Controllo di robot omnidirezionale tramite Ethercat

La tesi tratta lo sviluppo del software di controllo della piattaforma omnidirezionale del Barcellona Mobile Manipulator. Lo sviluppo del progetto ha richiesto: a) lo studio della comunicazione EtherCAT tra il PC di controllo e i driver dei motori; b) lo sviluppo di un opportuno master EtherCAT; c ) lo sviluppo di software sia per il controllo in tempo reale mediante un joystick che per il tracking di una traiettoria pianificat

Real-Time Ethernet Networks: a practical approach to cycle time influence in control applications

Vivemos num mundo cada vez mais digital e informatizado onde existe uma constante necessidade de interligação entre tudo e todos. Os sistemas robóticos modernos não escapam a esta necessidade e, por isso, é preciso adaptá-los. Existem no mercado várias soluções de redes de comunicação de tempo real, já bem estabelecidas, mas em todas se encontra a mesma lacuna: a escassez de material educativo acerca delas. Este documento pretende apresentar as duas soluções propostas para colmatar um pouco esta lacuna na rede EtherCAT e demonstrar o trabalho de pesquisa e estudo preliminar efetuado para suportar e servir de ponto de partida para o desenvolvimento aprofundado de uma das soluções. Nos capítulos seguintes será explicitado o contexto e motivação para a realização deste projeto, os objetivos que propomos alcaçar, uma descrição do problema incluindo a sua caraterização, uma apresentação não exaustiva da tecnologia por detrás da rede EtherCAT, a explicação das soluções propostas e, por fim, um planeamento de tarefas e objetivos com calendarização dos mesmos

Toward a Holistic Delay Analysis of EtherCAT Synchronized Control Processes

This paper analyzes the end-to-end delay of EtherCAT-based control processes that use the events of message frames and global clock for synchronized operation. With the end-to-end delay defined as the time interval between the start of a process cycle and the actual input or output, we develop a holistic delay model for control processes in EtherCAT, by taking into account the time for in-controller processing, message delivery, and slave-local handling. Based on the measurements from a real EtherCAT control system, we discuss the average and deviation of the process delay as we vary the number of slaves and process cycle time. The experiment results show that the output delays are mainly increased by the average controller delay, whereas the input delays are more affected by the deviation rather than the average of the controller delay. Our in-depth analysis on the controller reveals that DMA time chiefly enlarges the controller delay for increasing number of slaves, while task release jitter is the main cause of the increased delay for longer cycle time. The presented delay model and evaluation results can be essentially used for the design of EtherCAT-based automation that requires highly synchronized operations, such as for coordinated motion and high-precision data sensing

A Software-based Low-Jitter Servo Clock for Inexpensive Phasor Measurement Units

This paper presents the design and the implementation of a servo-clock (SC) for low-cost Phasor Measurement Units (PMUs). The SC relies on a classic Proportional Integral (PI) controller, which has been properly tuned to minimize the synchronization error due to the local oscillator triggering the on-board timer. The SC has been implemented into a PMU prototype developed within the OpenPMU project using a BeagleBone Black (BBB) board. The distinctive feature of the proposed solution is its ability to track an input Pulse-Per-Second (PPS) reference with good long-term stability and with no need for specific on-board synchronization circuitry. Indeed, the SC implementation relies only on one co-processor for real-time application and requires just an input PPS signal that could be distributed from a single substation clock

Control de movimiento de un robot móvil omnidireccional

Los robots m´oviles Omnidireccionales son cada vez m´as populares debido a su mayor movilidad. Comparados a los m´as com´unes “car-like robots”, tienen una agilidad superior para moverse hacia cualquier posici´on y alcanzar simult´aneamente cualquier orientaci´on deseada. El prop´osito del proyecto es controlar la plataforma omnidireccional del IOC, que constituye la base del Barcelona Mobile Manipulator y que ha sido construida con la colaboraci´on del Departamento de Ingenier´ıa Mec´anica de la UPC. El objetivo es controlar coordinadamente los tres motores que mueven las ruedas omnidireccionales utilizando el protocolo EtherCAT. El desarrollo del proyecto requiere: a) el estudio de la comunicaci´on por EtherCAT entre el PC de control y los controladores de motores que disponen de un m´odulo EtherCAT; b) el desarrollo de un master EtherCAT apto a las necesidades de utilizaci´on de la plataforma; c) el desarrollo de software tanto para el control en tiempo real por Joystick, como para el seguimiento de una trayectoria planificada. El software se ha desarrollado utilizando Orocos con el fin de obtener una implementaci´on m´as sencilla y eficiente de la aplicaci´on, mientras que la librer´ıa SOEM se ha utilizado para controlar la comunicaci´on EtherCAT

