Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ систем управления робототехнических комплексов различного масштаба и назначения 17
1.1. Промышленные роботы 17
1.1.1. Манипуляционные промышленные роботы 17
1.1.2. Мобильные промышленные роботы 20
1.1.3. Интеллектуальное и групповое управление в промышленной робототехнике 22
1.1.4. Качественная оценка элементной базы промышленной робототехники 24
1.2. Сервисные роботы 26
1.2.1. Бытовые сервисные роботы 28
1.2.2. Мобильные сервисные роботы 31
1.2.3. Сервисные роботы на элементной базе для любительских радиомоделей 33
1.2.4. Модульные реконфигурируемые мобильные роботы 37
1.2.5. Интеллектуальное и групповое управление в сервисной робототехнике 42
1.2.6. Качественная оценка элементной базы сервисной робототехники 43
1.3. Экстремальная робототехника 45
1.3.1. Промышленная экстремальная робототехника 46
1.3.2. Космическая робототехника 48
1.3.3. Подводная робототехника 51
1.3.4. Военная робототехника 53
1.3.5. Интеллектуальное и групповое управление в экстремальной робототехнике 55
1.3.6. Качественная оценка элементной базы экстремальной робототехники.56
1.4. Обзор и анализ отечественной микроэлектроники с точки зрения создания элементов устройств управления 58
1.4.1. Анализ характеристик отечественных микропроцессорных вычислительных устройств, пригодных для стратегического уровня управления 61
1.4.2. Анализ характеристик отечественных микропроцессорных вычислительных устройств, пригодных для тактического уровня управления 63
1.4.3. Анализ характеристик отечественных ПЛИС, пригодных для исполнительного уровня 67
1.4.4. Анализ отечественных интерфейсных микросхем 72
1.5. Анализ интерфейсов, требуемых для обеспечения отказоустойчивости и масштабирования 74
1.6. Анализ доступных средств разработки программного обеспечения элементов устройств управления роботов 79
1.7. Постановка задач диссертационной работы 85
2. Концептуальная модель аппаратно-программного обеспечения отказоустойчивой масштабируемой интеллектуальной системы управления на унифицированной элементной базе 93
2.1.Управление отказоустойчивостью аппаратно-программного обеспечения систем управления 96
2.2. Обеспечение масштабируемости аппаратно-программного обеспечения систем управления 117
2.2. Элементная база масштабируемых отказоустойчивых систем управления 130
2.2.1. Требования к элементной базе 130
2.2.2. Элементная база исполнительного уровня 131
2.2.3. Элементная база тактического и стратегического уровней 135
2.3. Разработка концептуальной модели 138
2.4. Выводы 147
3. Методы ресурсоэффективной реализации базовых технологий интеллектуального управления и обработки информации на базе ПЛИС 149
3.1. Метод синтеза нелинейных импульсных математических операций 150
3.2. Реализация базовых технологий интеллектуального управления и обработки информации на ПЛИС с использованием нелинейных импульсных математических операций 175
3.2.1. Реализация интеллектуальных регуляторов на базе ассоциативной памяти 175
3.2.2. Реализация интеллектуальных регуляторов на базе экспертных систем 178
3.2.3. Реализация интеллектуальных регуляторов на базе нейронных сетей 182
3.2.4. Реализация интеллектуальных регуляторов на базе нечёткой логики. 189
3.2.5. Методика автоматического синтеза аппаратно-программного обеспечения интеллектуальных регуляторов для исполнительных устройств 193
3.3. Метод ресурсоэффективной реализации матричных вычислений в устройствах управления на базе ПЛИС 199
3.3.1. Требования, предъявляемые к реализации к новой архитектуры матричного сопроцессора 203
3.3.2 Новая архитектура матричного сопроцессора для реализации задач управления 205
3.3.3. Экспериментальная оценка эффективности предложенного метода в задаче Калмановской фильтрации 227
3.4. Методика автоматизированного синтеза и верификации аппаратно-программного обеспечения ПЛИС на борту робототехнического комплекса 238
3.5. Выводы 248
4. Методы обеспечения взаимной синхронизации и отказоустойчивого детерминированного во времени информационного обмена в системах управления роботов и робототехнических комплексов 251
