SIMULACION DE UN ENTORNO Y MEMORIA VIRTUAL PARA UNA PLATAFORMA KHEPERA. Leonardo Solaque Nelson D. Muñoz Nelson Londoño Ospina

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1 SIMULACION DE UN ENTORNO Y MEMORIA VIRTUAL PARA UNA PLATAFORMA KHEPERA Leonardo Solaque Nelson D. Muñoz Nelson Londoño Ospina GIRA 2 (Grupo de Investigación en Robótica y Areas Afines) Universidad de Antioquia Medellín, Colombia nlondono@udea.edu.co; nmunoz@quimbaya.udea.edu.co Resumen: Se presenta, en forma general, los resultados del diseño de un sistema que permite aumentar las prestaciones del Khepera, con lo cual es posible simular una memoria Virtual, ubicada en el PC, y mediante ella, ofrecer la posibilidad de emular la información sensorica y la capacidad de memoria del Sistema Central. Se presenta el algoritmo propuesto en LabVIEW y los resultados obtenidos. Keywords: Robot Architectures, Robot Moviles, Autonomous Mobile robots, MiniRobots 1. INTRODUCCION La plataforma KHEPERA es un intento por facilitar, a los investigadores, una herramienta de alta prestación, reducido tamaño y facilidad para programar en cualquier lenguaje. Con ella es posible que la investigación sobre temas relevantes en robótica móvil este al alcance de estudiantes y grupos de estudio con presupuestos reducidos. Este informe tiene como objetivo presentar los resultados obtenidos de un trabajo, con el robot Khepera, en el cual se utiliza la torre de expansión I/O para adicionar una Memoria Virtual (proveniente del PC) al Khepera. En otras palabras, se propuso suministrar, vía el puerto paralelo del PC, una información que amplia las prestaciones y posibilidades de control y ejecución de la plataforma Khepera. 2. HARDWARE DEL SISTEMA 2.1. El Microrobot Khepera El KHEPERA es un Micro-Robot que permite implementar aplicaciones en el campo de la robótica móvil y manipuladora. Su reducido tamaño le permite ser conectado a un PC y accionar en superficies restringidas Sistema Central Fig. 1. "Torre central del Khepera"

2 2 Consta de un microprocesador, que comanda todas las acciones del Robot, procesa la información sensoria y envía las ordenes a los motores, de acuerdo a un algoritmo de control o a las ordenes provenientes de un PC, al cual está comunicado vía RS232. Se encarga de procesar la información de las diferentes partes que conforman el Robot. Un esquema de conexión típico se ilustra en la fig._2 [KhSC,99]: mediante canales análogos de entrada (ADC) [I/O,95]. Fig. 4. Torre I/O del robot, permite expandir las prestaciones del Khepera. 3. ESTRUCTURA DEL SISTEMA Fig. 2. "Configuración típica de un sistema Khepera Fig 3. Posición de algunas partes del robot 1. LEDs. 2. Conector de línea serie. 3. Botón de Reset. 4. Jumper para seleccionar el modo de ejecución. 5. Sensores de proximidad Infrarrojos 6. Conector de baterías recargables. 7. Suiche de Encendido y Apagado de baterías. 8. Segundo botón de reset (cumple la misma función de 3). Adicionalmente, cuenta con dos ruedas, accionadas cada una por un motor DC y controlado mediante un PWM Torre I/O La Torre de I/O presentan las posibilidades de comunicar el Khepera con el mundo externo, mediante buses paralelos de ENTRADAS (IN) y SALIDAS (OUT), con los cuales es posible ordenarle al Khepera realizar labores utilizando 8 bits de lectura y 8 bits de escritura. Además, tiene la posibilidad de recibir información de sensores Como se insinuó anteriormente, la posibilidad de ampliar la memoria del Khepera mediante una Memoria Virtual se logra utilizando el puerto paralelo del PC (Datos / Direcciones) conectado a la torre de expansión I/O. El Khepera se comunica a su vez, con el PC, vía puerto serial mediante la interfaz propia del sistema (S RS232), con ello, interpreta la información captada por la torre I/O y retornada por el PC. El sistema se subdivide en 3 líneas de trabajo: Comunicación Serial: Encargado de ejecutar los algoritmos de control para el robot. Interfaz de Enlace: Independiza y acondiciona el hardware correspondiente a la interfaz entre el puerto paralelo y la torre de expansión I/O. Comunicación Paralelo: Algoritmo de simulación de Memoria Virtual procedente del PC. Cada línea de trabajo se describe a continuación en donde se incluye el respectivo montaje, los algoritmos implementados, las condiciones de funcionamiento, los pasos para su respectiva evaluación y los resultados obtenidos. Con la presentación detallada de cada propuesta, se establecen las bases fundamentales para proponer la implementacion de memorias físicas en trabajos futuros. 3.1 Sistemas de Comunicación Serial El sistema de comunicación serial tiene como objetivo crear los algoritmos de control para ejecutar labores especificas realizadas por el sistema Khepera, con el apoyo de los módulos suministrados por el fabricante en el lenguaje de programación LabVIEW. Dichos algoritmos son los encargados de leer la información disponible, en la entrada del puerto conectado la torre de expansión I/O, ejecutar la tarea

