BREZŽIČNO KOMUNIKACIJSKO RAZVOJNO OKOLJE ZA ROBOTA ROBOSAPIEN

Transcription

1 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Mitja Gomboc BREZŽIČNO KOMUNIKACIJSKO RAZVOJNO OKOLJE ZA ROBOTA ROBOSAPIEN Diplomska naloga Maribor, junij 2007

2 I UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO 2000 Maribor, Smetanova ul. 17 Diplomska naloga univerzitetnega študijskega programa BREZŽIČNO KOMUNIKACIJSKO RAZVOJNO OKOLJE ZA ROBOTA ROBOSAPIEN Študent: Mitja GOMBOC Študijski program: univerzitetni, Elektrotehnika Smer: Elektronika Mentor: Komentor: doc. dr. Mitja SOLAR doc. dr. Iztok KRAMBERGER Maribor, junij 2007

3 II

4 III

5 IV ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Mitju Solarju in komentorju doc. dr. Iztoku Krambergerju za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomske naloge. Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij.

6 V BREZŽIČNO KOMUNIKACIJSKO RAZVOJNO OKOLJE ZA ROBOTA ROBOSAPIEN Ključne besede: elektronika, brezžične komunikacije, mobilne naprave, mikrokrmilniki, senzorji, vgrajeni sistemi UDK: : (043.2) Povzetek V diplomski nalogi je opisan razvoj brezžičnega komunikacijskega okolja za Robosapien. Ta razvoj zajema analizo obstoječe strojne opreme in načrtovanje nove ter primerjavo in uporabo različnih brezžičnih tehnologij za prenos podatkov. Za uporabo brezžičnih komunikacijskih omrežij smo analizirali različne vgrajene sisteme, ki omogočajo uporabo brezžičnih tehnologij WLAN in Bluetooth v1.1 ter omogočajo razvoj lastne programske opreme. Razvojno okolje nam nudi dostop do strojne opreme, tako lahko krmilimo elektromotorje in zaznavamo informacije od senzorjev ter ima možnosti za oddaljeno nadgradnjo programske opreme.

7 VI WIRELESS COMMUNICATION DEVELOPMENT ENVIRONMENT FOR ROBOT ROBOSAPIEN Key words: electronics, wireless communication, mobile devices, microcontrollers, sensors, embedded systems UDK: : (043.2) Abstract The work describes development of wireless communication environment for Robosapien. The development includes analysis of existing hardware and designing a new one. It also includes comparison and use of wireless technologies for data transmission. We used embedded system for wireless communication and software development. From set of wireless communication networks we selected WLAN and Bluetooth v1.1. The development environment offers access to hardware layer so we can control electro motors and acquire information from sensors and has possibilities for remote software upgrades.

8 VII KAZALO 1 UVOD PREGLED STANJA ZA POSAMEZNA PODROČJA Brezžične komunikacije in mobilne tehnologije Mikrokrmilniki, integrirana vezja in vgrajeni sistemi Roboti Programska razvojna okolja STROJNA OPREMA Analiza strojne opreme Načrtovanje strojne opreme Programiranje strojne opreme Vgrajeni sistemi PROGRAMSKA OPREMA Implementacija protokola za komunikacijo Program mikrokrmilnika Programiranje mikrokrmilnika preko osebnega računalnika Program za upravljanje in testiranje Program za vgrajeni sistem Uporabniški vmesnik na osebnem računalniku REZULTATI Protokol za komunikacijo Robocom Odzivni časi Uporaba brezžičnih omrežij Gibanje robota Robosapien... 56

9 VIII 6 SKLEP VIRI, LITERATURA PRILOGE... 69

10 IX SEZNAM SLIK Slika 1.1: Prenosne naprave in brezžična omrežja 1 Slika 1.2: Vgrajeni sistemi in integrirana vezja 2 Slika 1.3: Robosapien V2 3 Slika 2.1: Most med lokalnim omrežjem IEEE in Slika 2.2: Zgradba podatkovnega okvirja IEEE Slika 2.3: Načina delovanja brezžičnih lokalnih omrežij 9 Slika 2.4: Zgradba podatkovnega okvirja IEEE Slika 2.5: Razpršeno omrežje 11 Slika 2.6: Atmel AVR ATMega128 in dlančnik HP ipaq 13 Slika 2.7: Integrirano vezje Intinium Promi ESD01 14 Slika 2.8: Robosapien, Honda Asimo, Sony Aibo in Roomba 15 Slika 2.9: Razvojno okolje Microsoft Visual Studio Slika 2.10: Razvojno okolje HP Info Tech CodeVisionAVR 17 Slika 3.1: Robosapien 18 Slika 3.2: Premik rok navzgor in navzdol 19 Slika 3.3: Vgrajeni senzorji robota Robosapien V2 20 Slika 3.4: Lokacije senzorjev občutljivih na dotik 21 Slika 3.5: Model tiskanega vezja zgornja stran 22 Slika 3.6: Model tiskanega vezja spodnja stran 22 Slika 3.7: Tiskano vezje zgornja stran 23 Slika 3.8: Tiskano vezje za krmiljenje elektromotorjev 23 Slika 3.9: Shema vezja za Bluetooth modul 24 Slika 3.10: Shema vezaja za napetostni regulator 24 Slika 3.11: Shema vezja za programiranje 25 Slika 3.12: Shema vezja za ponovni zagon 25 Slika 3.13: Shema vezja za svetleče LED diode 25 Slika 3.14: Napetostni delilnik 26 Slika 3.15: Prenosna karakteristika napetostnega delilnika z analogno-digitalnim pretvornikom 26 Slika 3.16: Ojačevalnik za zvočnik 27

11 X Slika 3.17: Programator AVR ISP MKII 28 Slika 3.18: Dlančnik HP ipaq hx2970 EU 29 Slika 4.1: Sestava okvirja pri protokolu za komunikacijo RoboCOM in RoboUDP 31 Slika 4.2: Združevanje okvirja 31 Slika 4.3: Primer povezav med štirimi mikrokrmilniki 33 Slika 4.4: Funkcionalnost prvega mikrokrmilnika (MainApp1) 34 Slika 4.5: Funkcionalnost drugega mikrokrmilnika (MainApp2) 34 Slika 4.6: Blokovni diagram programa za prvi mikrokrmilnik (MainApp1) 35 Slika 4.7: Blokovni diagram programa za drugi mikrokrmilnik (MainApp2) 36 Slika 4.8: Zaslonska slika programa RoboMator 37 Slika 4.9: Zaslonska slika programa RoboTrol 39 Slika 4.10: Zaslonska slika programa za vgrajeni sistem RoboPaq 40 Slika 4.11: Funkcionalnost programa za vgrajeni sistem 41 Slika 4.12: Zaslonska slika uporabniškega vmesnika RoboStick 42 Slika 5.1: Potovanje paketa 44 Slika 5.2: Primer okvirja z vrednostmi 45 Slika 5.3: Zaslonska slika programa Wireshark v Slika 5.4: Graf odzivnih časov za dlančnik (podatki dolžine 10 zlogov) 47 Slika 5.5: Graf odzivnih časov za dlančnik (podatki dolžine 255 zlogov) 48 Slika 5.6: Graf odzivnih časov za prvi mikrokrmilnik (podatki dolžine 10 zlogov) 49 Slika 5.7: Graf odzivnih časov za prvi mikrokrmilnik (podatki dolžine 255 zlogov) 50 Slika 5.8: Graf odzivnih časov za drugi mikrokrmilnik (podatki dolžine 10 zlogov) 51 Slika 5.9: Graf odzivnih časov za drugi mikrokrmilnik (podatki dolžine 255 zlogov) 52 Slika 5.10: Slika 5.11: Primerjava povprečnih odzivnih časov za različne ciljne naslove in različne dolžine podatkov Primerjava povprečnih odzivnih časov za različne ciljne naslove in različne razdalje Bluetooth povezave Slika 5.12: Avtomat za hojo robota 57

12 XI SEZNAM TABEL Tabela 2.1: Različne tehnologije za standard IEEE Tabela 2.2: Bluetooth razredi 10 Tabela 3.1: Seznam elektromotorjev in njihov namen 19 Tabela 3.2: Bitne vrednosti za različne položaje 21 Tabela 4.1: Uporabljena programska oprema 30 Tabela 4.2: Skupine ukazov protokola za komunikacijo Robocom 32 Tabela 4.3: Ukazi posameznih skupin protokola za komunikacijo Robocom 32 Tabela 5.1: Naslovi naprav pri uporabi protokola za komunikacijo Robocom 44 Tabela 5.2: Povprečni odzivni časi za različne ciljne naslove in različne dolžine podatkov 53 Tabela 5.3: Veljavne vrednosti za premike in zasuke 56 Tabela 5.4: Tolerance za vrednosti analogno-digitalne pretvorbe 58

