OASYS
Open source software for industrial Automation and distributed SYstemS
software Open source per l'Automazione e i SIStemi distribuiti
 
 
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MINISTERO DELL'ISTRUZIONE, DELL'UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA
DIPARTIMENTO PER LA PROGRAMMAZIONE IL COORDINAMENTO E GLI AFFARI ECONOMICI - SAUS
PROGRAMMI DI RICERCA SCIENTIFICA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE
RICHIESTA DI COFINANZIAMENTO (DM n. 21 del 20 febbraio 2003)

PROGETTO DI UNA UNITÀ DI RICERCA - MODELLO B
Anno 2003 - prot. 2003094275_001
PARTE I

1.1 Tipologia del programma di ricerca
Interuniversitario 


Aree scientifico disciplinari
Area 09: Ingegneria industriale e dell'informazione (100%) 
 
 


1.2 Durata del Programma di Ricerca

24 Mesi  


1.3 Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

MELCHIORRI  CLAUDIO  cmelchiorri@deis.unibo.it 
ING-INF/04 - Automatica     
Università degli Studi di BOLOGNA     
Facoltà di INGEGNERIA     
Dipartimento di ELETTRONICA, INFORMATICA E SISTEMISTICA     


1.4 Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca

MELCHIORRI  CLAUDIO   
Professore Ordinario  23/10/1959  MLCCLD59R23D969D 
ING-INF/04 - Automatica     
Università degli Studi di BOLOGNA     
Facoltà di INGEGNERIA     
Dipartimento di ELETTRONICA, INFORMATICA E SISTEMISTICA     
051/2093034
(Prefisso e telefono)
 
051/2093073
(Numero fax)
 
cmelchiorri@deis.unibo.it
(Email)
 


1.5 Curriculum scientifico del Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca


Testo italiano

Claudio Melchiorri è nato il 23 ottobre 1959. Ha conseguito la Laurea in Ingegneria Elettronica nel 1985 e il titolo di Dottore in Ricerca nel 1990, entrambe dall'Università di Bologna. Ha svolto periodi di ricerca all'estero (presso il Dept. of Electrical Eng., Univ. of Florida, Gainesville, FL, nel 1988 a presso l'Artificial Intelligence Lab., MIT, Cambridge, MA, USA, per periodi nel 1990 e 1991). Nel 1990 ha preso servizio presso il DEIS, Dipartimento di Elettronica Informatica e Sistemistica dell'Universita` di Bologna, come Ricercatore Universitario e nel 1998 come Professore Associato. Dal novembre 2001 è Professore Straordinario di Robotica Industriale.
È "Senior Member" dell'IEEE, membro del IFAC TC di Robotics and Automation, dell'IEEE TC in Mechatronics. È Co-Editor-in-Chief dell'Int. Journal on Mechatronics, è membro dell'Editorial Board delle IEEE Trans. on Robotics and Automation e dell'International Journal of Robotics and Autonomous Systems.
È autore o co-autore di piùdi 110 articoli scientifici pubblicati su riviste o presentati a convegni internazionali, di 3 libri sui controlli automatici e è co-editore di 3 volumi in robotica.
È stato, ed è tuttora, responsabile scientifico o coordinatore di numerosi progetti di ricerca, sia nazionali sia internazionali. I suoi interessi di ricerca includono la manipolazione robotica, le interfacce haptic, i sensori avanzati, i sistemi hw/sw di controllo.


Testo inglese
Claudio Melchiorri was born on October 23, 1959. He received the Laurea degree in Electrical Engineering in 1985, and the Ph.D. in 1990 both at the University of Bologna. He has been appointed as ``Adjunct Associate in Engineering'' at the Dept. of Electrical Eng., Univ. of Florida, Gainesville, FL, in 1988 and as "Visiting Scientist" at the Artificial Intelligence Lab., MIT, Cambridge, MA, USA, for periods in 1990 and 1991. Since 1985 he has been with DEIS, the Department of Electrical Engineering, Computer Science and Systems of the Univ. of Bologna, working in researches in the field of robotics and automatic control. He currently holds the position of Full Professor in Robotics at the Univ. of Bologna.
He is "Senior Member" of IEEE, member of the IFAC Tech. Comm. on Robotics and of the IEEE Tech. Comm. on Mechatronics.
He is Co-Editor-in-Chief of the Int. Journal on Mechatronichs, member of the Ed. Boards of the IEEE Trans. on Robotics and Automation and of the Int. Journal of Robotics and Autonomous Systems.
He is author or coauthor of more than 110 scientific papers presented at conferences or published in journals, of 3 books on digital control, and is coeditor of 3 books on robotics.
He has been, and currently is, responsible of several national and international research programmes. His research interests include dexterous robotic manipulation, haptic interfaces, advanced sensors, hw/sw systems for real-time control.