3 3 solicitada, de 256 posibles (8 bit de entrada al puerto). Utilizando los 4 bits disponibles para escribir en el puerto de salida, decide que posición virtual de la memoria se desea leer. Así, se completa el ciclo de funcionamiento de una memoria física. Además, apoyados en los bits de lectura escritura de la torre de expansión I/O, se logra tener el control para esperar, a discreción, la ejecución de una tarea definida por una posición de memoria predeterminada. Esto permite tener un control completo de ejecución de tareas, continuas o no. Se puede decir que el sistema de comunicación serie, trabaja sincronizado con el sistema de comunicación paralelo, de tal forma que trabaja en ocasiones como maestro y en otras, como esclavo Descripción del algoritmo: El sistema de comunicación serial, se describe en términos generales, partiendo del diagrama de flujo (Diagrama1). La fig. 5 ilustra el algoritmo implementado en LabVIEW. Como se observa, en primera instancia se realiza la configuración del puerto serial y así dejar a punto la vía de comunicación del sistema Khepera con la información de tareas a desarrollar; en otras palabras, permite inicializar la comunicación con el Khepera. A continuación, se definen variables y las condiciones de inicio que corresponden a los valores que por defecto deben tener los puertos en el momento de ejecutar el algoritmo. Con los valores asignados se garantiza que la torre I/O arranque en la posición cero (0) de la memoria virtual. Seguidamente se implementa el retardo (fig. 6) INICIO Configuración del puerto serial Definición de constantes Definición de variables Inicialización puerto de torre I/O Delay (Retardo) Lectura puerto de entrada Torre de expansión I/O Escoger tarea de acuerdo A la lectura anterior Realización de la tarea seleccionada, periodo de inactividad del algoritmo Colocar en puerto de entrada de la torre, posición de memoria a leer en siguiente iteración. Bit de escritura de la torre habilita lectura de la siguient e posición de memoria virtual Diagrama 1. Algoritmo Comunicación serie Fig. 5. Algoritmo implementado en LabVIEW. En el paso siguiente, de acuerdo al diagrama propuesto, se implementa la lectura del puerto de entradas digitales de la torre I/O, que corresponde a la información colocada por el algoritmo de comunicación paralelo; con esta información, se escoge la tarea que debe ejecutar el robot. Fig. 6. Inicialización de variables. En este momento, el robot entra en una rutina (tarea) que involucra un periodo de tiempo de inactividad del algoritmo (fig. 7); ello significa que no se autoriza ejecución de otra rutina (tarea) hasta tanto la actual termine.

4 4 Con el diseño de la interfaz de enlace, se pretende garantizar la protección de los dispositivos vinculados en el proyecto, pues se hizo necesario acondicionar los voltajes de la fuente de alimentación del Khepera y del PC. El hecho de manejar fuentes independientes hace necesario garantizar referencias comunes o independizar las señales. Fig. 7. Elección de la tarea a ejecutar el robot Fig. 8. Ciclo Mientras del algoritmo principal. Por lo anterior, se implementaron: 13 optoacopladores para proteger el puerto paralelo del PC: 5 para entrada de datos al PC (Leer); 8 salida de datos del PC (Escribir) 3 optoacopladores para la torre de expansión I/O, cuyo objetivo es proteger sus puertos de salida, tales como: transistor de potencia; dos salidas para control del motor DC. Potenciometros a los canales analógicos, con los cuales se simulan entradas virtuales a dichos canales de la torre. Con ello se suministra un voltaje variable, de 0-5 voltios, que simula entradas sensoriales. Motor DC, que permitió observar algunos comandos de control enviados vía serie o paralelo. 3.4 Esquema básico de la interfaz Con el fin de ilustrar el funcionamiento del circuito interfaz de enlace, se presenta a continuación el esquema correspondiente implementado para cada una de las entradas - salidas utilizadas: Fig. 9. Panel frontal del programa Serie. En el instante de finalización de la rutina, se coloca el bit de escritura de la torre en alto (H) y así, el programa paralelo lo interpreta como un habilitador para colocar en el puerto de entrada de la torre I/O, la siguiente tarea. El programa continua en dicho ciclo Mientras (fig. 8), hasta que desde el panel frontal del programa paralelo se decida cambiar de labor. (fig. 9) 3.3 Sistema interfaz de enlace Fig. 10. Esquema básico de la interfaz Como se observa, este montaje permite transmitir la señal de un sistema, con fuente de alimentación propia del generador de pulso, a otro sistema cuya fuente sea diferente (inclusive a diferente potencial referencia). 3.5 Sistema de comunicación paralela En esta etapa, el objetivo fundamental se centró en los algoritmos necesarios para el control del puerto

