Особенности работы программного обеспечения мобильных роботов Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 004.4

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ

М.А. Антонов

Показаны особенности работы программного обеспечения мобильных роботов, приведены типовые примеры циклограмм. Показано, что исполнение команд и обработка данных - процессы со случайным временем.

Ключевые слова: временной интервал, выполнение команд, циклограмма, алгоритм.

Структура МР может быть представлена в виде множества единиц бортового оборудования, управляемого бортовой ЭВМ, или автономным контроллером. Каждая единица оборудования в совокупности с бортовой ЭВМ, или автономным контроллером, формирует контур управления, включающий объект управления, сенсор, привод и счетно-решающий прибор (бортовая ЭВМ или автономный контроллер в случае цифрового управления, или корректирующее звено в случае аналогового управления), через который замыкается обратная связь. Вследствие того, что контроль оборудования осуществляется непрерывно, процесс управления может быть представлен в виде множества циклограмм обработки данных на ЭВМ с последующим исполнением команд механической частью МР. Типовая циклограмма обработки данных при цифровом управлении показана на рис. 1. [1]

Типовой цикл включает последовательное выполнение следующих операций:

оцифровка аналогового сигнала, поступающего с сенсора (временная задержка т1);

ввод цифрового кода в ЭВМ через контроллер обмена данными (временная задержка т2);

обработка данных по соответствующему алгоритму управления (временная задержка т3);

вывод результатов в контроллер привода (временная задержка т4);

исполнение команды приводом (временная задержка т5).

Рассмотрим в отдельности каждый из временных интервалов из множества {т, т 2, тз,т 4, т5 }.

Т1 - время оцифровки сигнала является детерминированным и определяется техническими характеристиками аналого-цифрового преобразователя;

т 2 - время обмена данными по интерфейсу ввода, в системах с квитированием является случайным и зависит от текущего физического состояния линий интерфейса, температуры, влажности;

50

Х3 - время программной обработки, случайно [2]; х 4 - время обмена данными по интерфейсу вывода, в системах с квитированием является случайным;

Х5 - время формирования силового сигнала зависит от многих факторов, в том числе и от текущего момента сопротивления на исполнительном механизме, температуры, влажности и т.п. факторов.

Обрабатываемый сигнал

Команда на оцифровку

Оцифровка.

Обмен данными по интерфейсу ввода

Программная обработка

Обмен данными по интерфейсу вывода

Исполнение команды

Рис. 1. Типовая циклограмма цифрового управления узлами

и блоками МР

При аналоговом управлении циклограммы принимают вид, показанный на рис. 2. Согласно данной циклограмме в аналоговом контуре развиваются три независимых процесса:

процесс ввода управляющего воздействия в регистр Рг (Х1); процесс опроса состояния сенсора (х2); процесс оцифровки сигнала сенсора (х3).

Случайность времени обмена по интерфейсам ввода-вывода зависит от текущего физического состояния линий интерфейса, температуры, влажности и т.п. факторов. Этот временной интервал не оказывает влияния на характер управления, и определяет только время занятости общей шины при обмене. Время преобразования аналогового сигнала сенсора в цифровой код определяется типом преобразователя. Вследствие того, что ввод данных в ЭВМ в данном случае реализует только функцию мониторинга состояния робота, этот фактор также оказывает малое влияние на качество его функционирования.

•4-► Хх г

-► Х1

V /

\ /

Г -► \3

\ /

\ /

\4_, \5 '

к

Обмен данны \ г

ми по интер-

фейсу ввода \ > 1 -►

Обрабатываемый сигнал

Исполнение команды

Оцифровка.

