Gegenstand dieser Arbeit ist der Entwurf eines Kommunikationsmodells für eine PC-basierte Robotersteuerung und deren Implementierung.
Ausgehend von den Grundlagen der Kommunikation werden verschiedene Entwurfsalternativen erläutert. Die gewählte Alternative besteht in der Implementierung eines Object-Servers, der das Management der gesamten Steuerungskommunikation übernimmt. Als Schnittstelle zum Benutzer wird ein TCP/IP-Interface zur Verfügung gestellt, so dass die Robotersteuerung von beliebigen Computern in einem angeschlossenen Netzwerk in Betrieb genommen werden kann. Die nähere Betrachtung der durch den Object-Server und das TCP/IP-Interface disponiblen Funktionen bildet einen wesentlichen Teil dieser Arbeit.
Im letzten Teil der Arbeit werden dann die Modifikationen erläutert, die ausgehend von der vorhandenen Robotersteuerung vorgenommen werden mussten, um das gewählte Kommunikationskonzept zu realisieren. Die Beleuchtung einiger praktischer Aspekte der Benutzung des Roboters schließt die Arbeit ab.
Abstract
Objective of this thesis is a communication-model for a PC-based robot control system as well as its realisation.
Based on available communication-alternatives different implementation possibilities will be explained. The resulting Object-Server, which controls and manages the complete communication will be explained in more detail afterwards. An available user-communication-interface uses the TCP/IP-protocols to support connections to the ,,world". Therefore the robot control system can be used by arbitrary computers in a common network.
Finally some modifications of the previously existing robot control system will be explained and some technical aspects of using the robot will be stated.
[...]
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Hardware / Betriebssystem
2 Grundlagen
2.1 Client-Server Kommunikation
2.1.1 Blockade/Verklemmung
2.2 TCP/IP
2.3 QNX-Inter-Prozess-Kommunikation
3 Architektur der Robotersteuerung
3.1 Object-Server
3.1.1 Nachrichten-Scheduling
3.1.1.1 Motivation
3.1.2 Anfragenbearbeitung
3.1.2.1 Motivation
3.1.3 Limitierung der Nachrichtenbenutzung
3.1.3.1 Motivation
3.1.4 Nachrichtenformat
3.1.5 Konfigurationsdatei
3.1.6 Object-Server Nachrichten
3.1.7 Klassenhierarchie
3.1.7.1 Die Klasse Message
3.1.7.2 Die Klasse connection
3.1.7.3 Die Klasse Scheduler
3.1.7.4 Die Klasse Requests
3.1.7.5 Die Klasse Table
3.1.7.6 Die Klasse ActionPool
3.1.7.7 Die Klasse InitFileEntry
3.2 Datenstrukturen
3.3 TCP/IP Interface
4 Anwendungen
4.1 Modifikation der vorhandenen Steuerung
4.1.1 Treiberanpassung
4.1.2 Regleranpassung
4.2 Eine Benutzeroberfläche
4.3 Leistung des Object-Server
5 Ausblick
6 Literatur
7 Anhang
7.1 Technische Daten Roboter
7.1.1 Referenzierung
7.1.2 Kalibrierung
7.2 Probleme
7.3 Zero++
7.4 Nachrichtenliste
7.4.1 Object-Server
7.4.2 Regler
7.4.3 Treiber
7.5 Programmerzeugung
Zielsetzung & Themen
Ziel der Arbeit ist der Entwurf und die Implementierung eines allgemeinen Kommunikationsmodells für eine PC-basierte Robotersteuerung, um eine universelle, skalierbare und netzwerkfähige Steuerungsumgebung unter dem Echtzeitbetriebssystem QNX zu schaffen.
- Entwurf und Implementierung eines zentralen Object-Servers für das Nachrichtenmanagement
- Realisierung einer TCP/IP-Schnittstelle zur netzwerkbasierten Steuerung
- Anpassung vorhandener Treiber- und Regler-Prozesse an das neue Kommunikationskonzept
- Vermeidung von Prozessblockaden und Sicherstellung der Systemintegrität
Auszug aus dem Buch
3.1.1 Nachrichten-Scheduling
Nachrichten-Scheduling ist das Zwischenspeichern und das anschließende verzögerte Weiterleiten einer Nachricht an einen Zielprozess, den Server für diese Nachricht. Beim verzögerten Weiterleiten einer Nachricht ist zu berücksichtigen, dass die Nachrichten in der Reihenfolge beim Empfänger ankommen in der sie vom Sender abgesandt wurden.