4.1. Методы реализации отказоустойчивого информационного обмена в реальном масштабе времени с использованием ПЛИС 253
4.1.1. Новый протокол связи для систем реального времени, реализованных на базе ПЛИС 254
4.1.2. Высокоэффективная модульная архитектура подчинённого узла сети Ethernet POWERLINK на базе ПЛИС 273
4.2. Методы точной взаимной синхронизации устройств управления с использованием проводных сетей Ethernet TSN и Ethernet POWERLINK 284
4.2.1. Снижение джиттера периода цикла в сети Ethernet POWERLINK при использовании ведущего устройства на основе операционной системы Linux 285
4.2.2. Аппаратно-программное обеспечение ПЛИС для точной взаимной синхронизации в сетях Ethernet TSN 294
4.3. Метод точной взаимной синхронизации при помощи беспроводных сетей стандарта IEEE 802.11 301
4.3.1. Метод синхронизации интегрированных микросхем беспроводной связи и ПЛИС 303
4.3.2. Метод беспроводной синхронизации устройств в сетях IEEE802.11 309
4.3.3. Процедура фильтрации событий синхронизации 316
4.3.4. Аппаратно-программное обеспечение ПЛИС для беспроводной синхронизации 319
4.3.5. Экспериментальная апробация предложенного метода беспроводной синхронизации 321
4.4. Отказоустойчивая архитектура аппаратно-программного обеспечения системы управления модульного реконфигурируемого робота 327
4.4.1. Основы новой архитектуры аппаратно-программного обеспечения системы управления модульного реконфигурируемого робота 329
4.4.2. Интеллектуальный концентратор для сетей Ethernet POWERLINK 333
4.4.3. Реализация распределенных вычислений 365
4.5. Выводы 371
5. Примеры внедрения разработанной методологии 375
5.2. Распределённый робототехнический комплекс для передачи информации по оптическому каналу связи вне прямой видимости 375
5.2. Система управления малоразмерного модульного реконфигурируемого мобильного робота 385
5.3 Тяжёлый роботизированный комплекс для технического неразрушающего контроля 398
5.4. Реализация систем промышленной связи реального времени 404
5.4.1. Устройство сопряжения ультразвуковой навигационной системы MarvelMind и системы управления промышленного робота 404
5.4.2. Кросс-коммутатор для сопряжения элементов системы управления и цифровых двойников робототехнических комплексов 405
5.4.3. Информационно-измерительная система автономного регистратора для работы в условиях высокоширотной Арктики 409
5.4.4. Унифицированный блок управления источниками питания с интерфейсом Ethernet POWERLINK 412
5.5 Система точной беспроводной синхронизации навесного оборудования малоразмерных беспилотных летательных аппаратов 414
5.6. Выводы 418
Заключение 420
Список сокращений 426
Список литературы 429
- Манипуляционные промышленные роботы
- Разработка концептуальной модели
- Аппаратно-программное обеспечение ПЛИС для точной взаимной синхронизации в сетях Ethernet TSN
- Система точной беспроводной синхронизации навесного оборудования малоразмерных беспилотных летательных аппаратов
Манипуляционные промышленные роботы
Промышленные роботы — это самый распространённый [25] класс в робототехнике. Существенную его часть составляют манипуляционные роботы (рис. 2). Также к этому классу можно отнести современные многокоординатные станки и обрабатывающие центры с ЧПУ.
Системы управления таких роботов, как правило, имеют схожую структуру [11, 29-42], которая в обобщённом виде представлена на рис. 3. Для управления отдельными степенями подвижности используются промышленные сервоприводы, на базе которых реализованы регуляторы исполнительного уровня. Сервоприводы подключаются к устройству управления тактического уровня, которое может быть выполнено на базе программируемого логического контроллера [32] или промышленного компьютера [29].
В отдельных случаях в качестве устройства управления тактического уровня используется обычный персональный компьютер [34, 38]. Тем не менее, отличительной особенностью систему управления промышленных манипуляционных роботов является обеспечение управления в режиме жёсткого реального времени, как на уровне отдельных приводов, так и на уровне формирования траектории движения.
