A typical robot operates by carrying out a sequence of tasks, usually consistingof acquisition of sensory data, interpretation of sensory inputs for makingdecisions, and application of commands on appropriate actuators. Since this cycleinvolves transmission of data among electro-mechanical components of therobot, high quality communication is a fundamental requirement. Besides beingreliable, robust, extensible, and efficient, a high quality communication infrastructureshould satisfy all additional communication requirements that are specific tothe robot it is used within. To give an example, for a rapid moving autonomousrobot with a reactive controller which is intended to be used in time critical situations,a real-time communication infrastructure which guarantees demandedresponse times is required.The Universal Robot Bus (URB) is a distributed communication frameworkbased on the widely used I2C standard, intended to be used specifically withinrapid autonomous robots. Real-time operation guarantees are provided by definingupper bounds in response times. URB facilitates exchange of informationbetween a central controller and distributed sensory and actuator units. Adoptionof a centralized topology by connecting distributed units directly to a centralcontroller creates a bottleneck around the central unit, causing problems in scalability,noise and cabling. In order to overcome this problem, URB is physicallyrealized such that gateways (bridges) are incorporated between the central anddistributed units which offload the work of the central unit and master the underlyingI2C bus. Connection between the central unit and the gateway, the uplinkchannel, can be established using any high bandwidth communication alternativewhich successfully satisfies communication requirements of the system.The main contribution of this thesis is the design and implementation of the URB uplink channel using the well known Universal Serial Bus (USB) protocol.Although true real-time operation is not feasible with USB due to its pollingmechanism, USB frame scheduling of 1ms is acceptable for our application domain.In this thesis, hardware components used in the USB uplink implementationas well as our software implementation are covered in detail. These detailsinclude the firmware running on the gateway, a Linux based device driver and aclient control software that uses a USB library running on central controller, andfinally sub-protocols between the application-driver and driver-firmware layers.The thesis also includes our experiments to estimate the performance of the USBuplink in terms of its roundtrip latency, bandwidth, scalability, robustness, andreliability. Finally, this thesis also serves as a reference on distributed systems,device driver development, Linux kernel programming, communication protocols,USB and its usage in real-time applications.

Robotlar genel olarak algılayıcılardan veri toplama, algısal girdileri kararalmak için değerlendirme, ve komutları uygun eyleyiciler üzerinde uygulamaşeklinde bir dizi görevleri yerine getirerek çalışmaktadırlar. Bu döngü verilerinrobotun elektro-mekanik bileşenleri arasındaki iletimini gerektirdiğinden,yüksek kalitede bir iletişimi sağlama temel bir gereksinimdir. Kaliteli bir iletişimaltyapısı güvenilirlik, dayanıklılık, geliştirilebilirlik ve verimlilik gibi özelliklerinyanı sıra, kullanıldığı robotun bütün iletişim ihtiyaçlarını karşılayabiliyor olmalıdır.Örneğin, hızlı hareket eden, tepkin bir kontrol birimine sahip olan vekritik zamanlı işlerde kullanılan özerk bir robotun istenen tepki sürelerini garantieden gerçek zamanlı bir iletişim altyapısına sahip olması gereklidir.Evrensel Robot Veriyolu (URB), dağıtık kontrol sistemleri için tasarlanmışI2C tabanlı bir iletişim çatısıdır ve özellikle hızlı hareket eden özerk robotlardakullanılmak üzere geliştirilmiştir. Kullanıcılara gerçek zamanlı işlem olanağı tepkizamanlarında üst limitler tanımlanarak verilmiştir. URB, merkezi bir kontrolbirimi ile dağıtık bulunan algılayıcı ve eyleyici birimleri arasındaki veri iletimineolanak tanır. Merkezi bir topolojiyi benimseyerek dağıtık uç birimleri doğrudanmerkezi kontrol birimine bağlamak, merkezi birim etrafında bir darboğaz yaratmakta,özellikle ölçeklenebilirlik, gürültü ve kablolama hususlarında sorunlaryaratmaktadır. Bu problemi aşmak için, URB'nin fiziksel gerçekleştirimindemerkezi ve uç birimler arasına bir ağ geçidi (köprü) yerleştirilmiştir. Bu ağgeçidi merkezi birimin iş yükünü hafifletmekte ve bağlı bununduğu I2C veriyolunuyönetmektedir. Merkezi birim ve ağ geçidi arasındaki üst bağlantı kanalıolarak adlandırdığımız bağlantı, iletişim gereksinimlerini karşılayan yüksek bantgenişliğine sahip herhangi bir iletişim seçeneği ile gerçekleştirilebilinir.Bu tezin temel katkısı URB üst bağlantı kanalının Evrensel Seri Veriyolu(USB) kullanarak tasarım ve gerçekleştirimidir. USB'nin yoklama düzeneğindendolayı gerçek zamanlı işlem tam anlamıyla mümkün olmasa bile, 1ms'lik yoklamaperyotu uygulama alanımız için kabul edilebilir bir değerdir. Bu tezde, URBüst bağlantısının fiziksel gerçekleştiriminde kullanılan bazı donanım bileşenleriile geliştirilen yazılımların detaylı açıklamaları yer almaktadır. Bu detaylarınbaşlıcaları ağ geçidinde çalışan bellenim, merkezi birimde çalışan Linux tabanlıaygıt sürücü ve USB kütüphanesini kullanan bir istemci kontrol yazılımı, ve sonolarak uygulama-sürücü ve sürücü-bellenim arasında yer alan alt-protokollerdir.Bu tez ayrıca USB üst bağlantısının başarımını gidiş-geliş gecikmesi, bantgenişliği, ölçeklenebilirlik, dayanıklılık ve güvenilirlik gibi ölçütlere göre belirlemeyeçalışan deneylerin sonuçlarını da içermektedir. Son olarak, bu tez aygıtsürücü geliştirimi, Linux çekirdek programlama, iletişim protokolleri, USB vegerçek zamanlı uygulama alanları gibi konularda kaynak niteliğindedir.