Научная статья на тему 'РОЗРОБКА АДАПТИВНОї СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ МОДЕЛі РОБОТА НАВАНТАЖУВАЧА НА БАЗі LEGO MINDSTORMS NXT'

РОЗРОБКА АДАПТИВНОї СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ МОДЕЛі РОБОТА НАВАНТАЖУВАЧА НА БАЗі LEGO MINDSTORMS NXT Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
49
8
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
АДАПТИВНіСТЬ / СИСТЕМА КЕРУВАННЯ / іМіТАЦіЙНЕ МОДЕЛЮВАННЯ / РОБОТ-НАВАНТАЖУВАЧ / АДАПТИВНОСТЬ / СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ / ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / РОБОТ-ПОГРУЗЧИК / ADAPTABILITY / CONTROL SYSTEM / SIMULATION / ROBOT LOADER

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Ащепкова Н. С.

Представлена функциональная схема и алгоритм адаптивной системы управления модели робота-погрузчика на базе Lego Mindstorms NXT. Проанализированы быстродействие и производительность для трех способов управления моделью робота. Для обеспечения быстродействия рекомендуется часть задач управления перенести с ЭВМ на встроенный процессор робота.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотр
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Development of adaptive control system of model of the robot-loader on the basis of Lego Mindstorms NXT

This article discusses the creation of an adaptive control system of model of the robot loader based on Lego Mindstorms NXT. The task of the robot loader: form a kit of parts based on certain criteria (color, shape, size) and deliver it to the specified point. Objects (details) spread in the subject area in a random order. Objects that do not meet certain criteria are considered to be an obstacle. The robot loader control system during simulation provides: collecting sets of parts based on certain criteria; path synthesis that avoid collisions with obstacles; movement of sets from the starting point to the finish point. The functional diagram and algorithm of adaptive control system of model of the robot loader based on Lego Mindstorms NXT are developed. The speed and performance for the three ways to control the robot model are analyzed. It is recommended to ensure the performance transfer some control tasks from computer on the embedded processor of the robot.

Текст научной работы на тему «РОЗРОБКА АДАПТИВНОї СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ МОДЕЛі РОБОТА НАВАНТАЖУВАЧА НА БАЗі LEGO MINDSTORMS NXT»

ISSN 222Б-3780

информационные технологии и системы управления

14. Cui, S. Y. Building detection and Recognition from High Resolution Remotely Sensed Imagery [Text] / S. Y. Cui, Q. Yan, Z. J. Liu, M. Li // Proceedings of XXI ISPRS Congress. — Beijing, China, 2008. — Vol. XXXVII. — P. 411-416.

15. Зинченко, С. С. Ранее обнаружение несанкционированных мест складирования отходов, как способ предупреждения техногенных ЧС [Электронный ресурс]: сб. мат. междунар. науч.-практич. конф. / С. С. Зинченко // Обеспечение безопасности жизнедеятельности: проблемы и перспективы. — Минск, КИИ МЧС РБ, 2015. — С. 29. — Режим доступа: \www/ URL: http://kii.gov. by/file/Konf/Sbornik2015(1).pdf

МОН1ТОРИНГ НЕСАНКЦШНОВАНИХ М1СЦЬ НАКОПИЧЕННЯ В1ДХОД1В з ВИКОРИСТАННЯМ К0СМ1ЧНИХ ЗН1МК1В

У статт анашзуеться можливють використання широкодоступных даних дистанцшного зондування Землi та Г1С-техно-логш для виявлення несанкцюнованих мюць скупчення вiдходiв, анашзу ¡х розвитку та побудови ращональних форм управлшня екологiчною безпекою. Результати показують, що проблема, пов'язана з вщсутшстю методiв щентифшацп елементiв, що е джерелами формування екологiчно¡ небезпеки, ще iснуe.

Ключовi слова: екологiчна безпека, вщходи, звалище, виявлення, космiчнi знiмки.

