Abstraction and unification of sensor access in mobile robots

Abstract

In der Vergangenheit wurde bei der Entwicklung von mobilen Robotern oft wenig Wert auf Modularisierung und Wiederverwendbarkeit gelegt, obwohl es schon im Laufe eines einzigen Projektes oft wünschenswert wäre, Sensoren einfach hinzuzufügen oder zu tauschen, ohne, dass dies besondere Auswirkungen auf andere Module nach sich zieht. Zur Datenakquirierung werden oft heterogene Systeme mit einer Vielzahl unterschiedlicher Busse verwendet, was Änderungen und Erweiterungen erschwert: Kommerziell verfügbare Sensorplatinen sind oft nur mit einem Bus kompatibel, haben teilweise nur eine beschränkte Adressierbarkeit und können deshalb nicht einfach untereinander getauscht werden. Außerdem müssen die Zugriffe in zeitlich korrekter Abfolge durchgeführt werden und Prioritäten beachtet werden. Diese Diplomarbeit soll Möglichkeiten aufzeigen, wie die Kommunikation mit und die Einbindung von Sensoren (und Aktuatoren) in mobilen Robotersystemen (etwa in Forschung und Lehre) vereinfacht werden können. Ein Überblick über häufig verwendete Sensortypen bildet gemeinsam mit den in der Literatur gefundenen Lösungen die Basis, um aus den existierenden Feldbussen einen zu wählen, der als Backbone-Bus in Robotern verwendet werden kann. Ein Protokoll zur Steuerung und zum Transfer von Daten für eingebettete System wird definiert und ein Proof-of-Concept basierend auf USB implementiert. Um Einflüsse durch etwaige Latenzen und Jitter abzuschwächen, wird eine global synchronisierte Zeitbasis aufgebaut, um Messinformationen schon an der Quelle mit Zeitstempeln zu versehen. Eine Benutzfreundliche Integration des entwickelten Prototyps mit Robot Operating System (ROS) in einer Beispiel-Anwendung beweist seine Praxistauglichkeit.

In the past, the development of mobile robots did not attach great importance to modular design or reusability although it is often desirable even within a single project to be able to add or replace sensors without too many consequences for other modules. Heterogeneous systems with several different busses are used to acquire sensor data which makes changes a lot harder. Also, commercial sensor modules frequently work with one bus only, support a limited number of addresses and are incompatible with hardware from other vendors. This thesis investigates how communication with and integration of sensors in mobile robots for research and teaching can be improved. A review of common sensor types and related work in the field of sensor access provide the foundation to choose an existing field bus to be used as a single backbone bus for a communication network in robots. A control and data transfer protocol for embedded systems is defined and implemented on top of USB. To compensate for any bus latency and jitter, a globally synchronized time base is established to correlate timestamps with all sensor values already at the source of measurement. A developer-friendly integration of the system into an example application in Robot Operating System (ROS) shows its usefulness to speed up development.