Controlo distribuído de plataformas para experiências de mecatrónica

Abstract

Os Sistemas Distribuídos encontram-se em variadas aplicações do dia-a-dia abrangendo áreas como a aviónica, robótica, automação industrial e automotiva. Um Sistema de Controlo Distribuído implica que vários componentes do sistema troquem informação entre si com o propósito de atingir um objectivo comum. Essa informação é, geralmente, trocada recorrendo a uma rede de comunicação que interliga todos os componentes intervenientes no sistema de controlo. A introdução desta rede no sistema levanta problemas do ponto de vista do comportamento temporal e funcional do sistema pois introduz latência e jitter adicionais na malha de controlo. Muitas aplicações são sensíveis á latência e ao jitter pelo que estes aspectos poderão conduzir á degradação do desempenho do controlo. Esta observação levou ao desenvolvimento de protocolos específicos com propriedades de tempo-real. Esta dissertação tem como objectivo avaliar experimentalmente o desempenho do protocolo de tempo-real FTT-SE desenvolvido no Laborat ório de Sistemas Electrónicos da Universidade de Aveiro. Aspectos como o Isolamento Temporal, Garantias de Reserva de Recursos, Escalonamento das Mensagens e Gestão da Carga na Rede serão tidos em especial consideração. O desempenho do protocolo FTT-SE vai também ser comparado com o desempenho do protocolo Ethernet em situações de utilização similares, destacando os problemas do uso de um protocolo sem propriedades de tempo-real. A avaliação experimental do protocolo FTT-SE _e baseada nas plataformas de mecatrónica \Bola no Plano" e \Bola na Calha" anteriormente desenvolvidas no Laboratório de Sistemas Electrónicos da Universidade de Aveiro. Foram realizadas duas implementações, uma baseada em Ethernet e outra em FTT-SE. Cada implementação foi submetida a diferentes condições de carga e o desempenho foi avaliado tendo em conta diferentes critérios. Os testes realizados permitem observar as interferências que a rede induz nos sistemas físicos bem como avaliar a eficácia dos mecanismos de tempo-real do protocolo FTT-SE.

ABSTRACT: Distributed systems are becoming a commonplace, being found in many daily life application areas such as avionics, robotics, industrial automation and automotive. A distributed control system implies that several components of the system have to exchange information among themselves to be able to achieve a common goal. This information is usually exchanged through a communication network joining together those components. The use of the network in itself can pose problems in terms of time and functional behavior of the systems, since it may introduce additional latency and jitter in control loop. Many applications are latency and jitter sensitive and thus the introduction of the network may result in noticeable degradation of performance of control. This observation led to the development of specific protocols with real-time properties. The aim of this dissertation is to assess experimentally the performance of the FTT-SE real-time protocol, developed in the Electronic Systems Laboratory of the University of Aveiro. Particular attention is devoted to aspects such as temporal isolation, resource reservation guarantees, message scheduling and overload handling. The performance of FTT-SE will also be compared against the use of plain Ethernet in similar situations, highlighting the problems of using non real-time protocols. The experimental assessment of the FTT-SE protocol is based on the mechatronic platforms \ Ball on Plate" and \Ball on Beam" previously developed at the Electronic Systems Laboratory of the University of Aveiro. Two implementations, one based in plain Ethernet and another in FTT-SE, have been realized. Each one is submitted to diferent load conditions and the control performance assessed according with diverse criteria. These experiments permit observing the impact of network induced perturbations in real-world systems as well as to assess the efectiveness of real-time mechanisms provided by the FTT-SE protocol.