1.6 Pubblicazioni scientifiche più significative del Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca

1. MACCHELLI A.; MELCHIORRI C. (2002). A Real-Time Control System for Industrial Robots and Control Applications Based on Real-Time Linux IFAC World Congress, Barcelona, Spain, July 21-26.  
2. MACCHELLI A.; MELCHIORRI C.; CARLONI R.; GUIDETTI M (2002). Space robotics: an Experimental Setup Based on RTAI-Linux 4th Real-Time Linux Workshop, Boston, MA, USA. Dec 6-7.  
3. STRAMIGIOLI S.; VAN DER SCHAFT A.; MASCHKE B.; MELCHIORRI C. (2002). Geometric Scattering in Robotic Telemanipulation IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS AND AUTOMATION. (vol. 18(4) pp. 588-596)  
4. MELCHIORRI C.; VASSURA G (2001). Development and Application of Wire-Actuated Haptic Interfaces JOURNAL OF ROBOTIC SYSTEMS. (vol. 18 pp. 755-768) Special Issue on "Biorobotics and Humanoid Robotics".  
5. L. MARCONI; G. MARRO; MELCHIORRI C. (2001). A Solution Technique for Almost Perfect Tracking of Nonminimum-Phase, Discrete-Time Linear Systems INTERNATIONAL JOURNAL OF CONTROL. (vol. 74, 5)  


1.7.1 Personale universitario dell'Università sede dell'Unità di Ricerca

Personale docente

Cognome  Nome  Dipartimento   Qualifica  Settore Disc.  Mesi Uomo 
1° anno  2° anno 
1. MELCHIORRI   Claudio   Dip. ELETTRONICA, INFORMATICA E SISTEMISTICA   Prof. Ordinario   ING-INF/04   6   6  
                


Altro personale

Cognome  Nome  Dipartimento   Qualifica  Mesi Uomo 
1° anno  2° anno 
1. Biagiotti  Luigi  Dip. ELETTRONICA, INFORMATICA E SISTEMISTICA-DEIS   Borsista  4   4  
2. Macchelli  Alessandro  Dip. ELETTRONICA, INFORMATICA E SISTEMISTICA-DEIS   Borsista  4   4  
3. Carloni  Raffaella  Dip. ELETTRONICA, INFORMATICA E SISTEMISTICA-DEIS   Borsista  4   4  
              12  12 


1.7.2 Personale universitario di altre Università

Personale docente
Nessuno

Altro personale


Nessuno

1.7.3 Titolari di assegni di ricerca


Nessuno

1.7.4 Titolari di borse per Dottorati di Ricerca e ex L. 398/89 art.4 (post-dottorato e specializzazione)

Cognome  Nome  Dipartimento/Istituto  Anno del titolo  Mesi Uomo 
1° anno  2° anno 
1. Diolaiti  Nicola  Dip. ELETTRONICA, INFORMATICA E SISTEMISTICA-DEIS   2005  2   2  
2. Gilioli  Marco  Dip. ELETTRONICA, INFORMATICA E SISTEMISTICA-DEIS   2004  2   2  
             


1.7.5 Personale a contratto da destinare a questo specifico programma

Qualifica  Costo previsto  Mesi Uomo 
1° anno  2° anno 
Ingegnere  16.000  6   6  
   16.000 


1.7.6 Personale extrauniversitario dipendente da altri Enti


Nessuno




PARTE II

2.1 Titolo specifico del programma svolto dall'Unità di Ricerca


Testo italiano

Software Open Source per il controllo in tempo reale per l'automazione industriale


Testo inglese
Open Source Software for the real time control in industrial automation


2.2 Settori scientifico-disciplinari interessati dal Programma di Ricerca

 

ING-INF/04 - Automatica  
ING-INF/05 - Sistemi di elaborazione delle informazioni  


2.3 Parole chiave


Testo italiano

CONTROLLO IN TEMPO REALE ; RTAI-LINUX ; SISTEMI DISTRIBUITI ; PROTOTIPAZIONE RAPIDA


Testo inglese
REAL TIME CONTROL ; RTAI-LINUX ; DISTRIBUTED SYSTEMS ; RAPID PROTOTYPING


2.4 Base di partenza scientifica nazionale o internazionale


Testo italiano

E` opinione diffusa, anche e soprattutto a livello internazionale, che lo sviluppo di ambienti software "open source" per il controllo in tempo reale di impianti o macchine per l'automazione industriale, che prevedono normalmente l'interconnessione di una rete di "elementi intelligenti" da cui acquisire informazioni o applicare opportune azioni di controllo, sia da un lato di notevole interesse culturale e scientifico e dall'altro abbia importanti ricadute applicative in molti comparti dell'industria e della produzione di beni.
Questo interesse, sia dalla comunita` accademica che da quella industriale, e` testimoniato anche dalla presenza di un numero non trascurabile di progetti sviluppati da gruppi di ricerca per la definizione di standard e di prodotti software per le piu` diverse esigenze. Si vedano a tale proposito i siti web [1]-[4]] o, tra gli altri, il progetto SEC (Software Enabled-Control) [5] dell'agenzia americana DARPA.

Si noti che queste ricerche, certamente condotte anche sul lato piu` prettamente "informatico", sviluppano in modo principale gli inquadramenti metodologici necessari per potere trattare in modo astratto e sistemistico del controllo in tempo reale di sistemi dinamici complessi distribuiti, nei quali possono convivere sistemi di natura diversa (tempo-continui, tempo-discreto, descritti con tecniche e metodologie diverse, logici, dinamici, ecc.). In questo specifico ambito si possono segnalare diversi progetti di ricerca a livello europeo che cercano di affrontare questo tipo di problematiche offrendo un approccio metodologico per la loro soluzione, come ad esempio il progetto GeoPlex [6].