Industriella realtidsethernet för maskinautomation

During the last two decades, Ethernet has become the de facto standard in office level networks. There are several motivations for using Ethernet also in control networks, including the abundance of low cost components, the high data transfer rates and the possibility of vertical integration with other networks of the organization. The first in­dustrial implementation of Ethernet was for communication between different devices on the controller level. Modern real-time industrial Ethernet technologies, like the ones studied in this thesis, have brought Ethernet also down to the field level. The thesis is divided into two sections. The first section contains presentations of the seven most used real-time industrial Ethernet technologies. The second section contains a more thorough study of EtherCAT, the one of the seven technologies that promise the best real-time performance. The main goals are to provide a review of the different tech­nologies available and to study the suitability of EtherCAT in the control networks of machine automation systems. In the first section, different real-time industrial Ethernet technologies are divided into three groups based upon how much they differ from standard office Ethernet. It is found that the technologies built entirely upon standard office Ethernet do in them­selves not promise any real-time capabilities. Their biggest weakness is the slow pro­cessing of the software communication protocol stack. The technologies that use stan­dard Ethernet hardware but dedicated software are good for soft real-time applications, but the lack of accurate synchronization between the devices makes them unsuitable for applications demanding hard real-time behavior. The technologies that use both special hardware and software offer superior real-time performance but are not as open to inte­gration with standard office Ethernet networks as the other solutions. The second section of the study contains three parts. In the first of them, a small test system is built to examine the suitability of EtherCAT for the closed loop control of a variable alternate current (AC) drive. In the second part, the availability of open source initiatives concerning EtherCAT is explored. In the third part, the possibility for master device redundancy in EtherCAT is investigated. The study indicates that EtherCAT achieves the short communication cycle times and accurate synchronization promised. Short cycle times are indeed needed as direct communication between slave devices is not supported in EtherCAT and thus the efficiency of the communication is almost totally dependent on the cycle time. EtherCAT networks are relatively easy to configure and maintain as there are comprehensive software suites available, both as commercial pro­grams and open source initiatives and for a variety of different operating systems. The least developed feature of EtherCAT proved to be the support for master device redun­dancy. Solutions for master redundancy are available, but more as concepts than as ready-to-use features. /Kir10Under de senaste två decennierna har Ethernet blivit något av en de facto standard för nätverk i kontorsmiljö. Det finns flera motiv för att använda Ethernet även i kontroll­nätverk, bland andra god tillgång av billiga komponenter, hög dataöverföringshastighet och möjligheter för vertikal integration med nätverk på andra nivåer av organisationen. Den första industriella tillämpningen av Ethernet var för kommunikation mellan olika kontrollenheter. Moderna realtidslösningar för industriella Ethernet-nätverk har fört Ethernet också ner till fältnivå. Det här diplomarbetet är uppdelat i två delar. Den första delen innehåller presen­tationer av de sju mest använda realtidslösningarna för industriella Ethernet-nätverk. Den andra delen innehåller en mer djupgående studie av EtherCAT, den av de sju lösningarna som utlovar bäst realtidsprestanda. De mest centrala målen är att ge en över­syn av de olika realtidslösningarna som finns tillgängliga för industriella Ethernet-nätverk samt att undersöka hur lämpligt EtherCAT är som kontrollnätverk för maskin­automation. Inledningsvis delas de olika lösningarna in i tre grupper på bas av hur mycket de skiljer sig från vanliga kontorsnätverk. Det visar sig att de lösningar som helt bygger på samma teknik som används i kontorsnätverk i sig själva inte kan utlova någon som helst realtidskapacitet. Deras största svaghet är den resurskrävande behandlingen av de kommunikationsprotokoll som används i kontorsnätverk. Det är dock möjligt att konstruera lösningar med relativt bra realtidsbeteende utgående från de här lösningarna bara man väljer rätt Ethernet-komponenter och tillräckligt kraftfulla mikroprocessorer i nätverksstationerna. De lösningar som använder vanlig Ethernet-maskinvara