13 XII UPORABLJENE KRATICE LAN WLAN GSM UMTS GPRS USB IEEE WPAN ISM ZC ZR ZED WiHD IR FHSS DSSS OFDM HR-DSSS SSID BSS PAN AFH EDR lokalno omrežje (Local Area Newtork) brezžično lokalno omrežje (Wireless LAN) Standard za prenosno telefonijo (Global System for Mobile communications) Standard 3 generacije za prenosno telefonijo (Universal Mobile Telecommunications System) Standard za prenos podatkov za prenosno telefonijo (General Packet Radio Service) Univerzalni zaporedni vmesnik (Universal Serial Bus) Inštitut inženirjev elektrotehnike in elektronike (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Brezžična osebna omrežja (Wireless Personal Area Network) Industrijski, znanstveni in medicinski (Industrial, Scientific and Medical) ZigBee koordinator (ZigBee coordinator) ZigBee usmerjevalnik (ZigBee Router) ZigBee končna naprava (ZigBee End Device) Brezžični prenos visoko ločljivega videa in zvoka (WirelessHD) Infrardeče (Infrared) Poskakovanje frekvenc širokega spektra (Frequency Hopping Spread Spectrum) Neposredno zaporedje širokega spektra (Direct Sequence Spread Spectrum) Ortogonalno frekvenčno deljeno množenje (Orthogonal Frequency Divison Multiplexing) Neposredno zaporedje širokega spektra visoke hitrosti (High Rate Direct Sequence Spread Spectrum) Identifikator storitev (Service Set Identifier) Osnovne storitve (Basic Service Set) Osebno omrežje (Personal Area Networks) Adaptivno poskakovanje frekvenc (Adaptive Frequency-Hopping) Povečana podatkovna hitrost (Enchanced Data Rate) RS232 Zaporedni vmesnik (Recommended Standard 232) USART I 2 C JTAG ISP Zaporedni vmesnik (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) Vgrajeno tiskano vezje (Inter-Integrated Circuit) Vmesnik za preizkušanje (Joint Test Action Group) Vgrajeno programiranje (In-system programming)

14 XIII LED UDP IP Svetleča dioda (Light-emitting diode) Nepovezovalni protokol za prenašanje paketov (User Datagram Protocol) Internet protokol (Internet Protocol)

15 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 1 1 UVOD V svetu v katerem živimo postajajo informacije vedno bolj pomembne. S tem narašča tudi potreba po dostopu do informacij in dostop do informacij mora biti enostaven, hiter, zanesljiv in dostopen vsepovsod. Dandanes nam to omogočajo različne mobilne tehnologije in mobilne naprave, ki se povezujejo v različna brezžična omrežja. Obstajajo številna brezžična omrežja, trenutno so najbolj razširjena brezžična lokalna omrežja (Wireless LAN ali WLAN), omrežja za mobilne naprave (GSM / UMTS / GPRS) ter Bluetooth. Pojavljajo se tudi nekatera novejša brezžična omrežja kot sta na primer WiMax ter Wireless USB. Ta omrežja nam omogočajo brezžično komunikacijo ali med oddaljenimi lokacijami ali med prenosnimi napravami, kakor tudi dostop do interneta ali le pretok informacij med posameznimi napravami (slika 1.1). Slika 1.1: Prenosne naprave in brezžična omrežja Za uporabo brezžičnih omrežij uporabljamo različne naprave, ki poskrbijo za vzpostavitev in ohranjanje zveze tako ima končni uporabnik nemoten prenos informacij in

16 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 2 podatkov, ki ga zanimajo. Tu imamo več možnosti kako dostopati in prenašati podatke. Obstajajo številne mobilne naprave oziroma vgrajeni sistemi, ki omogočajo enostavno uporabo brezžičnih komunikacij na primer mobilni telefoni, dlančniki in podobno. Izbiramo lahko tudi med integriranimi vezji, ki nam prav tako omogočajo brezžične komunikacije in jih uporabimo v lastni aplikaciji za prenos podatkov, ki smo jih zajeli s pomočjo različnih senzorjev. Za razvoj lastnih aplikacij imamo na voljo različna razvojna okolja, s pomočjo katerih je razvoj aplikacij enostaven in hiter. Slika 1.2: Vgrajeni sistemi in integrirana vezja Pri brezžičnih komunikacijah je prenosni medij zrak, ki je poln elektromagnetnih valovanj. Valovanja imajo različne valovne dolžine in s tem različne frekvence. Vsak uporabnik uporabljajo svojo frekvenco in tako se uporabniki ne motijo med seboj. Frekvenčni spekter je razdeljen na frekvenčne pasove s tem se zagotavlja, da se različna brezžična omrežja ne motijo med seboj, saj delujejo le v dodeljenem frekvenčnem pasu. Prvo področje s katerim smo se ukvarjali vključuje različne brezžične komunikacije in mobilne tehnologije. Drugo področje s katerim smo se ukvarjali pri raziskovalnem delu je vključevalo humanoidne robote. To nam je služilo kot primer za aplikativno uporabo brezžičnih komunikacij ter mobilnih tehnologij.

17 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 3 Slika 1.3: Robosapien V2 Pri raziskovanju problema smo si zadali nalogo razviti protokol za komunikacijo preko različnih prenosnih medijev ter možnost preslikave protokola med različnimi brezžičnimi in žičnimi omrežji. Za brezžične komunikacije smo izbirali med omrežji, ki omogočajo implementacijo lastnega protokola in imajo naslednje lastnosti: neodvisnost od prenosnega medija, imajo zadovoljivo podatkovno hitrost prenosa, majhne zakasnitve pri prenosu, primerno odzivnost za interaktivno uporabo ter možnost zaznave napak pri prenosu. Za uporabo brezžičnih omrežij smo analizirali in izbirali ustrezno strojno opremo in vgrajene sisteme, kateri omogočajo uporabo teh brezžičnih omrežij. V diplomski nalogi smo poskušali realizirati uporabo protokola, ki je neodvisen glede na prenosni medij. Pri tem število napak pri prenosu podatkov ne sme vplivati na končnega uporabnika. Odzivnost celotnega sistema mora biti manjša od odzivnega časa človeka. Izbrani prenosni mediji morajo biti primerni za prenos slike in zvoka. Pri diplomski nalogi smo se ukvarjali z analizo izbrane strojne opreme. Ugotavljali smo, kako delujejo že vgrajeni senzorji ter kako so povezani posamezni deli med seboj in kakšno funkcionalnost opravljajo. Del diplomske naloge zajema načrtovaje strojne opreme, ki smo jo nadomestili oziroma nadgradili. Analizirali smo ustrezne brezžične komunikacije in omrežja. Ogledali smo si razne mikrokrmilnike in vgrajene sisteme in pri tem smo

18 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 4 upoštevali velikost pomnilnika, prostor za shranjevanje podatkov, frekvence delovanja procesorja, število vhodno/izhodnih vrat ter primernost za komuniciranje v različnih žičnih in brezžičnih omrežjih. Strojna oprema rabi za delovanje tudi ustrezno programsko opremo in to smo razvili s pomočjo različnih programskih razvojnih okolij.

19 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 5 2 PREGLED STANJA ZA POSAMEZNA PODROČJA V tem poglavju si bomo ogledali možnosti za brezžično komunikacijo ter mobilne tehnologije, ki omogočajo prenos podatkov. Ogledali si bomo tudi mikrokrmilnike in vgrajene sisteme, ki so trenutno razširjeni. Preleteli bomo še nekaj modelov robotov, ki se pojavljajo na tržišču. 2.1 Brezžične komunikacije in mobilne tehnologije Dandanes se pojavljajo številna brezžična omrežja, ki se uporabljajo za različne namene. Omenimo nekaj najbolj razširjenih, ki so že v uporabi in nekatera, ki šele prihajajo v širšo uporabo: ZigBee, WirelessHD, Wibree, WiMax, brezžični USB (Wireless USB), brezžična lokalna omrežja (WLAN) in Bluetooth. Med vsemi brezžičnimi omrežji, ki omogočajo prenos podatkov smo se odločili za uporabo brezžičnega lokalnega omrežja in Bluetooth. ZigBee je nova brezžična tehnologija, razvita kot odprti globalni standard, opredeljen z IEEE specifikacijami, standard za brezžična osebna omrežja (WPAN). Deluje v brez licenčnem 2.4 GHz ISM (Industrial, Scientific and Medical) frekvenčnem pasu, razen v Evropi 868 MHz in ZDA 915 MHz. Tehnologija je namenjena, da bi bila enostavnejša in cenejša od ostalih WPAN omrežij kot je na primer Bluetooth. ZigBee protokol je namenjen za uporabo v vgrajenih sistemih, ki potrebujejo nizke prenosne hitrosti in majhno porabo energije. Trenutno se uporablja za izgradnjo splošnih mrežnih (mesh) omrežij, ki se uporabljajo za nadzor v industriji, zbiranje zdravniških podatkov, zaznavanje dima in vsiljivcev, avtomatizacija hiše in podobno. So trije različni tipi ZigBee naprav: ZigBee koordinator (ZC), ZigBee usmerjevalnik (ZR) in ZigBee končna naprava (ZED) [13]. WirelessHD (WiHD) je brezžični vmesnik, ki omogoča prenos digitalnega videa brez izgub in avdia signala v visoki ločljivosti. Namenjen je za uporabo v elektronskih izdelkih. Specifikacije so bile optimizirane za brezžične zaslone in omogočajo hitrosti 2 do 5 Gbps za