Главной задачей устройства управления тактического уровня является формирование желаемой траектории движения для каждого из сервоприводов с учётом кинематики и динамики робота. Для связи между устройством управления тактического уровня, сервоприводами и системой очувствления используется одна из стандартизированных промышленных полевых шин на базе RS485, CAN или Ethernet, работающая в режиме реального времени. При этом стоит отметит, что для промышленной элементной базы в целом и для промышленной робототехники в частности характерна глубокая стандартизация интерфейсов информационного обмена, как на физическому уровне, так и на уровне обмена данными. При этом сами тексты стандартов или полностью открыты или доступны для участников отраслевых сообществ [37].
Для задания траектории движения рабочего органа робота используются внешние сетевые интерфейсы или технологические программы, реализованные на одном из задачно-ориентированных языков программирования (ARPS, RAPID, KRL и др.) или в форме G-кодов. В последнем случае на устройстве управления тактического уровня должна быть реализована система числового программного управления. В подавляющем большинстве случаев на устройстве управления тактического уровня используется операционная система для абстрагирования программного обеспечения от конкретной элементной базы. Чаще всего в качестве операционной системы используется система реального времени VxWorks [29, 31, 39-41] и Linux с патчем реального времени [42, 43], реже — операционные системы на базе Windows [36]. Все элементы системы управления, в независимости от габаритов робота, в подавляющем большинстве случаев размещают в отдельном блоке или стойке управления. Как следствие в манипуляционной промышленной робототехнике практически отсутствует миниатюрные элементная база. Анализирую элементную базу, рассмотренных промышленных роботов, можно отметить, что в ней отсутствуют компоненты нижней ценовой категории. Это связано в первую очередь с тем, что производители и потребители пытаются минимизировать не себестоимость создания роботов, а себестоимость владения ими на всём протяжении жизненного цикла [44, 45]. В тоже время для построения наиболее бюджетных систем предлагается использовать менее стандартизированную элементную базу, которая более характерна для сервисной робототехники [38, 46, 47].
Номенклатура доступных элементов отечественного производства крайне ограничена. Она в первую очередь представлена системами ЧПУ и соответствующими им линейками сервоприводов [48-51]. Необходимо отметить, что существенная часть производимых в России ЧПУ [50, 51] строится на основе зарубежной микроэлектронике. В то же время существуют работы, демонстрирующие возможность создания ключевых элементов систем управления роботами на отечественной элементной базе (например, [52]), однако даже они предполагают её комбинацию с зарубежными компонентами.
Разработка концептуальной модели
На основе описанных выше подходов к управления отказоустойчивостью и масштабированию была построена концептуальная модель аппаратно-программного обеспечения отказоустойчивой масштабируемой интеллектуальной системы управления на унифицированной элементной базе (рис. ), которая для каждого типа устройств управления определяет причинно-следственные связи между требуемыми возможностями масштабирования, методами обеспечения отказоустойчивости, уровнем иерархии управления и путями их достижения, закладываемыми при проектировании аппаратно-программного обеспечения. Данная концептуальная модель с одной стороны определяет набор методов и средств, необходимых для одновременного достижения отказоустойчивости, масштабируемости и реализации интеллектуального управления, а с другой стороны является основой для формирования требований необходимых для достижения цели диссертационной работы, предъявляемых к результатам задач, поставленных в Главе 1.
В части выбора ключевых аппаратно-программных решений данная концептуальная модель опирается на описанную выше модель масштабирования(рис. 27-33), при этом в случае отсутствия отдельных устройств управления верхних уровней их функции реализуются на базе устройств управления более низких уровней.
Предложенная концептуальная модель предполагает три основных типа устройств управления: на базе ПЛИС, на базе встраиваемых компьютеров, работающих в реальном времени и на базе высокопроизводительных серверов. В системах малых масштабов все уровни управления реализуются на базе ПЛИС. Для этого с одной стороны предлагается развивать новые вычислительные архитектуры (в первую очередь импульсные математические операции и специализированные ядра матричных операций), которые упростят имплементацию алгоритмов управления, а с другой стороны обеспечить реализацию на ПЛИС базовых интеллектуальных технологий, необходимых в том числе на стратегическом уровне управления.
В случае появления в системе устройств управления на базе встраиваемых компьютеров и высокопроизводительных серверов, основным инструментом, который обеспечивает унификацию программного обеспечения и возможность реконфигурации алгоритмов управления тактического и стратегического уровня, становится ROS. При этом для обеспечения высокого временного детерминизма, вне зависимости от применяемых микропроцессоров, предлагается реализовывать на базе ПЛИС функции точной аппаратной синхронизации для встраиваемых компьютеров.
