ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОТОТИПА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МАЛОГАБАРИТНЫМ МОБИЛЬНЫМ ИНТЕРНЕТ-РОБОТОМ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ “УМНЫЙ ДОМ” / INVESTIGATION OF WORK CONTROL SYSTEM PROTOTYPE OF SMALL-SIZED MOBILE INTERNET-ROBOT FOR THE "SMART HOUSE" MONITORING TASK.

С. Л. Герасюто

Объединенный институт проблем информатики НАН Беларуси, сектор робототехники лаборатории моделирования самоорганизующихся систем, Минск,

contacts@robotics.by

Г. А. Прокопович

Объединенный институт проблем информатики НАН Беларуси, сектор робототехники лаборатории моделирования самоорганизующихся систем, Минск,

rprakapovich@robotics.by

В. А. Сычев

Объединенный институт проблем информатики НАН Беларуси, сектор робототехники лаборатории моделирования самоорганизующихся систем, Минск,

vsychyov@robotics.by

Введение

Стремительное развитие сверхбольших интегральных схем ASIC $($СБИС$)$ к «системам на кристалле» $($SoC$)$ раскрывает новые возможности по созданию систем управления робототехническими аппаратами. Робототехникам стали доступны возможности организовывать сразу на одном кристалле функционирование компьютера, который способен работать как с цифровыми, так и аналоговыми и аналого-цифровыми сигналами, а также частотами радиодиапазона. На текущий момент для малогабаритных мобильных роботов эти гибридные микросхемы являются главной аппаратной платформой на ближайшую перспективу до появления чипов на основе новых физических принципов $[1]$.

Ключевым фактором выбора и использования SoC для построения систем управления малогабаритными робототехническими аппаратами является отношение стоимости микросхемы к стоимости самого робота. На текущий момент — это менее 5% от цены всего робота при мелкосерийном производстве SoC потребляют меньше энергии, стоят дешевле и работают надёжнее, чем наборы микросхем с той же функциональностью.

Наиболее востребованной сферой применения мобильных малогабаритных роботов на ближайшую перспективу является их использование в системах “Умный дом” для решения задач мониторинга и поддержания состояния жилого помещения. Причем оптимально использование именно группы роботов с включением в неё одного интеллектуального антропоморфного робота для взаимодействия непосредственно с человеком, который будет еще и обладать возможностями манипулирования предметами.

Целью данной работы является исследование работы прототипа системы управления малогабаритным мобильным роботом, построенным на базе SoC ESP8266. Рассмотреть проблемы создания Интернет-роботов, функционирующих в обычных сетях Internet с учетом ограничений и возможностей провайдеров по предоставлению каналов доступа к Сети. Описать действующий лабораторный вариант организации такой инфраструктуры для работы роботов в группе.

1 Методика исследований

Экспериментальные исследования проводились как для одного, так и для группы роботов. Причем, управление роботами основывалось на подходах и методах, изложенных ранее авторами в $[2-4]$, но с учетом функционирования робота в сети Интернет без посредников напрямую. Запись всех передаваемых данных делалась как со стороны робота, так и со стороны веб-сервиса сервера в лаборатории. Синхронизация и анализ совместных данных проводился по данным высокоточного таймера компьютера сервера, так как роботы не имели на борту часов реального времени. Дополнительно на прототипе робота был размещен двухстрочный индикатор для быстрой визуальной оценки, настройки и установки начальных параметров экспериментов $($рис. 1$)$. Для задач мониторинга в системах “Умный дом” отрабатывались типовые сценарии: перемещение, замер характеристик, передача данных на сервер, получение нового задания от сервера и так по циклу с передачей в режиме реального времени пакетов о состоянии работы системы управления роботом. При этом интернет-робот дополнительно взаимодействовал с сервисами Сети запрашивая интеллектуальную составляющую для систем “Умный дом” – чтение простых данных о погоде, давлении, температуре для лабораторного помещения $($POST/GET запросы к веб-сервису вне лаборатории, порталу-агрегатору метеоданных http://openweathermap.org/$)$.

Прототип малогабаритного мобильного интернет-робота

Рисунок 1 – Прототип малогабаритного мобильного интернет-робота

2 Описание прототипа системы управления интернет-роботом

За основу аппаратной платформы системы управления верхнего уровня взята SoC ES8266, которая спроектированная как раз для малогабаритных встраиваемых систем. Она облегчает интеграцию интернет-робота в систему “Умный дом” построенную на Wi-Fi сетях $($рис. 2$)$.

Прототип малогабаритного мобильного интернет-робота

Рисунок 2 – SoC ES8266 со встроенной антенной установлена на монтажной плате

SoC ES8266 включает в себя все необходимые аппаратные блоки для работы системы управления роботом $($блок-схема модуля представлена на рис. 3$)$

Блок-схема SoC ES8266

Рисунок 3 – Блок-схема SoC ES8266

Следующий ряд технических характеристик чипа для нас является существенным:
  • работа с WI-FI сетями стандарта 802.11 b/g/n с поддержкой шифрования WEP, WPA, WPA2;
  • напряжение питания 3.0 ... 3.6 В;
  • потребляемый ток: <10uA в режиме ожидания;
  • внешняя подключаемая память flash память до 16 мб;
  • сохранение работоспособности при температурах то -40 до +125 градусов Цельсия.

