Communication Infrastructure for high-dynamic Parallel Kinematic Machines

Ziel dieser Arbeit ist die Konzipierung, Realisierung und Erprobung einer zentral organisierten Kommunikations-Infrastruktur zur Unterstützung von Steuerungssystemen aus dem Bereich hochdynamischer Roboteranwendungen. Dabei erfolgt die Integration aller an der Steuerung beteiligten Softwaremodule über eine einheitliche, modulare und echtzeitfähige C-Programmierschnittstelle unter dem Betriebssystem QNX Neutrino. Hintergrund dieser Arbeit ist der Sonderforschungsbereich (SFB) 562, in dem methoden- und komponentenbezogene Grundlagen zum Entwurf von Parallelrobotern erarbeitet werden. Der Einsatz von Parallelrobotern stellt dabei hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der verwendeten Robotersteuerung: Kinematisch gekoppelte Strukturen und die bei ihrer Bewegung zu berücksichtigenden Bewegungs- und Orientierungs-Singularitäten führen zu einer Steigerung des Umfangs und der Komplexität notwendiger Steuerungsfunktionalitäten; struktur- und gelenkintegrierte Sensoren erhöhen das notwendige Datenaufkommen bei dem Versuch, die kinematische Komplexität zu reduzieren; Synchronisationsanforderungen der gekoppelten Achsantriebe erfordern reaktionsschnelle Kommunikationsmechanismen; zusätzliche Anforderungen an Platziergenauigkeit, Beschleunigung und Geschwindigkeit der Arbeitsplattform liegen weit oberhalb derer serieller Roboteranwendungen. Kommerziell verfügbare Lösung für eine derartige Steuerung existieren derzeit noch nicht oder nur mit Einschränkungen Gegenstand dieser Arbeit ist zunächst die Untersuchung grundlegender Mechanismen aus den Bereichen Softwaretechnologie und Kommunikationstechnik, um eine Auswahl zur Realisierung geeigneter Funktionalitäten für Prozessorganisation, Kommunikation, Synchronisation, Konfiguration und Darstellung hinsichtlich eines passenden Steuerungssystems zu treffen. Im Hauptteil der Arbeit erfolgt die detaillierte Konzipierung sowie die Erläuterung der vollständig in Hard- und Software umgesetzten Realisierung dieser Kommunikations-Infrastruktur. Sie besteht aus drei Hauptkomponenten: Middleware MiRPA-X, Kommunikationsprotokoll IAP und Kommunikationssystem FireWire (Standard IEEE 1394). Die Verbindung bildet eine leistungsfähige Plattform, um allen in der Steuerung verwendeten Funktionsmodulen zu jeder Zeit transparente, modulare, einheitliche und echtzeitfähige Kommunikations- und Synchronisationsmechanismen zur Verfügung stellen. Die Integration erfolgte dabei soweit möglich unter Verwendung von Standardkomponenten (PC-Hardware, Betriebssystem, Programmiersprache). Innerhalb des SFB hat sich der praktische Einsatz der hier erarbeiteten Lösung als essenzieller, unverzichtbarer Bestandteil der Steuerung gezeigt, so dass ein breiterer Einsatz dieser Infrastruktur innerhalb anderer PC-basierter Robotersteuerungen außerhalb des SFB denkbar und sinnvoll erscheint.The goal of this thesis is the concept development, implementation and testing of a centrally organized communication infrastructure. It aims to support the development of control systems for high-dynamic robot applications, and thus provides a uniform, modular and real-time capable application programming interface (API) for all software modules involved. The development and application is performed using the operating system QNX Neutrino together with C/C++ programming language. The background of this thesis is the Collaborative Research Center (CRS) 562. Here, foundations for the development of parallel kinematic machines (PKMs) are worked out regarding necessary methods and components. The application of PKMs make high demands on the performance of robot control: coupled kinematic structures together with resulting special singularities require more and efficient control functions for motion control; additional sensors (integrated within the robot structure) increase the necessary data traffic while aiming to reduce calculational complexity; requirements for the synchronisation of drives necessitate high-speed communication mechanisms. Additional requirements regard the performance of the overall robot system: positioning accuracy, acceleration and velocity of the robot end-effector, which are expected to outsell those realised with conventional (serial) robot structures. Commercially available solutions for control systems do not suit all of these demands which calls for a unique control system design from standard components (computer hardware, operating system, communication system and programming language). The object of this thesis is, at first, the examination of fundamental mechanisms from the domain of software and communication technology in order to select suitable mechanisms for process organisation, inter process communication, synchronisation, configuration and presentation of data flow. These are to be provided for the control function modules in a uniform way. In the main part of this thesis the concept of the communication infrastructure is introduced in detail as well as the overall description of its implementation in hardware and software. The infrastructure consists of three main components which work together as a functional unit: the middleware MiRPA-X, the communication protocol IAP and the FireWire communication system (IEEE 1394). They form an efficient framework in order to provide transparent, modular and uniform communication and synchronisation mechanisms for the development of powerful and real-time control functionality. Within the project work in the Collaborative Research Center this novel communication infrastructure proved of indispensable value. For other robot control systems outside the CRS, it should thus be considered when using standard components

