CC BY
34
УДК 629.7; 004.358
ПРОТОТИПИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПЛАТФОРМЫ ARDUINO.
В. Г. Сидоров1
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: vikontxp@mail.ru
Рассматривается применение платформы Arduino для вертикального прототипирования базовой функциональности и анализа работы автоматизированной системы.
Ключевые слова: Arduino, прототипирование, автоматизированные системы.
PROTOTYPING AUTOMATED CONTROL SYSTEMS WITH THE APPLICATION
OF THE ARDUINO PLATFORM
V. G. Sidorov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
Е-mail: vikontxp@mail.ru
We consider the use of the Arduino platform for vertical prototyping of basic functionality and analysis of the work of the automated system.
Keywords: Arduino, prototyping, automated system.
В начале 2000 годов стали появляться первые системы полунатурного моделирования и прототипирования на базе персональных компьютеров (ПК) x86. Данные системы стоили гораздо меньше, чем специализированные системы на базе DSP-процессоров. Такие системы поддерживались стандартными процессорами персональных компьютеров и платами сбора данных, получившими широкое распространение. Поскольку эти системы могли использовать х86-й процессор любого типа или размера, полученная система имела широкий диапазон соотношений цена/производительность. Такая масштабируемость, обеспечивала преимущества заключающиеся в повышенной производительности процессоров ПК и снижении цены на память, причем все компоненты имелись в продаже. Данная тенденция продолжает сохраняться, рост технологий привел к появлению новых устройств на базе микроконтроллеров, в которых существенно увеличена поддержка устройств ввода/ вывода. Поддержка простого, ранее существующего аналогового и цифрового ввода/ вывода, теперь дополнена более совершенной поддержкой широтно-импульсной модуляции (ШИМ), энкодеров, новых протоколов и других расширенных возможностей ввода/вывода. Наличие унифицированных компонентов в сочетании с поддержкой программных драйверов, а также быстрый рост производительности процессоров и микропроцессоров (МП) подняли возможности прототипирования на уровень производительности, сравнимый с уровнем фирменных систем, но при этом с меньшими затратами и коммерчески доступным оборудованием.
Новые микропроцессорные системы (МПС) и платформы позволяют проводить тестирование прототипов в реальном времени, проверять новые алгоритмы и интеграцию программного и аппаратного обеспечения на начальном этапе проектирования, уменьшая при этом необходимость
1 Автор (материала) - победитель грантового конкурса Стипендиальной программы Владимира Потанина 2018/2019.
проведения дорогостоящих или разрушающих испытаний полноразмерных автоматизированных систем управления (АСУ).
Одной из таких систем является аппаратно-программная платформа под торговой маркой Arduino [1; 2], предназначенная для построения простых систем автоматики и собранная на семействе микроконтроллеров ATmega. Полностью открытая архитектура системы позволяет свободно копировать или дополнять линейку продукции Arduino. Бесплатная программная оболочка (IDE) открывает дополнительные преимущества для разработки и написания программ, их компиляции и программирования аппаратуры.
При разработке прототипа АСУ разработчику необходимо учитывать следующее:
• наличие цели прототипирования (объяснение идеи, подтверждение гипотезы и т. п.);
• для решения какой проблемы предназначается прототип;
• хотя не все гипотезы правдивы и не все идеи жизнеспособны - созданный прототип все равно принесет новые знания и решения.
Прототипы условно можно разделить на глобальные и локальные [3]. Глобальные прототипы моделируют АСУ целиком. Их использование позволяет выявлять проблемы, связанные с полнотой функционирования системы и внутренними противоречиями. Локальные прототипы моделируют небольшую часть АСУ. Они могут быть использованы для определения лучших (по ряду параметров) алгоритмов, схемотехнических решений, и т. д. Локальные прототипы в свою очередь можно разделить на вертикальные и горизонтальные прототипы (рис. 1).
Рис. 1. Локальные прототипы: а - вертикальный; б - горизонтальный
Создание прототипа АСУ позволяет проверить имеющиеся идеи, породить новые и продемонстрировать их заинтересованным сторонам. Опытные специалисты знают, что сначала нужно изучить и протестировать несколько идей, и только после этого сфокусироваться на той, которая показала лучшие результаты.
