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24/03/2006 SEMINARIO HISPABOT'2006 1

“Seminario de Diseño y Construcción de Micro-robots”

Diseño del Software.Fco Javier Rodríguez

SEMINARIO DISEÑOSEMINARIO DISEÑO ROBOTS’2006: Diseño del SoftwareROBOTS’2006: Diseño del Software


ÍNDICE DE LA PRESENTACIÓN.ÍNDICE DE LA PRESENTACIÓN.

• INTRODUCCIÓN

• PLATAFORMAS HARDWARE

•¿CÓMO COMBINAR LA INFORMACIÓN SENSORIAL?

• SUPERPOSICIÓN DE COMPORTAMIENTOS.

• UN EJEMPLO.

• SISTEMAS DE TIEMPO REAL.

• REDES DE PETRI.

• CONCLUSIONES.


INTRODUCCIÓN.INTRODUCCIÓN.

• Punto de partida:– El microbot tiene que:

• seguir una línea (rastreadores, velocistas), localizar a su contrario y expulsarlo (sumo), etc.

– Restricciones:• Temporales : el microbot tiene que ser el más rápido.• Coste: debe tener un coste asequible.• Fiabilidad• Consumo.

• Para conseguir el objetivo se dispone de:– Información sensorial. – Plataformas hardware de procesado.– Algoritmos.– Metodologías de programación.



• INTRODUCCIÓN

• PLATAFORMAS HARDWAREPLATAFORMAS HARDWARE



• UN EJEMPLO.


• REDES DE PETRI.

• CONCLUSIONES.


PLATAFORMAS DE PROCESADO.PLATAFORMAS DE PROCESADO.

• ¿Qué debe tener la plataforma?


PLATAFORMA HARDWARE: CRITERIOS DE ELECCIÓN.PLATAFORMA HARDWARE: CRITERIOS DE ELECCIÓN.

• Prestaciones.• Disponibilidad.• Documentación.• Herramientas de desarrollo:

– ¿Cuántas?• Ensamblador y compilador.• Simuladores, monitores y emuladores.

– ¿A qué precio?


PLATAFORMA HARDWARE: EJEMPLOS.PLATAFORMA HARDWARE: EJEMPLOS.

• Handy-Board.– HC11.– Para pequeños robots.– 32kBytes RAM.– Control de motores.– Multitarea.– C interactivo.– Pcbug.



• Tarjeta EVA2.– HC11.– 32 kB RAM– Puerto serie.– Control de motores.

Figura 6. Aplicación basada en la familia de microcontroladoresMC68HC11.

Figura 6. Aplicación basada en la familia de microcontroladoresMC68HC11.



• EYE-BOT.– 68332.– 1MB RAM.– 512k código.– Para robots con más

inteligentes.– BDM.



• INTRODUCCIÓN


••¿CÓMO COMBINAR LA INFORMACIÓN SENSORIAL?¿CÓMO COMBINAR LA INFORMACIÓN SENSORIAL?


• UN EJEMPLO.


• REDES DE PETRI.

• CONCLUSIONES.


¿CÓMO COMBINAR LA INFORMACIÓN SENSORIAL?¿CÓMO COMBINAR LA INFORMACIÓN SENSORIAL?

• Objetivo: – A partir de la información sensorial, generar las

señales de actuación que muevan al robot adecuadamente.

• Enfoques:– Fusión sensorial.– Fusión de comportamientos.


FUSIÓN SENSORIAL.FUSIÓN SENSORIAL.

ENTRADASSENSORIALES

INTERPRE-TACIÓN

MODELODEL

ENTORNO

PLANIFI-CACIÓN

EJECU-CIÓN

SALIDA A LOS ACTUADORES

• MUCHA CAPACIDAD DE PROCESO Y MEMORIA.• EL MODELO DEL ENTORNO SUELE SER RÍGIDO.• MODELO SECUENCIAL. • PROBLEMAS EN ENTORNOS CAMBIANTES.


FUSIÓN DE COMPORTAMIENTOS.FUSIÓN DE COMPORTAMIENTOS.

– Se establecen distintos comportamientos ante distintas situaciones.

– Todos los comportamientos están activos al mismo tiempo, generando salidas a los actuadores.

– Una tarea de arbitraje decide qué señales llegan a los sensores.

– No es necesario un modelo preciso del entorno.– Es modular y ampliable fácilmente.



• INTRODUCCIÓN



• SUPERPOSICIÓN DE COMPORTAMIENTOS.SUPERPOSICIÓN DE COMPORTAMIENTOS.