Вамболь Виола Владиславовна, кандидат технических наук, доцент, кафедра химии, экологии и экспертизных технологий, Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Украина, e-mail: violavambol@gmail.com.

Шмандий Владимир Михайлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой экологической безопасности и организации природопользования, Кременчугский национальный университет им. М. Остроградского, Украина. Крета Дмитрий Леонидович, старший преподаватель, кафедра производства радиоэлектронных систем летательных аппаратов, Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Украина.

Вамболь Вюла Владиславiвна, кандидат техтчних наук, доцент, кафедра хжп, екологп та експертизних технологш, Нащональний аерокосмiчний утверситет ж. М. Б. Жуковсько-го «Хартвський авiацiйний iнститут», Украта. Шмандий Володимир Михайлович, доктор техтчних наук, професор, завгдувач кафедри екологлчног безпеки та оргатзацп природокористування, Кременчуцький нащональний утверситет ж. М. Остроградського, Украта.

Крета Дмитро Леотдович, старший викладач, кафедра ви-робництва радюелектронних систем лгтальних апаратiв, Нащональний аерокосмiчний утверситет ж. М. Б. Жуковсько-го «Хартвський авiащйний iнститут», Украта.

Vambol Viola, National Aerospace University «Kharkiv Aviation Institute», Ukraine, e-mail: violavambol@gmail.com. Shmandij Volodymyr, Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University, Ukraine.

Kreta Dmytro, National Aerospace University «Kharkiv Aviation Institute», Ukraine

УДК 629.7.615.3 DOI: 10.15587/2312-8372.2015.51215

Ащепкова н. с. Р03Р0БКА АДАПТИВНО! СИСТЕМИ

КЕРУВАНИН М0ДЕЛ1 РОБОТА-НАВАНТАЖУВАЧА НА БА31 LEGO MINDSTORMS NXT

Представлено функцюнальну схему та алгоритм адаптивног системи керування моделг ро-бота-навантажувача на базг Lego Mindstorms NXT. Проаналгзованг швидкодгя й продуктивнгсть для трьох способ1в керування моделлю робота. Для забезпечення швидкоди рекомендуеться частину задач керування перенести з ЕОМ на убудований процесор робота.

Клпчов1 слова: адаптивнгсть, система керування, гмтацшне моделювання, робот-наван-тажувач.

1. Вступ

Робот, як керована машина мае наступш власти-boctí [1]:

— утверсальт можливост1, тобто здатшсть вико-нувати pÍ3HÍ мехашчш дп в реальному просторг,

— адаптивтсть до зовшшнього середовища, тобто здатшсть самостшно пристосовуватися (змшювати свою стратепю, кшематичну конфкуращю, траекто-рш або параметри руху) залежно ввд змш робочого простору.

Роботи Lego Mindstorms активно й широко вико-ристовуються в студентськш науково-дослвдницькш дiяльностi для апробацп рiзних способiв керування, ал-горитмiв програмування та траекторш руху [2-4]. Крiм

того на базi Lego Mindstorms здшснюеться iмiтацiйне моделювання виробничих процеав з використанням робопв. Модели алгоритми i методи керування, як застосовуються у гнучких виробничих системах, базу-ються на результатах iмiтацiйного моделювання. Таким чином, розробка адаптивно! системи керування моделi робота-навантажувача на базi Lego Mindstorms NXT е актуальною науково-прикладною задачею.

2. Постановка проблемы

Задана предметна область iз розташуванням задано! кшькосп об'екпв (деталей). Зазвичай для змагань з робо-тотехтки, предметна область задана як бше коло дiаметром 1 м обмежене чорною смугою шириною 50 мм (рис. 1).

TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 5/6(25), 2015, © Ащепкова H. С.

информационные технологии и системы управления

ISSN 222Б-3780

з критичною швидкод1ею на керуючии м1кроконтролер AT91SAM7S256 робота NXT.

