Desenvolvimento de uma gateway Ethernet para os robôs CAMBADA

Abstract

A equipa CAMBADA é uma equipa de futebol robótico constituída por quatro robôs jogadores e um guarda-redes que participa anualmente no campeonato mundial, RoboCup, na liga MSL. Nesta liga, a construção dos robôs é da total responsabilidade das equipas, levando estas a evoluírem constantemente. O robô CAMBADA é constituído por 3 camadas: visão, processamento e sensorização/locomoção. A interligação entre as duas últimas camadas é, atualmente, realizada por um módulo de gateway que reencaminha, bidirecionalmente, as mensagens trocadas entre elas. A gateway apresentase como mais um módulo CAN existente na base do robô, enquanto a sua ligação ao computador portátil é realizada através de uma ligação USB que emula uma porta de comunicação série. Esta solução apresenta algumas fragilidades a nível electro-mecânico e ao nível da comunicação. Como resultado da identificação destes problemas, a presente dissertação descreve o projeto e desenvolvimento de uma nova gateway baseada num microcontrolador com a capacidade de ligação às redes CAN e Ethernet. Desenvolveu-se a nova gateway. Este desenvolvimento começou por uma pesquisa de quais os microcontroladores com essa capacidade, seguindo-se uma abordagem ao software, firmware e hardware. Inicialmente desenvolveu-se o firmware otimizado para ter a capacidade de receber uma mensagem contendo várias tramas com o comportamento do robô. De seguida, procedeu-se à adaptação do software ao nível central de processamento com vista a assegurar a capacidade de comunicação com a nova gateway mas mantendo a retrocompatibilidade com as versões existentes. Por fim, na última fase, foi necessário desenhar e instanciar uma placa cumprindo os requisitos que permitam a sua integração direta no robô. Uma vez cumprido o desenvolvimento, foi necessário testar todo o sistema para validar a solução encontrada. Para isso, foram realizados vários ensaios intensivos para caraterizar a nova placa. Verificou-se que o tempo de comunicação de uma mensagem diminuiu substancialmente e a capacidade de transportar mais informação aumentou. Esta melhoria diminuiu o tempo por mensagem em, aproximadamente, 20 vezes e a capacidade de transportar uma mensagem de 400 bytes, num único pacote UDP. Por outro lado, estas alterações trazem uma desvantagem que passa pela quadruplicação do consumo da nova gateway, passando a ser de aproximadamente de 200 mA. Concluiu-se que, apesar do maior consumo, as melhorias obtidas favorecem o robô CAMBADA, pelo que esta nova versão passará a ser instalada em todos os robôs.

The CAMBADA team is a robotic football team made up of four robot players and a goalkeeper who annually participates in the world championship, RoboCup, in the MSL league. In this league, the construction of the robots is the total responsibility of the teams, leading them to constantly evolve. The CAMBADA robot consists of 3 layers: vision, processing and sensing/ locomotion. The interconnection between the last two is currently carried out by a gateway module that forwards, bi-directionally, the messages exchanged between them. The gateway presents itself as another CAN module on the base of the robot, while its connection to the laptop is made through a USB connection that emulates a serial communication port. This solution presents some weaknesses at the electro-mechanical level and at the communication level. Based on this problem, and using a microcontroller with the ability to have a CAN and Ethernet connection, a new gateway was developed. This development began by researching which microcontrollers have this capability, followed by an approach to software, firmware and hardware. Initially, the optimized firmware was developed to be able to receive one message with all information from robot’s behavior. Then, the adaptation of the software with the ability to communicate with the new gateway while ensuring backward compatibility of versions was developed. Finally, in the last phase it was necessary to design a PCB board with the requirements to allow it to be seamlessly integrated into the robots. After all the development, it was necessary to test the entire system to validate the solution found. For this, several intensive tests were carried out to characterize the new gateway. It has been verified that for a periodic single message the communication time decreased substantially and the capacity to carry more information increased. This improvement decreased the time by approximately 20 times and the ability to carry a 400 byte message, in a single packet. On the other hand this new solution brings a disadvantage that includes the quadruplication of consumption of the new gateway, reaching approximately 200 mA. It was concluded that, the advantage of the new gateway has more benefits and the consumption for now is not an issue for CAMBADA robot, with the same being installed in all robots.