20 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 6 CE, PC in prenosne naprave. Tehnologija omogoča teoretične hitrosti do 20 Gbps. Signal deluje na frekvenci 60 GHz, ta frekvenčni pas potrebuje vidno polje med oddajnikom in sprejemnikom. Prvi izdelki bodo namenjeni uporabi znotraj enega prostora, povezava med napravami bo od točke do točke in doseg do 10 m [15]. Wibree je digitalna radijska tehnologija načrtovana za zelo majhne porabe električne energije in za kratki doseg do 10 m in je razvita kot odprti standard za brezžične komunikacije. Vsaka naprava vsebuje cenovno ugoden mikročip za oddajo in sprejem. Namenjen je za souporabo ob tehnologiji kot je Bluetooth. Deluje na 2.4 GHz ISM frekvenčnem pasu, s hitrostjo prenosa do 1 Mbps na fizičnem nivoju. Glavne aplikacije, ki vsebujejo to tehnologijo so: ročne ure, brezžične tipkovnice, igrače in senzorji, kjer je zelo nizka poraba električne energije ključnega pomena [14]. WiMAX je globalno definiran kot različne izvedbe za dostop do mikrovalov, za katere skrbi standard IEEE , uradno se ta standard imenuje WirelessMAN. Namen WiMAXa je podoben kot Wi-Fi-a to je brezžični prenos podatkov, ampak WiMAX deluje pri višjih hitrostih in večjem dosegu in s tem omogoča izgradnjo večjih brezžičnih omrežij. Je alternativa žičnemu širokopasovnemu dostopu. Uporaba WiMAX je primerna za povezovanje Wi-Fi dostopnih točk med sabo in do interneta ter omogoča dostop do interneta, kjer ni več možen žični dostop. Omejitve WiMAX omrežij, teoretično je možna hitrost 70 Mbps in oddaljenosti do km, vendar ne oboje hkrati. V praksi to pomeni, da bi v vidnem polju lahko zagotavljali simetrično hitrost 10 Mbps pri oddaljenosti 10 km, vendar v naseljenem okolju niso vse točke v vidnem polju in tako lahko zagotavljamo le 10 Mbps na oddaljenosti 2 km. WiMAX uporabniki, ki so povezani na isto vstopno točko si delijo pasovno širino vstopne točke [16]. Brezžični USB (Wireless USB) ima kratki doseg in visoko pasovno širino in služi kot dodatek USB povezljivosti, ki združuje hitrosti in enostavnost uporabe USB verzije 2.0 z udobnostjo brezžične tehnologije. Brezžični USB ima sposobnost prenašanja pri hitrosti 480 Mbps pri oddaljenosti do 3 m in 110 Mbps pri oddaljenosti do 10 m. Deluje na širokem pasovnem območju od 3.1 do 10.6 GHz. Brezžični USB bo namenjen napravam, ki so zdaj

21 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 7 povezane preko navadnega USB priključka: igralni pripomočki, tiskalniki, optični čitalniki, digitalne kamera, MP3 predvajalniki, prenosni trdi diski in podobno [17]. Brezžična lokalna omrežja (Wireless LAN ali WLAN) s pomočjo katerega se predvsem gradijo lokalna brezžična računalniška omrežja. Omogočajo povezovanje dveh ali več računalnikov med seboj, brez uporabe žičnih povezav. Ta tehnologija daje uporabniku premičnost znotraj območja katerega pokriva brezžično lokalno omrežje. Med domačimi uporabniki, je postalo brezžično lokalno omrežje zelo popularno zaradi enostavne instalacije in vedno večjega števila prenosnih naprav, kot so prenosni računalniki. Brezžična lokalna omrežja se tudi vedno bolj pogosta v večjih ustanovah, trgovskih centrih in podobno. Brezžična lokalna omrežja ali kot standard IEEE so del družine standardov IEEE 802, med temi standardni so tudi možni mostovi (slika 2.1), s tem omogočimo dostop med uporabniki v različnih omrežjih [9]. Slika 2.1: Most med lokalnim omrežjem IEEE in Znotraj standarda IEEE se uporabljajo različne tehnologije za oddajo signala. Obstaja pet različnih tehnologij. Z vsemi tehnologijami je možno prenesti okvir (slika 2.2) med dvema točkama [9]. Razlika med njimi je v največji možni hitrosti prenosa in tehnologiji prenosa, ki je uporabljena (tabela 2.1). Te tehnologije so: IR (Infrared)

22 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 8 omogoča hitrosti do 2 Mbps, FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) dosegajo le nizke prenose hitrosti, DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) omogoča hitrosti do 2 Mbps, OFDM (Orthogonal Frequency Divison Multiplexing) ali a omogoča hitrosti do 54 Mbps, HR-DSSS (High Rate Direct Sequence Spread Spectrum) ali b omogoča hitrosti do 11 Mbps, vendar ima sedem krat večji doseg kot a. Standard g uporablja OFDM, tako kot pri a, vendar deluje na ISM frekvenčnem območju 2.4 GHz skupaj s standardom b. V razvoju je še nedokončan standard n, ki bo omogočal višje prenosne hitrosti in večji doseg. Ta standard bo uporabljal več sprejemnih in oddajnih anten [18]. Slika 2.2: Zgradba podatkovnega okvirja IEEE Tabela 2.1: Različne tehnologije za standard IEEE Oznaka Tehnologija Frekvenčni pas Največja hitrost prenosa Doseg znotraj zgradb a OFDM 5 GHz 54 Mbps 30 m b HT-DSSS 2.4 GHz 11 Mbps 30 m g OFDM 2.4 GHz 54 Mbps 30 m n (v razvoju) 2.4 GHz ali 5 GHz 540 Mbps 50 m Brezžična lokalna omrežja imajo nekatere prednosti kot so: priročnost, prenosljivost znotraj določenega okolja, storilnost, enostavna postavitev omrežja ter dodajanje novih uporabnikov ne zahteva dodatne strojne opreme. Na drugi strani ima uporaba brezžičnih lokalnih omrežij tudi nekatere slabosti kot so: doseg brezžičnih omrežij je omejen, zanesljivost brezžičnega omrežja je zelo odvisna od vplivov okolja, hitrosti brezžičnih omrežij so manjše kot pri žičnih lokalnih omrežjih in varnost brezžičnih omrežij je lahko vprašljiva, saj lahko signale prejema vsakdo v območju pokritosti.

23 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 9 Za izgradnjo brezžičnega lokalnega omrežja potrebujemo brezžične dostopne točke (wireless access point). To so bazne postaje za brezžična lokalna omrežja. Dostopne točke oddajajo in prejemajo radijske frekvence za brezžične naprave. Na dostopne točke se lahko povežejo različni odjemalci. Vsaka dostopna točka ima svojo identifikacijo, ki se v omrežjih z infrastrukturo imenuje SSID (Service Set Identifier). V neodvisnih omrežjih se ta imenuje BSS (Basic Service Set). Poznamo različne načine delovanja brezžičnih lokalnih omrežij (slika 2.3): uporabnik do uporabnika (peer-to-peer ali ad-hoc) in brezžični distributivni sistem (z uporabo dostopnih točk). Možno je tudi delovanje dostopnih točk kot ponavljalniki. To uporabljamo, ko ni možna žična povezava do vseh dostopnih točk v brezžičnem lokalnem omrežju. Slika 2.3: Načina delovanja brezžičnih lokalnih omrežij Bluetooth je namenjen za izgradnjo brezžičnih osebnih omrežij (PAN - Personal Area Networks). Bluetooth nam nudi način povezave ter izmenjavo informacij med različnimi prenosnimi napravami kot so prenosni telefon, prenosni računalnik, osebni računalnik, tiskalnik, digitalni fotoaparat in igralna konzola. Nudi nam varno povezavo kratkega dosega in deluje v 2.4 GHz ISM frekvenčnem pasu. Specifikacije Bluetooth tehnologije so definirane v standardu IEEE Zgradba podatkovnega okvirja je na sliki 2.4 [9].