Beitrag zur Verhaltensanalyse und Synchronisation von steuerungstechnischen Prozessen durch verteilte echtzeitfähige Kommunikationssysteme

Aufbauend auf dem voranschreitenden Übergang zentralistischer Steuerungskonzepte über die Dezentralisierung hin zum verteilten System soll ein echtzeitfähiges Steuerungskonzept für die Antriebssynchronisation zur Patientenbewegung als lokal abgeschlossenes System erarbeitet werden. Dabei sollen Grundlagen echtzeitfähiger Steuerungstechnik, verteilter Systeme, der Prozesssynchronisation sowie entsprechende Kommunikationssysteme vorgestellt, bestehende Lösungen diskutiert und aus den Erkenntnissen entsprechende Konzeptvorschläge für die Lösung der Aufgabenstellung gemacht werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit soll aus den gewonnen Erkenntnissen und dem voranschreitenden Erfordernis der weltweiten Vernetzung technischer Systeme ein Konzept für die Integration und den echtzeitfähigen Zugriff auf dezentrale Peripheriekomponenten in das Internet erarbeitet werden. Für beide Teilaufgaben sollen Lösungsschritte aufgezeigt und evaluiert werden. Eine kritische Betrachtung der vorgestellten Konzepte erfolgt auf Basis bereits erfolgter industrieller Anwendung sowie in der Vorstellung einer zum Patent angemeldeten Lösung für den webbasierten Zugriff auf dezentral angeordnete Steuerungskomponenten

Modulare, verteilte Hardware-Software-Architektur für humanoide Roboter

Humanoide Roboter sind hochkomplexe Systeme. Sie zeichnen sich durch ein sehr heterogenes Sensor- und Aktorsystem aus, welches wiederum sehr hohe und breit gefächerte Anforderungen an die verwendete Architektur stellt. Es wird sowohl der Entwurf einer funktionalen Steuerungsarchitektur, das verwendete Softwarerahmenwerk als auch die Abbildung auf eine dezidierte Hardwarearchitektur beschrieben

Compileroptimierung und parallele Code-Generierung für zeitkritische eingebettete Multiprozessorsysteme