• UN EJEMPLO.


• REDES DE PETRI.

• CONCLUSIONES.



– Ejemplo para un microbot con:• Anillo de ultrasonidos.• Detector de infrarrojos.• Detector de nivel bajo de batería.

– Un posible funcionamiento:• Tarea para evitar obstáculos: evitar• Tarea para guiar al robot al banco de recarga cuando

las baterías están bajas: recargar.



NIVEL DE BATERÍA

DETECTORIR

ULTRA-SONIDOS

RECARGAR

EVITAR MOTORESS

000000ADAA

IDI00IDDID IDI00IADAA


FUSIÓN DE COMPORTAMIENTOS: IMPLEMENTACIÓN.FUSIÓN DE COMPORTAMIENTOS: IMPLEMENTACIÓN.

– Los comportamientos deben ejecutarse concurrentemente.

– Cada comportamiento es una tarea.– Debe comprobarse que es posible atender todas las

tareas: planificabilidad del sistema.– Cada tarea se planifica mediante una herramienta

adecuada: • Máquina de estados. • Red de Petri.

– Las tareas planificadas se traducen a código:• C + Sistema operativo en tiempo real.• Lenguaje de programación concurrente: Java, ADA, etc.



• INTRODUCCIÓN




• UN EJEMPLO.UN EJEMPLO.


• REDES DE PETRI.

• CONCLUSIONES.


FUSIÓN DE COMPORTAMIENTOS: EJEMPLO.FUSIÓN DE COMPORTAMIENTOS: EJEMPLO.

– Robot que se mueve hacia delante, cuando encuentra una fuente de luz la sigue. Si aparecen obstáculos (detectados por IR) los evita. Si, no obstante, choca contra algún objeto, unos sensores de contacto le permiten detectarlo para iniciar una secuencia de escape.



DETECTORESDE

CONTACTO

DETECTORIR

CÉLULASFOTOECAS.

EVITAR

SEGUIR S

ESCAPE

MOTORESSADELANTE

S



MÁQUINA DE ESTADOS PARA LA TAREA DE ESCAPE.

ESPERAR

ATRÁS

IZDADCHA

IMP. IZDA

IMP. FRONTAL

IMP. DCHA

TIMEOUT3

TIMEOUT1 TIMEOUT2



PSEUDO CÓDIGO DE LA TAREA DE ESCAPE:

ESTADO 1:if choque=NO

volverelse if choque=IZDA

Saltar a estado 2else if choque=RIGHT

Saltar a estado 4else Saltar a estado 3

ESTADO2:if tiempo en este estado> timeout1

Saltar a estado 1else

comandos motor=girar dcha.Volver.

........


FUSIÓN DE COMPORTAMIENTOS: EJEMPLOFUSIÓN DE COMPORTAMIENTOS: EJEMPLO

void main(){

start_process (motores());start_process (adelante());start_process (seguir());start_process (evitar());start_process (escape());start_process (arbitrar());

}

void arbitrar(){ while(1){ if flag_adelante

entrada_motor=comando_adelante;if flag_seguir

entrada_motor=comando_seguir;if flag_evitar

entrada_motor=comando_evitar;......

Sleep(tick)}

int comando_adelante;int flag_adelante;void adelante(){

while(1){comando_adelante=ADEL;flag_adelante=1;}

}


FUSIÓN DE COMPORTAMIENTOS: EJEMPLOFUSIÓN DE COMPORTAMIENTOS: EJEMPLO



• INTRODUCCIÓN




• UN EJEMPLO..

• SISTEMAS DE TIEMPO REAL.SISTEMAS DE TIEMPO REAL.

• REDES DE PETRI.

• CONCLUSIONES.


SISTEMASSISTEMAS DE TIEMPO REAL.DE TIEMPO REAL.

• ¿Qué es un sistema de tiempo real?– Debe cumplir ciertas restricciones de tiempo, es decir

debe ser predecible.– Deben ser fiables y seguros.– Pueden ser críticos o no.


SISTEMAS DE TIEMPO REALSISTEMAS DE TIEMPO REAL

• Proceso de diseño:– Identificar estímulos y respuestas asociadas– Definir las limitaciones de tiempo asociadas

con cada estímulo y respuesta– Diseño de algoritmos para el procesamiento de

estímulos y generación de respuestas– Diseño de una planificación del sistema que

garantice que las tareas sean completados a tiempo conociendo sus plazos de respuesta.



• Los sistemas de tiempo real deben atender, a tiempo, un conjunto de tareas.– Periódicas, aperiódicas o esporádicas, urgentes o no urgentes, etc.

