Nghiên Cứu Ứng Dụng Phần Mềm Thời Gian Thực Xenomai Trong Điều Khiển Robot Công Nghiệp

Xenomai cung cấp khả năng đáp ứng thời gian thực chính xác, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng điều khiển robot đòi hỏi độ chính xác cao. Nó cho phép xây dựng các hệ thống điều khiển phân tán, tích hợp cảm biến và điều khiển robot một cách linh hoạt. Ưu điểm vượt trội của phương pháp này là tận dụng được kho tài nguyên vô giá mã nguồn mở, hệ điều hành Linux, vốn chưa được khai thác hết. Ưu điểm thứ hai là khắc phục được lỗi ngắt thường gặp trong các bộ điều khiển sử dụng hệ điều hành Window. Ưu điểm thứ ba là đảm bảo việc điều khiển robot diễn ra trong một khoảng thời gian mà người điều khiển mong muốn.

Xenomai có cấu trúc gồm 3 miền: miền chính (chạy các tác vụ thời gian thực), miền thứ cấp (chạy các tác vụ thông thường của Linux) và miền trung cấp (tấm ngắt). Cấu trúc này cho phép các thread chuyển đổi vị trí trong các miền, giúp đạt được thời gian đáp ứng nhanh và ổn định, đồng thời hạn chế crash hệ thống. Một thread thời gian thực có thể luôn luôn được thực hiện trong miền chính hoặc trong miền thứ cấp và trong miền chính. Việc này giúp Xenomai có tính linh hoạt cao trong việc quản lý tài nguyên.

Một ví dụ điển hình là việc sử dụng robot để bám theo một vật di động nhờ tín hiệu từ camera. Thông tin về vị trí của vật cần được gửi đến bộ điều khiển robot trong thời gian nhanh nhất. Nếu có sự chậm trễ, robot sẽ không thể bám theo vật. Trong trường hợp này, cần xử lý thông tin từ camera và gửi thông tin vị trí đến bộ điều khiển robot đồng thời. Xenomai đảm bảo thời gian đáp ứng nhanh, giúp robot bám theo vật một cách chính xác.

Một ứng dụng khác là điều khiển robot tác dụng lên một bề mặt với một lực không đổi. Cần nhận thông tin từ cảm biến lực và gửi giá trị lực tiếp xúc đến bộ điều khiển robot cùng lúc. Sự chậm trễ có thể làm hỏng bề mặt tiếp xúc. Xenomai giúp duy trì lực tiếp xúc ổn định, bảo vệ bề mặt và đảm bảo quá trình hoạt động diễn ra suôn sẻ. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác và an toàn cao.

Việc điều khiển robot để gắp một vật nằm trên băng tải di động cũng đòi hỏi độ chính xác cao. Camera được sử dụng để xác định vị trí và hướng của vật, sau đó thông tin này được gửi đến bộ điều khiển robot. Nếu có nhiều vật trên băng tải hoặc băng tải di chuyển nhanh, nhiệm vụ này trở nên khó khăn. Xenomai đảm bảo thời gian giao tiếp nhanh chóng, giúp robot gắp vật chính xác ngay cả trong điều kiện phức tạp.

Việc cài đặt Xenomai kernel là bước quan trọng để bắt đầu sử dụng phần mềm. Cần tải về phiên bản kernel phù hợp với hệ thống và thực hiện các bước cấu hình theo hướng dẫn. Có nhiều phiên bản Xenomai khác nhau, vì vậy cần chọn phiên bản tương thích với phần cứng và hệ điều hành. Sau khi cài đặt, cần cấu hình các tham số kernel để tối ưu hiệu năng cho các ứng dụng thời gian thực.

Sau khi cài đặt kernel, cần cấu hình driver phần cứng để Xenomai có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại vi như cảm biến và bộ điều khiển robot. Cần tải về và cài đặt các driver phù hợp với từng thiết bị. Việc cấu hình driver có thể đòi hỏi kiến thức về phần cứng và hệ điều hành. Nếu gặp khó khăn, có thể tìm kiếm sự trợ giúp từ cộng đồng Xenomai hoặc tham khảo tài liệu hướng dẫn.

Sau khi cài đặt và cấu hình hệ thống, có thể bắt đầu viết các chương trình điều khiển robot sử dụng Xenomai API. API cung cấp các hàm và thư viện để tạo ra các tác vụ thời gian thực, quản lý bộ nhớ và giao tiếp với các thiết bị ngoại vi. Việc lập trình có thể sử dụng các ngôn ngữ như C hoặc C++. Cần nắm vững các khái niệm về lập trình thời gian thực để viết chương trình hiệu quả và ổn định.

Xenomai giúp cải thiện độ chính xác điều khiển và thời gian xác lập của động cơ DC servo. Sai số xác lập đạt được là 1.67% với góc quay lớn hơn 300 độ và thời gian xác lập là 2 giây. Điều này cho thấy Xenomai có khả năng đáp ứng nhanh chóng và chính xác trong các ứng dụng điều khiển động cơ DC servo.

Xenomai cũng giúp cải thiện độ chính xác điều khiển và thời gian xác lập của động cơ AC servo. Sai số xác lập đạt được là 0.33% với góc quay lớn hơn 300 độ và thời gian xác lập là 0 giây. Kết quả này cho thấy Xenomai là một giải pháp hiệu quả để điều khiển động cơ AC servo với độ chính xác cao.

Mô hình mạch điện giao tiếp và điều khiển cho một mô hình robot 5DOF đã được chế tạo thành công. Giải thuật bám quỹ đạo hình vuông và hình tròn đã được điều khiển thành công. Cải thiện độ chính xác điều khiển quỹ đạo của robot theo quỹ đạo đường thẳng và quỹ đạo đường tròn với sai số là 3 mm. Xenomai cho phép điều khiển robot 5DOF với độ chính xác cao và khả năng bám quỹ đạo tốt.

Nghiên cứu đã chỉ ra ưu nhược điểm của phần mềm thời gian thực Xenomai so với các phần mềm điều khiển thông thường trong công nghiệp. Đã cài đặt thành công phần mềm thời gian thực Xenomai và các ứng dụng trên nền máy tính PC. Đã viết được chương trình ứng dụng trong không gian user-space và kernel-space. Đã thực hiện giao tiếp thời gian thực Xenomai với các thiết bị ngoại vi. Ứng dụng điều khiển thời gian thực cho động cơ điện DC servo motor và AC servo motor thành công. Nhóm nghiên cứu đã báo cáo 2 bài báo tại các hội nghị khoa học.

Các hướng phát triển tiếp theo của Xenomai trong điều khiển robot bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI), phát triển các thuật toán điều khiển phức tạp, và xây dựng các hệ thống robot tự hành. Xenomai sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các hệ thống robot thông minh và linh hoạt, có khả năng thích ứng với môi trường thay đổi và thực hiện các nhiệm vụ phức tạp.