При переносе верхних уровней управления на микропроцессорные устройства происходит высвобождение ресурсов ПЛИС, что позволяет использовать их для реализации аппаратных ускорителей для специализированных вычислений, однако это потребует развития средств синтеза и верификации аппаратно-программного обеспечения ПЛИС на бортовом вычислительном устройстве.
Вертикальное масштабирование аппаратно-программного обеспечения ПЛИС в рамках предложенной концептуальной модели достигается, с одной стороны, за счёт использования ограниченного подмножества базовых элементов и отказа от проприетарных ядер, а с другой — за счёт развития средств синтеза и верификации аппаратно-программного обеспечения ПЛИС на бортовом вычислительном устройстве. Первое позволяет обеспечить совместимость создаваемых ядер с широкой номенклатурой ПЛИС отечественного и зарубежного производства, а второе — реконфигурацию алгоритмического обеспечения устройств управления ПЛИС в процессе эксплуатации. Вертикальное масштабирование микропроцессорных устройств в предложенной концептуальной модели достигается за счёт стандартных слоёв абстракции, предоставляемых операционной системой Linux и инструментами ROS.
Горизонтальное же масштабирование предлагается обеспечивать за счёт применения полевых шин реального времени, унифицированных информационных каналов ROS и OPC UA, а также обмена данными через распределенные реестры (между серверами стратегического уровня управления). Все перечисленные средства информационного обмена позволяют обмениваться поименованными метаданными, что делает их взаимозаменяемыми с точки зрения алгоритмического обеспечения и существенно упрощает процесс масштабирования. Для обеспечения горизонтального масштабирования устройств управления на базе ПЛИС предлагается разработать новую полевую шину исполнительного уровня (ПШИУ), которая позволит с высокой ресурсоэффективностью реализовывать как ведущий, так и подчинённые устройства на базе отечественных и зарубежных микросхем. Для масштабирования систем, включающих в себя как ПЛИС, так и микропроцессорные устройства, предлагается использовать стандартизированные информационные протоколы Ethernet POWERLINK и Ethernet TSN, а также OPC UA и ROS (для задач, не требующих реального времени). При этом для последних в качестве физического уровня, наравне с проводными сетями, предлагается использовать беспроводные каналы Wi-Fi, что позволит, в том числе, обеспечивать связь между крупными элементами модульного робототехнического комплекса в процессе его реконфигурации.
Для каждой из технологий, за исключением ПШИУ, предлагаемых для обеспечения горизонтального масштабирования, уже существуют известные решения, однако все они имеют серьёзные ограничения, в первую очередь, в части их кроссплатформенности. В данной работе в качестве дальнейшего развития этих решений на их основе создаются новые аппаратно-программные средства, которые одновременно с обеспечением масштабирования удовлетворяют и другим требованиям концептуальной модели, в том числе возможность реализации на отечественной элементной базе.
Важнейшей задачей созданной концептуальной модели является упрощение переноса результатов интеллектуальной деятельности между различными проектами, так как именно это способствует сокращению сроков разработки и достижению цели диссертационной работы. Наибольшие сложности в этой части, как правило, свойственны аппаратно-программному обеспечению устройств управления, реализующих исполнительный уровень. Это связано с сочетанием широкой номенклатуры интерфейсов, используемых для подключения датчиков и исполнительных устройств, наиболее высокими требованиями к компонентам с точки зрения стойкости к внешним воздействиям, а также ограниченными вычислительными возможностями устройств управления, не позволяющими использовать операционные системы, с высокой степенью абстракции от аппаратных средств. Для упрощения переноса между различными проектами результатов интеллектуальной деятельности, относящихся к исполнительному уровню, разработанная концептуальная модель предлагает:
1. Подключать подавляющее большинство датчиков и исполнительных устройств к вычислителям на базе ПЛИС для того, чтобы снизить зависимость от периферии конкретной микросхемы.
2. Использовать ограниченное подмножество базовых элементов ПЛИС и отказаться от проприетарных ядер для того, чтобы обеспечить переносимость создаваемых аппаратно-программных решений между ПЛИС различных производителей, в том числе отечественных.
3. Минимизировать размер ядер ПЛИС для того, чтобы обеспечить возможность синтеза созданных решений для малоразмерных и энергоэффективных микросхем.