men egen programvara är bra för mjuka realtidssystem, men de brister i synkroniseringen mellan enheterna och är sålunda inte tillräckligt deterministiska för hårda realtidssystem. De lösningar som använder både egen hårdvara och egen mjukvara erbjuder överlägsen realtidsprestanda som öppnar nya möjligheter för effektivare reglering av olika system. Å andra sidan är de här lösningarna inte lika öppna för integration med vanliga kontorsnätverk som de lösningar som har mer likheter med vanliga kontorsnätverk. Den andra delen av studien inriktar sig på EtherCAT. EtherCAT är ett så kallat master/slave-nätverk, det vill säga att en av stationerna i nätverket styr kommuni­kationen och de andra i allmänhet inte själva kan initiera någon form av kommuni­kation. Den mest centrala funktionsprincipen för EtherCAT är att de olika slav-stationerna logiskt är ordnade i en kedja och att alla meddelanden passerar genom alla slav-stationer och blir också lästa och skrivna till av flera slav-stationer. I relativt små nätverk betyder det här att det bara skickas ett meddelande per kommunikationscykel. Meddelandena hanteras av speciell hårdvara i slav-stationerna och detta sker så snabbt att meddelandena bara blir fördröjda med bråkdelen av en mikrosekund. Master-stationen, däremot, är oftast konstruerad utan speciell hårdvara och består vanligen av en PC med realtidsoperativsystem och speciell mjukvara, ett så kallad EtherCAT master-program. Det att mastern består av standard Ethernet hårdvara betyder att den har relativt dålig timing-kapacitet. Därför är de olika slav-enheterna i ett EtherCAT nätverk i stället vanligen synkroniserade efter den första slav-enheten i kedjan. En synkroniseringsexakthet på mycket bättre än en mikrosekund utlovas och den kan användas både till att åstadkomma reaktioner på en exakt given tidpunkt och exakta tidsangivelser för när ett processvärde är uppmätt. Studien av EtherCAT är indelad i tre avsnitt. I det första av dem byggs ett litet testsystem för att undersöka hur lämpligt EtherCAT är som kontrollnätverk för återkopplad styrning av en frekvensomriktare. Den viktigaste enskilda egenskapen som krävs av ett kommunikationsnätverk för den här tillämpningen är att frekvensomriktaren ofta och snabbt får korrekt information om drivaxelns position. Det är också viktigt att positionsangivelserna är ackompanjerade av exakt information om när de är uppmätta. Studien visar att det är möjligt att uppnå båda de här egenskaperna med hjälp av EtherCAT. Det att direkt kommunikation mellan slav-stationerna i ett EtherCAT-nätverk inte understöds medför visserligen att överföringen av positions­datan tar två kommunikationscykler i anspråk, men eftersom det är möjligt att uppnå cykel­tider så korta som 133 µs torde prestandan i alla fall räcka för de flesta system. Det här medför dock att cykeltiderna måste hållas låga även om systemet i övrigt inte skulle kräva det. I det andra avsnittet undersöks tillgången på öppen källkodsbaserad programvara för EtherCAT. Det krävs ingen licens för att utveckla EtherCAT master-programvara, så det finns en mängd olika program för flera olika operativsystem på marknaden. Ett par av dem är baserade på öppen källkod. Ett av de mest intressanta är EtherLAB från Ingenieurgemeinschaft IgH. Det är i huvudsak utvecklat för Linux och innehåller förutom master-programvaran även mjukvara för diagnostik och för att generera kontrollrutiner från modeller skapade med Matlab/Simulink. I det här avseendet är det till och med kraftfullare än den mest använda kommersiella programvaran för EtherCAT, TwinCAT från Beckhoff Automation, som igen körs under MS Windows. I det tredje avsnittet granskas möjligheterna att duplicera den enhet som styr ett EtherCAT nätverk, så kallad master-redundans. Studien presenterar en lösning utvecklad av Beckhoff Automation. Det visar sig att detta är en relativt sett dåligt utvecklad egenskap i EtherCAT. Den presenterade metoden medför till exempel att det tar nästan en hel sekund innan reserv-mastern tar över ifall det uppstår fel i den primära, dessutom är funktionen för synkronisering av klockorna i slav-enheterna inte tillgänglig när den här metoden används. Studien presenterar även en idé om en annan möjlig lösning för att åstadkomma master-redundans i EtherCAT nätverk. Fördelen med den är att den skulle göra funktionen för att synkronisera klockorna i slav-enheterna möjlig även fast systemet innehåller master-redundans. Båda de presenterade lösningarna är mer koncept än funktioner färdiga att använda, detta gäller i synnerhet den andra lösningen, som ännu bara är i idéstadiet. Bristen på väl fungerande lösningar för master-redundans gör att EtherCAT system bör konstrueras så att korta stopp i kom­munikationen inte kan skada systemet i sig själv, intilliggande system eller människor som är i kontakt med systemet

