CC BY
39
УДК 004.896.001.63: [659.1:378.16]
И. А. Голубкин, С. А. Кирилин, И. А. Щербатов
ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ ПРИКЛАДНЫ1Х РОБОТИЗИРОВАННЫ1Х УСТРОЙСТВ
Введение
Необходимым условием прогрессивного развития Российской Федерации является курс правительства, направленный на создание и внедрение инновационных разработок, которые позволили бы повысить эффективность процессов, происходящих в различных жизненных сферах. Наряду с нанотехнологиями, робототехника является одним из самых перспективных направлений в числе высокотехнологичных производств, поэтому чем выше будет уровень механизмов, тем большую практическую пользу получит страна уже в недалеком будущем.
Существует несколько классификаций роботизированных устройств. Важную позицию занимают подвижные мобильные роботы, которые появляются практически во всех сферах деятельности человека: в промышленности, быту, медицине, военной технике. Уже стало привычным то, что несколько десятилетий назад казалось фантастикой: роботы активно используются на сборочных заводах; в местах с недопустимыми для человека условиями работы, например при работе с опасными и ядовитыми веществами; есть роботы-игрушки и роботы-помощники в домашнем хозяйстве.
Постановка задачи
Несмотря на комплексное развитие технологий по разработке и внедрению роботов в различные производственные процессы, имеются такие сферы деятельности, в которых ранее подобные механизмы никогда не применялись. В связи с вышеизложенным целью исследований являлась разработка принципов создания мобильных роботизированных комплексов, которые предназначены для выполнения задач прикладного характера. В качестве сфер деятельности примем в рассмотрение рекламную деятельность и учебные процессы.
Разработка роботизированного устройства является сложным и трудоемким процессом. В самом общем случае робот, как машина, представляет собой комбинацию двух подсистем -информационно-управляющей, которая осуществляет анализ окружающей обстановки, принятие решения о необходимых действиях и выдачу команд, и исполнительной, которая предназначена для выполнения команд, отправленных системой управления. Для ориентации в окружающей обстановке информационная система должна включать в себя сенсорную систему, собирающую данные - информацию о механических свойствах внешней среды. Исполнительная подсистема обязательно должна содержать какие-либо механические манипуляторы, служащие для выполнения действий.
Разработка критериев, учитываемых при проектировании роботизированного устройства
Перед началом проектирования какого-либо интеллектуального устройства необходимо выявить функции, лежащие в основе конкретного аппарата, а также специфические показатели, которые отличают его от других механических устройств и удовлетворяют понятиям «робот» и «искусственный интеллект».
Выделим и опишем общую структуру робота, которая будет являться основой для дальнейшей разработки. Интеллектуальное устройство обязательно должно выполнять следующие функции:
— потребление энергии;
— преобразование потребленной энергии в целевую (чаще всего - в механическую);
— высвобождение энергии для выполнения цели или самосохранения;
— получение информации из внешней среды или от субъекта управления;
— обработка информации для принятия решений, связанных с выполнением цели или самосохранением;
— выдача информации для связи с другими техническими аппаратами или субъекту управления;
- достижение цели и самосохранение как экзистенциональная функция;
- предоставление возможности человеку контролировать выполнение устройством заданных ему целей и формировать новые.
Взяв за основу вышеперечисленные функции, представим процесс преобразования энергии и информации внутри робота (рис. 1).
0)
X ^
о ^ ю ^
о
с
Контроль со стороны человека
Достижение цели
Преобразование энерп/и/
Обработка информации
с!
Ю ¥ § О О .0 со
Самосохранение
-0 2 со -&
Рис. 1. Функции интеллектуального устройства
Выполнение цели и самосохранение являются центральным связующим звеном прочих функций. Между преобразователями информации и энергии имеются тесные связи как между субъектом и объектом управления [1].
Описание конструкции комплекса
При создании функциональной схемы устройства необходимо учесть два аспекта: выполнение всех обозначенных функций и достижение цели функционирования.
В соответствии с поставленной целью предлагаемые мультимедийные комплексы предназначены для использования в рекламной деятельности и учебных процессах. Устройство представляет собой аппаратно-программный комплекс, аппаратная часть которого включает в себя устройство управления, сервоприводы, набор датчиков и сенсоров, цветные ЖК-мониторы и вспомогательные модули.
Конструктивно комплекс состоит из мобильной роботизированной платформы, на которой устанавливаются электронные платы и датчики. Платформа снабжена четырьмя колесами (два ведущих и два поворотных), что упрощает конструкцию и снижает стоимость. С помощью металлических соединений на специальной подставке крепятся два цветных ЖК-монитора, управление которыми осуществляет вспомогательное устройство сопряжения.