В рамках разработанной концептуальной модели предлагается использовать микропроцессорные устройства только для реализации верхних уровней управления (тактического и стратегического), и только такие, которые способны работать под управлением операционной системы Linux и ROS. Это позволяет обеспечить, с одной стороны, высокий уровень кроссплатформенности прикладного программного обеспечения, а с другой стороны, совместимость с достаточно большим подмножество поддерживаемого оборудования, включая широкую номенклатуру отечественных вычислительных устройств.
Наконец, для связи между различными устройствами управления предлагается использовать унифицированные протоколы, поддерживающие передачу поименованных метаданных, что позволяет абстрагировать реализации прикладных алгоритмов от методов передачи данных между отдельными устройствами, применяемыми в рамках решения конкретной задачи.
Аппаратно-программное обеспечение ПЛИС для точной взаимной синхронизации в сетях Ethernet TSN
Решение, предлагаемое в данной работе для обеспечения точной взаимной синхронизации в сетях Ethernet TSN между устройствами управления тактического уровня, которые не имеют аппаратной поддержки регистрации меток времени между входящим и исходящим пакетами, с точки зрения принципа действия и схемотехники полностью совпадает с устройством ранее описанного синхронизатора Ethernet POWERLINK. Он также устанавливается в разрыв между устройством и остальной сетью (рис. 98) и совместим с EPL Resync на уровне печатных плат. Последние также являются развитием принципов унификации и полностью соответствуют идеологии, заложенной в концептуальной модели аппаратно-программного обеспечения отказоустойчивой масштабируемой интеллектуальной системы управления на унифицированной элементной базе.
Ключевым отличием аппаратно-программного обеспечения ПЛИС для точной взаимной синхронизации в сетях Ethernet TSN от ресинхронизатора Ethernet POWERLINK является то, что оно не осуществляет временную коррекцию каких-либо пакетов в сети, а только регистрирует метки времени для входящих и исходящих пакетов.
Структурная схема аппаратно-программного обеспечения ПЛИС для точной взаимной синхронизации в сетях Ethernet TSN представлена на рис. 102.
Аппаратно-программное обеспечение ПЛИС для точной взаимной синхронизации в сетях Ethernet TSN включает в себя два тракта ретрансляции, состоящие из приёмника интерфейса MII/RMII, передатчика интерфейса MII/RMII, а также блока измерения и ретрансляции. Блок измерения и ретрансляции, в свою очередь, включает FIFO-буфер, блок идентификации пакетов, блок регистрации метки времени, блок модификации исходящих данных и блок управления ретрансляцией.
В случае получения пакета от приёмника интерфейса MII/RMII (после корректного декодирования Ethernet преамбулы), момент времени начала приёма фиксируется блоком регистрации метки времени, получаемые данные записываются в FIFO буфер, а блок управления ретрансляцией инициирует отправку преамбулы исходящего пакета. После передачи преамбулы блок управления ретрансляцией циклически вычитывает данные из FIFO буфера, которые записываются туда приёмником MII/RMII. Задержка, связанная с такой ретрансляцией, не превышает 640 нс, необходимых для передачи 8 байт преамбулы, а достаточный размер буфера составляет 8 байт.
Параллельно с ретрансляцией блок идентификации пакетов «на лету» анализирует входящие данные и определяет, соответствует ли пакет модификации протокола PTP, используемой в Ethernet TSN, и требует ли он регистрации метки времени. В качестве исходных данных для анализа выступают тип Ethernet протокола, который должен быть 0x88F7 (PTP over Ethernet) и тип PTP сообщения. В случае, если условие выполнено, блок идентификации пакетов выдаёт соответствующий строб на блок модификации исходящих данных. В случае, если за время передачи пакета блок модификации исходящих данных не получил строб от блока идентификации, он передаёт вычитанные из буфера данные без изменений. Если соответствующий строб был получен, то блок модификации исходящих данных может записывать зарегистрированную метку времени в заранее определённое поле пакета или добавляет в конец пакета непосредственно перед контрольной суммой. В процессе ретрансляции блок модификации исходящих данных рассчитывает новую контрольную сумму с учётом внесённых в пакет изменений, а после —добавляет её в конец пакета вместо оригинальной, полученной от приёмника MII/RMII. Размер добавляемых данных блоком модификации исходящих данных параметризован, что позволяет помимо метки времени добавлять в пакет другую служебную информацию, необходимую для контроля корректности информационного обмена, например, состояние счётчика принятых пакетов.
