Az MDA-US - korábban Alliance Spacesystems LLC - űrrobotikát, -mechatronikát, -szerkezeteket és beágyazott rendszereket szállít a világűrben, a Marson és a Földön szélsőséges körülmények között működő rendszerekhez. Termékeinket bolygóközi űrhajókon, telekommunikációs és tudományos műholdakon és kihívást jelentő földi alkalmazásokban használják

Számos NASA Mars-küldetés, úgymint a Phoenix Lander, valamint a Spirit és az Opportunity Mars-felderítő járművek számára fejlesztettünk robotkarokat. A Hubble űrteleszkóp egyik javítási küldetése számára is készítettünk robotikai megoldást. A projektjeink különleges volta okán házon belül tervezzük, gyártjuk, szereljük és teszteljük ezeket a robotrendszereket, szoros határidővel és költségvetési kényszerekkel, a nagyon szigorú eljárásoknak megfelelően, amelyek az ilyen extrém körülmények közötti működés biztosításához szükségesek. Az NI-technológia három fő előnyt biztosít - zökkenőmentes szoftver-hardver integrációt, rugalmas és nagy teljesítményt biztosító működést, valamint az intuitív, egyszerű használatot. Mindezek az előnyök segítettek a műszaki fejlesztésben és a követelmények teljesítésében

A beágyazott-tervezés és a robotika kihívásai
Amivel mi foglalkozunk, az majdnem teljes egészében olyan jellegű, amilyet korábban még senki más nem csinált. A munkánk úttörő jellege miatt az elsődleges kihívás számunkra az, hogy időben és limitált költségvetéssel tervezzünk és fejlesszünk egyedi rendszereket. Maximálisan ki kell használnunk a korábbi tapasztalatainkat, és gyakran integrálunk meglévő technológiákat az új rendszerekbe. Viszont a rövid határidők miatt gyorsan kell adaptálnunk és iterálnunk a fejlesztést, ami ráadásul több különböző diszciplínát foglalhat magában. Következésképpen folyamatosan fedezünk fel új lehetőségeket a komplex mechanikai rendszerek szoftverrel és fejlett irányítórendszerrel történő integrálására.
A robotikai fejlesztés olyan mérnököket kíván, akik egyszerre több mérnöki diszciplínában is otthonosan mozognak. Át kell látniuk, hogy milyen hatással lesz a mechanikai rendszer az irányítórendszer fejlesztésére. Szintén érteniük kell a szoftver működését és a valós, zajokkal és hibákkal terhelt elektronikával és mérésekkel való munkát. A digitális vezérlés, a szabályozási körök ciklusideje és a determinisztikus működés mind nagyon fontos szempontok a robotrendszerek fejlesztésekor. Ezért a sikeres robotikai tervezés mindezen kölcsönös függőségek megértését és integrálását, valamint a rendszertervezési folyamatok implementálását is igényli annak érdekében, hogy a vevőink számára a leghatékonyabb terméket tudjuk leszállítani.

Az NI-eszközök széles körű implementálása
A hatékony és megbízható tervezési, prototípus-készítési és -telepítési folyamat biztosítása érdekében az MDA-US, korábban Alliance Spacesystems, robotikatervező laboratóriuma NI szoftvert és szoftvervezérelt, moduláris hardvereket használ. Repülőgépes alkalmazások esetében az NI-technológia segít egy adott koncepciónak repülőgép-hardvereken történő implementálás előtti gyors fejlesztésében, demonstrálásában és tesztelésében. Az NI-eszközök különösen hasznosnak bizonyultak űrbeli robotkarunk fejlesztésekor a koncepció demonstrációs és prototípus-készítési fázisban.
Cégünknél az NI-termékek alkalmazása követte az NI platform fejlesztéseit. Először NI-teszt és -adatgyűjtési technológiára alapozva szabványosítottuk teszt- és validációs folyamatainkat, majd kiterjesztettük az NI-eszközök felhasználási körét a prototípus-készítési és -tervezési fázisokra is. Az NI-termékek folyamatosan bővülő, rugalmas választékának köszönhetően ma már rengeteg NI-eszközt használhatunk beágyazott rendszereinkben, amelyeknél korábban különböző hardverrendszerek keverékére volt szükség.
A LabVIEW Real-Time és a LabVIEW FPGA-modulokat használjuk a szoftverfejlesztés során, valamint az NI Motion, Control és CAN-könyvtárakat is széleskörűen alkalmazzuk. Az NI Real-Time Execution Trace Toolkit szintén nagyon hasznos eszköznek bizonyul a jövőbeni fejlesztések számára a működés optimalizálásához. A legtöbb hardverünket NI CompactRIO platformra, PXI beágyazott vezérlőkre és NI Single-Board RIO-ra szabványosítottuk. Ezek az eszközök biztosították a számunkra szükséges rugalmasságot, különösen a mozgásvezérléshez, amely területre jellemző, hogy a konstrukcióinkkal szemben támasztott követelmények meglehetősen szerteágazóak. Ilyenek például a nagyszámú elosztott aktuátor használata és a saját vezérlési algoritmusaink implementálhatóságának lehetősége, amikor egy alkalmazás nagyobb teljesítményt igényel, mint amit a hagyományos PID-szabályozók biztosítani tudnak. Az NI integrált szoftver- és hardvereszközei segítettek minket, hogy hatékonyan nézhessünk szembe ezekkel a kihívásokkal.