Questo inquadramento generale fa da cornice a quanto sta avvenendo -da qualche anno a questa parte- in diverse aziende, di importanza sia nazionale che internazionale, come ad esempio quelle del comparto delle macchine automatiche per il confezionamento e l'imballaggio. Questo settore rappresenta un segmento di punta nell'industria meccanica nazionale, e raggiunge livelli di assoluta eccellenza nell'area bolognese, nota a livello internazionale come la "packaging valley". Caratteristica peculiare dei prodotti nazionali è sempre stata l'altissima qualità della progettazione meccanica unita ad una elevata dose di "inventiva" nel trovare sofisticate soluzioni agli innumerevoli problemi di manipolazione e movimentazione di materiali e dei prodotti indispensabili al confezionamento di ogni bene di consumo.
Ebbene, negli ultimi anni la filosofia di progettazione degli impianti e delle macchine per la lavorazione ed il confezionamento dei prodotti è profondamente mutata e si prevedono ulteriori, profondi, cambiamenti, sia a livello di progettazione meccanica che a livello di azionamenti e sistema hw/sw di controllo. Dal punto di vista meccanico, si è passati da macchine tipicamente mono-attuatore (dove un unico motore trasmette il moto alle diverse parti della macchina attraverso sofisticate catene cinematiche) a macchine pluri-attuatore (dove il movimento è generato da uno specifico motore là dove serve, ed i diversi motori sono poi opportunamente "sincronizzati" dal controllo). Dal punto di vista di controllo, si puo` notare come il cambiamento sia concettualmente analogo, con la sostituzione di un unico "elaboratore" centralizzato con piu` risorse di elaborazione ed intelligenza distribuite "localmente" (azionamenti e sensori "intelligenti"). E' quindi emerso con sempre maggiore rilevanza il problema della integrazione tra le parti componenti la macchina o l'impianto a costituire un vero e proprio sistema meccatronico.
Questo da un lato ha portato ad una nuova filosofia progettuale delle macchina, che da un approccio "sequenziale" (meccanico prima, hardware e software di controllo poi) sta sempre piu` diventando "parallelo" (o per meglio dire "meccatronico"), e dall'altro ha fatto emergere l'esigenza di utilizzare nuovi strumenti hw/sw nelle fasi progettuali e nel controllo delle macchine durante il loro funzionamento: ambienti di "fast prototyping" e software di controllo in tempo reale che si possa adattare ai nuovi contesti progettuali.

Ecco perche` sembra particolarmente interessante la possibilita` di sviluppare nuovi strumenti di controllo in tempo reale, basati su ambienti software "open source" (come ad esempio Linux e le sue varianti real time [7]-[8]) che integrino notevoli capacita` computazionali, possibilita` di facili riconfigurazioni in ambienti distribuiti, capacita` di simulazione di sistemi dinamici e algoritmi di controllo non banali e funzionanti su piattaforme hardware facilmente reperibili in commercio e di costo contenuto (PC).

Esistono ovviamente strumenti commerciali per soddisfare queste richieste: sia per il controllo in tempo reale (strumenti questi per un certo verso molto ben assestati e con ottime prestazioni) sia per la prototipazione rapida (e qui il panorama dei prodotti disponibili e` piu` limitato e in ogni caso con soluzioni non cosi` "generali" come sarebbe opportuno ed auspicabile). Quello che manca sono strumenti e metodologie di progetto adatti alle nuove concezioni di macchine e impianti "distribuiti", possibilmente basati su piattaforme hw/sw facilmente reperibili, affidabili e di costi i piu` contenuti possibile.

In questo panorama si inquadra il piano di attivita` proposta nell'ambito di OASYS dalla U.O. UNIBO, che ha gia` una consolidata esperienza pluriennale nello sviluppo di sistemi hw/sw per il controllo in tempo reale di macchine automatiche, di robot, di strumenti di prototipazione rapida e di CAD per il controllo. Questa esperienza si basa sia su una ricca collaborazione a livello internazionale (con altri gruppi di ricerca in Europa e Stati Uniti) sia su diverse esperienze di collaborazione con industrie dell'area di Bologna.


Testo inglese
It is internationally recognized that the development of "open source" software environments for the real-time control of industrial plants, based a network interconnection of intelligent subsystems for data acquisition and control, is of great interest from both a cultural and applicative point of view.

This academic and industrial interest is confirmaed also by the projects developed by several research institute in order to define standards and software applications for several needs. As examples, see the web sites [1]-[4] or, among many others, the SEC (Software Enabled Control) project [5] by the American agency DARPA.
Note that these research activities, generally implying also a strong effort in the "computer science" side, develop and give strong emphasys to the methodological guide-lines needed in order to deal with complex distributed dynamical systems, in which different subsystems can be present (continuous and discrete time, logical systems, dynamical systems), in an abstract and system theory based approach. In this specific framework, several European research projects can be pointed out, trying to approach this set of problems providing a methodological approach for their solution (for example the GeoPlex project, [6]).