На рис. 2 представлена функциональная схема комплекса.
Основной элемент схемы - устройство управления. К нему подключаются все остальные модули комплекса. Сердцем устройства управления является мощный микроконтроллер американской фирмы А1те1. Микроконтроллер, в отличие от микропроцессоров, содержит встроенные дополнительные устройства, которые выполняют задачи под управлением микропроцессорного ядра микроконтроллера. Основываясь на необходимых технических характеристиках, мы выбрали микроконтроллер Atmega 128. Отличительные особенности микроконтроллера: удачное совмещение высокой производительности с малым энергопотреблением; 133 высокопроизводительные команды, большинство команд выполняется за один тактовый цикл; энергонезависимая память программ и данных; широкий выбор встроенной периферии, рабочие напряжения 4,5-5,5 В; рабочая частота 0-16 МГц. Микроконтроллер получает и обрабатывает сигналы от других модулей и на их основе осуществляет управление комплексом, работа происходит по специальным алгоритмам, записанным в память.
Схема управления и регулирования питанием
Сервисный
модуль
Модуль пользов ател ьского интерфейса
Устройство
управления
Модуль дистанционного управления с обратной связью
Информационнс-
измерительная
система
Устройство
синхронизации
Интерфейс
управления
двигателям!/
Дисплей '
Дисплей 2
Внешняя
память
Двигатель
Рис. 2. Функциональная схема комплекса
Немаловажной частью комплекса является схема управления и регулирования питания. Она обеспечивает питание микроконтроллера и остальных модулей комплекса от автомобильных аккумуляторных батарей, а также передает на контроллер информацию о текущем состоянии заряда батарей с целью информировать устройство управления о необходимости подзарядки.
В процессе эксплуатации комплекса могут возникнуть предложения по улучшению его программного обеспечения. Для обновления или изменения программного обеспечения служит сервисный модуль. Посредством этого модуля комплекс подключается к персональному компьютеру через и8В-интерфейс. С помощью прикладных программ на компьютере можно также проводить диагностику модулей комплекса для выявления дефектов и неисправностей.
Модуль интерфейса управления двигателями является промежуточным звеном между устройством управления и двигателями и предназначен для регулировки с помощью микроконтроллера нагрузки для двух коллекторных электродвигателей, поступающей от модуля управления и регулирования питания. Особенностью данного модуля является малое падение напряжения от источника, что, несомненно, увеличивает время автономной работы комплекса без подзарядки.
С учетом особенностей эксплуатации комплекса он должен быть оснащенным набором специальных датчиков, предназначенных для распознавания встречающихся на пути подвижных и неподвижных предметов. Информационно-измерительная система (ИИС) является одним из важнейших элементов в системе управления роботом. Она предназначена для считывания данных, поступающих от сенсоров, и принятия решений о дальнейших действиях на основе полученных результатов. Информационно-измерительная система управляет ультразвуковыми датчиками (отмечены на схеме цифрами 4-7) [2]. К ИИС подключается кнопка экстренной остановки комплекса, дающая возможность в случае особой необходимости остановить комплекс, при этом тормозной путь будет минимальным. В такой ситуации через модуль дистанционного управления по радиоканалу на пульт отправляется сообщение об экстренной остановке. Модуль дистанционного управления с обратной связью предназначен для подачи команд управления с пульта по радиоканалу на частоте 433,92 МГц. Обратная связь необходима для передачи сигналов с комплекса на пульт управления. Примером такого сигнала является передача сообщения «Тревога» при срабатывании какого-либо датчика модуля сигнализации.
Рекламно-учебный комплекс снабжается модулем сигнализации, что объясняется его функционированием в местах скопления большого количества людей. Модуль сигнализации необходим для предотвращения несанкционированного доступа к комплексу и имеет в своем составе бесконтактный датчик отрыва от поверхности 1, датчик удара и механического воздействия 2, а также сирену 3 для подачи звукового сигнала в случае срабатывания системы сигнализации комплекса. Данные датчики имеют настраиваемый порог срабатывания, что практически исключает возможность ложного срабатывания, когда, например, человек работает с системой пользовательского интерфейса. Модуль системы пользовательского интерфейса состоит из клавиатуры для ввода информации и дисплейного модуля для отображения результатов вводимых запросов. Пользователь, таким образом, может уточнить или узнать интересующую его информацию или создать необходимый маршрут движения комплекса. В то время, пока пользователь работает с программным обеспечением, устройство управления полностью отключает интерфейс управления двигателями с целью экономии энергии аккумуляторной батареи и тем самым увеличения времени работы комплекса. Взаимодействие с пользователем определяется по поступлению на устройство управления сигналов от модуля пользовательского интерфейса и модуля сенсорной системы. После окончания взаимодействия, которое определяется по отсутствию сигналов с вышеописанных модулей, комплекс дополнительно находится в неподвижном состоянии в течение 30 секунд, после чего начинает движение. Кроме этого, интерфейс управления двигателями предназначен для обеспечения плавности хода роботизированного устройства [3].
