Deixe o maquinário se mover: o que acontece quando a direção atende aos microsserviços

Às vezes você sentirá que o projeto em suas mãos é como um fio com nó. Aqui precisamos ajustar a precisão angular do servo, e aí temos que considerar a velocidade de resposta do servo motor. A estrutura mecânica ainda não foi totalmente determinada e minha mente já está cheia de palavras como relação de transmissão, torque e sinal de controle. O que é mais problemático é que à medida que o sistema se torna mais complexo, a comunicação entre os vários módulos começa a ficar para trás - o método de controle tradicional gradualmente não consegue acompanhar.

Neste momento, algumas pessoas dirão, experimente a arquitetura de microsserviços. Mas isso sempre soa um pouco distante, como a terminologia de um engenheiro de software. O que isso tem a ver com motores e braços robóticos?

Isso realmente importa.

Imagine que o servo em sua mão não é mais apenas um componente que recebe sinais de pulso. Ele pode se tornar uma unidade de serviço independente com sua própria “identidade” e pode relatar localização, temperatura e até mesmo status de carga em tempo real por meio de protocolos leves. O mesmo vale para o servo motor próximo a ele. Ele não espera mais passivamente por comandos do controlador central, mas pode enviar ativamente dados operacionais e emitir avisos antecipados quando ocorrerem anormalidades. Os sensores e atuadores na estrutura mecânica podem ser transformados em nós micro e inteligentes.

Esta é a mudança provocada pela colocação do conceito de “microsserviço” no campo do controle de hardware. Não se destina a substituir o ajuste PID ou o controle de pulso com o qual você está familiarizado, mas a adicionar uma camada de "capacidade de diálogo" sobre ele. Vários componentes podem comunicar-se entre si de forma mais direta, a carga no controlador central é reduzida e a flexibilidade e a confiabilidade do sistema aumentam.

Por que você precisa considerar essa arquitetura?

Talvez você tenha se deparado com esta situação: um sistema mecânico está funcionando há muito tempo e um determinado motor responde lentamente, mas é muito difícil solucionar o problema. Você deve verificar a fiação e o programa do controlador do zero e até mesmo suspeitar de interferência de energia. E se cada componente crítico pudesse reportar o estado de saúde de forma independente? O problema pode ser rapidamente localizado em um feedback anormal do encoder de um determinado servo motor, em vez de encontrar uma agulha em um palheiro.

Ou quando você deseja adicionar novas funcionalidades a um dispositivo existente, como adicionar um sensor de visão a um braço robótico. O método tradicional pode exigir grandes alterações no programa do controlador e nova depuração. No entanto, sob a ideia de microsserviço, o sensor visual pode ser usado como um “serviço” recém-adicionado para fornecer dados de coordenadas através de uma interface definida. O serviço original de controle de movimento recebe esses dados e ajusta a trajetória. O escopo das mudanças é muito menor.

Isso é um pouco como dividir uma máquina grande em vários módulos pequenos que cooperam entre si. Cada módulo se concentra em fazer suas próprias coisas (por exemplo, um determinado servo só gira com precisão em um ângulo especificado) e coopera com outros módulos por meio de protocolos claros. O sistema é mais fácil de projetar e depurar e também é mais conveniente para expansão ou modificação posterior.

Em que devemos prestar atenção ao introduzir microsserviços em projetos de hardware?

É claro que não se trata de um projeto de software puro onde você pode implantar serviços à vontade. O hardware tem restrições de hardware, então você precisa encontrar um ponto de equilíbrio.

Primeiro, a comunicação deve ser suficientemente rápida. Os recursos de hardware são limitados e o protocolo de comunicação não pode ser muito sobrecarregado. Escolhas comuns como MQTT ou API RESTful leve são boas, mas o segredo é garantir desempenho em tempo real. Para dados como instruções de ângulo da caixa de direção, o atraso é controlado no nível de milissegundos.

Em segundo lugar, os limites de cada “serviço” devem ser claramente traçados. Um servo motor pode atuar como um serviço, fornecendo dados de velocidade, torque, temperatura e recebendo comandos de velocidade. Mas não agrupe-o com a caixa de redução próxima a ele em um serviço – eles têm responsabilidades diferentes e são mais flexíveis para gerenciar separadamente. Ao projetar, você pode se perguntar: quais funções este módulo pode fornecer de forma independente? Quais dados são necessários? Que informações ele produz?

Terceiro, a solução de problemas deve ser feita com antecedência. O hardware pode falhar inesperadamente e a rede pode ocasionalmente sofrer interrupções. Um bom design é permitir que o sistema funcione de maneira degradada quando alguns serviços estiverem temporariamente offline. Por exemplo, se um serviço de sensor deixar de responder, o serviço de controle de movimento poderá alternar para os últimos dados válidos ou entrar no modo de segurança para pausar a ação, em vez de todo o sistema travar.

Quarto, a escolha de ferramentas e plataformas. Você precisa de uma estrutura que possa gerenciar esses serviços de hardware. Deve ajudá-lo a implantar facilmente serviços em controladores, monitorar status e visualizar logs. No ramo de máquinas e automação, não existem muitas plataformas prontas e muitas vezes elas precisam ser customizadas de acordo com o projeto. É por isso que algumas equipes escolhem algo comopotênciaEsse parceiro técnico concentra-se na combinação de hardware e software. A solução deles leva em consideração as restrições reais do hardware, em vez de simplesmente aplicar ferramentas de microsserviços do mundo do software.

possíveis mudanças

Ao experimentar essa ideia, você encontrará algumas variações interessantes.

A depuração fica mais organizada. Você pode testar um serviço servo separadamente e simular os comandos de ângulo que ele recebe para ver se o feedback é preciso. Em vez de ter que iniciar todo o enorme sistema todas as vezes.

A expansão do sistema é mais fácil. Quer adicionar um novo sensor? Basta conectá-lo à rede como um novo serviço, definir o formato de dados que ele fornece e permitir que outros serviços que precisam de dados assinem. Quase não há necessidade de alterar o código original.

A manutenção também é mais fácil. Cada serviço é executado de forma independente e os logs também são independentes quando ocorrem problemas. Você pode localizar rapidamente a anomalia de dados em qual link, seja um problema na parte mecânica ou um problema na lógica de controle.

É claro que isso não significa que todos os projetos devam ser copiados. O controle simples de três ou dois motores pode ser mais direto usando métodos tradicionais. Mas quando o seu sistema envolve dezenas de peças móveis, múltiplos sensores e requer coordenação complexa e alta confiabilidade, esta arquitetura pode mostrar suas vantagens.

Vamos falar sobre algumas coisas práticas

Mudar para uma arquitetura de microsserviços requer algum investimento inicial, repensar as divisões do sistema e construir uma base de comunicação. Mas para operações de longo prazo ou sistemas mecânicos que exigem atualizações contínuas, esse investimento geralmente vale a pena. Torna o sistema mais parecido com um organismo, com cada parte sendo independente e colaborativa, e o todo sendo mais dinâmico.

Se você está planejando um novo projeto envolvendo vários servomotores, servos e máquinas complexas, você também pode pensar nisso na fase de desenho: quais peças podem ser transformadas em serviços inteligentes independentes? Como eles deveriam conversar entre si? Talvez isso permita que seu projeto siga um caminho mais simples e confiável.

No mundo das máquinas e da automação, tornar cada componente “falável” pode ser o próximo passo na evolução. E tudo isso visa, em última análise, fazer com que a máquina se mova de maneira mais suave e inteligente.

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