Durch den voranschreitenden Trend der Digitalisierung gewinnen intelligente digitale Systeme in vielen Bereichen des täglichen Lebens zunehmend an Bedeutung. Dies betrifft insbesondere auch den Bereich sicherheitskritischer Echtzeitsysteme, für deren sicheren Betrieb die Echtzeitfähigkeit nachgewiesen werden muss. Im Gegensatz zu Anwendungsfeldern ohne diese Anforderung sind effiziente Mehrkernprozessoren in Echtzeitsystemen derzeit noch kaum verbreitet. Der Hauptgrund für die bisherige Dominanz der Einzelkernprozessoren sind fehlende Methoden und Werkzeuge, um parallele Echtzeit-Software für Mehrkernprozessoren zu entwickeln und selbst im ungünstigsten Fall noch eine maximale Ausführungszeit (englisch Worst Case Execution Time, kurz WCET) garantieren zu können. In diesem Kontext besteht eines der wesentlichen Probleme darin, dass sich parallel ablaufende Software-Routinen im Hinblick auf ihre Laufzeit gegenseitig beeinflussen können. In Mehrkernprozessoren geschieht dies vor allem bei gleichzeitigen Zugriffen mehrerer Kerne auf eine gemeinsam genutzte Hardware-Ressource. Geeignete Methoden, um den Einfluss dieser als Interferenz bezeichneten Effekte bei der Software-Entwicklung präzise vorherzusagen und sichere Garantien für die Ausführungszeit abzuleiten, sind Gegenstand aktueller Forschung. Gleiches gilt für Software-Werkzeuge zur automatischen Parallelisierung, die auf harte Echtzeitanwendungen spezialisiert sind. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Anwendbarkeit von Mehrkernprozessoren in Echtzeitsystemen durch Beiträge in den Bereichen der automatischen Software-Parallelisierung, Code-Optimierung und Hardware-Modellierung signifikant zu verbessern. Als Bestandteil einer Werkzeugkette zur automatischen Parallelisierung von sequentieller Echtzeit-Software wird in dieser Arbeit ein Compiler-Werkzeug zur WCET-optimierten parallelen Code-Generierung und ein zugehöriges paralleles Programmiermodell vorgestellt. Hierdurch können -- weitgehend ohne Zutun eines Endanwenders -- gut vorhersagbare parallele Programme erzeugt werden. Durch das Programmiermodell wird dabei sichergestellt, dass die Ausführungszeit, einschließlich der Interferenzeffekte, mit Hilfe einer statischen WCET-Analyse sicher nach oben abgeschätzt werden kann. Als Teil der Code-Generierung stellt die vorliegende Arbeit zwei Optimierungsmethoden vor, die zum einen den Kommunikations- und Synchronisationsaufwand zwischen den Prozessorkernen reduzieren und zum anderen die optimierte Allokation verteilter Speicher in heterogenen Speicherhierarchien ermöglichen. Erstere ist auf des parallele Programmiermodell abgestimmt und erlaubt die optimierte Platzierung von Kommunikations- und Synchronisationsoperationen sowie das Entfernen redundanter Synchronisation auf einer feingranularen Ebene. Die Optimierung der Speicherallokation ergänzt den Ansatz um ein formales Optimierungsmodell zur Zuweisung der Datenfelder eines generierten Programms zu den Speicherbereichen der Zielplattform. Das Modell bezieht dabei sowohl die Kosten für Interferenzeffekte als auch die Speicherhierarchie von Zielplattformen mit verteilten und heterogenen Speichern mit ein. Um die Schritte zur Generierung, Optimierung und Analyse von paralleler Echtzeit-Software weitgehend plattformunabhängig aufbauen zu können, beinhaltet die vorliegende Arbeit außerdem einen Ansatz zur generischen Modellierung von Mehrkernprozessorarchitekturen. Dieser erlaubt es, die Zielplattform mit Hilfe einer entsprechend erweiterten Architekturbeschreibungssprache (ADL) zu beschreiben, wodurch sich die darauf aufbauenden Entwicklungswerkzeuge mit überschaubarem Aufwand auf ein breites Spektrum von Hardware-Plattformen anwenden lassen. Mit dieser neuartigen Kombination erweitert die vorliegende Arbeit den Stand der Technik um einige wesentliche Bausteine, die die weitgehend automatisierte Parallelisierung von Echtzeit-Software ohne stark einschränkende Annahmen bezüglich der Struktur des Eingabeprogramms ermöglichen. Zu den weiteren Neuerungen dieser Arbeit zählen die Plattformunabhängigkeit bei der WCET-optimierten Software-Parallelisierung und die Berücksichtigung von Interferenzeffekten bei der Speicherallokation in Echtzeitsystemen. Die experimentelle Evaluation der vorgestellten Methoden und deren prototypischer Umsetzung zeigt, dass die WCET aller betrachteten Testanwendungen von der Parallelisierung profitieren kann. Auf einer Plattform mit vier Prozessorkernen konnte z.B. die WCET einer Anwendung aus dem Bereich der Bildverarbeitung durch die Parallelisierung im Vergleich zum sequentiellen Eingabeprogramm um Faktor 3,21 verbessert werden. Auch die Optimierungsansätze für Kommunikation und Speicherallokation führen größtenteils zu einer deutlichen Verbesserung der WCET. So konnten die durch Interferenzen verursachten Kosten im Zuge der Speicherallokation z.B. um bis zu 49% reduziert werden. Insgesamt haben die Ergebnisse dieser Arbeit damit das Potential, die effiziente und kostengünstige Nutzung von Mehrkernprozessoren im Bereich harter Echtzeitsysteme wesentlich voranzutreiben