This general framework is the context of what is happening in the last few years in the design process in several industries, both at the national and international level, as for example those in the "packaging machines" market. This industrial sector is one of the main compartment in the national scenario, and represents one of the "excellence" in the area surrounding Bologna, internationally known as the "packaging valley". Peculiar characteristic of national products has always been the very high quality of the mechanical design, coupled with a noticeable "ingenuity" in finding sophisticated solutions to the several problems of manipulation, handling and movement of materials and products for the packaging of goods.
In the last few years, the design philosophy for machines and industrial plants has deeply changed, and further changes are expected, both at the mechanical, actuation system and hw/sw control design level. From a mechanical point of view, the single-actuator design approch (one actuator providing motion and forces to the machine through several complex kinematic chains) has been replaced with a situation in which more actuators are present (motors are placed where needed and syncronized by the control). From the control point of view, the change has been conceptually equivalent: a single "centralized computer" (maybe composed by several CPUs) is being more and more replaced by a distributed network of computing resources (i.e. "intelligent" actuators and sensors). The problem of integrating these distributed "intelligent" components has therefore emerged.
On one hand, this situation has caused a new design approach for automatic machines, from a "sequential" (i.e. first the design of the mechanics, then the electronics and harware, and finally the control software) to a "parallel" one, in which all the components are developed, designed and integrated at the same time, in a mechatronics manner. On the other hand, there is the need of new hw/sw tools for the design phases and for the real-time control of these machines: "fast prototyping" environments and real-time control software (and operating systems) able to deal with these new contexts.

For these reasons, it is particularly interesting the possibility of developing new real-time control environments based on "open source" concepts (as Linux and its real-time variants [7]-[8]) that integrate high computational capabilities, easy recofigurability in distributed environments, possibility of simulating complex dynamic processes and control laws, and running on low-cost hardware platforms (as PC's).

Obviously, tools and environments with these features are commercially available, both for the real-time control (the available tools for this purpose are well established and with very good performances for "classical" applications) and for rapid prototyping (less tools are available, and not as "general purpose" as it would be appropriate and necessary). What seems lacking are design tools and methodologies suitable to the new concepts of distributed machines and industrial plants, possibly based on hw/sw platforms that should be relaiable, low-cost and of easy maintenance and reperability.

In this general context, the research group UNIBO will be active in the OASYS projetc developing tools for both the real-time control and for rapid prototyping on control systems. The research group has a well established and pluriennal experience in the development of hw/sw control systems for robots and automatic machines, of tools for rapid prototyping and CAD for control design. This experience is based on both several cooperations with international research institutions (in Europe and United States) and a number of industrial collaborations developed since 1985.


2.4.a Riferimenti bibliografici

[1] OROCOS, http://www.orocos.org/

[2] MCA - Modular Controller Architecture, http://mca2.sourceforge.net/

[3] http://www.robotique.ireq.ca/microb

[4] http://www.isd.mel.nist.gov/projects/tetamapi/

[5] "Software Enabled-Control", IEEE Control System Magazine, Special Issue, Vol. 23, No. 1, Febr. 2003.
Buschmann, Frank, Meunier, Regine, and Rohnert, Hans. Pattern-oriented software architecture: a system of patterns. Wiley Chichester, 1996.

[6] GEOPLEX, progetto IST-2001-34166, http://www.geoplex.cc

[7] L. Dozio, P. Mantegazza, "Real Time Distributed Control Systems Using RTAI", IEEE Int. Symp. on Obj.-Orient. Real-Time Distr. Comput., 2003.

[8] RT-Linux homepage: http://www.rtlinux.org

[9] S. Schooling, "Distribution in Control and Innovation", Proc. Amer. Contr. Conf., pp. 3377-3382, 2002.

[10] D. Arduini, P. Arcara, C. Melchiorri, ``Real Time Linux in Robotics and Control System Research: A Practical Experience in the VIDET Project'', Proc. of the ``Real Time Linux Workshop'', Wien, A, Dec. 13-15, 1999.

[11] Macchelli A., C. Melchiorri, D. Arduini, ``Real-time Linux Control of a Haptic Interface for Visually Impaired Persons'', IFAC Symposium on Robot Control -- SYROCO'00, September 21-23, 2000, Vienna, Austria

[12]Macchelli A., C. Melchiorri, D. Pescoller, ``An Experimental Set-up for Robotics and Control Systems Research using Real-Time Linux and Comau SMART 3-S Robot'', Workshop on Real-Time Linux, Milan, Nov. 2001.

[13] Macchelli A., C. Melchiorri, ``A Real-Time Control System for Industrial Robots and Control Applications Based on Real-Time Linux'', IFAC World Congress, Barcelona, Spain, July 21-26, 2002

[14] Macchelli A., C. Melchiorri, R. Carloni, M. Guidetti, ``Space Robotics: an Experimental Setup Based on RTAI-Linux'', Fourth Real-Time Linux Workshop, Dec. 6-7 2002, Boston, MA, USA.

[15] Macchelli A. Melchiorri C., "Control of electric drives with Real Time Linux: from simulation to implementation", ANIPLA, Motion Control 2003, Marzo 2003, Milano, I.

[16] C. Bonivento, A. Tonielli, C. Melchiorri, ``A PC-Based Rapid Prototyping Workstation for the Design of Motion Control Systems'', 1st IFAC Conf. on Mechatronic Systems, Darmstadt, G, Sept. 18-20, 2000.


