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Software framework implementation for a robot that uses different development boards
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 14.41 MB | Adobe PDF |
Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
A software framework is a concrete or conceptual platform where common code with generic
functionality can be selectively specialized or overridden by developers or users. Frameworks
take the form of libraries where a well-defined application program interface is reusable anywhere
within the software under development. A user can extend the framework but not modify
the code. The purpose of software framework is to simplify the development environment, allowing
developers to dedicate their efforts to the project requirements, rather than dealing with
the framework’s mundane, repetitive functions and libraries.
A differential wheeled robot is a mobile robot whose movement is based on two separately
driven wheels placed on either side of the robot body. It can thus change its direction by varying
the relative rate of rotation of its wheels and hence does not require an additional steering
motion. If both the wheels are driven in the same direction and speed, the robot will go in a
straight line. If both wheels are turned with equal speed in opposite directions, the robot will
rotate about the central point of the axis. Otherwise, depending on the speed of rotation and its
direction, the center of rotation may fall anywhere on the line defined by the two contact points
of the wheels.
The objective of this thesis, is to create a software framework for a wheeled robot, where we
can change its development board, without having to make many changes in the code that is
used to control the robot. The composition of the robot is: a development board, that allows
the control of any electronic devices, that are connected to it; some sensors to detect obstacles;
two motors to move the robot; a motor driver to power and control the motors individually; a
chassis to assemble the robot; and a battery to power all the electronic devices.
The most important device of the robot is the development board, which allows the control of
every single electronic device connected to it through a program. In this project we use three
development boards, which are: Arduino UNO rev3, NodeMCU ESP8266 v1.0 and Raspberry
Pi 3 Model B+. The programming language used to control the devices and the boards is the
C++ programming language, because it can be used with all of them. Since all the boards
have a different external/internal design, there are some issues that we need to fix with the
help of external hardware. Other important devices are the sensors to detect objects, which
are: the sensor HC-SR04, which uses ultrasonic waves; and, the sensor Sharp GP2Y0A41SK0F, which uses infrared light. The framework also covers two types of servo motors: one that can
continuously rotate; and the other one that only rotates about half a circle. The servo motors
can be used, for instance, to rotate a range sensor. Then we need two DC motors to move the
vehicle. To power up these DC motors, which are controlled with a PWM signal, we need
to connect them to a device called motor driver which is connected to a battery. Finally, to
assemble the robot we just need to connect all the devices to the development board and attach
them to the chassis.
This software framework was created with the purpose of programmatically connect every device
(any sensor, motor or other device) to the development board and allow a user to do minimal
code changes when he has the need to change the development board. All the devices that the
framework supports have a datasheet explaining their behavior and operation, so that it was
possible to develop a library to operate and control the device. By joining all these libraries
together we have the framework presented here.
The experimental methodology, used in two case studies, will show the features and the limitations
of the framework. The first case study shows that the changes the user needs to do when
changing boards are minimal but because all the development boards are different, there are
some things we can’t program without having to make the user of the framework, sacrifice his
GPIO connection choices. The second case study, shows that because of how the development
boards work internally, there are some things that aren’t possible to program to work like they
were designed as the other development boards.