24 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 10 Slika 2.4: Zgradba podatkovnega okvirja IEEE Bluetooth je radijski standard in komunikacijski protokol, ki je primarno zgrajen za nizko porabo energije s kratkim dosegom in temelji na nizko cenovnih integriranih oddajnikih in sprejemnikih v vsaki napravi. Doseg je odvisen od razreda, ki se ločijo glede na porabo energije (tabela 2.2) [19]. Tabela 2.2: Bluetooth razredi Razred Doseg Največja dovoljena moč Razred m 100 mw Razred 2 10 m 2.5 mw Razred 3 1 m 1 mw Poznamo različne verzije Bluetooth-a te so 1.0, 1.0b, 1.1, 1.2, 2.0 in 2.1. Z verzijo 1.2 so uvedli adaptivno poskakovanje frekvenc (AFH - Adaptive Frequency-Hopping) in s tem zmanjšali vplive prenasičenosti frekvenčnega pasa in povečali stabilnost povezave. V praksi se je hitrost prenosa povečala do 721 kbps. Izboljšave v verziji 2.0 je prinesla tehnologija EDR (Enchanced Data Rate), ki omogoča hitrosti do 3 Mbps, zmanjša porabo energije z zmanjšanjem delovnega cikla, poenostavi v primeru več povezav z večjo razpoložljivo pasovno širino in izboljša učinkovitost z zmanjšanjem napak v prenosu. Bluetooth se uporablja v raznolikih novih izdelkih: telefonih, tiskalnikih, modemih, slušalkah in podobno. Bluetooth je sprejemljiv za situacije, ko sta dve ali več naprav v medsebojni bližini in ne potrebujeta visoke pasovne širine. Bluetooth se največkrat uporablja pri telefonih in dlančnikih za prenos datotek ali prostoročno telefoniranje ali slušalke. Bluetooth ima tudi poenostavljeno odkrivanje in nastavljanje storitev, ki jih nudi. Bluetooth naprave oglašujejo vse storitve, ki jih imajo na voljo. S tem so storitve dosti bolj

25 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 11 dostopne, saj so uporabne brez nastavljanja omrežnih naslovov, dovoljenj in ostalih stvari, ki jih moremo upoštevati v običajnem omrežju kot je na primer brezžično lokalno omrežje. Bluetooth omrežja so sestavljena iz Bluetooth gostitelja, ki lahko skrbi za sedem aktivnih naprav, ki so gostje. To omrežje iz osmih naprav se imenu piko omrežje (piconet). Več piko omrežij se lahko poveže v razpršeno omrežje (scatternet). Primer razpršenega omrežja je prikazan na sliki 2.5. V enem piko omrežju je lahko 7 aktivnih naprav in do 255 neaktivnih ali parkiranih naprav, katere lahko gostitelj kadarkoli prenese v aktivno stanje. Slika 2.5: Razpršeno omrežje Bluetooth naprave lahko izvedejo povpraševanje, da najdejo ostale Bluetooth naprave v okolici, na katere se lahko povežejo. Pri tem lahko posredujejo ime naprave, razred naprave, tehnične informacije in seznam storitev, ki jih lahko nudijo. Za uporabo nekaterih storitev je lahko potrebno parjenje naprav (pairing) in dovoljenje za uporabo storitve, kakorkoli povezava se lahko vzpostavi v vsakem primeru. Nekatere naprave lahko sprejmejo le eno povezavo hkrati in s tem onemogočijo povezovanje drugih naprav in niso več vidne ali na voljo za povpraševanje, dokler se povezava ne prekine. Par naprav lahko vzpostavi varno povezavo s pomočjo skupnega skrivnega ključa. Izmenjava podatkov med tako povezanima napravama je lahko šifrirana in tako ne more vsak prestreči komunikacije, ki poteka med njima. 2.2 Mikrokrmilniki, integrirana vezja in vgrajeni sistemi

26 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 12 Mikrokrmilniki so naprave, ki lahko delujejo samostojno in so cenovno ugodni v nasprotju s splošno namenskimi mikroprocesorji, ki so vgrajeni v osebne računalnike. Tipičen mikrokrmilnik vsebuje mikroprocesor, pomnilnik in vmesnike, ki so potrebni za izvedbo enostavnih aplikacij, kjer splošni mikroprocesorji potrebujejo dodatne enote in naprave, ki nudijo te funkcionalnosti. Mikrokrmilnik je samostojno integrirano vezje z naslednjimi lastnostmi: centralno procesno enoto, vhodno/izhodnimi vmesniki, perifernimi enotami, delovnim pomnilnikom, trajnim pomnilnikom in generator ure, ki skrbi za delovno frekvenco [12]. Večina mikrokrmilnikov nima potrebe po dodatnih zunanjih vodilih za pomnilnik, kakorkoli eni mikrokrmilniki tudi dopuščajo to možnost, da lahko priključimo dodatni zunanji pomnilnik, če je potrebno. Mikrokrmilniki imajo tudi raznolike vmesnike za vhodno/izhodne naprave: zaporedni vmesniki (RS232, USART) so zelo pogosti, mnogi imajo tudi vhode za analogno-digitalne pretvorbe, časovnike ter nekateri uporabljajo posebne komunikacijske vmesnike kot je I 2 C in podobno [1]. Prvotno so se programi za mikrokrmilnike pisali le v strojnem jeziku, kasneje so se začeli uporabljati prevajalniki za višje programske jezike kot je programski jezik C. Današnji mikrokrmilniki vsebujejo tudi razhroščevanje v čipu s pomočjo simulatorja preko JTAG vmesnika in tako omogočajo razhroščevanje programske opreme znotraj ciljnega sistema. Vgrajeni sistem so sistemi s posebnim namenom, pri katerih je računalnik popolnoma vgrajen ali posvečen napravi ali sistemu katerega nadzoruje. Z razliko od splošno namenskega računalnika kot je osebni računalnik, izvaja vgrajeni sistem le eno ali nekaj natančno definiranih opravil z zelo specifičnimi zahtevami. Ker je sistem posvečen le specifičnemu opravilu ga lahko načrtovalci optimizirajo in s tem zmanjšajo velikost in stroške izdelka. Vgrajeni sistemi so pogosto narejeni za masovno proizvodnjo in tako izkoristijo ekonomsko prednost zaradi količine [20].

27 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 13 Ročni računalniki in dlančniki so v splošnem tudi vgrajeni sistemi, zaradi njihove oblike ter strojne opreme, vendar so glede programske opreme dosti bolj prilagodljivi. Ker se pojavlja vedno več takih naprave postaja meja med vgrajenimi sistemi vedno bolj zamegljena. Vgrajeni sistemi obsegajo različne sisteme od majhnih prenosnih naprav kot so digitalne ure, MP3 predvajalniki do velikih stacionarnih namestitev kot so semaforji, industrijski krmilniki in podobno. Podobno je pri kompleksnosti vgrajenih sistemov eni vsebuje le en mikrokrmilnik medtem, ko so drugi lahko sestavljeni iz več enot, vsebujejo periferne naprave in so celo povezani v lastno omrežje znotraj ohišja. Za izgradnjo teh sistemov imamo na voljo različne mikrokrmilnike in vgrajene sisteme (slika 2.6). Pri mikrokrmilnikih imamo več proizvajalcev: Atmel, Philips, Pic, Motorola, Texas Instruments in drugi. Vsak od proizvajalcev uporablja različne procesorje eni so 8-, 16- ali 32-bitni. Mi smo si natančneje ogledali mikrokrmilnike proizvajalca Atmel, tu sta dve seriji AVR8, ki so 8-bitni in AVR32, ki so 32-bitni, mi smo uporabili 8-bitne mikrokrmilnike. Od vgrajenih sistemov smo se odločili za uporabo dlančnika, ki že imajo naložen operacijski sistem in omogoča razne načine brezžične komunikacije. Na primer dlančniki proizvajalca Hewlett-Packard serije HP ipaq. Slika 2.6: Atmel AVR ATMega128 in dlančnik HP ipaq