В [4] Г. А. Нефедов тдкреслюе, що використан-ня П1Д-регулятора дозволяе реал1зувати найпростше керування роботом Lego Mindstorms з автомоб1льним компонуванням кол1с.

НаведениИ анал1з дозволяе зробити висновок про актуальшсть та дощльшсть розробки адаптивно! си-стеми керування модел1 робота-навантажувача на основ1 П1Д-регулятора.

4. 06'ект, мета та задач1 дослщження

Об'ектом дослгдження е система керування модел1 робота-навантажувача, створено! на баз1 комплекту Lego Mindstorms NXT (рис. 2).

Рис. 1. Завдання для мадшп робота-навантажувача: 1 — предметна

область; 2 — аб'вкти маншулювання; 3 — модель робота-навантажувача; 4 — мантулятор; 5 — кошик для транспортування об'Екпв

Завдання робота-навантажувача: сформувати комплект деталей по зазначенш ознацi (колiр, форма) та доставити його в задану точку Об'екти розподiленi в предметнш областi у випадковому порядку, серед об'екпв е такi, що не задовольняють зазначенiй ознацi. Об'екти, що не задовольняють зазначенш ознащ роз-глядаються як перешкоди. Шд час iмiтацiйного моде-лювання рухiв робота-навантажувача потрiбно не лише зiбрати комплекти деталей за ознакою i перемiстити ix з точки старту у точку фшшу, але й синтезувати траек-торiю руху з метою уникання зикнень з перешкодами.

Вщпрацювання конкурсних завдань на змаганнях мають обмеження в часi та ощнюються за критерiем продуктивностi: яку кшьюсть об'ектiв, що задовольняють зазначенш ознащ, зiбрано та успiшно транспортовано до точки фшшу.

Таким чином, потрiбно розробити сумкну з Lego Mindstorms систему керування, для я^ критерiями оптимальностi е швидкодiя та продуктившсть.

3. Анал1з л1тературних даних

Апаратне й програмне забезпечення Legо NXT, представлене прошиванням LEGO MINDSTORM Firmware 1.28 дозволяе здшснювати керування роботом трьома способами [2, 3]:

— тдключення NXT до персонального комп'юте-

ра (ПК) за допомогою USB-кабелю;

— бездротове з'еднання за допомогою Bluetooth-

передавача;

— запис в Flash-пам'ять робота NXT попередньо

скомпiльованоi програми у форматi .RXE.

В [3] В. Р. Дусеев доводить, що «...реализованный в роботе NXT механизм беспроводного соединения через SPP не обеспечивает достаточной скорости передачи данных для полного переноса вычислений на ПК». Там же запропоновано переносити частку задач керування

Рис. 2. Модель робота-навантажувача на 6a3i Lego Mindstorms NXT

Модель робота-навантажувача оснащена маншуля-тором з двопальцевим схватом, кошиком для транспортування об'ект1в та чотирьохкол1сним повнопривщним шас1 для забезпечення стшкого руху

Мета дослгдження — досягти заданих для системи керування модел1 робота-навантажувача задач:

— пошук у предметнш област наИближчого об'екту, що задовольняе зазначенш ознащ;

— анал1з напрямку та вщсташ до об'екта;

— анал1з та розрахунок потужност1, обертаючого моменту та часу витримки для привод1в кол1с;

— здшснення перемщення;

— захват об'екту матпулятором;

— завантаження об'екту у кошик;

— анал1з напрямку та вщсташ до фшшно! точки;

— здшснення перемщення;

— розвантаження об'ект1в з кошика. Для досягнення поставленог мети треба:

— розробити функщональну схему та алгоритм адаптивно'! системи керування модел1 робота-навантажувача;

— обрати оптимальний склад системи керування на баз1 комплекту Lego Mindstorms NXT;

— довести переваги створено! системи керування за швидкод1ею И продуктившстю.

