Razvoj robotov za druge planete s tehnologijo NI

Zaradi visoke stopnje integracije programske in strojne opreme NI ter možnosti izvedbe najzahtevnejših izzivov s preprostimi funkcijami smo lahko izkoristili številne prednosti, s katerimi smo prihranili čas in denar.
– Sean Dougherty, MDA-US, prej Alliance Spacesystems LLC

Avtorji:
Sean Dougherty – MDA-US, prej Alliance Spacesystems LLC
Thomas Debus – MDA-US, prej Alliance Spacesystems LLC

Izziv:
Hitro in stroškovno učinkovito ustvarjanje robotskih sistemov za izdelavo prototipov ter demonstracije aplikacij za raziskovanje vesolja.

Rešitev:
Združevanje programske opreme NI LabVIEW in modularne strojne opreme za izvedbo več robotskih sistemov, vključno z zemeljsko demonstracijsko roko za raziskovalna robota Spirit in Opportunity za Mars, v kratkih ciklih od zasnove do izvedbe.

Podjetje MDA-US, prej Alliance Spacesystems LLC, zagotavlja sisteme za vesoljsko robotiko, mehatroniko in zgradbe ter inženiring za vgnezdene sisteme, ki delujejo v izrednih razmerah na Zemlji, v vesolju in na Marsu. Naši izdelki se uporabljajo za medplanetarna vesoljska plovila, telekomunikacije in znanstvene satelite ter v mnogih zahtevnih zemeljskih aplikacijah. Razvili smo robotske roke za različne odprave agencije NASA na Mars, vključno s projektom Phoenix Lander in raziskovalnima robotoma Spirit ter Opportunity. Prav tako smo ustvarili robotsko rešitev za predlagano odpravo za popravilo Hubblovega vesoljskega teleskopa. Zaradi edinstvene narave številnih naših projektov robotske sisteme projektiramo, izdelujemo, sestavljamo in preizkušamo sami v kratkem času, z omejenimi proračuni ter skladno z zelo strogimi postopki, ki so potrebni za delo v tako izrednih pogojih.

Izzivi razvoja vgnezdenih sistemov in robotike

Skoraj vse, kar počnemo, je nekaj popolnoma novega. Zaradi pionirske narave našega dela je naš glavni izziv razvoj in projektiranje popolnoma unikatnih sistemov v predpisanih časovnih ter proračunskih omejitvah. Pri tem moramo v celoti izkoristiti svoje prejšnje izkušnje, pri tem pa pogosto vključimo obstoječe tehnologije v nove sisteme. Vendar moramo zaradi kratkih rokov hitro prilagajati in spreminjati zasnove, kar lahko vključuje več različnih tehničnih področij. Zato nenehno iščemo nove načine za učinkovito integracijo zapletenih mehanskih sistemov s programsko opremo in izpopolnjenimi krmilnimi sistemi.

Razvoj robotike zahteva inženirje z izkušnjami na različnih tehničnih področjih. Razumeti morajo, kako bo mehanski sistem vplival na zasnovo krmilnega sistema. Prav tako morajo razumeti programsko opremo in realnost dela z elektroniko ter meritvami, ki vsebujejo šum in napake. Pri oblikovanju robotskih sistemov postanejo pomembni dejavniki, kot so digitalno krmiljenje, hitrosti regulacijskih zank in determinizem. Zato uspešna robotika zahteva razumevanje in upoštevanje vseh teh soodvisnosti ter nato izvedbo naših procesov za razvoj sistemov, da zagotovimo najučinkovitejše izdelke za naše stranke.


Široka uporaba orodij NI

Podjetje MDA-ZDA, prej Alliance Spacesystems, v svojem razvojnem laboratoriju za robotiko uporablja programsko opremo NI in programsko določeno modularno strojno opremo, da vzdržuje svoje zmožnosti za učinkovito in cenovno ugodno projektiranje, izdelavo prototipov ter izvedbo. Na področju letalstva in vesoljske tehnike nam tehnologija NI pomaga hitro razviti, demonstrirati ter preizkusiti koncept pred izvedbo na strojni opremi za polete. Orodja NI so bila uporabna še posebej med demonstracijami konceptov in fazo izdelave prototipov naših robotskih rok za vesolje.

Naša uporaba izdelkov NI je tesno spremljala razvoj platforme NI. Začeli smo s poenotenjem svojih postopkov preizkušanja in potrjevanja na tehnologiji NI za preizkušanje ter zajemanje podatkov, pred kratkim pa smo razširili svojo uporabo orodij NI tudi na fazi izdelave prototipov in projektiranja. Z nenehnim naraščanjem izbire prilagodljivih izdelkov NI lahko zdaj za vgnezdene sisteme, kjer je bila prej potrebna kombinacija različnih strojnih sistemov, uporabimo nabor orodij NI.