В PTP пакеты тракта ретрансляции от сети к устройству управления тактического уровня метка времени всегда добавляется в конец пакета, а в тракте ретрансляции от устройства управления в сеть она может быть как добавлена в соответствующее поле PTP пакета, так и в принципе не добавлена, если в используемой TSN сети применяется схема синхронизации, подразумевающая отправку отдельного пакета с меткой времени (FollowUp пакеты). Главным достоинством такого подхода по сравнению с описанным в [480], является то, что не требуется сопоставлять принятые Ethernet пакеты с их метками времени, полученными по отдельному интерфейсу. В конечном счёте, это существенно снижает требования к режиму реального времени на устройстве управления тактического уровня.
Вне зависимости от того, используются ли в процессе синхронизации FollowUp пакеты или нет, для вычисления коррекции необходимо обеспечить возможность вычитки меток времени исходящих пакетов. Для этого в состав аппаратно-программного обеспечения ПЛИС для точной взаимной синхронизации в сетях Ethernet TSN (рис. 102) входит блок обработки отказоустойчивого интерфейса обмена метками времени, основанный на протоколе предложенном автором в [480]. Этот же интерфейс используется для приёма управляющих команд на коррекцию часов реального времени (RTC), которые используются для регистрации меток времени и являются синхронизированным источником времени. В связи с тем, что регистрация меток времени происходит аппаратно, к данному интерфейсу отсутствуют жёсткие требования по быстродействию, что позволяет использовать для его реализации на физическом уровне низкоскоростные интерфейсы UART/USART/RS-232/RS-485, хотя бы один из которых присутствует на любом отечественном вычислительном устройстве.
Синхронизация между разработанным аппаратно-программным обеспечением ПЛИС для точной взаимной синхронизации в сетях Ethernet TSN и самим устройством управления тактического уровня может быть реализована аналогично ресинхронизатору Ethernet POWERLINK при помощи ответных Ethernet пакетов, которые, во избежание коллизий, могут быть заранее учтены при планировании передач в сети Ethernet TSN стандартными средствами данного протокола. Более того, при необходимости аппаратно-программное обеспечение ПЛИС для точной взаимной синхронизации в сетях Ethernet TSN может быть объединено с ресинхронизатором Ethernet POWERLINK в одно устройство, позволяя осуществлять на аппаратном уровне взаимную синхронизацию исполнительных устройств Ethernet POWERLINK, подключённых к различным встраиваемым компьютерам тактического уровня, объединённым по сети Ethernet TSN.
Поддержка разработанного аппаратно-программного обеспечения со стороны программной реализации Ethernet TSN выходит за рамки данной работы. Эта задача была решена сотрудниками Университета прикладных наук Оффенбурга в рамках проекта AccessTSN [481], а также проекта SyncWater [482], выполненного совместно с автором данной работы. Предложенное ими решение является кросс-платформенным и поддерживает операционную систему Linux, что делает его интеграцию с ROS тривиальной инженерной задачей.
Разработанное аппаратно-программное обеспечение ПЛИС было отверифицировано при помощи симулятора Vmodel toolbox [395], а после — реализовано на базе ПЛИС Intel Cyclone IV. Пример добавления метки времени в принятый пакет, полученный при помощи анализатора траффика Wireshark, представлен на рис. 103.
Как видно, стандартный PTP пакет типа Peer Delay Request дополнен 11-байтовой посылкой, состоящей из 10-байтной метки времени согласно стандарту PTP (первые 4 байта — наносекунды, следующие 6 байт — секунды) и младшего байта — счётчика принимаемых пакетов, который используется в диагностических целях в программном обеспечении, разработанном Университетом прикладных наук Оффенбурга (Германия).
Точность синхронизации по сети Ethernet TSN, достижимая при помощи созданного устройства, была оценена в ходе экспериментальных исследований возможностей прототипов интеллектуальных датчиков, исполнительных устройств и необходимых элементов сетевой инфраструктуры по беспроводной синхронизации и коммуникации, проведённых в рамках проекта SyncWater в лаборатории Университета прикладных наук Оффенбурга. Максимальная ошибка синхронизации устройств по сети Ethernet TSN, полученная благодаря разработанному аппаратно-программному обеспечению ПЛИС в сочетании с программным обеспечением, предоставленным Университетом прикладных наук Оффенбурга, в ходе эксперимента, длившегося 10 часов, не превышала 560 нс, а среднеквадратическое отклонение ошибки синхронизации составило 100.05 нс.