I 46

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 5/6(25], 2015

ISSN 222Б-3780

информационные технологии и системы управления

J

5. Розробка функцмнально! та структурно! схеми адаптивно! системи керування робота-навантажувача

Аналiз потокiв шформащ! дозволив визначити функ-цiональну схему системи керування; кшьюсть i тип датчи-кiв. Функцiональна схема адаптивно! системи керування робота-навантажувача приведена на рис. 3.

Персональный комп'ютер

Рис. 3. Функцшнальна схема адаптивна! системи керування м□делi робота навантажувача

1миацшне моделювання виконання технологiчних операцiй робота-навантажувача доводить практичну потребу в адаптивному керуванш як засобi компенсацн параметричних збурювань. Ця компенсацiя фактично забезпечуеться адаптером, який реалiзуe алгоритм само-настроювання параметрiв керуючо! системи.

При розробщ системи керування робота-навантажу-вача принцип самонастроювання реалiзовано i впро-ваджено застосуванням адаптера, який забезпечуе формування й коректування керуючих сигналiв, якi подаються на приводи виконавчих механiзмiв. Блок адаптацп використовуе iнформацiю, що надходить у ке-руючу систему вiд системи сенсорiв робота по каналах зворотного зв'язку.

Система сенсорiв найчастiше вимiрюe лише частину змшних, що характеризують стани робота й зовшшнього середовища. Для вщ-новлення значень невимiрюваних змшних можна використовувати спещальш вденти-фжатори станiв, або спостерiгачi [5, 6];але в рядi випадкiв досягнення мети керування можливо й за неповною шформащею. Отже, збiр, зберiгання й переробка сенсорно! шформацп необхвдш лише в тш мiнiмальнiй мiрi, у якiй ця iнформацiя потрiбна керуючiй си-стемi для досягнення мети.

До складу стандартно! системi NXT входить п'ять видiв датчиюв [7-9]: торкан-ня (Touch Sensor), звуку (Sound Sensor), освиленосп (Light Sensor), ультразвуковий датчик (Ultrasonic Sensor), датчик кольору (Color Sensor). Для розширення можливостей моделей можна скористатись сумшними з Lego Mindstorms датчиками шших виробниюв [10]. Запропонована система керування мктить: — датчик кольору: визначае до шести рiз-них кольорiв (синш, зелений, червоний,

жовтий, бiлий i чорний); дозволяе вдентифжува-ти об'екти;

— свiтловий датчик: визначае рiвень яскравостi; дозволяе контролювати наближення до лшн обме-ження предметно! области

— ультразвуковий датчик: вимiрюе вщстань до най-ближчого об'екту у дiапазонi 9-75 см;

— компас: дозволяе визначити твшчний напрямок, повертаючи поточне вiдхилення робота в ра-д1анах.

Керування швидк!стю обертання колк та маневруванням робота вздовж задано! траекто-рп зд1йснюеться за допомогою сервопривод1в.

Блок автоматичного програмування ру-х1в (програматор) розробляе алгоритми, яю оперативно враховують змши зовшшньо! обстановки (наприклад, появу перешкод) 1 зд1йс-нюють адаптащю шляхом корекцп програми руху. Завдяки цьому робот може самоспйно обходити перешкоди й маншулювати неор1ен-тованими деталями. Одночасно з керуванням рухом виникае завдання ана.шзу навколиш-нього середовища. Роботов!, щоб прийняти оптимальне ршення й розробити оптимальну стратепю, потр1бно проанал!зувати поточну ситуацiю, зрiвнявши !! з великою «базою правил». У такому випадку дощльне засто-сування експертно! системи iз продукцiонною моделлю подання знань, де правила представлеш у виглядi умов «Якщо (умова), тодi (дiя)». Коректувати керуючий вплив необхщно кожнi 50 мiлiсекунд iз метою забезпечення своечасно! реакщ! на змшу стану зовнiшнього середовища.

