{"id":62727,"date":"2023-11-15T11:08:42","date_gmt":"2023-11-15T11:08:42","guid":{"rendered":"https:\/\/knowhow.distrelec.com\/unkategorisiert\/software-fuer-die-robotik\/"},"modified":"2023-11-15T13:31:43","modified_gmt":"2023-11-15T13:31:43","slug":"software-fuer-die-robotik","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/knowhow.distrelec.com\/de\/elektronik\/software-fuer-die-robotik\/","title":{"rendered":"Software f\u00fcr die Robotik"},"content":{"rendered":"\n

Selbst bei einfachsten Robotern werden mehrere Software-Steuerungsebenen ben\u00f6tigt. Die f\u00fcr das Management von Sensorik und Aktorik zust\u00e4ndigen Mikrocontroller (MCUs)<\/a> und Ein-Chip-Systeme (SoC) nutzen meist ein Echtzeitbetriebssystem (RTOS) oder einen Kernel. <\/p>\n\n\n\n

Maximierung der Systemressourcen mit RTOS-Multitasking<\/h2>\n\n\n\n

Ein RTOS hat den Vorteil, dass es Multitasking unterst\u00fctzt. Es stellt eine relativ einfache M\u00f6glichkeit dar, zahlreiche Aktivit\u00e4ten auf einem einzigen Mikroprozessor so zu planen, dass die Ressourcen maximal genutzt werden und das System auf externe Ereignisse reagieren kann. Beispielsweise muss die T\u00e4tigkeit beim \u00d6ffnen des Sicherheitsk\u00e4figs so ausgesetzt werden, dass die Gef\u00e4hrdung f\u00fcr Roboter und Personal m\u00f6glichst gering ausf\u00e4llt. Ein einfaches Abschalten des Stroms k\u00e4me einer potenziellen Gef\u00e4hrdung gleich. Ein RTOS kann alle notwendigen Aktionen ausl\u00f6sen, damit der Roboter stillgesetzt wird, dabei aber keine schweren Gegenst\u00e4nde fallen l\u00e4sst oder Sch\u00e4den in der Umgebung anrichtet. Dazu kann beispielsweise auf einen Aktivit\u00e4tstr\u00e4ger in der Software umgeschaltet werden, der die Schaltungen in der Leistungselektronik anweist, die Motoren in vorab definierten Positionen anzuhalten.<\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/figure>\n\n\n\n

In Kombination mit einer entsprechend entwickelten Anwendungssoftware kann ein RTOS harte Sicherheitsgarantien f\u00fcr die Reaktionsdauer bei kritischen Ereignissen gew\u00e4hrleisten, die sich normalerweise durch einen externen Interrupt des Mikroprozessors ank\u00fcndigen. Dieses Verfahren wird meist von einem Interrupt-Handler geregelt, der einen Massnahmen einleitenden Aktivit\u00e4tstr\u00e4ger in der Software initiiert. Durch priorit\u00e4tsbasierte, pr\u00e4emptive Planung garantiert das RTOS die k\u00fcrzestm\u00f6gliche Latenz f\u00fcr diese Art der Reaktion auf die wichtigsten Probleme.<\/p>\n\n\n\n

ROS: Das Roboterbetriebssystem<\/h2>\n\n\n\n

Bei Robotern mit mehreren Mikroprozessoren und Hardware-Beschleunigern (von denen es immer mehr gibt) muss jeder einzelne Stellgliedknoten von einem Aufsichtssystem \u00fcberwacht werden, das sich um Aufgabenplanung und \u00fcbergeordnetes Verhalten k\u00fcmmert. Diese Rolle wird meist vom Roboterbetriebssystem (ROS) oder \u00e4hnlicher Middleware auf einem Hochleistungs-Mikroprozessor \u00fcbernommen.<\/p>\n\n\n\n

Heutige ROS sind nicht als eigenes Betriebssystem konzipiert, sondern werden auf einem \u00fcbergeordneten Betriebssystem (z. B. Linux) ausgef\u00fchrt. Das ROS fordert vom zugrunde liegenden Betriebssystem kein RTOS-Verhalten, da es l\u00e4ngerfristige Aufgaben ausf\u00fchrt, die keine Reaktionszeiten im Mikrosekundenbereich ben\u00f6tigen. Es wird allerdings an ROS-2.0-Systemen gearbeitet, die auf RTOS-Plattformen ausgef\u00fchrt werden und daher schneller reagieren k\u00f6nnen.
Die Middleware f\u00fcr das ROS leistet verschiedene Dienste, beispielsweise eine Hardwareabstraktion von hardwarenahen Ger\u00e4ten oder die Unterst\u00fctzung des prozess\u00fcbergreifenden Nachrichtenaustausches zugunsten von Multiprozessor-Architekturen und einer Managementfunktion f\u00fcr Softwarepakete. Die Prozesse werden meist mithilfe von Grafiken mit Knotenverkn\u00fcpfungen dargestellt, an denen zu erkennen ist, wo die Verarbeitung stattfindet und wie die Prozesse untereinander kommunizieren. Bei den ROS-Implementierungen handelt es sich oft um Open-Source-Pakete, die mithilfe von Linux-Plattformen das Management der Abh\u00e4ngigkeiten zwischen den Open-Source-Projekten erleichtern. Der Vorteil besteht darin, dass die ROS-Software leicht zug\u00e4nglich ist.<\/p>\n\n\n\n

