Förderungsabschnitt erarbeitet.

Das in den bisherigen Förderzeiträumen konzipierte und implementierte Kommunikationssystem (bestehend aus IEEE1394-Bus und Kommunikationsprotokoll IAP) soll um Funktionalitäten für verteiltes Rechnen erweitert werden, die verschiedene Verteilungskonzepte unterstützen, wie z.B. klassisch a-priori definiert, dynamische Lastverteilung oder auch auf der Basis von autonomen Agenten. Durch diese Erweiterung wird der im TP B3 „Maschinennahe Steuerungsfunktionen“ entwickelten Roboter-Steuerung skalierbare Prozessor-Rechenleistung zur Verfügung gestellt und zudem die in TP A5 „Softwaretechnik und formale Analyse“ angestrebte Realisierung von autonomen Komponenten unterstützt.

Darüber hinaus sollen die schon erwähnten Optimierungen auf den Hardware- oder hardwarenahen Schichten des Kommunikationssystems umgesetzt werden und auch aufgrund der im TP B4 „Roboterprogrammierung“ geplanten Sensorintegration die Bandbreite des Kommunikationssystems erhöht werden. Dies führt zu der Notwendigkeit von Modifikationen an den unterlagerten Soft- und auch Hardware-Modulen innerhalb der Kommunikation. Die Komponenten der Kommunikations-Infrastruktur werden auf der Basis der mit den in dem vorangegangenen Förderungszeitraum gewonnenen Erkenntnissen durch weitgehende Chip-Level Integration (FPGA) auf den notwendigen Durchsatz und damit auch in Hinblick auf Industrietauglichkeit hin optimiert.

Schritte zur Integration anderer erfolgreicher Kommunikationssysteme

Die in den letzten Förderungsabschnitten entwickelten Softwaremodule (MiRPA-X, IAP und IEEE-1394-Treiber) greifen im Moment noch ausschließlich auf die bereitgestellten Funktionalitäten des IEEE-1394-Standards zu, obwohl die Funktionalitäten selbst prinzipiell unabhängig davon implementiert werden könnten. Um die Leistungsfähigkeit der im SFB 562 bereits entstandenen und erfolgreich eingesetzten Kommunikations-Infrastruktur stärker in die Industrielle Anwendung zu führen, ist es sinnvoll, Konzepte für eine universelle Kommunikationsschnittstelle zu erarbeiten und zu realisieren, über die die Kommunikations-Infrastruktur an weitere, in der PC-basierten Steuerungstechnik eingesetzte Bussysteme angekoppelt werden kann.


  last changed 17.05.2008
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