ЖК-дисплеи предназначены для демонстрации рекламных роликов, записанных на специальную внешнюю память, управление ими происходит посредством устройства синхронизации.
Применение мультимедийного комплекса
Комплекс предназначен для использования в двух основных направлениях: рекламном и учебном.
Предполагается выпуск двух различным моделей комплекса, отличающихся набором функциональных элементов. Рекламный комплекс применяется при проведении РЯ-акций, рекламных кампаний и презентаций. Рассматриваемое устройство может использоваться в закрытых помещениях разных видов: торговых комплексах, выставочных залах, отелях, конференц-залах, рекреациях предприятий и учебных заведений. Пользователю предоставляется возможность с помощью программного обеспечения легко задать маршрут движения роботизированного комплекса.
Комплекс, предназначенный для учебной деятельности, по сравнению с рекламным комплексом имеет ограниченный набор сервисных модулей. Отсутствуют также ЖК-мониторы, устройство сопряжения и некоторые металлические конструкции. Учебный комплекс может использоваться в школах, вузах и сузах в процессе изучения дисциплин, связанных с прикладным программированием, робототехникой, микропроцессорной техникой, цифровой электроникой и др. Студентам дается задание запрограммировать устройство для движения по определенной траектории либо для выполнения определенной задачи, например найти выход из лабиринта.
Заключение
В данной работе рассмотрены принципы создания новейших роботизированных устройств, предназначенных для использования в рекламных и учебных процессах. Описаны основные функции, которые должны присутствовать у любого интеллектуального устройства. На их основе, с учетом сфер применения, синтезирована полная функциональная схема комплекса с подробным описанием каждого блока.
Создание рекламно-учебного комплекса выгодно не только в плане коммерциализации -оно вызовет ряд позитивных изменений, которые произойдут в результате реализации проекта по его завершении и в долгосрочной перспективе:
— усовершенствование методов и способов демонстрации рекламы;
— повышение качества проведения рекламных кампаний;
— увеличение эффектности, эффективности и наглядности акций и презентаций;
— позитивные изменения в уровне преподавания предметов, связанных с прикладным программированием;
— расширение научно-технических баз вузов, сузов и школ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гипотетическое представление интеллектуальных аппаратов. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://informator.3dn.ru/publ/1-1-0-1 (26.07.2009), свободный. - Загл. с экрана.
2. Голубкин И. А. Сенсорная подсистема для сбора информации о среде функционирования мобильного робота: тез. докл. XVIII Междунар. студ. конф.-школы-семинара «Новые информационные технологии». - М.: МИЭМ, 2010. - С. 105-107.
3. Голубкин И. А., Зинченко Я. С., Щербатов И. А. Роботизированное мобильное рекламное устройство: сб. ст. I Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Прогрессивные технологии и перспективы развития». - Тамбов: ТГТУ, 2009. - С. 62-65.
Статья поступила в редакцию 12.01.2010, в окончательном варианте - 28.06.2010
THE PRINCIPLE OF DESIGN OF MULTIMEDIA APPLIED ROBOTIZED DEVICES
I. A. Golubkin, S. A. Kirilin, I. A. Shcherbatov
The principles of working out of mobile robotized complexes applied for solution of the tasks of applied character. Training processes and advertising activity are considered as fields of activity in which the early similar mechanisms have never been used. The complete functional scheme of hardware and software package with the detailed description of each block is synthesized. The scheme takes into account the main functions which any intellectual device must perform such as energy consumption; transformation of consumed energy into specified one; energy release for purpose achievement and self-preservation; reception of information from an environment or from the administrative subject; granting of the possibility to the person to supervise the performance of the set purposes and formation of the new ones and etc. The main components of the complex are: a control device, the information-measuring system including a set of sensor controls for spatial orientation, the service module, the interface of engine control, the module of remote control with a feedback, the device of synchronization with displays, the scheme of management and food regulation.
Key words: the robotised devices, intellectual robots, artificial intellect.