Im ROS handelt es sich bei den Knoten um Prozesse oder Softwaremodule, die mindestens eine projektbezogene Aufgabe bearbeiten. Beispielsweise verarbeiten eine Kamera und ein Bildverarbeitungsknoten die visuellen Daten von einem oder mehreren Bildsensoren. Damit die Knoten \u00fcber eine Netzwerkinfrastruktur (eine Architektur, die heute im Automobilbau verbreitet ist) miteinander verbunden werden k\u00f6nnen, unterst\u00fctzt das ROS Protokolle wie TCP\/IP und UDP f\u00fcr die Nachrichten\u00fcbertragung. Die verschiedenen Knoten und Verbindungen k\u00f6nnen mit dem XML-Datenformat URDF (Universal Robot Description Format) beschrieben werden.<\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/figure>\n\n\n\n

F\u00fcr den effizienten Austausch von Sensordaten und Befehlen hat das ROS einen Publish & Subscribe-Mechanismus (Ver\u00f6ffentlichen und Abonnieren), in dem sich die Knoten registrieren und anschliessend \u00fcber bestimmte Themen informiert werden. Alle abonnierten Knoten erhalten Aktualisierungen zu den einzelnen Themen. Der ROS-Master verfolgt alle Dienste und Themen. Er \u00fcbernimmt die Registrierung der Knoten und betreibt einen Parameter-Server, auf dem die Knoten gemeinsame Konfigurationsdaten speichern und abrufen k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n

Der grosse Vorteil einer ROS-Middleware ist die Wiederverwendung und gemeinsame Nutzung von Code. Durch das Code-Sharing k\u00f6nnen alle Nutzer auf eine gemeinsame Softwarebasis zur\u00fcckgreifen, was das Testen erleichtert und die Zuverl\u00e4ssigkeit der Software insgesamt verbessert. ROS ist nicht auf physische Roboter beschr\u00e4nkt, sondern unterst\u00fctzt auch simulierte Roboter.
<\/p>\n\n\n\n

Die Rolle der Simulation in der Robotikentwicklung<\/h2>\n\n\n\n

Eine wichtige Voraussetzung f\u00fcr die Entwicklung eines Roboters ist die M\u00f6glichkeit, sein Verhalten in der virtuellen Umgebung zu simulieren, bevor die Umsetzung in Hardware erfolgt. Mit dem Simulator k\u00f6nnen Robotikprogramme offline geschrieben und auf Fehler gepr\u00fcft werden. Die Software wird also in einer risikofreien Umgebung entwickelt, sodass der Roboter und seine Umgebung nicht besch\u00e4digt werden, falls das vorgeschlagene Programm schwerwiegende Fehler enth\u00e4lt. Die endg\u00fcltige Version des Programms wird sp\u00e4ter an einem echten Roboter getestet.<\/p>\n\n\n\n

Aber die Simulation birgt noch weitere Vorteile: Die Entwickler k\u00f6nnen phasenweise entwickeln. Sie beginnen mit einfachen Modellen ohne viel Detail, was sich besonders bei komplexen Projekten anbietet. Derartige Simulationen k\u00f6nnen schon fr\u00fch im Prozess eingesetzt werden, um die grunds\u00e4tzliche Durchf\u00fchrbarkeit des Systems zu ermitteln. Die f\u00fcr die Robotik entwickelten Simulationsumgebungen sind mit zahlreichen Programmiersprachen kompatibel und erleichtern die Entwicklungsarbeit. Zus\u00e4tzlich verk\u00fcrzen Simulationen oft die Entwicklungsdauer, da Fehler in der Anwendungslogik korrigiert werden k\u00f6nnen, bevor sie in der Hardware umgesetzt werden und dann nur schwer zu beheben sind.<\/p>\n\n\n\n