28 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 14 Mikrokrmilniki ne omogočajo brezžične komunikacije, zato smo morali še poiskati ustrezna integrirana vezja, ki omogočajo brezžično komunikacijo. Za nas so bili zanimivi moduli, ki omogočajo brezžično komunikacijo v brezžičnih lokalnih omrežjih ali Bluetooth omrežjih. Dlančnik Hewlett-Packard HP ipaq hx2970 EU ima že vgrajeno komunikacijo za brezžična lokalna omrežja in Bluetooth. Pri mikrokrmilnikih smo dodali integrirano vezje za brezžično komunikacijo Intinium Promi ESD01, ki nam omogoča komunikacijo z Bluetooth napravami in je prikazan na sliki 2.7 [11]. Slika 2.7: Integrirano vezje Intinium Promi ESD Roboti Na področju robotike se v zadnjem času razvija veliko stvari. Pojavljajo se številni roboti, ki posnemajo žive stvari na primer človeka ali različne živali. Zanimivi so tisti roboti, ki so zmožni samostojnega razmišljanja, kar dosežemo s pomočjo umetne inteligence. Nekateri roboti ubogajo le ukaze, ki jih dobijo oziroma so naučeni določenih korakov in zaporedij, ki jih nato ponavljajo. Roboti so sestavljeni iz elektro-mehanskih delov, ki so povezani med sabo in tvorijo sistem, ki deluje kot celota in tako dosežemo gibanje posameznih delov ali celega robota. Na tržišču zasledimo kar nekaj takih robotov. Nekateri so namenjeni za igrače na primer: Robosapien, Roboraptor, Sony Aibo. Robosapien je robot človeške oblike podobno je Roboraptor robot, ki ima obliko dinozavra. Njihove premike nadzira uporabnik preko ukazov, ki se pošiljajo preko infrardečega upravljalnika. Sony Aibo je robot v obliki majhnega psa, ki je mišljen kot hišni ljubljenček. Uporabniki ga lahko naučijo kako se naj obnaša in ima možnosti za ponovno programiranje. Zasledimo tudi večje robote kot je

29 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 15 Honda Asimo. Honda Asimo je humanoidni robot, ki zna hoditi podobno kot človek ter ima vgrajene različne tehnologije za razpoznavo: zazna premikajoče se objekte, zazna različne poze glede na premike rok, prepozna bližnjo okolico, zazna določene zvoke ter prepozna različne obraze. Obstajajo tudi roboti kot so Roomba, ki je robot sesalec. Nekaj robotov je prikazano na sliki 2.8. Slika 2.8: Robosapien, Honda Asimo, Sony Aibo in Roomba 2.4 Programska razvojna okolja Za razvoj programske opreme imamo na voljo različne programe oziroma programske pakete in prevajalnike, ki so specifični ali za določeni operacijski sistem ali za določeni mikrokrmilnik. Za hiter in enostaven razvoj aplikacij se največkrat uporabljajo razvojna okolja, ki največkrat vsebujejo urejevalnik izvorne kode, grafični vmesnik za ustvarjanje uporabniškega vmesnika ter omogočajo enostavno razhroščevanje. Za programe, ki tečejo v operacijskima sistemoma Microsoft Windows 2000 in Microsoft Windows XP se najbolj pogosto uporabljajo razvojna orodja Microsoft Visual Studio 2003 ali Microsoft Visual Studio 2005 (slika 2.9). Ta razvojna okolja ponujajo

30 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 16 razvoj aplikacij za vgrajene sisteme, prenosne naprave (Smart Phones) in dlančnike (Pocket PC). Te naprave imajo že naložen operacijskim sistem Microsoft Windows CE ali Microsoft Windows Mobile. Slika 2.9: Razvojno okolje Microsoft Visual Studio 2005 Mikrokrmilniki ponavadi ne vsebujejo operacijskega sistema zato je potrebno izvorno kodo pripraviti v strojnem jeziku. Pri tem si pomagamo z različnimi programskimi orodji, ki omogočajo prevod izvorne kode iz programskega jezika v strojni jezik. Med programskimi jeziki se najbolj pogosto uporablja programski jezik C. To omogočajo razvojna okolja, ki so prilagojena pisanju aplikacij za specifične mikrokrmilnike. Na primer za mikrokrmilnike od proizvajalca Atmel imamo na voljo programska paketa Atmel AVR Studio ali HP Info Tech CodeVisionAVR, na sliki 2.10 je zaslonska slika programa [21].

31 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 17 Slika 2.10: Razvojno okolje HP Info Tech CodeVisionAVR

32 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 18 3 STROJNA OPREMA 3.1 Analiza strojne opreme V tem poglavju si bomo ogledali podrobno zgradbo Robosapien od konstrukcije telesa, razporeditev elektromotorjev ter senzorje katere vsebuje. Robosapien ima obliko humanoida (slika 3.1) [6]. Slika 3.1: Robosapien Telo robota ima človeško podobo in je sestavljeno iz trupa, na katerega so povezani ostali deli telesa glava, roke in noge. Ogrodje robota je sestavljeno iz posameznih delov. Za premike posameznih delov telesa skrbijo elektromotorji. Robosapien V2 ima 11 elektromotorjev ti skrbijo za pomike posameznih delov trupa (tabela 3.1). Za premik rok ima dva elektromotorja enega za pomik leve in enega za pomik desne roke, ta dva elektromotorja omogočata pomik roke navzgor in navzdol (slika 3.2). V vsakem zapestju je še en elektromotor, ki omogoča zasuk zapestja v levo oziroma v desno

33 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 19 smer. Za vsako nogo je en elektromotor, ki skrbi za pomik noge naprej in nazaj. Za premik glave sta uporabljena dva elektromotorja: - en skrbi za zasuk glave levo in desno, - drugi skrbi za nagib glave naprej in nazaj. Za premike trupa skrbijo trije elektromotorji en skrbi za zasuk trupa levo in desno, drugi skrbi za premike trupa naprej in nazaj in tretji skrbi za nagib trupa levo in desno. Slika 3.2: Premik rok navzgor in navzdol Tabela 3.1: Seznam elektromotorjev in njihov namen Št. Namen elektromotorja Način zaznave premikov 1 Premik leve roke navzgor in navzdol Zvezno 2 Premik desne roke navzgor in navzdol Zvezno 3 Premik leve noge naprej in nazaj Končni položaj 4 Premik desne noge naprej in nazaj Končni položaj 5 Zasuk levega zapestja Kodirnik (2-bitni) 6 Zasuk desnega zapestja Kodirnik (2-bitni) 7 Nagib glave naprej in nazaj Kodirnik (3-bitni) 8 Zasuk glave levo in desno Kodirnik (3-bitni) 9 Zasuk trupa levo in desno Zvezno 10 Premik trupa naprej in nazaj Zvezno 11 Nagib trupa levo in desno Končni položaj

34 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 20 Za določanje položaja posameznih delov telesa ima Robosapien V2 vgrajene različne senzorje (slika 3.3). Nekateri senzorji so narejeni zvezno nekateri so nezvezni in imajo le nekaj diskretnih položajev. Za zaznavno zveznih pomikov ima Robosapien V2 vgrajene potenciometre. Ti skrbijo za določanje položaja za premik rok navzgor in navzdol, za zasuk trupa levo in desno ter nagib trupa naprej in nazaj. Za določanje diskretnih položajev ima Robosapien V2 uporabljene stikalne kodirnike, ki vračajo bitno vrednost (tabela 3.2). Zasuk zapestij imajo štiri možne položaje. Nagib glave navzgor in navzdol ima prav tako štiri možne položaje. Zasuk glave levo in desno ima osem možnih položajev. Nagib trupa levo in desno ter pomik nog naprej in nazaj imajo le končne položaje za posamezne smeri. Robosapien V2 vsebuje še senzorje za nagib, s katerimi zaznamo položaja telesa, določimo ali leži torej je položaj telesa vodoraven ali stoji torej je položaj telesa navpičen [7]. Slika 3.3: Vgrajeni senzorji robota Robosapien V2

35 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 21 Tabela 3.2: Bitne vrednosti za različne položaje Del telesa Vrednosti na bitnih stikalih Preslikane vrednosti Levo zapestje Desno zapestje Nagib glave Zasuk glave Robosapien V2 ima vgrajenih še nekaj senzorjev, ki so občutljivi na dotik, ti so razporejeni na stopalu spredaj in zadaj in na zunanji strani rok (slika 3.4). S pomočjo le-teh zaznamo ali se dotika kakšnega objekta v okolici oziroma zaznamo ali se je dotaknil nečesa kar mu ovira pot med gibanjem. Slika 3.4: Lokacije senzorjev občutljivih na dotik