Обмен данны ми по интерфейсу вывод;

Т ■

т2 < 2 >

I

\

Рис. 2. Типовая циклограмма аналогового управления

1. Случайность времени обработки данных

Для подтверждения случайности времени программной обработки данных рассмотрим простейший детерминированный алгоритм обработки данных (рис. 5). При реализации циклограммы вводится и обрабатывается случайная величина X, распределенная по закону /(х) с область. определения -1 £ х £ 1. [3] Расчет функции у производится в формате с фиксированной точкой, в частности, в регистрах общего назначения, либо за четы-

0

ре такта машинного времени (при х £ 0) с вероятностью | / (х х, либо за

-1

1

двадцать тактов машинного времени (при х > 0) с вероятностью | / (х х.

0

2. Случайность времени исполнения команд

Исполнение команд осуществляется приводом и механизмом МР, к которым относят звенья манипулятора, поворотную платформу системы технического зрения, движители системы перемещения в пространстве, спецоборудование [4].

Манипуляционная система включает, как минимум один манипулятор, предназначенный для целенаправленного механического воздействия на окружающую среду и/или объект труда. Любой применяемый в настоящее время манипулятор представляет собой механизм, включающий в себя ряд соединенных последовательно кинематических пар, создающих вращательное или поступательное движение одного из звеньев пары относительно другого. Оканчивается манипулятор, как правило, рабочим органом, который, собственно, и осуществляет силовое механическое воздействие на окружающую среду, и/или объект труда. В результате последова-

тельного наращивания кинематических пар в манипуляторах создаются механизмы, способные воспроизводить практически любые траектории движения рабочего органа.

Задачей манипулятора является перемещение груза из одной точки пространства в другую. Масса, форма груза и точка захвата груза рабочим органом манипулятора являются случайными величинами. Изменение массы приводит к изменениям сил и моментов сухого трения в шарнирах манипулятора. Изменение формы груза и точки захвата груза рабочим органом манипулятора приводит к изменению моментов инерции, смещению центра масс. Все это, в свою очередь, оказывает влияние на время выполнения механического движения. Указанное время можно считать случайным и известным с точностью до плотностей распределения. Исход каждого действия также можно считать случайным, например, если учесть возможность появления заедания механизмов, встречи на пути перемещения груза мешающих факторов и т. п.

Рассмотрим перемещение наземного МР по пересеченной местности. При движении движители системы перемещения находятся в соответствующих дорожных условиях, что показано на рис. 3.

Неровности трассы, по которой движется МР, представляют собой случайную функцию, а воздействие трассы на движители МР представляет собой случайный процесс, в котором случайными факторами являются величина, направление и продолжительность действия импульсов сил на мобильный робот. В свою очередь, силы, воздействующие на элементы движителя, раскладываются на продольную (Гх) и поперечную (^) составляющие, лежащие, соответственно вдоль и поперек корпуса МР (рис. 4).

Поперечные составляющие от разных элементов движителя суммируются и формируют силы, вызывающие поперечные колебания платформы относительно движителей. Продольные составляющие суммируются и формируют силы, вызывающие, в зависимости от направления, торможение или разгон МР.

На рис. 3 Н - это высота трасы, X - продольная координата движения робота.

Поперечные колебания МР вызывают дополнительную нагрузку на систему управления. Продольная составляющая вызывает случайные колебания скорости —, что приводит к появлению случайного фактора во

времени выполнения команды от системы управления на продольное движение, поскольку случайная функция воздействия Н(г) преобразуется в

функцию — времени г. Если скорость движения механической части слу-&

чайна, то и время выполнения команды на перемещение на заданное рас-

ЕС

стояние Х= | ), где ^С - время выполнения команды; X - заданное 0

расстояние, также случайно.

