Control de Tiempo Real estricto en un robot m

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Control de Tiempo Real estricto en un robot móvil
basado en MaRTE OS

• Francisco Javier Feijoo Cano
• Director José Luis Villarroel Salcedo

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Objetivo
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• Implantación del sistema operativo MaRTE OS en un
  robot móvil Pioneer

Desde cero
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Contenido
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• Sistemas de Tiempo Real
• MaRTE OS y el robot Pioneer
• Trabajo realizado
• Aplicaciones desarrolladas
• Conclusiones

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Contenido
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• Sistemas de Tiempo Real
• Definición
• Ejemplo. Funcionamiento de un airbag
• Sistema de tiempo real en robótica
• MaRTE OS y el robot Pioneer
• Trabajo realizado
• Aplicaciones desarrolladas
• Conclusiones

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Definición
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• Sistema informático que interacciona
  repetidamente con su entorno, realizando acciones
  de control en intervalos de tiempo bien definidos
  (rápido)
• Los fallos por no responder a tiempo son tan
  malos como un mal resultado
• Sistema de propósito general
• Busca el mayor rendimiento medio del procesador
  (modifica la ejecución de tareas, altera
  prioridades, )
• Multiaplicación, multiusuario, multiprocesador

• Algunos ejemplos
• Aviones
• Coches
• Trenes
• Móviles
• Electrodomésticos
• Industria

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Funcionamiento de un airbag
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones
tiempo

• 25 ms

• 50 ms

1. Sensor de deceleración 2. Procesamiento 3.
Actuación. Inflado de la bolsa

• 80 ms

Respetar los plazos estrictamente
Actuar tarde FALLO Actuar antes FALLO
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Necesario en robótica?
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• Un robot es un sistema compuesto por sensores, un
  ordenador que procesa la información y actuadores
• Una aplicación de control sobre el robot
  (navegación) se ejecuta con plazos fijos
• Control basado en el periodo de muestreo
• Necesita ser determinista

SENSORES
ROBOT
ORDENADOR
ACTUADORES
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Hasta ahora
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• Linux Player
• Control de los dispositivos del robot
  (navegación, visión, comunicación)
• Entorno cómodo (compilar y listo)
• Ideal para simular aplicaciones robóticas

• Pero
• El SO (el planificador) puede retrasar la lectura
  de los sensores y la actuación
• Descontrol, no determinista

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Contenido
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• Sistemas de Tiempo Real
• MaRTE OS y el robot Pioneer
• MaRTE OS
• Robot Pioneer
• Entorno de desarrollo
• Trabajo realizado
• Aplicaciones desarrolladas
• Conclusiones

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MaRTE OS
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• MaRTE OS (Minimal Real-time Embedded Operative
  System) ofrece las herramientas necesarias para
  que nuestro sistema se comporte en tiempo real
• Desarrollado en la Universidad de Cantabria
• POSIX13, prioridades fijas, relojes de tiempo
  real, mutexes, planificación expulsiva, servidor
  esporádico, etc

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Robot móvil Pioneer
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• Elementos más importantes

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Entorno de desarrollo
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• Entorno de desarrollo cruzado
• Fallos difíciles de encontrar (mirar los bytes,
  casi ensamblador, etc.)
• Lento Compilar en el ordenador, reiniciar el
  robot y vuelta a empezar

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Contenido
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• Sistemas de Tiempo Real
• MaRTE OS y el robot Pioneer
• Trabajo realizado
• Desarrollo de los controladores de los
  dispositivos
• Recursos a disposición del usuario
• El protocolo RT-WMP
• Aplicaciones desarrolladas
• Conclusiones

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Desarrollo de los controladores de los
dispositivos
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• Se han implementado los controladores de los
  sensores y actuadores
• A nivel de driver MaRTE
• Capa software para acceder a los dispositivos

Corrección de la línea serie Controlador para la
tarjeta inalámbrica
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Recursos a disposición del usuario
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones
Ejemplos

• Conjunto amplio de funciones para utilizar los
  dispositivos
• Probadas cada una de ellas
• Se ha caracterizado temporalmente el sistema
  (relojes de ejecución)