3.1.1.1 Motivation
Der Object-Server ist das zentrale Element der Regelung und darf daher nicht durch mangelnde Empfangsbereitschaft der Server-Prozesse beim Versenden von Nachrichten blockiert werden. Aus diesem Grund wird das Scheduling einer eingehenden Nachricht nötig, wenn der Zielprozess
1. zur Zeit noch Berechnungen durchführt oder
2. auf die Beantwortung einer Anfrage wartet. (Abbildung 3.3)
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Vorstellung der Aufgabenstellung zur Neuentwicklung einer PC-basierten Robotersteuerung unter QNX als Ersatz für veraltete Transputer-Systeme.
2 Grundlagen: Erläuterung der theoretischen Basis, insbesondere der Client-Server-Kommunikation, des TCP/IP-Protokollstapels und der Inter-Prozess-Kommunikation unter QNX.
3 Architektur der Robotersteuerung: Detaillierte Darstellung des Object-Servers, der Nachrichtenstrukturen, der Klassenhierarchien sowie der Datenstrukturen und Netzwerk-Schnittstellen.
4 Anwendungen: Beschreibung der Modifikationen an bestehenden Treiber- und Regler-Komponenten sowie die Vorstellung der implementierten Test-Benutzeroberfläche.
5 Ausblick: Diskussion möglicher Sicherheitserweiterungen und Performanceoptimierungen für zukünftige Entwicklungsstufen.
Schlüsselwörter
Robotersteuerung, Object-Server, QNX, Client-Server-Modell, TCP/IP, Nachrichten-Scheduling, Echtzeitbetriebssystem, Prozesskommunikation, IPC, Regleranpassung, Treiberanpassung, Nachrichtenformat, Hash-Tabelle, Netzwerk-Interface, Prozess-Synchronisation.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Es geht um die Entwicklung eines neuen, PC-basierten Kommunikationsmodells für die bestehende Robotersteuerung des Typs manutec r2 am Institut für Robotik und Prozessinformatik, um eine zukunftssichere und flexible Forschungsplattform zu etablieren.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themen sind die Client-Server-Architektur, der Einsatz des Echtzeitbetriebssystems QNX, die Implementierung eines Object-Servers zur Nachrichtenverwaltung und die netzwerkbasierte Kommunikation via TCP/IP.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Erstellung einer offenen, skalierbaren und preiswerten Robotersteuerung, die den Austausch von Komponenten zur Laufzeit ermöglicht und verschiedene Regelungskonzepte unterstützt.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einem systemtechnischen Entwurfsansatz, bei dem durch Client-Server-Trennung und Scheduling-Mechanismen Blockadefreiheit und Robustheit des Steuerungssystems erzielt werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil analysiert die Architektur der Steuerung, den Aufbau des Object-Servers inklusive seiner Klassen und Nachrichtenformate, sowie die notwendigen Modifikationen an den vorhandenen Treiber- und Regler-Prozessen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich am besten durch Begriffe wie Robotersteuerung, Object-Server, QNX, Inter-Prozess-Kommunikation und netzwerkbasierte Systemarchitektur charakterisieren.
Wie löst der Object-Server das Problem zyklischer Blockaden?
Er verwendet einen Timeout-Mechanismus bei Nachrichtenübermittlungen und prüft zusätzlich, ob ein Absender einer neuen Anfrage mit dem Empfänger einer bereits bearbeiteten, aber noch offenen Anfrage identisch ist, um so Deadlocks proaktiv zu unterbinden.
Warum ist QNX als Betriebssystem gewählt worden?
QNX wurde aufgrund seiner Echtzeitfähigkeiten gewählt, da sich das ursprünglich in Betracht gezogene Betriebssystem Windows NT für die harten Anforderungen der Roboterregelung als ungeeignet erwies.
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- Michael Borchard (Autor), 2001, Kommunikationsmodell einer PC-basierten Robotersteuerung, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/6190
