Метод информационного взаимодействия для систем распределённого управления в роботах с модульной архитектурой

В статье приведено решение проблемы информационного взаимодействия между встраиваемыми вычислительными устройствами при реализации распределённого управления в информационно-измерительной и управляющей системе (ИИУС) роботов с модульной архитектурой. Распределённое управление реализуется за счёт проектирования каждого модуля как устройства со своей собственной ИИУС, содержащей все необходимые для выполнения своего функционала компоненты, включая вычислительные устройства. Вследствие такой функциональной завершенности модулей происходит распараллеливание вычислительного процесса функционирования робота как единой мехатронной системы. В результате существенно снижаются требования к мощности вычислительных устройств ИИУС модулей, в качестве которых оказывается возможным использовать недорогие микроконтроллеры и одноплатные ЭВМ — встраиваемые вычислительные устройства.
Предложена сетевая организация структуры ИИУС робота, что позволило перенести свойство реконфигурируемости сети на структуру модульного робота. Анализ различных топологий сети показал, что топология типа «звезда» имеет ряд преимуществ по сравнению с топологией типа «шина» для применения в гетерогенных модульных роботах.
Показано, что использование Robot Operating System (ROS) для реализации информационного взаимодействия между встраиваемыми вычислительными устройствами либо невозможно, либо существенно затруднено. Предложена спецификация, предназначенная для создания соответствующих программных интерфейсов и языка межмодульного взаимодействия, обеспечивающих включение модулей сторонних производителей в режиме «plug and play». Спецификация основана на принципах ROS, но позволяет реализовать ПО на встраиваемых вычислительных устройствах. На основе многокритериальной оптимизации по Парето получены рекомендации для выбора соответствующих аппаратно-программных средств.
Работоспособность предложенного решения была доказана в ходе экспериментов на установке, состав которой приближен к условиям работы ИИУС гетерогенного модульного робота. Эксперименты показали, что совместная работа программной и аппаратной частей удовлетворяет всем обозначенным требованиям и применима для передачи сообщений исполнительного уровня с частотой до 100 Гц при любой нагрузке на сеть.