Um framework de software é uma plataforma conceitual em que um código comum com funcionalidade genérica pode ser seletivamente especializado ou substituído por desenvolvedores ou utilizadores. Os frameworks assumem a forma de bibliotecas em que uma interface de um programa bem definido é reutilizável em qualquer lugar dentro do software em desenvolvimento. Um utilizador pode estender a framework, mas não pode modificar o código. O objetivo do framework é simplificar o ambiente de desenvolvimento, permitindo que os desenvolvedores dediquem os seus esforços aos requisitos do projeto, em vez de lidar com as bibliotecas e funções, comuns e repetitivas, do framework. Um robô com rodas diferenciais é um robô móvel cujo o movimento é baseado em duas rodas acionadas separadamente que estão colocadas em ambos os lados do corpo do robô. Pode assim alterar a sua direção, variando a taxa relativa à rotação das rodas, e portanto, não requer um movimento de direção adicional. Se ambas as rodas forem movidas na mesma direção e velocidade, o robô irá mover-se em linha reta. Se ambas as rodas girarem com velocidade igual e em direções opostas, o robô girará em torno do ponto central do eixo. Caso contrário, dependendo da velocidade de rotação e da sua direção, o centro de rotação pode cair em qualquer lugar na linha definida pelos dois pontos de contato das rodas. O objetivo desta tese é criar um framework de software para um robô de rodas, onde podemos mudar a sua placa de desenvolvimento sem ter que fazer muitas alterações no código que é usado no controlo do robô. A composição do robô é a seguinte: uma placa de desenvolvimento, que permite o controlo de qualquer dispositivo eletrónico que esteja conectado à placa; alguns sensors para detetar obstáculos; dois motores para mover o robô; um driver para os motores, para alimentar e controlar os motores individualmente; um chassi, para montar o robô; e uma bateria, para alimentar todos os dispositivos eletrónicos. O dispositivo mais importante do robô é a placa de desenvolvimento, que permite o controlo de cada dispositivo eletrónico, que está ligado à placa, através de um programa. Neste projeto utilizamos três placas de desenvolvimento, que são: Arduino UNO rev3, NodeMCU ESP8266 v1.0 e Raspberry Pi 3 Model B +. A linguagem de programação usada para controlar os dispositivos e as placas é a linguagem de programação C ++, porque pode ser usada por todas as placas. Como todas as placas têm um design externo / interno diferente, existem alguns proble-mas que precisam de ser salvaguardados com a ajuda de hardware externo. Outros dispositivos importantes são os sensores que servem para detetar objetos, e estes são: o sensor HC-SR04, que utiliza ondas ultrassónicas; e, o sensor Sharp GP2Y0A41SK0F, que usa luz infravermelha. A framework também suporta dois tipos de servo motores: um que pode girar continuamente; e o outro só pode rodar cerca de meio círculo. Por exemplo, os servo motores podem ser utilizados para fazer rodar um sensor que deteta objetos. Também precisamos de dois motores DC para mover o robot. Para energizar estes motores, que são controlados por um sinal PWM, precisamos de liga-los a um dispositivo chamado de driver para motor que está ligado a uma bateria. Finalmente, para montar o robô precisamos apenas de ligar todos os dispositivos à placa de desenvolvimento e montar todos os dispositivos no chassi. Este framework de software foi criada com o objetivo de ligar todos os dispositivos (qualquer sensor, motor ou outro dispositivo eletrónico), em termos de programação, à placa de desenvolvimento e permitir que um utilizador faça alterações mínimas no código que controla robô quando tiver a necessidade de alterar a placa de desenvolvimento. Todos os dispositivos que a framework suporta têm uma ficha de especificações que explica o seu comportamento e como funcionam, e por este motivo foi possível desenvolver uma biblioteca para controlar estes dispositivos. Ao unir todas as bibliotecas temos a framework. A metodologia experimental usada em dois casos de estudo, mostram quais as limitações da framework. O primeiro caso de estudo mostra que as alterações que o utilizador precisa de fazer ao trocar as placas são mínimas, mas como todas as placas de desenvolvimento são diferentes existem sempre algumas coisas que não podemos programar sem ter que fazer com que o utilizador da framework, sacrifique as suas opções de ligação aos pinos GPIO. No segundo caso de estudo é mostrado que devido à forma de como as placas de desenvolvimento trabalham internamente, existem algumas coisas que não podem ser programadas para funcionar como se fossem as outras placas de desenvolvimento.