• Los aspectos temporales de la tareas son:Instante de activación Límite (Deadline)

Inicio Fin

Tiempo de respuesta

Plazo máximo de respuesta



• Concurrencia (atender varios eventos en paralelo):

– Tareas independientes implementadas en:• Lenguajes concurrentes (ADA, Java, etc.)• Lenguaje C + SOTR.

– Debe garantizarse la atención de todas las tareas a tiempo. Para ello:

• Técnicas de planificación de tareas con asignación de prioridades.


SISTEMAS DE TIEMPO REAL.SISTEMAS DE TIEMPO REAL.


SISTEMASSISTEMAS DE TIEMPO REAL: planificación con prioridades fijas.DE TIEMPO REAL: planificación con prioridades fijas.


SISTEMAS DE TIEMPOSISTEMAS DE TIEMPO REALREAL

• Componentes de un SOTR.– Reloj de tiempo real

• Provee información para la planificaciónde procesos (processscheduling).

– Manejador de interrupciones• Controla las peticiones de servicios aperiódicos.

– Scheduler (Planificador)• Selecciona el próximo proceso a ejecución.

– Administrador de recursos• Asigna recursos de memoria y procesador a las tareas.

– Despachador• Inicia la ejecución de procesos.

– Primitivas para la creación, comunicación y sincronización de tareas.



• INTRODUCCIÓN




• UN EJEMPLO.


• REDES DE PETRI.REDES DE PETRI.

• CONCLUSIONES.


REDES DE PETRI.REDES DE PETRI.

• Una forma de modelar sistemas de tiempo real son las Redes de Petri.

2 2

3

2 2

3


REDES DE PETRI: Ejemplo.REDES DE PETRI: Ejemplo.

P1

Enviar mensaje

Esperar ACK

Enviar Ack

Recibir mensaje

P2



P1 P2


REDES DE PETRI: REDES DE PETRI: EjemploEjemplo 22

Produce

Consume

Buffer



Produce

Consume

Buffer


REDES DE PETRI: Implementación.REDES DE PETRI: Implementación.

• INTERPRETADA:– La estructura de la RdP y su marcado se

codifican en estructuras de datos de las cuales uno o varios programas extraen la información para hacer evolucionar la RdP.

• COMPILADA:– Se generan uno o varios programas cuyos flujos

de control reproducen el comportamiento de la RdP



• Existen varias vías para la implementación:– Interpretada o compilada.– Exhaustiva o dirigida por el marcado.– Síncrona o asíncrona.– Secuencial o en paralelo,– Centralizada o descentralizada (uno o varios

procesos hacen avanzar la red).– Etc.



p23

p1 t1

t2

p3

t01

p0

2

2

char C [][] = {{-1, 0, 1},{ 1, 0,-1},{ 2,-1, 0},{ 0, 1,-2}} ;

BOOLEAN Sensibilizada (unsigned char T) {

BOOLEAN Sensib = TRUE ;int P ;

for (P=0; P<NUMLUG; P++) {if (C[P][T] < 0) {if (M[P] < - C[P][T])Sensib = FALSE ;

}}return Sensib ;

}

void Actualiza_Marcado (MARCADO M, unsigned char T) {

for (P=0; P<NUMLUG; P++) {M[P] += C[P][T] ;

}}



#define NUMLUG 4 #define NUMTRANS 3 ...unsigned char M[NUMLUG] = {1,0,0,0} ;unsigned char Sig_M[NUMLUG] = {1,0,0,0} ;

/*Estructura de datos que codifica la RdP */...

void main (void) {Inicializacion () ;while (TRUE) {memcpy (M, Sig_M, sizeof(M)) ;Generacion_Salidas (M) ;Lectura_Entradas (&MA, &MB, ...) ;for (T=1;T <= NUMTRANS; T++) {if (Sensibilizada (T)) {if (Condicion(T)) {Actualiza_Marcado();Accion (T) ;

}}

}}

}



• INTRODUCCIÓN




• UN EJEMPLO.


• REDES DE PETRI.

• CONCLUSIONES.CONCLUSIONES.


CONCLUSIONES.CONCLUSIONES.

• La plataforma ideal para un microbot: microcontrolador + módulos específicos.

• Elección del µC: precio, disponibilidad, conocimientos y herramientas de desarrollo.

• La mejor estrategia: varios comportamientos, cada uno de los cuales se corresponde con una tarea.

• Planificar las tareas.• Implementar con SOTR + compilador de C.• Modelar con Redes de Petri.

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