Παντός εδάφους αυτόνομη αρθρωτή ρομποτική πλατφόρμα.

Abstract

Τα τελευταία χρόνια βασικό πεδίο έρευνας αποτελεί η ανάπτυξη μιας αυτόνομης αρθρωτής ρομποτικής πλατφόρμας εδάφους με δυνατότητα πλοήγησης και ελιγμών σε ένα μη δομημένο περιβάλλον. Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ανάλυση, τον σχεδιασμό και την υλοποίηση ενός εσωτερικού ή/και υπαίθριου αρθρωτού συστήματος κίνησης, που προορίζεται για χρήση σε ευφυή αυτόνομα ρομπότ. Στόχος της πλατφόρμας είναι να αποτελεί ένα σταθερό σύστημα κίνησης για εξοπλισμένα ρομπότ που φέρουν διάφορα αισθητήρια συστήματα, με σκοπό την εκτέλεση επιμέρους καθηκόντων για την επίτευξη ενός στόχου. Για την υλοποίηση αυτής της πλατφόρμας, χρησιμοποιήθηκαν δύο μικροελεγκτές ARM Cortex M4 που χρησιμοποιούν ένα Real-time Operating System (RTOS), καθώς κι ένα αισθητήριο σύστημα. Η επικοινωνία μεταξύ των μικροελεγκτών επιτεύχθηκε με τη χρήση του Controller Area Network (CAN) πρωτοκόλλου. Επιπλέον, δημιουργήθηκε ένα νέο σύστημα διαχείρισης μνήμης, προσδίδοντας μια πιο αποδοτική δυναμική κατανομή και ανασυγκρότηση μνήμης για μικρά ενσωματωμένα συστήματα που στερούνται μια Μονάδα Διαχείρισης Μνήμης (Memory Management Unit (MMU)). Χρησιμοποιώντας ως κύρια χαρακτηριστικά την αποτελεσματικότητα στο χειρισμό και τις απαιτήσεις των μη έντονων εφαρμογών πραγματικού χρόνου, σε περιορισμένα-ενσωματωμένα συστήματα, η προτεινόμενη λύση της διαχείρισης μνήμης παρέχει μια πιο ακριβή διαδικασία κατανομής μνήμης. Το σύστημα αξιολογήθηκε, δίνοντας ενθαρρυντικά αποτελέσματα όσο αφορά τις επιδόσεις και την αξιοπιστία σε σύγκριση με την προκαθορισμένη κατανομή μνήμης. Τα αποτελέσματα αυτών των προσπαθειών θα έχουν εφαρμογή σε προβλήματα σε τραχιά περιβάλλοντα, για παράδειγμα στο χώρο της έρευνας, ερευνά την επιφάνεια του πλανήτη, χωρίς να τίθεται σε κίνδυνο ανθρώπινες ζωές, ή σε πληγείσες περιοχές για τον εντοπισμό τραυματιών και την μεταβίβαση μια διεξοδικής εικόνας της περιοχή στο προσωπικό διάσωσης. Το έργο περιλαμβάνει την αρχική ανάπτυξη μιας πεντάποδης ρομποτικής πλατφόρμας που περικλείει ένα σύστημα κίνησης, καθώς και ένα σύστημα επικοινωνίας που παρέχει μια διεπαφή ευχερούς χειρισμού του συστήματος κίνησης, το οποίο επιτρέπει μια πιο ρεαλιστική εμπειρία του τηλεχειρισμού -τηλεπισκόπησης, και ημι-αυτόνομης συμπεριφοράς ρομπότ από ό, τι υπάρχει σήμερα. Αν και τα τρέχοντα αποτελέσματα της έρευνας είναι πρόωρα για την ενσωμάτωση τους σε ένα τελικό προϊόν, η προσπάθεια αυτή είναι ειδικά σχεδιασμένη σε μικρότερη κλίμακα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εικονικές δοκιμές, προσδίδοντας με αυτόν τον τρόπο περισσότερο ακριβείς αναπαραστάσεις των προκλήσεων που αντιμετωπίζουν τα πλήρους μεγέθους αυτόνομα ρομποτικά συστήματα. Η ολοκληρωμένη κατάσταση, στην οποία βρίσκεται το έργο αυτή τη στιγμή, μπορεί να λειτουργήσει ως σημείο εκκίνησης από το οποίο θα μπορούσαν να γίνουν και να ενσωματωθούν διάφορες βελτιώσεις και επεκτάσεις.

Developing an all-terrain legged robotic platform capable of maneuvering and navigating in a non- structured environment has been an area of research in recent years. This master thesis presents the analysis, design, and implementation of an indoor/outdoor robotic motion platform which is intended for use in intelligent autonomous robots. The platform will provide a stable motion system for robots equipped with various sensory systems, to perform tasks autonomously to reach a goal. For the development of this all-terrain robotic platform, we use two ARM Cortex M4 microcontrollers using a Real-time Operating System (RTOS) as well as a simple sensory system. The communica- tion between the microcontrollers was established using the Controller Area Network (CAN) protocol as well as a novel encryption/validation messaging protocol above it. Moreover, a novel memory allocation scheme was analyzed and used, providing e cient dynamic memory allocation and defrag- mentation for embedded systems lacking a Memory Management Unit (MMU). Using as main criteria the e ciency in handling both external and internal memory fragmentation, as well as the require- ments of soft real-time applications in constraint-embedded systems, the proposed solution of memory management delivers a more precise memory allocation process. This scheme is evaluated providing encouraging results regarding performance and reliability compared to the default memory allocator. The outcomes of these endeavors would apply to problems in harsh environments, for example, in space research, investigating the surface of a planet without endangering human lives, or in disaster areas to locate injured persons and to give rescue personnel a more detailed picture of the area. The work done includes the initial development of a ve-legged robotic platform containing a discrete-event based motion controller as well as a communication system providing an interface for easy handling the motion system whereby providing a more realistic experience of teleoperation, remote sensing, and semi-autonomous robot behavior than what currently exists. { While it is too early to incorporate the current research results into a nal product, this development is specially designed on a smaller scale which can be used in mock system trials instead of toy-based robots, thereby providing more accurate representations of the challenges encountered by full-sized robotic automation systems. The work completed to date acts as a starting point from which improvements and extensions could be made and incorporated. In this regard, suggestions for future work are also presented.