Bei der Robotersimulation gibt es verschiedene Verfahren. Bislang konzentrierte sich die Arbeit auf die Kinematik der Roboterbewegungen, um die Umsetzbarkeit und Zweckm\u00e4ssigkeit der Bahnen und Trajektorien zu pr\u00fcfen.<\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/figure>\n\n\n\n

Bei dieser Simulationsvariante zeigt ein virtueller Roboter in einem 3D-Raum, wie sich die Gelenke in der Realit\u00e4t wahrscheinlich verhalten werden. Durch Simulation l\u00e4sst sich auch ermitteln, ob der Roboter schwere oder sperrige Gegenst\u00e4nde heben und handhaben kann, ohne an Standsicherheit einzub\u00fcssen.<\/p>\n\n\n\n

Einige Kinematiksimulatoren arbeiten mit vereinfachten Berechnungen und konzentrieren sich auf die programmgesteuerte Drehung und Bewegung von Gegenst\u00e4nden, um Kollisionen mit dem Sicherheitsk\u00e4fig oder der Arbeitszelle zu vermeiden. Andere wiederum setzen auf komplexere Physiksimulationen, um Belastungen und andere Aspekte zu simulieren, die sich auf die Praxisleistung des Roboters auswirken k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n

Simulation von Roboterinteraktionen in dynamischen Umgebungen<\/h3>\n\n\n\n

Wenn ein Roboter die kontrollierte, durch Sicherheitsk\u00e4fige gesch\u00fctzte Umgebung verl\u00e4sst und dort eingesetzt wird, wo sich Menschen und andere Roboter frei bewegen, m\u00fcssen die Entwickler die entsprechenden Interaktionen ber\u00fccksichtigen. In der mobilen Robotik k\u00f6nnen die Entwickler im Verhaltenssimulator auf einem hohen Abstraktionsniveau virtuelle Welten mit weiteren Objekten erschaffen. Eine einfache Verhaltenssimulation ber\u00fccksichtigt nur die Bewegungen eines Roboters zwischen feststehenden Objekten. Komplexere Simulationen beinhalten mehrere mobile Agenten oder Avatare. Diese verhaltensbasierten Simulatoren unterst\u00fctzen die Entwicklung von Anwendungen, in denen der Roboter mit komplexen Umgebungen konfrontiert wird. Sie lernen aus Kollisionen und anderen Interaktionen, um besser mit Hindernissen umgehen zu k\u00f6nnen. Physikalische Simulationen werden ben\u00f6tigt, um zu pr\u00fcfen, ob die Kinematik des Roboters akkurat dargestellt wird.<\/p>\n\n\n\n

Auswahl der richtigen Physik-Engine f\u00fcr Ihren Roboter<\/h2>\n\n\n\n

Simulationsumgebungen wie das Open-Source-Paket Gazebo k\u00f6nnen realistische Sensordaten generieren, die mit unterschiedlichen St\u00f6rpegeln besetzt werden. Mit Gazebo l\u00e4sst sich die Simulation auf die konkreten Anforderungen der Anwendung abstimmen, beispielsweise durch den Einsatz verschiedener Physik-Engines. F\u00fcr die Simulation \u00fcberf\u00fcllter Umgebungen wird oft ein Maximalkoordinatensolver wie ODE oder Bullet eingesetzt. Featherstone-basierte Solver wie DART oder Simbody finden eher Anwendung bei Gelenksystemen wie humanoiden Robotern oder komplexen Fertigungsrobotern. Alle Physik-Engines sind \u00fcber dieselbe Programmierschnittstelle (API) zug\u00e4nglich.<\/p>\n\n\n\n

Die Simulationstechnik hat aber auch ihre Grenzen. Eine Anwendung kann immer nur die jeweils programmierten Eigenschaften und Ereignisse simulieren. Es werden keine internen und externen Faktoren dargestellt oder simuliert, was bei der Hardware-Umsetzung des Konzeptes zu Problemen f\u00fchren kann. Oft ist es auch schwierig, ausreichend repr\u00e4sentative Szenarien zu entwerfen, was insbesondere f\u00fcr die Auswertung komplexer Situationen und Verhaltensweisen gilt. Erfahrungen bei der Umsetzung simulierter Konzepte in die physische Umgebung k\u00f6nnen auf zuk\u00fcnftige Projekte \u00fcbertragen werden, sodass sich die Fehlerquote mit der Zeit verringert.<\/p>\n\n\n\n

Daher z\u00e4hlt die Simulation auch weiterhin zu den wichtigsten Hilfsmitteln bei der Entwicklung von Robotern.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Selbst bei einfachsten Robotern werden mehrere Software-Steuerungsebenen ben\u00f6tigt. 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