Um framework de software é uma plataforma conceitual em que um código comum com funcionalidade genérica pode ser seletivamente especializado ou substituído por desenvolvedores ou utilizadores. Os frameworks assumem a forma de bibliotecas em que uma interface de um programa bem definido é reutilizável em qualquer lugar dentro do software em desenvolvimento. Um utilizador pode estender a framework, mas não pode modificar o código. O objetivo do framework é simplificar o ambiente de desenvolvimento, permitindo que os desenvolvedores dediquem os seus esforços aos requisitos do projeto, em vez de lidar com as bibliotecas e funções, comuns e repetitivas, do framework. Um robô com rodas diferenciais é um robô móvel cujo o movimento é baseado em duas rodas acionadas separadamente que estão colocadas em ambos os lados do corpo do robô. Pode assim alterar a sua direção, variando a taxa relativa à rotação das rodas, e portanto, não requer um movimento de direção adicional. Se ambas as rodas forem movidas na mesma direção e velocidade, o robô irá mover-se em linha reta. Se ambas as rodas girarem com velocidade igual e em direções opostas, o robô girará em torno do ponto central do eixo. Caso contrário, dependendo da velocidade de rotação e da sua direção, o centro de rotação pode cair em qualquer lugar na linha definida pelos dois pontos de contato das rodas. O objetivo desta tese é criar um framework de software para um robô de rodas, onde podemos mudar a sua placa de desenvolvimento sem ter que fazer muitas alterações no código que é usado no controlo do robô. A composição do robô é a seguinte: uma placa de desenvolvimento, que permite o controlo de qualquer dispositivo eletrónico que esteja conectado à placa; alguns sensors para detetar obstáculos; dois motores para mover o robô; um driver para os motores, para alimentar e controlar os motores individualmente; um chassi, para montar o robô; e uma bateria, para alimentar todos os dispositivos eletrónicos. O dispositivo mais importante do robô é a placa de desenvolvimento, que permite o controlo de cada dispositivo eletrónico, que está ligado à placa, através de um programa. Neste projeto utilizamos três placas de desenvolvimento, que são: Arduino UNO rev3, NodeMCU ESP8266 v1.0 e Raspberry Pi 3 Model B +. A linguagem de programação usada para controlar os dispositivos e as placas é a linguagem de programação C ++, porque pode ser usada por todas as placas. Como todas as placas têm um design externo / interno diferente, existem alguns proble-mas que precisam de ser salvaguardados com a ajuda de hardware externo. Outros dispositivos importantes são os sensores que servem para detetar objetos, e estes são: o sensor HC-SR04, que utiliza ondas ultrassónicas; e, o sensor Sharp GP2Y0A41SK0F, que usa luz infravermelha. A framework também suporta dois tipos de servo motores: um que pode girar continuamente; e o outro só pode rodar cerca de meio círculo. Por exemplo, os servo motores podem ser utilizados para fazer rodar um sensor que deteta objetos. Também precisamos de dois motores DC para mover o robot. Para energizar estes motores, que são controlados por um sinal PWM, precisamos de liga-los a um dispositivo chamado de driver para motor que está ligado a uma bateria. Finalmente, para montar o robô precisamos apenas de ligar todos os dispositivos à placa de desenvolvimento e montar todos os dispositivos no chassi. Este framework de software foi criada com o objetivo de ligar todos os dispositivos (qualquer sensor, motor ou outro dispositivo eletrónico), em termos de programação, à placa de desenvolvimento e permitir que um utilizador faça alterações mínimas no código que controla robô quando tiver a necessidade de alterar a placa de desenvolvimento. Todos os dispositivos que a framework suporta têm uma ficha de especificações que explica o seu comportamento e como funcionam, e por este motivo foi possível desenvolver uma biblioteca para controlar estes dispositivos. Ao unir todas as bibliotecas temos a framework. A metodologia experimental usada em dois casos de estudo, mostram quais as limitações da framework. O primeiro caso de estudo mostra que as alterações que o utilizador precisa de fazer ao trocar as placas são mínimas, mas como todas as placas de desenvolvimento são diferentes existem sempre algumas coisas que não podemos programar sem ter que fazer com que o utilizador da framework, sacrifique as suas opções de ligação aos pinos GPIO. No segundo caso de estudo é mostrado que devido à forma de como as placas de desenvolvimento trabalham internamente, existem algumas coisas que não podem ser programadas para funcionar como se fossem as outras placas de desenvolvimento.
Description
Keywords
Framework de software Robô de rodas Placa de desenvolvimento Rede de sensores