2.5 Descrizione del programma e dei compiti dell'Unità di Ricerca


Testo italiano

Nel contesto generale descritto al punto 2.4, presso il LAR-DEIS dell'Universita` di Bologna sono in corso da diverso tempo ricerche per la definizione di ambienti sw per il controllo in tempo reale di sistemi robotici e piu` in generale di macchine automatiche (con riferimento nel caso specifico a macchine automatiche per l'impacchettamento, una tipologia industriale molto importante non solo nel contesto produttivo di Bologna ma piu` in generale anche a livello nazionale).
Queste (e altre) ricerche sono descritte nel sito URL della U.O. http://www-lar.deis.unibo.it..

In generale, queste attivita` hanno portato nel passato alla definizione di nuclei di sistemi real-time basati su RTAI-Linux [10]-[15] e allo sviluppo di ambienti per la prototipazione rapida di sistemi di controllo [16]. Alcune di queste ricerche sono gia` state finanziate, con risultati positivi, in passati progetti di ricerca di interesse nazionale [PRIN'01].
L'attività di ricerca qui proposta intende approfondire in particolare gli aspetti metodologici e realizzativi relativi alla complessità di progettazione dei sistemi software per il controllo di in tempo reale di dispositivi distribuiti, facendo in particolare riferimento (anche se non in modo esclusivo) al caso specifico delle moderne macchine automatiche.

L’Unità UNIBO dell’Universita` di Bologna partecipa a tutti i cinque workpackages (WP) di cui si compone il progetto di ricerca complessivo, come descritto nel Modello A, coordinando nello specifico il WP-2 (sistemi per la prototipazione rapida):
WP-1 Sviluppo di metodologie di progetto per sistemi di controllo di sistemi distribuiti e controllori logici
WP-2 Sviluppo di sistemi per la prototipazione rapida di tipo open source e Real Time
WP-3 Simulazione
WP-4 Dimostrazione
WP-5 Disseminazione dei risultati


Nello specifico, scopi della ricerca proposta da UNIBO sono:
1. sviluppare specifici strumenti software open source per il controllo in tempo reale di macchine automatiche
2. sviluppare metodologie per l'applicazione di questi strumenti a sistemi in cui sia presente una "rete" di sottosistemi intelligenti (es. attuatori, sensori, elementi di calcolo)
3. perfezionare prodotti gia` sviluppati presso la U.O. per la prototipazione rapida di sistemi di controllo, che prevedano la possibilita` di effettuare simulazioni e controllo in tempo reale (di sottoparti) di macchine automatiche.

Come sottoprodotti rivolti a specifici applicazioni si intende:
· perfezionare lo sviluppo di algoritmi e studio di architetture di controllo per il motion control,
· verificare sperimentalmente mediante strumenti di "rapid prototyping" i prodotti sviluppati nel corso della ricerca.

Attività n. 1 e 2: Sistemi di controllo in tempo reale
Nel progetto delle moderne macchine di automazione industriale, sono sempre piu` utilizzati ed integrati elementi di attuazione e misura "intelligenti". Questo scenario si applica anche alle intere linee di produzione, dove piu` macchine automatiche si integrano nel processo produttivo. Considerazioni analoghe si potrebbero applicare anche ad altri importanti contesti, come ad esempio quello dell'automotive, dove l'automobile e` sempre piu` dotata di una rete di sistemi intelligenti per la misura ed il controllo delle diverse parti meccaniche (motore, sospensioni, freni, impianti, ecc.).
In questa ricerca, si intendono perfezionare strumenti metodologici e di supporto software per il controllo in tempo reale di sistemi distribuiti. In particolare, un tema di particolare interesse che si intende approfondire nel corso della ricerca è quello del dualismo tra architetture di controllo special-purpose (PLC, Motion Control, con sistemi operativi e bus di campo proprietari) ed architetture aperte basate su PC (in versione industriale), con sistemi operativi standard (es. Windows NT, Linux) integrati opportunamente da sistemi operativi Real-Time (RT-Linux,..).
Le diverse soluzioni saranno analizzate da un punto di vista metodologico, saranno confrontate sperimentalmente su alcuni benchmarks di laboratorio.

Obiettivi principali di questa attività sono:
· studio di metodologie e strumenti di controllo in tempo reale di sistemi dinamici complessi e distribuiti,
· sviluppo di kernel e di moduli per sistemi di controllo in tempo reale basati su concetti "open source" e ispirati a standard IEC (IEC 61131 e IEC 61499)

Questa attivita` sara` condotta in stretta collaborazione con le UU.OO. POLIMI e UNIPV, e i prodotti saranno utilizzati anche nel quadro delle ricerche condotte da UNIMORE.

Piano di lavoro
1.1) Studio comparativo di possibili architetture HW/SW per il controllo in tempo reale e valutazione comparativa delle soluzioni in termini di efficienza, affidabilità semplicità di uso, costo.
1.2) Studio dello stato dell'arte su ambienti open source di controllo logico per sistemi industriali
1.3) Sviluppo secondo norme IEC di moduli di controllo, configurazione e gestione per sistemi distribuiti
1.4) Sviluppo di un controllore logico open source

La pianificazione temporale (in mesi) è la seguente:
Attivita` 1.1 e 1.2: 0 a 8
Attivita` 1.3: 0 a 24
Attivita` 1.4: 8 a 24

Risultati attesi
Attivita` 1.1 e 1.2 relazione tecnica
Attivita` 1.3 e 1.4 relazioni tecniche e articoli scientifici, prototipo di laboratorio.



