УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО МОДУЛЬНОГО РЕКОНФИГУРИРУЕМОГО РОБОТА
SMART MODULAR RECONFIGURABLE ROBOT CONTROL DEVICE

Изобретение относится к области робототехники и может быть использовано в различных областях науки и промышленности при создании модульных роботов, в том числе, обладающих возможностью реконфигурации.
Из существующего уровня техники известны устройства управления интеллектуального модульного реконфигурируемого робота с централизованным управлением, которые включают в себя глобальные системы информационного обмена [Mark Yim et al. Modular self-reconfigurable robots / Encyclopedia of complexity and systems science. - Springer New York, 2009. - pp. 5618-5631; Alberto Brunete et al. Current trends in reconfigurable modular robots design / International Journal of Advanced Robotic Systems, 2017, V.14, N.3, pp. 1-21]. Такие устройства представляют собой совокупность соединенных между собой унифицированных модулей, включающих в себя микропроцессорную систему управления, объединенных при помощи проводных шин на базе CAN, Ethernet, а также беспроводных систем связи. Один из модулей, входящих в состав устройства управления интеллектуального модульного реконфигурируемого робота с централизованным управлением, являющийся ведущим, обеспечивает принятие решений, формирование общего закона управления и координацию других модулей в составе устройства.
Недостатком таких устройств является низкая отказоустойчивость, связанная с невозможностью организации управления при отказе ведущего модуля, а также отсутствие возможности определения конфигурации взаимного соединения модулей робота между собой по данными системы информационного обмена.
Предлагаемое изобретение направлено на решение технической задачи по устранению указанных недостатков.
Достигаемый при этом технический результат заключается в обеспечении возможности организации управления при отказе одного ведущего модуля интеллектуального управления, входящего в состав устройства, а также в обеспечении возможности определения конфигурации взаимного соединения модулей робота между собой по данными системы информационного обмена.
Технический результат достигается тем, что устройство управления интеллектуального модульного реконфигурируемого робота представляет собой совокупность соединенных между собой унифицированных модулей, каждый из которых включает в себя программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), на базе которой реализованы ведомое устройство сети Ethernet POWERLINK, коммутатор сети Ethernet POWERLINK с блоком измерения межпакетных интервалов, блок обработки датчиков и регуляторов исполнительного уровня, при этом к указанной ПЛИС подключены блок согласования физических уровней датчиков и исполнительных устройств, блок электропитания, а также от 3 до 5 интерфейсов физического уровня Ethernet, к одному из которых подключается модуль интеллектуального управления на базе одноплатного встраиваемого компьютера, а другие используются для объединения указанных модулей между собой.
Указанные признаки изобретения являются существенными и совокупность этих признаков достаточна для получения требуемого технического результата.
Изобретение поясняется следующим чертежом.
На фиг. 1 показана блок-схема заявляемого устройства. Оно содержит программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) 1; блоки согласования физических уровней датчиков и исполнительных устройств 2; блоки электропитания 3; интерфейсы физического уровня Ethernet 4; модули интеллектуального управления на базе одноплатного встраиваемого компьютера 5; ведомые устройства сети Ethernet POWERLINK 6; коммутаторы сети Ethernet POWERLINK с блоком измерения межпакетных интервалов 7; блоки обработки датчиков и регуляторов исполнительного уровня 8.
Работает устройство следующим образом. Устройство управления интеллектуального модульного реконфигурируемого робота представляет из себя совокупность соединенных между собой унифицированных модулей. Каждый модуль включает в себя ПЛИС 1, к которой подключено от 3 до 5 интерфейсов физического уровня Ethernet 4. К одному из интерфейсов физического уровня Ethernet 4 подключен модуль интеллектуального управления на базе одноплатного встраиваемого компьютера 5, остальные используются для объединения указанных модулей между собой. ПЛИС 1 используется для аппаратной реализации ведомого устройства сети Ethernet POWERLINK 6 (согласно стандарту IEEE 61158), коммутатора сети Ethernet POWERLINK с блоком измерения межпакетных интервалов 7, блоков обработки датчиков и регуляторов исполнительного уровня 8. Для согласования типов и уровней сигналов входов/выходов ПЛИС 1 с датчиками и исполнительными устройствами используется блок согласования физических уровней датчиков и исполнительных устройств 2, который включает в себя аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, усилители мощности, а также буферы. Для обеспечения электропитания всех элементов отдельного модуля, а также согласования систем электропитания соседних модулей используется блок электропитания 3, который также управляется от ПЛИС 1. Модуль интеллектуального управления на базе одноплатного встраиваемого компьютера 5 используется для реализации ведущего резервированного устройства Ethernet POWERLINK (согласно стандарту ESPG DSP302-A), обработки данных, формирования общего закона управления для модульного реконфигурируемого робота и координации согласованной работы всех остальных модулей. Модуль интеллектуального управления на базе одноплатного встраиваемого компьютера 5 может