Az NI szoftveralapú technológia üzleti és technikai előnyei
Az NI szoftveralapú termékeinek kínálata minden eszközt biztosít számunkra, ami egy teljesen integrált platformhoz szükséges. A szoftver, a hardver és a meghajtók könnyedén integrálhatók egymással, ami segít abban, hogy ezeket egy megbízható, valós idejű platformban egyesítsük. Ez a fajta integráció hatékonnyá teszi a folyamatainkat, és az intuitív, könnyen használható NI szoftveralapú technológia tovább növeli a hatékonyságunkat. A LabVIEW grafikus programozási környezete például nagyban egyszerűsíti az összetett feladatok megoldását, mind a bonyolult vezérlési algoritmusok fejlesztését, mind a hardware-in-the-loop (HIL) tesztkonfigurálást. Ez az egyszerű használat inkább kiegészíti, mint feláldozza az NI eszközök fejlett, nagy teljesítményű funkcionalitását, így a tervezéstől és analízistől kezdve a valódi hardvervezérléséig minden eszközünket integrálhatjuk.

Mivel az NI-technológia könnyen testre szabható, működtethető és integrálható, ezért még a legkifinomultabb alkalmazásainkban is sikeresen használtuk. Továbbá arra is alkalmaztuk, hogy a mérnöki problémákra és a teljes egészre összpontosíthassunk ahelyett, hogy a hardver alacsony szintű működésén és kommunikációján dolgoztunk volna. Az NI az integrációs alapfeladatok nagy részét már elvégezte, így a mérnököknek nem kell ezen dolgozni. Ennek köszönhetően az NI-technológiát a teljes folyamat során alkalmazhatjuk, a vezérlőegységet az asztali számítógépünkön Windows operációs rendszer alatt LabVIEW-ban fejleszthetjük és tesztelhetjük, ezután pedig egy valós roboton, NI valós idejű beágyazott rendszeren implementálhatjuk. Végül a LabVIEW-ban valósíthatjuk meg a felhasználói felületet és az adatgyűjtő rendszert, ami segít a konstrukció tesztelésében, hangolásában, iterálásában és továbbfejlesztésében.
Mivel ugyanaz a forgalmazó szállítja a szoftvert és a hardvert, biztosak vagyunk abban, hogy az interfészeket alaposan letesztelték, és megbízható, valamint hosszú távú terméktámogatást fogunk kapni. Ez segít a fejlesztési idő és a költségek alacsonyan tartásában. A képesség, hogy fejlesztéseinket hamar leszállítsuk vevőink számára, hatalmas üzleti előnyökkel jár. Például: kb. három hónap alatt terveztünk és építettünk meg a NASA számára egy Hubble-űrteleszkópon végrehajtandó javításokat célzó robotikai demonstrációt. Ez magában foglalt egy saját X-Y-Z tengelyű robotplatformot eszközmeghajtással, eszközcserélési képességgel és egy képfeldolgozási rendszerrel. Hagyományos megoldásokkal ezen összetett feladat teljesítése legalább egy évet vett volna igénybe, viszont LabVIEW, CompactRIO és más NI-eszközök segítségével hozzávetőlegesen 90 nap alatt leszállítottuk a prototípust. Ez nem sikerült volna az integrált NI-termékek nélkül!
Számos más projektünk esetében sem tudtuk volna tartani a határidőket az NI által kínált lehetőségek nélkül. Mivel a tömegtermelés helyett inkább az egyedi megoldásokra összpontosítunk, az egyedi mérnöki tevékenység teszi ki a költségeink nagy részét, így a mi projektjeinkre hatványozottan érvényes a mondás: az idő pénz! Az NI-termékek használatával számos, tipikusan 6-18 hónapig tartó projektünkben heteket vagy hónapokat takarítunk meg, és az idő, amit az NI-technológia használatával nyertünk, jelentős költségmegtakarítást is jelentett.