Design of a New High Bandwidth Network for Agricultural Machines

Ethernet is by now the most adopted bus for fast digital communications in many environments, from household entertainment to PLC robotics in industrial assembly lines. Even in automotive industry, the interest in this technology is increasingly growing, pushed forward by research and by the need of high throughput that high dynamics distributed control demands. Although 100base-TX physical layer (PHY) does not seem to meet EMC requirements for vehicular and heavy-duty environments, OPEN Alliance BroadR Reach (soon becoming IEEE standard as IEEE 802.3bw) technology is the most promising and already adopted Ethernet-compatible PHY, reaching 100Mbps over an unshielded twisted pair. An agricultural machine is usually a system including tractor and one or more implements attached to it, to the back or to the front. Nowadays, a specific CAN-based distributed control network support treatments and applications, namely ISOBUS, defined by ISO 11783. This work deals with architectural and technological aspects of advanced Ethernet networks in order to provide a high-throughput deterministic network for in-vehicle distributed control for agricultural machinery. Two main paths of investigation will be presented: one concerning the prioritization of standard Ethernet taking advantage of standard ways of prioritization in well-established technologies; the other changing the channel access method of Ethernet using an industrial fieldbus, chosen after careful investigation. The prioritization of standard Ethernet is performed at two, non-mutual exclusive layers of the ISO OSI stack: one at L3, using the diffserv (former TOS) Ip field; one at L2, using the priorities defined in IEEE 802.1p, used in IEEE 802.1q (VLAN). These choices have several implications in the specific field of application of the agricultural machines. The change of the access method, instead, focused on the adoption of a specific fieldbus, in order to grant deterministic access to the medium and reliability of communications for safety-relevant applications. After a survey, that will be reported, the Powerlink fieldbus was chosen and some modifications will be discussed in order to suit the scope of the research

Design, simulation and development of a decentralized control for a robotic manipulator

The objective of this thesis is to design, develop and test a decentralized control for the YouBot. This robot is composed by an omnidirectional mobile platform on which a five – axis robot arm with a two – finger gripper is installed. In the first step the YouBot arm’s performance is analysed and the problems are verified and mentioned by the community. The stat of the art is assessed. The available hardware and software is analysed, as well as the temporal performances, the responses of the system, the optimal sampling time and the torque characterization. Subsequently the COM (center of mass) for each link, is estimated, through a least squares algorithm, and the gravity compensation is implemented. After this a hybrid motion/force decentralized control based on Newton – Eulero dynamics is realized. The control algorithm is tested in simulation and on the real Youbot Manipulator. The obtained results have been analyzed and discussed

A Scalable, High-Performance, Real-Time Control Architecture with Application to Semi-Autonomous Teleoperation

A scalable and real-time capable infrastructure is required to enable high-performance control and haptic rendering of systems with many degrees-of-freedom. The specific platform that motivates this thesis work is the open research platform da Vinci ReResearch Kit (dVRK). For the system architecture, we propose a specialized IEEE-1394 (FireWire) broadcast protocol that takes advantage of broadcast and peer-to-peer transfers to minimize the number of transactions, and thus the software overhead, on the control PC, thereby enabling fast real-time control. It has also been extended to Ethernet via a novel Ethernet-to-FireWire bridge protocol. The software architecture consists of a distributed hardware interface layer, a real-time component-based software framework, and integration with the Robot Operating System (ROS). The architecture is scalable to support multiple active manipulators, reconfigurable to enable researchers to partition a full system into multiple independent subsystems, and extensible at all levels of control. This architecture has been applied to two semi-autonomous teleoperation applications. The first application is a suturing task in Robotic Minimally Invasive Surgery (RMIS), that includes the development of virtual fixtures for the needle passing and knot tying sub-tasks, with a multi-user study to verify their effectiveness. The second application concerns time-delayed teleoperation of a robotic arm for satellite servicing. The research contribution includes the development of a line virtual fixture with augmented reality, a test for different time delay configurations and a multi-user study that evaluates the effectiveness of the system