В качестве платы системы управления нижнего уровня движением и работой датчиков робота выбрана разработанная авторами плата $[5]$. С ней SoC производит обмен данными по COM-порту на скорости 57600 бод $($рис. 4$)$.

Плата системы управления нижнего уровня

Рисунок 4 – Плата системы управления нижнего уровня

3 Конфигурация сетевой инфраструктуры

Сетевое окружение настроено так, чтобы предоставить интернет-роботу защищенный паролируемый доступ к сети Internet по протоколам WPA2 с использованием 256 битного AES шифрования. Точка доступа Zyxel Kinect Ultra, обеспечивающая качественную работу Wi-Fi, была подключена к высокоскоростному каналу сети BASNET Объединённого института проблем информатики НАН Беларуси, которая основывается на пятнадцати базовых сетевых узлах, связанных высокоскоростными оптоволоконными каналами общей протяженностью более 80 км, обеспечивающими передачу данных по сети со скоростью до 10 Гбит/сек. Общий пинг до провайдеров по маршрутам Минск-областные города Республики Беларусь при этом составил менее 10мс, по маршрутам Минск-города Российской Федерации от 80мс $($Смоленск$)$ до 740мс $($Петропавловск-Камчатский$)$.

Сервер управления роботом установлен в лаборатории и сконфигурирован на работу на отдельном выделенном статическом IPv4 адресе сети интернет. Транспортным протоколом управления интернет-роботом c сетью был выбран стандарт WebSocket, версия 13 $[6]$. Для обеспечения работы с роботом по протоколу WebSocket был открыт TCP порт сервера 60000 из верхнего диапазона портов. Сам обмен управляющими командами был программно реализован на базе классов QtWebSockets библиотеки Qt 5.7.0. При передаче команд использовался текстовый формат сообщений.

Веб-клиент для слежения пользователем за своими роботами, html страница, была сверстана на html5 с использованием языка Java Script с элементами UI, предлагаемыми библиотекой Bootstrap. Реализация протокола WebSocket в браузерах позволяет дополнительно обрабатывать ошибки при соединении.

Общий URL подключения робота и веб-клиента к серверу имеет вид ws://$[$IP$]$:$[$PORT$]$/

Менеджмент сообщений на стороне сервера основан на подписи пакетов ключем $($Sec-WebSocket-Key$)$ размером 16 байт в кодировке Base64.

4 Анализ результата работы прототипа системы управления интернет-робота

Прототип системы управления интернет-роботом в описанной выше конфигурации качественно отработал все задачи мониторинга для системы “Умный дом” $($рис. 5$)$.

Копия экрана рабочей программы по исследованию работы плоского двухзвенного манипулятора

Рисунок 5 – Работа робота в режиме мониторинга

Однако есть ряд выявленных особенностей и ограничений, требующих проведения дальнейших исследований и опытов:
  • сильная зависимость передачи команд роботу от величины пинга сети, которая приводит к тому, что, когда превышено время ожидания команды, нужно предусмотреть в управляющей программе переход робота к полностью автономной работе. В нашем случае это ведет к большому расходу памяти по накоплению всех данных замеров и отложенной передаче их серверу. Т. е. это задача подбора величины такта системы управления роботом и расчет максимально возможного времени автономной работы;
  • большая трата вычислительных ресурсов SoC робота на взаимодействие с интернет сервисами Сети. Так как все существующие сервисы сети не ориентированы на пользователя-робота, то есть потребность использования специального протокола обмена объектами с максимальной эффективностью, упаковывающей данные. Задача интеллектуальной передачи данных с использованием минимума ресурса сети;
  • несмотря на то, что данный способ управления через сеть Интернет был испробован всего лишь на трёх одновременно функционирующих прототипах мобильных роботов, стоит актуальная задача определения теоретического и практического максимально возможного числа роботов в группе.

Заключение

Исследована работа прототипа системы управления малогабаритным мобильным роботом, предназначенного для функционирования в задачах мониторинга местности, а также в системах «Умный дом». Проведенные натурные эксперименты показали, что создание интернет-роботов является возможным, и актуализировали проблемы, стоящие на пути их создания и совершенствования. Рассмотренная в статье технология управления мобильными роботами посредством протоколов сети Интернет в дальнейшем позволит роботам пользоваться сетевыми облачными веб-сервисами суперкомпьютерных центров Сети самостоятельно и/или под руководством оператора.

Работа выполнена при поддержке БРФФИ–ГФФИУ, договор №Ф15УК/А­048 «Разработка алгоритмов обработки, кодирования, анализа и передачи сенсорных данных для составления трёхмерных карт местности в задачах ориентирования мобильных роботов и беспилотных аппаратов» $($2015-2017 гг.$)$ и портала http://www.robotics.by $[7]$.

Список использованных источников