36 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien Načrtovanje strojne opreme Pri načrtovanju strojne opreme smo naredili novo tiskano vezje, model tiskanega vezja je prikazan na sliki 3.5 in sliki 3.6. Načrtovanje strojne opreme je potekalo v programskem okolju Design Explorer 99 SE. Obstoječe tiskano vezje smo odstranili in ga nadomestili z lastnim. To smo naredili zaradi tega, da smo dodali brezžično komunikacijo. Zaporedni vmesnik od mikrokrmilnika smo povezali z Bluetooth modulom in tako smo preslikali komunikacijo mikrokrmilnika v brezžično omrežje. Slika 3.5: Model tiskanega vezja zgornja stran Slika 3.6: Model tiskanega vezja spodnja stran Na tiskanem vezju najdemo več sklopov ti so: mikrokrmilnik Atmel AVR ATMega 128, Bluetooth modul, napetostni regulator, vezje za programiranje mikrokrmilnika preko ISP povezave, vezje za ponovni zagon (reset), vezje za status s svetlečimi diodami (LED), napetostni delilnik za preverjanje statusa napajanja ter dodatni priključki, ki so namenjeni

37 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 23 za nadaljnjo uporabo. Shema celotnega vezja je prikazana v prilogi B in predloge tiskanih ploščic v prilogi C. Jedro tiskanega vezja predstavljata dva mikrokrmilnika Atmel AVR ATMega 128 (slika 3.7). Od tega en skrbi za krmiljenje elektromotorjev in so povezani na drugo tiskano vezje, na katerem so le razvrščeni elementi za vodenje elektromotorjev (slika 3.8). Drugi mikrokrmilnik skrbi za komunikacijo med posameznimi deli tiskanega vezja predvsem med prvim mikrokrmilnikom in Bluetooth modulom [3]. Slika 3.7: Tiskano vezje zgornja stran Slika 3.8: Tiskano vezje za krmiljenje elektromotorjev

38 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 24 Bluetooth modul Intinium Promi ESD01, ki smo ga uporabili ima na eni strani zaporedni vmesnik, ki je povezan na mikorkrmilnik. Preko tega imamo na voljo oddajni in sprejemni signal s katerim komuniciramo z mikrokrmilnikom. Na drugi strani Bluetooth modul poskrbi za oddajo in sprejem tega v brezžično omrežje ter poskrbi, da se vzpostavi povezava z drugo stranjo. Bluetooth modul ima nekaj možnosti, ki jih nastavimo na osebnem računalnik s programsko opreme preko zaporednega vmesnika. Programska oprema, ki je priložena Bluetooth modulu omogoča: izbiro načina delovanja Bluetooth modula: - gostitelj ali - gost, hitrost povezovanja, poimenovanje naprave in izbiro nivoja varnosti [11]. Slika 3.9: Shema vezja za Bluetooth modul Elektromotorji in integrirana vezja rabijo različne nivoje napetosti, zato smo dodali napetostni regulator za 3,3 V, ki vhodno napetost 9 V prilagodi napetostnemu nivoju mikrokrmilnika in Bluetooth modula. Slika 3.10: Shema vezaja za napetostni regulator Za programiranje mikrokrminlnika smo uporabili ISP (In-system programming) vmesnik (slika 3.11) ter ustrezno vezje za ponovni zagon mikrokrmilnika (slika 3.12). Pri

39 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 25 tem smo morali upoštevati, da imamo v vezju dva mikrokrmilnika. Zato je bilo potrebno namestiti ustrezni mostič, s katerim smo izbrali mikrokrmilnik za ponovno programiranje. S tako izvedbo smo se izognili potrebi po dveh fizičnih priključkih za programiranje. To vezje potrebuje 6 priključkov in vsebuje linije: - za ponovni zagon mikrokrmilnika (RESET), - zaporedno podatkovno uro (SCK), - prenos podatkov od osebnega računalnika do mikrokrmilnika (MOSI), - prenos podatkov od mikrokrmilnika do osebnega računalnika (MISO) in - ustrezna priključka za napajanje ( in VCC). Slika 3.11: Shema vezja za programiranje Slika 3.12: Shema vezja za ponovni zagon Za lažji razvoj programske opreme za mikrokrmilnik smo tiskanemu vezju dodali nekaj svetlečih diod, ki so namenjene za prikazovanje stanja mikrokrmilnika (slika 3.13). Te svetleče diode niso vidne, ko je Robosapien sestavljen. Slika 3.13: Shema vezja za svetleče diode (LED)

40 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 26 Za preverjanje statusa napajanja smo uporabili napetostni delilnik, ki je prikazan na sliki Deljeno napetost smo s pomočjo analogno-digitalne pretvorbe v mikrokrmilniku pretvorili v digitalno obliko. Izmerili smo prenosno karakteristiko analogno-digitalne pretvorbe glede na napajalno napetost (slika 3.15). Ker je odvisnost linearna smo nato preračunali vrednost napajalne napetosti glede na pretvorjeno vrednost iz analognodigitalnega pretvornika [1]. Slika 3.14: Napetostni delilnik Prenosna karakteristika napetostnega delilnika Digitalna vrednost [n] Napajalna napetost [U] Slika 3.15: Prenosna karakteristika napetostnega delilnika z analogno-digitalnim pretvornikom

41 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 27 Nekaj vhodno/izhodnih vrat prvega mikrokrmilnika je ostalo neuporabljenih, zato smo jih pripravili za nadaljnjo uporabo in smo jih povezali na dodatne priključke, ki trenutno še niso uporabljeni. Robosapien V2 ima že vgrajen zvočnik, ampak ker smo za izvor zvoka uporabili dlančnik, smo za primerno glasnost dodali še ojačevalnik za vgrajeni zvočnik (slika 3.16). Slika 3.16: Ojačevalnik za zvočnik 3.3 Programiranje strojne opreme Mikrokrmilniki potrebujejo za svoje delovanje strojno kodo. Strojno kodo smo prevajali iz programskega jezika C s pomočjo programa HP Info Tech CodevisionAVR. Strojno kodo smo nato naložili s pomočjo programatorja, ki se shrani v notranji pomnilnik mikrokrmilnika od koder se tudi izvaja med delovanjem. Uporabljali smo mikrokrmilnike Atmel AVR ATMega128, zato smo uporabili ustrezni programator za ta mikrokrmilnik na primer AVR ISP MKII, ki je prikazan na sliki Programiranje je potekalo s pomočjo ISP (In-system programming) vmesnika.

42 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 28 Slika 3.17: Programator AVR ISP MKII 3.4 Vgrajeni sistemi Za vgrajeni sistem smo uporabili dlančnik Hewlat-Packard model HP ipaq hx2970 EU (slika 3.18), ki ima nameščen operacijski sistem Microsoft Windows Mobile 5.0 [4]. Za razvoj aplikacij smo uporabili Microsoft Visual Studio 2005, ki omogoča pisanje aplikacij za ta operacijski sistem in podpira izvajalno programsko okolje Microsoft Framework 2.0. Pri vgrajenem sistemu je bila pomembna povezljivost v razna brezžična omrežja. Izbrani dlančnik omogoča uporabo Bluetooth storitev, izmed teh smo uporabljali storitev za navidezni zaporedni vmesnik. Hkrati smo tudi koristili povezavo za brezžična lokalna omrežja. Dlančnik smo uporabili tudi za prikaz multimedijskih vsebin: prikaz slike in igranje zvokov.

43 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 29 Slika 3.18: Dlančnik HP ipaq hx2970 EU

44 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 30 4 PROGRAMSKA OPREMA Strojna oprema sama po sebi ne opravlja nobene naloge, da ji dodamo želeno funkcionalnost jo moramo ustrezno sprogramirati. Strojna oprema je sestavljena iz več sklopov, zato smo za vsak sklop sprogramirali programsko opremo posebej z ustreznim strojnim jezikom, saj različni procesorji razumejo različne strojne ukaze. Programsko opremo za posamezne sklope smo ustvarili s pomočjo prevajalnikov na osebnem računalniku, kjer smo uporabili različna programska razvojna okolja (tabela 4.1). Za komunikacijo in razumevanje med posameznimi sklopi smo razvili svoj protokol za komunikacijo in smo ga implementirali v vsak sklop strojne opreme tako, da lahko vsi sklopi po potrebi komunicirajo med sabo. Tabela 4.1: Uporabljena programska oprema Programska oprema Uporaba Razviti programi Microsoft Visual Studio 2003 Razvoj programske opreme za osebni računalnik RoboMator, RoboTrol, RoboStick Microsoft Visual Studio 2005 Razvoj programske opreme za dlančnik RoboPaq HP Info Tech CodeVisionAVR d Microsoft DirectX SDK Februar 2007 Windows Mobile 5.0 Pocket PC SDK Active Sync 4.5 Atmel AVR Studio 4.12 Design Explorer 99 SE Razvoj programske opreme za mikrokrmilnik Knjižnice za uporabo DirectX komponent Prevajalnik za operacijski sistem na dlančniku Povezovanje dlančnika z osebnim računalnikom Povezovanje in programiranje mikrokrmilnik preko osebnega računalnika Načrtovanje vezij Bootloader, MainApp1, MainApp2 4.1 Implementacija protokola za komunikacijo Za lažjo implementacijo protokola za komunikacijo za razvojno okolje za Robosapien v različne programske jezike in aplikacije smo naredili različne razrede, ki smo jih nato