5 5 paralelo del PC. Dichos algoritmos se relacionan con los algoritmos de comunicación serie mediante la interfaz descrita anteriormente en configuración maestro o esclavo. almacena (tarea) en el puerto de salida paralelo (fig. 13), el cual, mediante la interfaz llega a la torre de expansión I/O del sistema Khepera Para la implementación del sistema de comunicación paralela, también se utilizó el algoritmo en LabVIEW. El objetivo fundamental de la comunicación paralela, radica en colocar una tarea en la torre y esperar que labor se selecciona desde el panel frontal. Con el dato o instrucción obtenido de la lectura anterior, el sistema coloca el código que le corresponde, 8 bits de salida, que es leído en la torre vía la interfaz descrita anteriormente. La memoria virtual generada interactua dinámicamente con el sistema Khepera y éste a su vez es controlado por los algoritmos cargados mediante la comunicación serial. Figura 11. Configuración del puerto paralelo 3.6 Descripción del algoritmo: El diagrama de flujo siguiente, ilustra el algoritmo de comunicación paralela: INICIO - Configuración del puerto paralelo - Definición e inicialización de Variables y constantes Leer posición de memoria correspondiente Fig. 12. Definición de parámetros. Enviar dato al puerto paralelo TAREA Bit de actualización Bit escritura de torre Diagrama 2. Algoritmo Comunicación paralela Como se observa en el diagrama, se inicia la configuración del puerto paralelo para enlazarlo con la torre (fig. 11). Se definen variables y constantes, y se lee la posición de memoria correspondiente (fig. 12). Con la posición obtenida, se coloca el dato que Fig. 13. Coloca el dato en el puerto.

6 6 A su vez, el programa serial lee la información anterior para completar el ciclo. Por ultimo, se consulta por el estado del bit de escritura de la torre que regula la ejecución de una sola tarea a la vez (fig. 14). Con la descripción de los algoritmos serie y paralelo, se pretende suministrar la información necesaria y suficiente para que sean ejecutados en el momento que sea necesario. Una de las anotaciones y observaciones más relevantes de este estudio, es que, la torre de expansión de propósitos generales (I/O) es la puerta a futuras ampliaciones para el sistema Khepera y es el canal por el cual se pueden desarrollar aplicaciones mas completas en el área de la navegación, la posibilidad de implementar, otros sensores tales como temperatura, humedad, proximidad y seguimiento, intensidad luminica, etc.. De otro lado, las experiencias adquiridas abre la posibilidad de ampliar las aplicaciones de trabajo para interactuar mas dinámicamente. Un ejemplo de aplicación a mediano plazo se esta implementando y consiste en vincular el Khepera a un vehículo móvil (nodriza) que sirva de medio de transporte al Khepera en condiciones de baja potencia. Fig. 14. Estado del bit de escritura Toda la información y control anterior puede visualizarce en el panel frontal del programa paralelo, fig. 15. Todo un abanico de posibles actividades se avizoran con base en esta experiencia introductoria, permitiendo un estudio mas profundo de los sistemas de control de robots móviles que servirá como antesala de proyectos futuros. BIBLIOGRAFIA [KhSC,99]: Khepera-User Manual, versión 5.0. K-Team S.A., 1998 [LabView,5]: LABVIEW evaluation package manual, version 5, National Instruments [KhTI/O,99]: Khepera General I/O Turret User Manual, K-Team S.A., Fig. 15. Panel frontal del programa Paralelo [KhTVK213,99]: Khepera K213 Visión Turret User Manual, K-Team S.A., ANALISIS Y COMENTARIOS FINALES Con esta propuesta, se ofrece un horizonte muy interesante para ampliar las posibilidades originales del robot Khepera y proponer algoritmos de control mas elaborados, con posibilidades de Entornos Virtuales y garantizando estrategias más acordes con las necesidades reales de un sistema de locomoción autónomo.