LabVIEW, CompactRIO, NI Single-Board RIO és NI C-sorozatú modulok segítségével megoldott összetett feladatok
Az űrrobotika egy magas igényeket támasztó alkalmazói terület, amely rugalmasságot és testreszabhatóságot követel meg, mivel minden használati esetünk különböző.
A robotika olyan eszközöket is igényel, amelyeket egyszerű használni, azért, hogy a mérnökök a rendszer egészére és a különböző alrendszerek közötti interakciókra tudjanak fókuszálni. A LabVIEW, CompactRIO és a többi NI-eszköz azon egyedi képességgel rendelkezik, hogy nagy teljesítmény és flexibilitás biztosítása mellett rendkívüli módon könnyű az implementálása a való életben. A szükséges megbízhatóságot és teljesítményt is biztosítják a hardver, szoftver és valós idejű operációs rendszer szempontjából.
Az NI Single-Board RIO termékét használtuk a "Mosquito" automatizált talajkeménység-vizsgáló berendezés fejlesztésének támogatásához. Ennek a rendszernek kompaktnak, nagyon robusztusnak, megbízhatónak és terepen is működőképesnek kellett lennie, amely követelmények gyors prototípus-fejlesztést és számos egyedi interfész megépítését igényelték. Mivel ez egy testreszabott rendszer volt, kezdetben számos processzort és különböző kártyákat alkalmaztunk a különféle feladatokra. Ez egy rendszertervezési kérdés volt, ami problémássá vált, mert a konfigurációnk nem volt hatékony a különböző interfészek és funkciók támogatásban. Az NI Single-Board RIO-t bevonva egyetlen beágyazott eszközzel elértük az összes szükséges funkcionalitást és rugalmasságot. Az NI Single-Board RIO-t számos C-sorozatú modullal kombináltuk: egy RS-232 interfésszel, egy SD memóriamodullal adattároláshoz, illetve egy CAN-kártyával, amely a teszter intelligens motorvezérlőjéhez kapcsolódott. A Repülőgép Robot Tesztrendszerünk (Aerospace Robotics Testbed - ART) esetében NI-hardvert és -szoftvert alkalmazva egy másfajta kihívást oldottunk meg. Ez az alkalmazás valós idejű operációs rendszert, valamint stabilitás és vezérlés terén a legmesszemenőbb megbízhatóságot igényelte. Olyan rendszert kellett kifejlesztenünk, ami számos feladatot hajt végre - elemzi a robotkart, a hardvert és a vezérlőt beleértve; megjeleníti a kar mozgását a munkatérben; kiszámítja az inverz kinematikát és dinamikát és ezzel egyidőben intuitív felhasználói felületet is biztosít, valamint a kartól érkező nagy mennyiségű telemetriai adatot is feldolgozza. Ehhez a karhoz CompactRIO-t alkalmaztunk FPGA-n elhelyezett alacsony szintű vezérlőalgoritmusokkal és a beágyazott, valós idejű processzoron implementált magasabb szintű, például inverzkinematika-algoritmusokkal. Az, hogy hagyományos hardverek és szoftverrendszerek használatával olyan rendszert hozzunk létre, ami egy repülési rendszer minden efféle feladatát el tudja látni, évekbe telt volna, de az NI-hardver és -szoftver közti zökkenőmentes integráció segített a kezdeti fejlesztés gyors végrehajtásában.

Az NI-technológia stratégiai előnyt biztosít
A műszaki és a lényegi előnyök, amikre szert tettünk az NI-eszközök implementálásával, nagyban növelték hatékonyságunkat a tervezési, prototípusgyártási és demonstrációs folyamatainkban. A projektjeinkre jellemző nagy komplexitás, újdonság magas foka, valamint a rövid időkeret erőteljes és rugalmas tervezési, illetve prototípus-készítési megoldásokat követelt meg. Mivel az NI-szoftver és -hardver magas szinten integráltak és könnyen használható funkcionalitásukkal képesek kezelni a legnagyobb kihívásainkat is, rengeteg időt és pénzt takarítottunk meg velük. Figyelembe véve ezt a fokú hatékonyságot, az NI-technológia alkalmazása a robotikai projektjeinkben a prototípus-készítés és a demonstráció során jelentős stratégiai előnyt biztosít.

A National Instruments honlapja