45 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 31 vključili v posamezne projekte. Razredi vsebujejo metode in funkcije za vzpostavitev povezave, pošiljanje ter sprejemanje podatkov. Za vzpostavitev povezave smo naredili dve variaciji ena uporablja navidezni zaporedni vmesnik (RoboCOM) druga uporablja UDP pakete v IP (Internet Protocol) omrežju (RoboUDP). Sestavljanje in razstavljane prejetih oziroma poslanih paketov je pri obeh razredih enako, tako da je možna neposredna preslikava med različnimi tipi komunikacije. Pri tem moramo upoštevati ustrezno znakovno kodiranje. Za izvedbo teh razredov smo najprej definirali protokol za komunikacijo, kjer smo definirali kako bo sestavljen okvir in kakšna bo njegova vsebina ter največja dolžina. Sestava okvirja je prikazana na sliki 4.1. Okvir vsebuje na začetku dolžino celotnega okvirja, kar zaseda 2 zloga. Nato je ciljni naslov, ki zaseda 1 zlog, in izvorni naslov, ki prav tako zaseda 1 zlog. Sledi ukazna skupina, ki zaseda 1 zlog, ter ukaz iz izbrane ukazne skupine, ki tudi zaseda 1 zlog. Preostanek okvirja predstavljajo podatki. Slika 4.1: Sestava okvirja pri protokolu za komunikacijo RoboCOM in RoboUDP Združevanje okvirja v paket smo naredili s pomočjo preslikave iz 8 bitnih znakov v dva 4-bitna znaka, ki smo jih zapisali v šestnajstiškem sistemu, tako je vsebina paketa vsebovala le 16 različnih znakov in 2 dodatna znaka za začetek in konec paketa. Slika 4.2: Združevanje okvirja Pri protokolu smo razdelili ukaze v več ukaznih skupin (tabela 4.2). Skupine smo ločili glede na funkcionalnost posameznih ukazov (tabela 4.3). Specifikacije protokola za komunikacijo Robocom so natančno opisane v prilogi D.

46 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 32

47 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 33 Tabela 4.2: Skupine ukazov protokola za komunikacijo Robocom Št. skupine Ime skupine Namen skupine 0 IDENTIFY Za identifikacijo in testiranje 1 FLASH Za programiranje pomnilnika mikrokrmilnika 2 MOTOR Za upravljanje z elektromotorji 3 SENSOR Za preverjanje stanja vgrajenih senzorjev 4 CONTROL Za preverjanje stanja baterije 5 MEDIA Za upravljanje z multimedijskimi vsebinami 6 EXTEND Rezervirano za nadaljnjo uporabo Tabela 4.3: Ukazi posameznih skupin protokola za komunikacijo Robocom Št. skupine Ime skupine Število ukazov Seznam ukazov 0 IDENTIFY 0 1 FLASH 10 FLASH_W, FLASH_W_ACK, FLASH_R, FLASH_R_ACK, EEPROM_W, EEPROM_W_ACK, EEPROM_R, EEPROM_R_ACK, JUMP_APP, JUMP_APP_ACK 2 MOTOR 22 STATE, STATE_ACK, WALK, WALK_ACK, SHOULDER, SHOULDER_ACK, WRIST_ROTATE, WRIST_ROTATE_ACK, WAIST, WAIST_ACK, WAIST_TILT, WAIST_TILT_ACK, HEAD_ROTATE, HEAD_ROTATE_ACK, HEAD_TILT, HEAD_TILT_ACK, FOOT_TILT, FOOT_TILT_ACK, MOTOR_STOP, MOTOR_STOP_ACK, MOTOR_START, MOTOR_START_ACK 3 SENSOR 4 STATE, STATE_ACK, TOUCH, TOUCH_ACK 4 CONTROL 2 BATERY_STATUS, BATERY_STATUS_ACK 5 MEDIA 5 PICTURE, PICTURE_ACK, SOUND, SOUND_ACK, SCRIPT, SCRIPT_ACK, OFF, OFF_ACK 6 EXTEND 0

48 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 34 Podobno smo naredili še dodaten razred za dlančnik, ki omogoča branje protokola iz datoteke (Databot), tako smo omogočili skriptno izvajanje ukazov, ki jih omogoča protokol za komunikacijo Robocom. S tem lahko določimo zaporedje ukazov, ki se nato izvajajo samostojno. Ta razred omogoča uporabo štirih tipov ukazov za nastavljanje pozicije elektromotorjev, hojo, izbiro slike, ki se prikaže na zaslonu dlančnika, ter izbiro zvoka, ki se odigra na dlančniku. 4.2 Program mikrokrmilnika Vezje vsebuje dva mikrokrmilnika, zato je potrebno napisati program za vsakega posebej. Mikrokrmilnika sta povezana med seboj tako, da je možna komunikacija z enim ali z drugim. Že namestitev mikrokrmilnikov v vezje določa funkcije, ki jo bo posamezni mikrokrmilnik opravljal. Povezava med mikrokrmilniki poteka preko zaporednih vmesnikov, ki omogočajo kaskadno povezovanje kot je predstavljeno na sliki 4.3. Na vsakemu mikrokrmilniku izberemo število vrat v odvisnosti od lege mikrokrmilnika v povezavi: - na sredini dva ali - na robovih enega. Tisti mikrokrmilniki, ki so na sredini morajo posredovati podatke obema sosednjima mikrokrmilnikoma. Tisti mikrokrmilnik, ki je v kaskadi na robovih sprejema in oddaja le sosednjemu mikrokrmilniku. Slika 4.3: Primer povezav med štirimi mikrokrmilniki Prvi mikrokrmilnik smo namenili za komunikacijo, razna stanja senzorjev in prostor za razširitve. Na sliki 4.4 so prikazane funkcije prvega mikrokrmilnika.

49 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 35 Slika 4.4: Funkcionalnost prvega mikrokrmilnika (MainApp1) Drugi mikrokrmilnik ima nalogo krmiljenja elektromotorjev in zaznavo sprememb pri senzorjih, kar je prikazano na sliki 4.5 Slika 4.5: Funkcionalnost drugega mikrokrmilnika (MainApp2) Funkcionalnost prvega mikrokrmilnika izvaja program MainApp1. Blokovni diagram poteka programa MainApp1 je prikazan na sliki 4.6.

50 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 36 Slika 4.6: Blokovni diagram programa za prvi mikrokrmilnik (MainApp1) Drugi mikrokrmilnik vsebuje program MainApp2. Blokovni diagram poteka programa MainApp2 je prikazan na sliki 4.7.

51 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 37 Slika 4.7: Blokovni diagram programa za drugi mikrokrmilnik (MainApp2) V oba mikrokrmilnika smo naložili zagonski program poimenovali smo ga Bootloader, ki omogoča programiranje mikrokrmilnika na daljavo. Preden lahko izvajamo programiranje mikrokrmilnika na daljavo moramo opraviti prvo programiranje, da naložimo zagonski program v mikrokrmilnik. To storimo s pomočjo ISP vmesnika ter

52 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 38 ustrezno nastavimo mostiček za ponovni zagon vezja, s tem izberemo kateri mikrokrmilnik bomo ponovno sprogramirali. Pri prvem programiranju moramo še ustrezno nastaviti varovalke za zagon mikrokrmilnika preko zagonskega programa. Te nastavitve varovalk se zapišejo na posebno lokacijo v mikrokrmilniku. Ko mikrokrmilnik deluje v uporabniškem načinu onemogoči pisanje na lokacije, kjer se nahaja zagonski program. 4.3 Programiranje mikrokrmilnika preko osebnega računalnika Za lažji razvoj aplikacij za mikrokrmilnik smo naredili program RoboMator s pomočjo katerega lahko programiramo mikrokrmilnik na daljavo z uporabo Bluetooth povezave preko osebnega računalnika (slika 4.8). Na osebnem računalniku si najprej pripravimo strojno kodo za mikrokrmilnik, ki jo nato s pomočjo programa naložimo v pomnilnik mikrokrmilnika. Strojna koda mora biti v ustreznem formatu zapisa (.hex). Mikrokrmilnik moramo pred programiranje prestaviti v zagonski način, da omogočimo pisanje v pomnilnik, ki je namenjen za uporabniški program. Slika 4.8: Zaslonska slika programa RoboMator

53 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien Program za upravljanje in testiranje Program je namenjen upravljanju in testiranju programske opreme za mikrokrmilnik preko Bluetooth-a in preko brezžičnega lokalnega omrežja. Program omogoča enostavno testiranje napisane programske opreme in je namenjen izključno za razvoj in testiranje. Program pošilja že naprej definirane ukaze, ki so specificirani v protokolu za komunikacijo. Zatem ko sprogramiramo mikrokrmilnik in se mikrokrmilnik postavi v začetno stanje, je pripravljen za sprejem podatkov. S pomočjo programa za upravljanje in testiranje (RoboTrol), ki omogoča pošiljanje osnovnih ukazov za premikanje, preverjanje trenutnega stanja senzorjev ali baterije ter preverjanje odmeva, lahko hitro preverimo pravilno delovanje mikrokrmilnika (slika 4.9). Ta program potrebuje na osebnem računalniku dostop do Bluetooth omrežja s pomočjo Bluetooth naprave, ki se poveže na Bluetooth modul, ki poskrbi za komunikacijo do mikrokrmilnika (slika 4.x). Podobno potrebuje dostop do brezžičnega lokalnega omrežja preko dostopne točke, možna je tudi neposredna brezžična lokalna povezava uporabnik-uporabnik (ad-hoc).