Za razvoj programske opreme uporabljamo enoti LabVIEW Real-Time in LabVIEW FPGA, veliko pa uporabljamo tudi knjižnice NI za gibanje, regulacijo in vodilo CAN. Zelo uporabno orodje za optimizacijo zmogljivosti v prihodnjih sistemih je NI Real-Time Execution Trace Toolkit. Veliko svoje strojne opreme smo poenotili na platformi NI CompactRIO, vgnezdenih krmilnikih PXI in napravah NI Single-Board RIO. Ta orodja so nam zagotovila potrebno prilagodljivost, zlasti za krmiljenje gibanja, kar je področje, kjer imajo številne naše zasnove zelo širok nabor zahtev, na primer potrebo po velikih količinah razdeljenih aktuatorjev in možnost izvedbe krmilnih algoritmov po meri, kadar določen način uporabe zahteva večjo zmogljivost, kot je izvedljiva s tradicionalnimi proporcionalno-integralno-diferencialnimi (PID) regulatorji. Integrirana programska in strojna oprema NI nam je pomagala pri učinkovitem spopadanju s takšnimi izzivi.


Tehnične in poslovne koristi programsko določene tehnologije NI

Tehnologija NI ponuja tri osnovne prednosti – popolno integracijo programske in strojne opreme, prilagodljivost, izredno zmogljivost ter preprosto intuitivno uporabo. Te prednosti nam pomagajo izpolniti potrebe pri razvoju, hkrati pa nam zagotavljajo potrebno donosnost.

Izbira programsko določenih izdelkov NI nam nudi vsa potrebna orodja v eni sami popolnoma integrirani platformi. Programska in strojna oprema ter gonilniki so popolnoma usklajeni, tako da jih lahko združimo v zanesljivo platformo za uporabo v realnem času. Ta integracija zagotavlja učinkovitost naših procesov, intuitivna in preprosto uporabna zasnova programsko določene tehnologije NI pa še dodatno poveča našo storilnost. Grafično programiranje vseh orodij LabVIEW na primer zelo poenostavi zapletene naloge, kot je razvoj izpopolnjenih krmilnih algoritmov ter konfiguracij za preizkušanje z vključeno strojno opremo (HIL). Ta preprostost uporabe ne zmanjša, ampak dopolnjuje izpopolnjeno in visokozmogljivo funkcionalnost orodij NI, tako da lahko integriramo vsa svoja orodja od projektiranja in analize do dejanskega krmiljenja resnične strojne opreme.

Ker je tehnologija NI preprosta za prilagajanje, upravljanje, vzdrževanje in integracijo, smo jo uspešno uporabljali tudi v naših najbolj zapletenih aplikacijah. Uporabljamo jo tudi zato, da se lahko posvetimo inženirskim izzivom in celostnemu razmišljanju brez zapravljanja časa za zagon strojne opreme ali komunikacije na nizkih ravneh. Družba NI je naredila večino dela pri integraciji, zato se našim inženirjem s tem ni treba ukvarjati. Vse to pomeni, da lahko tehnologijo NI uporabljamo skozi ves postopek, od razvoja in preizkušanja krmilnika v okolju LabVIEW za delovno mizo ter z računalnikom Windows do izvedbe sistema na vgnezdenem sistemu NI za izvajanje v realnem času z resničnim robotom. Nato okolje LabVIEW uporabimo za izvedbo uporabniškega vmesnika in sistema za zajemanje podatkov, s katerim si pomagamo pri preizkušanju, prilagajanju, postopnem spreminjanju ter izboljševanju sistema.

Poleg tega lahko zaradi dejstva, da nam isti ponudnik dobavlja tako programsko kot tudi strojno opremo, brez skrbi privzamemo, da so vmesniki temeljito preizkušeni in da bomo imeli zagotovljeno zanesljivo ter dolgoročno podporo. To nam pomaga ohranjati hiter tempo razvoja in znižati stroške. Sposobnost zelo hitrega razvijanja sistemov za naše stranke je izredna poslovna prednost. Primer je na primer demonstracija sistema robotike za popravilo Hubblovega vesoljskega teleskopa za agencijo NASA, ki smo jo zasnovali in izdelali v približno treh mesecih. To je vključevalo robotsko platformo X-Y-Z po meri s pogonom orodij, možnostjo menjave orodij in sistemom strojnega vida. S tradicionalnimi rešitvami bi za tako zapleteno nalogo porabili vsaj eno leto, z okoljem LabVIEW, platformo CompactRIO in drugimi orodji NI pa smo prototip pripravili v približno 90 dneh. Te naloge ne bi mogli uspešno zaključiti brez integriranih izdelkov NI.

Tudi pri številnih drugih projektih ne bi mogli izpolniti rokov brez zmožnosti, ki nam jih ponuja NI. Ker smo se posvetili unikatnim rešitvam in ne serijski proizvodnji, predstavlja večino naših stroškov inženirsko delo, ki ga ni mogoče znova uporabiti, poleg tega pa pri naših projektih zagotovo velja, da je čas denar. Z uporabo izdelkov NI pri številnih projektih (ki običajno trajajo od 6 do 18 mesecev) zlahka prihranimo tedne ali mesece razvoja, prihranek časa, ki nam ga omogoča tehnologija NI, pa predstavlja precejšen prihranek stroškov.