Данный результат сопоставим с полученным в [480, 483, 484]. При этом решение, описанное в [480], предполагает интеграцию ПЛИС на одной печатной плате с процессором, что не позволяет использовать серийно производимые встраиваемые компьютеры, решение [483] предназначено только для работы совместно с софт-процессорами на базе ПЛИС, а в решении [484] функция регистрации меток времени осуществляется аппаратно при помощи специализированного сетевого адаптера Intel i210, не имеющего отечественного аналога.
Система точной беспроводной синхронизации навесного оборудования малоразмерных беспилотных летательных аппаратов
В рамках выполнения совместного исследования с Университетом прикладных наук Оффенбурга (Германия) была поставлена задача точной синхронизации стационарного светового оборудования и навесного фотооборудования, установленного на беспилотные летательные аппараты. Для её решения была предложена система управления, элементы которой созданы с использованием результатов данной диссертационной работ (рис. 159).
Согласно предложенному решению управление всем световым оборудованием осуществляется при помощи программируемого логического контроллера B&R X20CP1583 и распределённой системы ввода/вывода B&R X20, синхронизированной по сети Ethernet POWERLINK. Также к сети Ethernet POWERLINK подключается ведущее устройство беспроводной синхронизации (рис.160, а), которое реализовано на основе одноплатного компьютера Raspberry Pi 3B и отладочной платы Digilent Nexys 4 DDR. Более подробно схемотехнические решения данного устройства описаны в работе [450]. На беспилотные же летательные аппараты устанавливаются подчинённые устройства беспроводной синхронизации (рис.160, б), реализованные на базе одноплатного компьютера Raspberry Pi 3B и ультрабюджетной ПЛИС Lattice iCE40HX1K, установленной на отладочной плате iCEstick. Как видно, ключевым отличием аппаратно-программного обеспечения ПЛИС ведущих и подчинённых устройств беспроводной синхронизации является отсутствие в составе последних коммуникационного ядра Ethernet POWERLINK и наличие блока формирования синхроимпульсов(рис. 161).
Ведущее устройство беспроводной синхронизации осуществляет синхронизацию своего внутреннего источника времени с шиной Ethernet POWERLINK и трансляцию соответствующих меток времени по сети Wi-Fi согласно методу точной беспроводной синхронизации, предложенному в 4-й главе данной диссертационной работы. На основе этих меток времени осуществляется точная беспроводная синхронизация подчинённых устройств, которые и формируют импульс, инициирующий проведение фотосъёмки в заданные моменты времени синхронно со световым оборудованием.
Точность созданной системы беспроводной синхронизации была экспериментально проверена в лаборатории Университета прикладных наук Оффенбурга, где было установлено, что максимальное среднеквадратическое отклонение ошибки синхронизации разработанного решения не превышает 500 нс.
По итогам успешных лабораторных испытаний системы синхронизации разработанное оборудование было установлено на борт беспилотного летательного аппарата (рис. 162) и протестировано в Межкафедральной специализированной лаборатории «Интеллектуальные автономные и мультиагентные робототехнические системы РТУ МИРЭА». В ходе натурного эксперимента ранее полученные лабораторные результаты были подтверждена, а достигнутая точность синхронизации светового и фотооборудования оказалось достаточной для решения изначально поставленной задачи.
Таким образом, благодаря применению метода точной взаимной синхронизации при помощи беспроводных сетей стандарта IEEE 802.11 и аппаратно-программного обеспечения информационного обмена между элементами масштабируемой отказоустойчивой системы управления, разработанных в данной диссертационной работы удалось решить техническую задачу, требующую обеспечения точной синхронизации оборудования, подключённого как по проводным, так и по беспроводным сетям. Следует особо отметить, что аппаратно-программное обеспечение подчинённых устройств беспроводной синхронизации было реализовано на ПЛИС Lattice iCE40HX1K, которая является одной из наиболее бюджетных ПЛИС в мире.