Attività n. 3: Strumenti Hw/Sw per il "rapid prototyping" del software per l'automazione
L'esigenza di strumenti di prototipazione rapida nel campo dei sistemi di controllo è emersa con evidenza nell'ultimo decennio, durante il quale si è assistito dapprima allo sviluppo di numerosa letteratura scientifica e successivamente alla realizzazione di strumenti Hw/Sw commerciali. La base di partenza è stata l'esigenza di verificare algoritmi di controllo complessi tramite routines di simulazione numerica. Ben presto ci si è resi conto che l'attività di simulazione è una parte cruciale del processo di progettazione di sofisticati sistemi di controllo ed è emersa l'esigenza di sviluppare concetti e strumenti CAD appositi. Il processo di sviluppo richiede però la codifica dell'algoritmo e la sua verifica in condizioni reali di funzionamento. Ciò ha portato dapprima allo sviluppo di schede elettroniche ad hoc e piu` recentemente allo sviluppo di veri e propri sistemi per la prototipazione rapida.
D'altra parte, il limite di questi sistemi è quello di essere pensati per la prototipazione di controllori "continui", anche se implementati a tempo discreto. Solo molto recentemente sono apparsi sul mercato i primi strumenti per la simulazione mista di sistemi ad eventi continui e discreti. I limiti attuali al pieno utilizzo di tali sistemi in ambito universitario e delle PMI è legato all'uso di hardware proprietari molto costosi ed alla loro caratterizzazione come sistemi abbastanza chiusi.
Questa attività per la realizzazione di un ambiente per la prototipazione rapida, di per sé importante, è qui sviluppata anche a supporto alla precedente, che richiede la disponibilità di un sistema di rapida prototipazione aperto, facilmente utilizzabile ed aggiornabile. A questo scopo, una buona base di partenza è senz'altro la cosiddetta "FastProt", un sistema di prototipazione rapida già sviluppato presso il Laboratorio di Automazione e Robotica (LAR) del Dipartimento di appartenenza dei proponenti, basato su una scheda DSP [16] e software (sia per la gestione del real time che per la gestione delle periferiche) completamente sviluppato presso il LAR. Sono state sviluppate anche le interfacce verso ambienti di simulazione e CACSD quali Matlab/Simulink. Stante le notevoli capacita` computazionali degli attuali PC, che rendono non piu` obbligatoria la scelta di specifici processori per applicazioni anche di una certa complessita`, si intende sviluppare nell'ambito delle attivita` qui proposte un ambiente di prototipazione rapida basato su piattaforme hardware assolutamente standard (PC con schede IO di tipo commerciale) e sull'ambiente Linux (RTAI-Linux) come software di base.

In breve, scopi principali di questa attivita` sono:
· completamento di strumenti H/S già in corso di sviluppo presso il LAR, con lo sviluppo di soluzioni maggiormente basate su sistemi commerciali (PC e Linux);
· studio di tecniche per la generazione (quasi) automatica del codice di controllo a partire da specifiche di alto livello del sistema da automatizzare;
· loro integrazione con quanto necessario alla verifica sperimentale dei risultati della attività 1

Piano di lavoro
2.1) Completamento della sviluppo di software real-time (kernel) per controllo in real time su piattaforma PC
2.2) Completamento dello sviluppo di strumenti software di interfaccia tra programmi di simulazione/analisi dati (Matlab/Simulink) e software real time.
2.3) Realizzazione e completamento di setup di laboratorio che replichino parti significative di macchine automatiche: attuatori, sensori, catene cinematiche in movimento.

Per queste attività si prevede il seguente sviluppo temporale:
Attivita` 2.1 e 2.2: mesi da 0 a 24
Attivita` 2.3: mesi da 0 a 16

Risultati attesi
Attivita` 2.1 e 1.2: Ambiente software per la prototipazione rapida
Attivita` 1.3: Sistemi meccanici prototipali di prova; articoli scientifici

Riassumendo, la pianificazione prevista per la ricerca proposta puo` essere suddivisa, per il biennio previsto, in 3 periodi temporali di circa otto mesi ciascuno, nei quali si svilupperanno le fasi delle attivita` riportate in precedenza. In ciascun periodo sono previste attività sia di tipo metodologico che di tipo realizzativo/sperimentale. Alcune delle attività si estendono su più periodi temporali.
Riassumendo, le tre fasi in cui si sviluppera` la ricerca, con indicazione delle attivita` e dei relativi costi, e` la seguente.

FASE 1 - mesi 0 - 8: 15.000 Euro
Attivita` 1.1, 1.2, 2.1, 2.2, 2.3

FASE 2 - mesi 9 - 16: 20.000 Euro
Attivita` 1.3, 2.1, 2.2, 2.3

FASE 3 - mesi 17 - 24: 20.000 Euro
Attivita` 1.3, 1.4, 2.1, 2.2


Testo inglese
Within the general framework described at point 2.4, at LAR-DEIS of the University of Bologna, several research activities are taking place since many years in order to develop new software environment for the real-time control of robotic systems and generic industrial applications (in particular, for packaging applications, and industrial typology which is very important not only in the area of Bologna, but also in the Italian context).
These (and other) researches are described in the web-site of the research unit, http://www-lar.deis.unibo.it.