Рассмотрим на конкретном примере вертикальное прототипирование более подробно. На рис. 2, а приведена блок-схема системы управления. Контроллер на рисунке, взаимодействует с исполнительными механизмами установленными на манипуляторе и считывает значения от датчиков на установке, образуя замкнутую систему управления, типичную для аэрокосмической, авиационной и других отраслей промышленности. Для проверки работы системы управления и целостности модели устройства был использован робот-манипулятор МеЛгш — «карманная» версия промышленного манипулятора. В качестве системы управления использована платформа Лгёшпо. Фотография прототипа представлена на рис. 2, б.
При сборке данной системы необходимо было учитывать такие факторы как:
• физические ограничения поворотных механизмов;
• углы поворотов серво двигателей;
• длину и способы прокладки проводов;
• мощность источника питания.
Собрав физическую модель манипулятора, можно приступить к программированию электрической составляющей. Были поставлены следующие задачи при прототипировании системы:
• управление манипулятором в ручном режиме;
• управление манипулятором в автоматическом режиме по заложенной заранее программе;
• повторение действий оператора в автоматическом режиме.
•
Рис. 2. Робот-манипулятор МеЛгш: а - блок-схема системы управления; б - робот-манипулятор в сборе
Разработанный алгоритм программы включает в себя три основных модуля:
1) модуль выбора режима и проверки начальных условий работы;
2) модуль чтения данных с датчиков и формирования управляющих команд;
3) модуль памяти «действий оператора» и «автоматического режима».
После подачи питания в систему, происходит считывание данных о положении серводвигателей и их выставление в начальные положения. По умолчанию система включается в ручном режиме управления. Используя джойстики можно управлять манипулятором и выполнять различного рода действия. В программе предусмотрена защита от введения серводвигателей в запредельные углы, которые могут нарушить общую работу системы. Для переключения манипулятора, в другие режимы работы, необходимо используя кнопки на джойстиках выбрать соответствующий режим. При этом для работы в режиме повторений действий оператора, предварительно нужно записать в память платформы Лгёшпо последовательность действий оператора. Размер памяти платформы Лгёшпо ограничен, поэтому существует ограничение на объем действий, которые можно записать. Однако при необходимости данное ограничение можно обойти, установив дополнительную память.
При увеличении уровня вертикального прототипирования можно подключить персональный компьютер и задействовать его мощности и ресурсы для увеличения возможностей системы. В этом случае функциональную часть программы можно перенести на компьютер, а платформу Агёшпо использовать только как связующее звено между периферией и компьютером. Использование компьютера позволит значительно усилить возможности системы автоматического управления, откроет дорогу к использованию более сложных алгоритмов, повысит быстродействие системы за счет более быстрой обработки информации и перераспределению функций между микроконтроллером и центральным процессором компьютера. Использование различных уровней прототипирования и полунатурного моделирования в последнее время позволяет проектировать более совершенные автоматизированные системы управления.
Библиографические ссылки
1. Arduino [Электронный ресурс] // Arduino: [сайт]. [2019]. URL: https://www.arduino.cc/ (дата обращения: 15.03.2019).
2. Сидоров В.Г., Ткачева Т.В., Шкловец М.А. Автоматизированный лабораторный комплекс // ХХ юбилейная Международная научно-практическая конференция, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика Михаила Федоровича Решетнева, «Решетневские чтения» : Материалы (г. Красноярск, 09-12 ноября 2016 г.) : в 2 ч. Красноярск : СибГАУ, 2016. Ч. 2. С. 539-541.
3. Анатольев А. Г. Прототипирование и концептуальное проектирование [Электронный ресурс] // Прототипирование и концептуальное проектирование А. Г. Анатольев: [сайт]. [2016]. URL: http://www.4stud.info/user-interfaces/prototypes-and-concept-design.html (дата обращения: 15.03.2019).
© Сидоров В. Г., 2019