54 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 40 Slika 4.9: Zaslonska slika programa RoboTrol 4.5 Program za vgrajeni sistem Podobno kot smo razvili program za mikrokrmilnik in računalnik smo razvili tudi program za vgrajeni sistem RoboPaq (slika 4.10). Ta je imel podobno nalogo kot program mikrokrmilnika, skrbeti mora za prenos podatkov v obe smeri med različnimi omrežji, skrbi za preslikavo med različnimi omrežji. Dlančnik ima eni strani povezavo v brezžično lokalno omrežje na drugi strani ima povezavo v Bluetooth omrežje. Bluetooth povezava se znotraj operacijskega sistema, ki je nameščen na dlančniku, lahko uporablja kot navidezni zaporedni vmesnik [4].

55 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 41 Slika 4.10: Zaslonska slika programa za vgrajeni sistem RoboPaq Naloge programa, ki teče na vgrajenem sistemu so preslikava komunikacije med različnima vmesnikoma in sprejem ukazov, ki so namenjeni dlančniku. Zaslon dlančnika, smo izkoristili kot prikazovalnik trenutnega stanja ali kot prikazovalnik slik, ki tudi predstavljajo obraz Robosapien-a. Zvočni izhod dlančnika smo uporabili za igranje zvokov ali glasbe.

56 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 42 Slika 4.11: Funkcionalnost programa za vgrajeni sistem 4.6 Uporabniški vmesnik na osebnem računalniku Grafični uporabniški vmesnik (RoboStick) je namenjen končnemu uporabniku, da lahko neposredno nadzira Robosapien-a. Program omogoča nadzorovanje gibanja vseh vgrajenih elektromotorjev ter omogoča osnovno premikanje s pomočjo hoje ter preverja stanja senzorjev. Program omogoča tudi krmiljenje robota s pomočjo igralne palice, kar je izvedeno s pomočjo knjižnice Microsoft DirectX [8]. Program za komunikacijo uporablja UDP protokol, ki preko lokalnega omrežja dostopa do brezžične dostopne točke, na katero je povezan dlančnik. Program na osebnem računalniku deluje kot gostitelj. Program na dlančniku pa deluje kot gost.

57 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 43 Slika 4.12: Zaslonska slika uporabniškega vmesnika RoboStick

58 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 44 5 REZULTATI 5.1 Protokol za komunikacijo Robocom Preden lahko uporabljamo protokol za komunikacijo Robocom, moramo ustrezno nastaviti naslove naprav za posamezna omrežja. V brezžičnem lokalnem omrežju in lokalnem omrežju imamo IP naslove (Internet Protocol Address). Te nastavimo posebej za osebni računalnik in posebej za dlančnik. Osebni računalnik in dlančnik morata biti v enakem podomrežju tako, da je možna neposredna komunikacija med njima na izbranih vratih. Izbrane IP naslove, ki jih nastavimo v operacijskem sistemu osebnega računalnika oziroma dlančnika, je potrebno ustrezno nastaviti znotraj programov RoboTrol, RoboStick in RoboPaq. Ti naslovi so pomembni za vzpostavitev začetne povezave in služijo kot identifikacija v brezžičnem lokalnem omrežju in lokalnem omrežju, da ne pride do konfliktov med različnimi napravami. Pri tem ima osebni računalnik vlogo gostitelja in dlančnik vlogo gosta. Preden lahko steče komunikacija se gost mora povezati na gostitelja. Prav tako je potrebno poskrbeti za nastavitve Bluetooth povezave med dlančnikom in Bluetooth modulom na tiskanem vezju. Bluetooth modul na tiskanem vezju smo nastavili tako, da deluje kot gostitelj in se lahko vsaka Bluetooth naprava poveže kot gost brez uporabe ključa. Bluetooth modul na tiskanem vezju nudi storitev navideznih zaporednih vrat, ki se uporabljajo enako kot zaporedna vrata. Zaporedna povezava (RS232 ali USART) skrbi za povezavo med mikrokrmilniki in Bluetooth modulom. Prvi mikrokrmilnik ima aktivni dve zaporedni povezavi na eni strani komunicira z Bluetooth modulom in na drugi strani z drugim mikrokrmilnikom. Drugi mikrokrmilnik ima le eno zaporedno povezavo s prvim mikrokrmilnikom. Pri uporabi protokola za komunikacijo Robocom smo izbrali naslov za vsako napravo (tabela 5.1). Te naslove smo uporabljali za razlikovanje naprav pri komunikaciji.

59 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 45 Tabela 5.1: Naslovi naprav pri uporabi protokola za komunikacijo Robocom Naslov Naprava Programi 1 Mikrokrmilnik 1 MainApp1, Bootloader 2 Mikrokrmilnik 2 MainApp2, Bootloader 3 Osebni računalnik RoboMator, RoboTrol, RoboStick 4 Dlančnik RoboPaq Naš namen je bil narediti protokol, ki je transparenten glede na prenosni medij. Na poti od izvora do cilja zagotavljamo to transparentnost tako, da izvedemo ustrezno preslikavo. Paket med potovanjem od izvora do cilja potuje do vseh naprav, ki so del omrežja. Vsaka naprava preverja ali je naslovnik paketa in glede na to ustrezno reagira. Če je naslovnik paketa prebere vsebino, drugače jo zavrže. Če paket prebere izvede ukaz in pošlje potrditev na izvorni naslov. Potovanje paketa je prikazano na sliki 5.1. Slika 5.1: Potovanje paketa Pri velikosti paketa so se pojavile omejitve zaradi potrebe po rezervaciji pomnilnika v mikrokrmilniku. Mikrokrmilnik je omejen z velikostjo pomnilnika. Največji paket potreben za prenos je pri programiranju mikrokrmilnika 256 zlogov, ki predstavlja eno stran v

60 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 46 mikrokrmilniku Atmel AVR ATMega128. Na osnovi tega smo preračunali potrebni medpomnilnik za komunikacijo v mikrokrmilniku. Okvir je sestavljen iz glave, ki zaseda 6 zlogov, in podatkov, ki zasedajo 256 zlogov. Ko tvorimo paket se ta vrednost podvoji in dobimo še dva dodatna zloga za začetek in konec paketa. Tako smo za medpomnilnik rezervirali 600 zlogov. Slika 5.2: Primer okvirja z vrednostmi 5.2 Odzivni časi Odzivne čase smo izmerili s pomočjo programa Wiresharp v (slika 5.3), ki je namenjen za analiziranje mrežnih protokolov oziroma prometa, ki potuje preko izbrane mrežne kartice na osebnem računalniku.

61 Brezžično komunikacijsko razvojno okolje za robota Robosapien 47 Slika 5.3: Zaslonska slika programa Wireshark v Paket in potrditev paketa sta sestavljena iz dveh UDP paketov en gre od osebnega računalnika do ciljnega naslova in drugi od ciljnega naslova nazaj na osebni računalnik. S pomočjo programa RoboTrol smo na osebnem računalniku zaporedoma sprožili več takšnih paketov in smo počakali na potrditev posameznega paketa. Dogajanje smo nato analizirali s pomočjo programa Wiresharp. Odzivni čas smo merili, ko je bil dlančnik na predvideni poziciji kot glava Robosapiena. Takrat je razdalja za Bluetooth povezavo med dlančnikom in robotom najkrajša in le-ta najmanj vpliva na samo komunikacijo. Vsebina povprečnega paketa je velikosti 10 zlogov in dolžina največjega paketa je dolžine 256 zlogov.