Zapleteni izzivi, ki smo jih rešili z okoljem LabVIEW, platformo CompactRIO, napravami NI Single-Board RIO in enotami NI C Series

Vesoljska robotika je zelo zahtevna in zahteva prilagodljivost ter rešitve po meri, saj je prav vsak primer nekaj posebnega. Robotika hkrati zahteva orodja, ki so preprosta za uporabo, da se lahko inženir posveti sistemu in interakcijam med posameznimi podsistemi. Okolje LabVIEW, platforma CompactRIO in druga orodja NI so edinstvena zaradi svoje zmožnosti zagotavljanja zmogljivosti ter prilagodljivosti, pri čemer ostajajo izredno preprosta za dejansko izvedbo sistemov. Prav tako ponujajo potrebno zanesljivost in zmogljivost na ravneh strojne opreme, programske opreme ter operacijskega sistema za izvajanje v realnem času.

Napravo NI Single-Board RIO smo na primer uporabili pri ustvarjanju avtomatiziranega orodja za merjenje trdote zemlje Mosquito. Sistem je moral biti majhne velikosti, primeren za uporabo na terenu, zelo robusten in zanesljiv, kar je zahtevalo hitro izdelavo prototipa s številnimi vmesniki po meri. Ker je bil sistem izdelan po meri, smo na začetku za različne nalogo uporabili več procesorjev in različne plošče. To je bil izziv na področju načrtovanja sistemov, saj je bila naša konfiguracija neučinkovita, ker smo poskušali podpirati vse različne vmesnike in funkcije. Z vključitvijo naprave NI Single-Board RIO smo vso potrebno funkcionalnost in prilagodljivost dosegli z eno samo vgnezdeno napravo. Napravo NI Single-Board RIO smo združili z več enotami C Series: kartico CAN za povezovanje z inteligentnim krmilnikom motorja, vmesnikom RS232 in pomnilniško enoto SD za shranjevanje podatkov.

S strojno in programsko opremo NI smo rešili tudi drugačen izziv za našo preizkusno platformo za robotiko za letalstvo in vesoljsko tehniko (ART). Ta aplikacija je zahtevala operacijski sistem za izvajanje v realnem času in največjo mogočo mero stabilnosti ter nadzora nad sistemom. Razviti smo morali sistem, ki opravlja več nalog – analizira robotsko roko, vključno s strojno opremo in krmilnikom; vizualizira gibanje roke v svojem delovnem prostoru; izračuna inverzno kinematiko in dinamiko; hkrati pa zagotavlja še intuitiven uporabniški vmesnik in obvladuje velike količine telemetrije iz roke. Za to roko smo uporabili krmilnik CompactRIO, ki je imel krmilne algoritme na nizki ravni shranjene v napravi FPGA, krmilne algoritme na višji ravni, na primer izračunavanje inverzne kinematike, pa je izvajal z vgrajenim procesorjem za izvajanje v realnem času. Izdelava sistema, ki bi izpolnjeval vse te naloge za letalski sistem, bi s tradicionalnimi strojnimi in programskimi sistemi trajala leta, vendar smo lahko s popolno integracijo med strojno in programsko opremo NI uspeli doseči veliko hitrejši začetni razvoj.



Tehnologija NI zagotavlja strateško prednost

Tehnične in poslovne koristi, ki smo jih pridobili z uvedbo orodij NI, so ustvarile številne primere povečane učinkovitosti v vseh naših procesih projektiranja, izdelave prototipov ter priprave predstavitev. Visoka raven zapletenosti in edinstvenosti vseh naših projektov skupaj s kratkimi roki, ki jih moramo upoštevati, zahtevajo zmogljive ter prilagodljive rešitve za projektiranje in izdelavo prototipov. Zaradi visoke stopnje integracije programske in strojne opreme NI ter možnosti izvedbe najzahtevnejših izzivov s preprostimi funkcijami smo lahko izkoristili številne prednosti, s katerimi smo prihranili čas in denar. Vsa omenjena povečanja učinkovitosti z uporabo tehnologije NI za izdelavo prototipov in pripravo predstavitev naših projektov robotike predstavljajo pomembno strateško prednost.

Informacije o avtorjih:
Sean Dougherty
MDA-US, prej Alliance Spacesystems LLC


National Instruments,
Instrumentacija, avtomatizacija in upravljanje procesov d.o.o.
Kosovelova ulica 15, 3000 Celje, Slovenija
Tel: + 386 3 425 4200, Fax: +386 3 425 4212
E-mail: ni.slovenia@ni.com
Web: ni.com/slovenia
HR, MC, BA, RS, ME: + 386 3425 4200
SLO: 080 080 844