ADA p2osGetXPos p2osSetSpeed(a,b)
C p2osGetXPos() p2osSetSpeed(a,b)
p2osGetXPos 394 µs readLMSValues
1867 ms
En conjunto

• 70 funciones C
• 58 funciones Ada
• Más de 5000 líneas de código implementadas
• Otras miles revisadas

Entorno de programación listo para usar
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El protocolo RT-WMP
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• Protocolo de comunicaciones inalámbricas en
  desarrollo en la Universidad de Zaragoza
• Hasta ahora se utilizaba con Linux
• Se ha implementado en MaRTE para comunicar el
  robot con el exterior
• Comunicación en tiempo real para un SO de tiempo
  real

Protocolo 802.11 Tiempos sin acotar
Protocolo RT-WMP Tiempo de transmisión acotado en
el peor caso
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Contenido
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• Sistemas de Tiempo Real
• MaRTE OS y el robot Pioneer
• Trabajo realizado
• Aplicaciones desarrolladas
• Navegación autónoma
• Comunicación inalámbrica
• Algunos resultados
• Conclusiones

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Navegación autónoma
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• El robot sigue a un objetivo móvil, evitando
  obstáculos (tracking ND)
• Estudio completo de planificabilidad
  (planificación de tareas anterior a la ejecución)

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Navegación autónoma
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• RMS (prioridad al más frecuente) y techo de
  prioridad inmediato

Tarea Periodo Cómputo Bloqueo Techo de prioridad Prioridad
INT láser 0.4196 0.029 0 HW
INT Micro 0.833 0.029 0 HW
Actualiza P2OS 100 0.062 0.02186 22
Navegación 100 50 1.1226 21
Visualización 200 12 0.001 20
Actualiza Láser 397.5 1.867 0 19
Servidor P2OS 22
Servidor Láser 21

• Cumplimiento de plazos

• Utilización conocida (66.83)

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Comunicación inalámbrica
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• Se maneja el robot desde otra máquina
  (visualización y control). Tiempo acotado en el
  peor caso

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Seguro que es mejor que el sistema anterior?
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• Sin sobrecarga (0.2 m/s)
• Linux 10 cm
• MaRTE 2 cm

• Con sobrecarga (0.2 m/s)
• Linux 100 cm
• MaRTE 2 cm

• En un sistema convencional con carga en el
  procesador, el robot deja de funcionar
  correctamente
• En MaRTE, las tareas de mayor prioridad no se ven
  afectadas nunca por otras tareas

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Contenido
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• Sistemas de Tiempo Real
• MaRTE OS y el robot Pioneer
• Trabajo realizado
• Aplicaciones desarrolladas
• Conclusiones
• Conclusiones
• Dificultades
• Trabajos futuros

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Conclusiones
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• Se dispone, por primera vez, de un entorno de
  tiempo real para trabajar con los robots Pioneer
• Existe un conjunto amplio de funciones para el
  programador (muy parecido a lo que había hasta
  ahora)
• MaRTE OS ha sido ampliado y mejorado
• Soporte en MaRTE para RT-WMP

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Dificultades
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• Se ha realizado el trabajo desde cero. No existía
  nada relativo a robótica con MaRTE OS
• Se ha trabajado con hardware, a bajo nivel.
  Algunos elementos no funcionaban
• Es difícil vender sistemas de tiempo real
• Nadie a mi alrededor conocía MaRTE OS

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Trabajos futuros
1. Tiempo Real 2. MaRTE OS 3. Trabajo 3.
Aplicaciones 4. Conclusiones

• Ampliar la funcionalidad de MaRTE en el robot
  (cámaras, joystick, gráficos, etc.)
• Adaptar otros algoritmos que mejoren el sistema
  de control del robot
• Conseguir aplicaciones robóticas robustas y
  fiables

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Gracias por su atención!
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Control de Tiempo Real estricto en un robot móvil
basado en MaRTE OS

• Francisco Javier Feijoo Cano
• Director José Luis Villarroel Salcedo