In the past years, these activities brought, in general, to the definition of real-time system modules based on RTAI-Linux [10]-[15] and to the development of environment for the rapid prototyping of control systems [16]. Some of these activities, with successful results, have been already sponsored by past national research projects, [PRIN'01].
Goal of the proposed research activity is to investigate the methodological and implementation aspects regarding the development of complex systems for the real-time control of distributed devices and, with particular emphasys (although not exclusively), of the modern automatic machines.

The Unit UNIBO of the University of Bologna is involved in each of the five workpackages (WP) of the OASYS program (as described in the general description, Form A), coordinating WP-2 (rapid prototyping tools) :
WP-1 Development of design methodologies for the control of distributed systems.
WP-2 Development of open source systems for rapid prototyping and real time applications
WP-3 Simulation.
WP-4 Demonstration.
WP-5 Dissemination of Results.

In particular, the research topics proposed by UNIBO are:
1. development of specific and open source software tools for the real time control of automatic machines;
2. development of methodologies for the application of these tools to distributed systems, composed by a "network" of intelligent subsystems (e.g. actuators, sensors, computational units);
3. improvement of products (already developed by the research group) for rapid prototyping of control systems, with the possibility of simulating and controlling (subsystems of) automatic machines in real-time.

As regard specific applications, we intend to:
· improve the development of algorithms and the study of control architectures fot motion control applications;
· experimentally verify the products developed during the research activity by means of " rapid prototyping" tools.


Activities n. 1 and 2: real-time control systems
In the project of modern applications for the industrial automation, "intelligent" devices for measurement and actuation are becoming more and more popular. This scenario can be applied also to the whole production system, where several automatic machines are integrated in the productive process. The same considerations can be applied also to other contexts, e.g. to automotive, where the "car" can be regarded as network of intelligent subsystems for measurement and control of the several mechanical parts (engine, suspensions, brakes, plants…).
Within this research activity, we intend to improve the methodological and software support tools for the real-time control of distributed systems. In particular, it is of particular interest to investigate the duality between special-purpose control architectures (PLC, Motion Control, characterized by proprietary operative systems and field buses) and open architectures based on industrial PCs with standard operative systems (e.g. Windows NT, Linux) and, possibly, integrated by proper real time environments (e.g. real-time Linux, QNX, RTX).
Several solutions will be analyzed from a methodological point of view and compared by means of some laboratory benchmarks.

The main objectives of these activities are:
· study of methodologies and real-time control tools for complex dynamical and distributed systems;
· development of both real-time kernels and modules based on "open source" projects and inspired by IEC standards (IEC 61131 e IEC 61499).

This activity will be carried out in strict collaboration with the O.U. POLIMI and UNIPV, and the products will be used within the context of the research activities of UNIMORE.

Working plan
1.1) comparative study of possible hw/sw architectures for the real-time control in terms of efficiency, robustness, easy of use and cost;
1.2) analysis of the state of the art of the open source environment for the logic control of industrial systems;
1.3) development of control, configuration and coordination modules for distributed systems according to the IEC normative;
1.4) development of an open source logic controller

The expected time-schedule is the following:
Task 1.1 and 1.2: from 0 to 8
Task 1.3: from 0 to 24
Task 1.4: from 8 to 24

Expected results:
Task 1.1 and 1.2: technical report
Task 1.3 and 1.4: technical reports, scientific papers and laboratory prototype


Activity n. 3.: HW/SW tools for the "rapid prototyping" of software for industrial automation
The need of rapid prototyping tools in the control system fields arose in the last decade, during which the production of complex commercial hw/sw products followed the development of a rich scientific literature. The starting point has been the necessity of verifying complex control algorithms by means of numerical simulation routines. Immediately, the importance of the simulations activity in the production of complex control systems was understood and, consequently, the need of developing specific CAD tools. On the other hand, this process requires the development of the algorithm and its test during real working conditions. Consequently, at first, custom electronic boards have been developed and, more recently, rapid prototyping systems.
On the other hand, the intrinsic limitations of these systems is that they are developed in order to prototype continuous time controller, even if implemented in discrete time form. Only recently, the first environment for the simulation of mixed continuous and discrete time systems have presented on the market. The actual limits for the full-time use of these tools in academic and small-medium industry context is related to the use of proprietary and expensive hardware and of close architectures.
This activity, which aims to develop a rapid prototyping environment, important by itself, is carried out also as a support of the first one, which requires the availability of an open rapid prototyping system, easy to use and to upgrade. For this purpose, a good starting point is the so-called "FastProt", a rapid prototyping system already developed at the Laboratory of Automation and Robotics (LAR) of DEIS, and based on a DSP board [16] and on a software, entirely developed at LAR, managing the real-time activities and the peripherals. Furthermore, the interfaces to simulation environment and CACSD tools (e.g. Matlab/Simulink) have been already developed. Taking into account the actual computational power of modern PC, which does not require the use of specific processors for complex applications anymore, within the context of the proposed research activities, we intend to develop a rapid prototyping environment based on standard hardware platforms (PC with commercial I/O boards) and on Linux (RTAI-Linux).

Shortly, the main purposes of this activity are:
· completion of the hw/sw tools already developed at LAR by means of new solutions based on commercial systems (PC and Linux);
· investigation of (almost) automatic code generation techniques for control applications starting from high-level guidelines on the system to be automated;
· integration of these tools in order to experimentally verify the results of the activity n. 1.