находиться в пассивном или активном режимах. Модули интеллектуального управления на базе одноплатного встраиваемого компьютера 5, находящиеся в пассивном режиме, осуществляют контроль корректности сигналов управления, поступающих от модуля интеллектуального управления на базе одноплатного встраиваемого компьютера 5, находящегося в активном режиме. Одновременно только один из модулей интеллектуального управления на базе одноплатного встраиваемого компьютера 5 может находится в активном режиме. Модуль интеллектуального управления на базе одноплатного встраиваемого компьютера 5 переходит в активный режим при переходе в активный режим реализованного на его базе ведущего резервированного устройства Ethernet POWERLINK. Модуль интеллектуального управления на базе одноплатного встраиваемого компьютера 5 переходит в пассивный режим при переходе в режим ожидания реализованного на его базе ведущего резервированного устройства Ethernet POWERLINK. Переходы между режимами ведущего резервированного устройства Ethernet POWERLINK, реализованного на базе модуля интеллектуального управления на базе одноплатного встраиваемого компьютера 5, осуществляются согласно стандарту ESPG DSP302-A. В процессе штатного функционирования ПЛИС 1 всех модулей при помощи реализованных на их базе ведомых устройств Ethernet POWERLINK 6 передают показания датчиков, подключенных к блокам согласования физических уровней датчиков и исполнительных устройств 2, а также принимают настройки и уставки для блоков обработки датчиков и регуляторов исполнительного уровня 8. Модуль интеллектуального управления на базе одноплатного встраиваемого компьютера 5, находящийся в активном режиме при помощи реализованного на его базе ведущего устройства Ethernet POWERLINK, принимает показания датчиков, на основе которых обеспечивает принятие решений о целесообразных действиях робота, формирует общий закон управления и передает по сети Ethernet POWERLINK уставки на регуляторы исполнительного уровня отдельных модулей, обеспечивая тем самым их координацию в составе изобретения. В случае отказе модуля интеллектуального управления на базе одноплатного встраиваемого компьютера 5, находящегося в активном режиме, или потери с ним связи других модулей изобретения, согласно стандарту ESPG DSP302-A произойдет переключение одного из ведущих устройств Ethernet POWERLINK других модулей интеллектуального управления на базе одноплатного встраиваемого компьютера 5, находящегося в режиме ожидания в активный режим, что приведет к переходу соответствующего модуля интеллектуального управления на базе одноплатного встраиваемого компьютера 5 в активный режим, позволив сохранить возможность управления работоспособными модулями. В процессе штатного функционирования каждый коммутатор Ethernet POWERLINK с блоком измерения межпакетных интервалов 7, реализованный при помощи ПЛИС 1, производит измерение задержки между ретрансляцией исходящего пакета PollRequest (согласно стандарту IEEE 61158) и входящим пакетом PollResponse (согласно стандарту IEEE 61158) для одного и того же устройства Ethernet POWERLINK. Если данная задержка составляет менее 3 мкс, то считается, что модуль, ведущему устройству Ethernet POWERLINK которого были адресованы пакеты PollRequest, PollResponse для которых производилось измерение, подключен непосредственно к модулю, производившему измерения. Информация о модулях, непосредственно подключенных к каждому из унифицированных модулей изобретения, отправляется модулю интеллектуального управления на базе одноплатного встраиваемого компьютера 5, находящемуся в активном режиме, тем самым обеспечивая возможность определения конфигурации взаимного соединения модулей робота между собой по данным системы информационного обмена. Коммутатор сети Ethernet POWERLINK с блоком измерения межпакетных интервалов 7, реализованный на ПЛИС 1, осуществляет ретрансляцию пакетов между всеми интерфейсами физического уровня Ethernet 4 каждого унифицированного модуля изобретения, а также измерение времени между ретранслируемыми пакетами PollRequest и PollResponse, предназначенными для одного устройства Ethernet POWERLINK. Если пакет приходит на коммутатор сети Ethernet POWERLINK с блоком измерения межпакетных интервалов 7 в момент ретрансляции другого пакета, то он игнорируется, и никакая его часть не подлежит ретрансляции. Если пакеты приходят на коммутатор Ethernet POWERLINK с блоком измерения межпакетных интервалов 7 одновременно по нескольким интерфейсам физического уровня Ethernet 4, то ретранслируется пакет, имеющий меньший порядковый номер принимающего интерфейса.
Работоспособность предлагаемого изобретения была проверена на макете, который наглядно продемонстрировал получение требуемого технического результата. Предложенное устройство было реализовано при помощи модулей, включающих в себя ПЛИС Altera EP4CE22F17C6N, работающих с тактовой частотой 50 МГц, и интерфейсы физического уровня Ethernet на базе микросхемы Microchip LAN8720. В ходе тестирования макета было проведено отключение ведущего модуля интеллектуального управления на базе одноплатного компьютера в процессе работы, а также перекоммутация нескольких модулей, входящих в состав изобретения. Результаты тестирования показали, что изобретение сохраняет возможность управления при отключении одного ведущего устройства, а также обеспечивает возможность автоматического определения конфигурации взаимного соединения модулей робота между собой после перекоммутации по данными системы информационного обмена, что говорит о достижении заявленного технического результата.