Н, м 1

0

Н, м 1

0

Н, м 1

0

Н, м 1

0

-

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 X, м

— б) -

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 X, м

1

в)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 X, м

ч Г \

\ \ , / г)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 X, м

Рис. 3. Типовые дорожные условия движения МР: а - горизонтальный участок; б - подъем; в - спуск; г - сильно пересеченная местность

Направление

движения ►

Элемент движителя

К

Рис. 4. Силы, действующие на элемент движителя

Таким образом, время расчета величины у (состояние циклограммы обведено пунктирной линией) является случайной величиной, при этом источником случайности являются обрабатываемые данные. Если рассматривать вычисление каждой функции у := х и у := х2 как одно из состояний циклограммы, то можно сделать вывод, что попадание в каждое из этих состояний также случайно. Вероятность попадания в каждое состояние определяется плотностью распределения величины X и условиями, определенными в состоянии принятия решения.

Рис. 5. К вопросу о случайности времени обработки

Таким образом, каждая из задержек, включая задержку на обработку данных по детерминированному алгоритму, характеризуется случайным временем (время аналого-цифрового преобразования можно рассматривать как случайное, определяемое вырожденным законом распределения d(t -t i ) ), а следовательно и общее время цикла каждого цикла управления является случайным. При имеющейся возможности переключения из текущего состояния циклограммы в одно из сопряженных с ним, это переключение осуществляется для внешнего наблюдателя случайным образом, что предполагает стохастический характер последовательности переключений.

Заключение

Таким образом, проведён анализ типовых циклограмм управления мобильными роботами и показано, что время пребывания в состояниях циклограмм является случайной величиной, определенной с точностью до плотности распределения, а переключение из текущего в сопряженные состояния для внешнего наблюдателя также является случайным процессом, определенным с точностью до вероятностей переключения. Показано, что исследование циклограмм сводится к решению задачи определения временного интервала и вероятности достижения одного подмножества состояний из другого подмножества состояний

Список литературы

1. Герцбах И.Б. Оптимальное управление полумарковским процессом при наличии ограничений на вероятности состояний // Кибернетика, 1970. № 5. С. 56 - 61.

2. Акименко Т.А., Аршакян А.А., Рудианов Н.А. Управление группами роботизированных платформ // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2015. Вып. 8. С. 200 - 208.

3. Акименко Т. А., Аршакян А.А., Ларкин Е.В. Управление информационными процессами в робототехнических комплексах специального назначения. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. 150 с.

55

4. Аршакян А.А., Ларкин Е.В., Рудианов Н.А. Интерактивный генератор команд // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2015. Вып. 7. Ч. 2. С. 251 - 262.

Антонов Максим Александрович, магистрант, elarkin@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

FEA TURES OF WORK OF THE SOFTWARE OF MOBILE ROBOTS

M.A. Antonov

Features of work of the software of mobile robots are shown, typical examples of cyclograms are given. It is shown that execution of commands and processing of data are processes with random time.

Key words: time interval, execution of commands, cyclogram, algorithm.

Antonov Maxim Aleksandrovich, master, elarkin@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 519.217

ОЦЕНКА СТЕПЕНИ «МАРКОВОСТИ» ПРОЦЕССОВ С ПОМОЩЬЮ РЕГРЕССИОННОГО, КОРРЕЛЯЦИОННОГО КРИТЕРИЙ И КРИТЕРИЯ ПИРСОНА

К.А. Гришин

Рассматриваются регрессионный, корреляционный критерии и критерия Пирсона. Производится сравнение представленных критериев. Выведены формулы для расчета различных критериев для оценки степени «марковости» процессов.

Ключевые слова: регрессионный критерий, критерий Пирсона, корреляционный критерий, функция Дирака.

При решении задач построения оптимальных циклограмм управления крайне важным представляется вопрос о степени приближения потока переключений к пуассоновскому потоку. С одной стороны, абстракция «пуассоновский поток является достаточно грубой, а с другой стороны, применение этого понятия приводит к значительному сокращению выкладок при аналитическом решении задач, или вычислительной сложности алгоритмов при компьютерном моделировании. Поэтому актуальными остаются исследования критериев соответствия плотности распределения времени между событиями g(г) в потоке переключений, плотности распределения интервалов времени между событиями в пуассоновском