Working plan
2.1) completion of the development of the real time (kernel) software for real-time control applications running on PC-based platforms;
2.2) completion of the development of software tools for interfacing simulation/analysis software (Matlab/Simulink) with real-time software;
2.3) realization and completion of laboratory setups which can replicate automatic machinery parts of interest: actuators, sensors, moving kinematic chains.

As regard these activities, we plan the following time table:
Tasks 2.1 and 2.2: from 0 to 24 months
Task 2.3: from 0 to 16 months

Expected results
Tasks 2.1 and 2.2: rapid prototyping software environment
Task 2.3: prototypes of mechanical system for tests; scientific papers

Summarizing, within the next two years, the planned time table for the proposed research activity can be divided into three 8-months periods, during which the activities previously described will be carried out. In each period, both methodological and applicative activities are planned. Some of the activities will last for more that one period. Summarizing, the periods are as follows (with the expected costs).

PHASE 1 - months 0 - 8: 15.000 Euro
Activities 1.1, 1.2, 2.1, 2.2, 2.3

PHASE 2 - months 9 - 16: 20.000 Euro
Activities 1.3, 2.1, 2.2, 2.3

PHASE 3 - months 17 - 24: 20.000 Euro
Activities 1.3, 1.4, 2.1, 2.2


2.6 Descrizione delle attrezzature già disponibili ed utilizzabili per la ricerca proposta


Testo italiano


Nessuna

Testo inglese

Nessuna


2.7 Descrizione della richiesta di Grandi attrezzature (GA)


Testo italiano


Nessuna

Testo inglese

Nessuna


2.8 Mesi uomo complessivi dedicati al programma

  Numero  Mesi Uomo 
Personale universitario dell'Università sede dell'Unità di Ricerca  1  12 
Personale universitario dell'Università sede dell'Unità di Ricerca (altri)  3  24 
Personale universitario di altre Università  0  0 
Personale universitario di altre Università (altri)  0  0 
Titolari di assegni di ricerca  0  0 
Titolari di borse dottorato e post-dottorato  2  8 
Personale a contratto   1  12 
Personale extrauniversitario  0  0 
TOTALE 56 



PARTE III


3.1 Costo complessivo del Programma dell'Unità di Ricerca


Testo italiano

Voce di spesa  Spesa in Euro  Descrizione 
Materiale inventariabile  20.000  Acquisto di PC industriali, azionamenti, schede di I/O e rete 
Grandi Attrezzature     
Materiale di consumo e funzionamento  2.000  Materiale di laboratorio, licenze SW 
Spese per calcolo ed elaborazione dati     
Personale a contratto  16.000  Sviluppo di software 
Servizi esterni  1.000  Lavorazioni meccaniche/elettroniche particolari 
Missioni  5.000  Partecipazione a riunioni di coordinamento (media 2 persone) 
Pubblicazioni     
Partecipazione / Organizzazione convegni  11.000  Partecipazione a convegni internazionali; organizzazione di un workshop sul programma 
Altro      
TOTALE 55.000    


Testo inglese
Voce di spesa  Spesa in Euro  Descrizione 
Materiale inventariabile  20.000  Purchase of PC's, electric drives, I/O and internet boards 
Grandi Attrezzature     
Materiale di consumo e funzionamento  2.000  Laboratory consummables, software licenses 
Spese per calcolo ed elaborazione dati     
Personale a contratto  16.000  Software development 
Servizi esterni  1.000  Mechanical and/or electronic parts 
Missioni  5.000  Coordination meetings (2 persons) 
Pubblicazioni     
Partecipazione / Organizzazione convegni  11.000  International Conferences; organization of a workshop 
Altro      
TOTALE 55.000    

Il progetto è già stato cofinanziato da altre amministrazioni pubbliche (art. 4 bando 2003)?     NO  



 

3.3 Tabella riassuntiva

Costo complessivo del Programma dell'Unità di Ricerca  55.000 
Costo minimo per garantire la possibilità di verifica dei risultati  35.000 
Fondi disponibili (RD)  7.500 
Fondi acquisibili (RA)  9.000 
Cofinanziamento di altre amministrazioni pubbliche (art. 4 bando 2003)   
Cofinanziamento richiesto al MIUR  38.500 



PARTE IV


4.1 Risorse finanziarie già disponibili all'atto della domanda e utilizzabili a sostegno del Programma

Provenienza  Anno  Importo disponibile  Note 
Università       
Dipartimento  2002   3.000  ex-60% 
CNR       
Unione Europea  2002   4.500  GeoPlex 
Altro       
TOTALE    7.500    


4.2 Risorse finanziarie acquisibili in data successiva a quella della domanda e utilizzabili a sostegno del programma nell'ambito della durata prevista

Provenienza  Anno della domanda o stipula del contratto  Stato di approvazione  Quota disponibile per il programma  Note 
Università  2003   disponibile in caso di accettazione della domanda   9.000  nessuna 
Dipartimento         
CNR         
Unione Europea         
Altro         
TOTALE       9.000    


4.3 Certifico la dichiarata disponibilità e l'utilizzabilità dei fondi di cui ai punti 4.1 e 4.2:

SI



(per la copia da depositare presso l'Ateneo e per l'assenso alla diffusione via Internet delle informazioni riguardanti i programmi finanziati; legge del 31.12.96 n° 675 sulla "Tutela dei dati personali")


Firma _____________________________________   Data 30/03/2003 ore 21:04 


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