Застосування тако! системи обумовлюе перевищення видiленого обсягу оперативно! пам'ят для однiе! програми (32 Кб) i виникае необхiднiсть задiяти додатков1 ресурси. Одним з можливих ршень означено! проблеми е перенос критичних ресурсомштких завдань з ПК на мжроконтролер робота NXТ. На рис. 4 представлена блок-схема алгоритму роботи адаптивно! системи ке-рування моделi робота-навантажувача.

Завдання початкових умов: меж! предметно! oojiaci i. юлыасть шуканих об'< kiih N

Мпсроконтролер робота Lego Mindstorms NXT

n:=0

Визначення координаты точки старту

Визначення координати м1спя розташування

Синтез граг кюри' до ТОЧКИ фшИНу

Перемнцення

Рис. 4. Блок-схема алгоритму роботи адаптивна! системи керування м□делi робота-навантажувача

TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 5/6(25], 2015

информационные технологии и системы управления ISSN 2226-3780

Для визначення оптимального керування розглянемо три способи:

— тдключення NXT до ПК за допомогою USB-кабелю;

— бездротове з'еднання за допомогою Bluetooth-передавача;

— перенос критичних ресурсомктких завдань з ПК на мжроконтролер робота NXT.

Проведет експериментальш дослiдження по 20 реа-лiзацiй кожного способу керування рухом моделi робота, для початкових умов: загальна кшьюсть об'eктiв N1 = 8; кшьюсть об'еклв, що задовольняють зазначенiй ознацi N = 4; розмщення об'eктiв у предметнш областi однакове. Результати експериментальних дослджень реа-лiзацiï рiзних способiв керування наведено в табл. 1.

Taблиця 1

Результати експериментальних даслщжень

Спааб керування Середнс зна-чення викари-станага часу, с Математич-не ачшуван-ня кшькасп зiбрaних аб'скпв, N = 4 Математич-не ачшуван-ня кшькасп зггкнень з перешкада-ми, N2 = 4

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Пщключення NXT да ПК за да-памагаю USB-кабелю 110 3,8 2,8

Бездратаве з'вднання за дапама-гаю Bluetooth-передавача 95 3,2 1,5

Перенос критичних ресурсамшт-ких завдань з ПК на мшракант-ралер работа NXT 80 3,7 1,3

6. Висновки

Представлено функцюнальну схему та алгоритм адаптивно! системи керування моделi робота-навантажувача на базi Lego Mindstorms NXT.

Проаналiзованi швидкодiя й продуктившсть для трьох способiв керування моделлю робота. Для забез-печення швидкоди рекомендуеться частину задач керування перенести з ЕОМ на убудований мжроконтролер робота NXT. У такому випадку забезпечуеться прийнят-ний час реакцп на збурення i змши предметно! областi. У той же час ресурсномктю завдання продовжують оброблятися на персональному комп'ютерi з наступ-ним коректуванням дiй робота через бездротовий канал зв'язку вщповщно до прийнятого ршення.

Проведенi експериментальш дослвдження по 20 реа-лiзацiй кожного способу керування рухом моделi робота, для однакових початкових умов (юлькосп та розмiщення об'ектiв). Вщсутшсть багаторазового обмiну iнформацiею мiж мжроконтролером i комп'ютером значно пiдвищуе швидкодш i не знижуе продуктивнiсть дш моделi робота.

Л1тература

1. Куафе, Ф. Взаимодействие робота с внешней средой [Текст] / Ф. Куафе. — М.: Мир, 1985. — 285 с.

2. Печников, А. Л. Перспективы развития робототехнических учебных стендов для высшего специального образования в области робототехники, автоматики и мехатроники [Электронный ресурс] / А. Л. Печников, В. А. Жмудь, В. Г. Трубин, А. Б. Колкер // Труды конференции Scientific World — Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте. — Режим доступа: \www/URL: http://www. sworld.com.ua/index.php/ru/technical-sciences-212/informatics-computer-science-and-automation-212/13341-212-831. — 26.08.2015.

3. Дусеев, В. Р. Управление роботом Lego NXT посредством Bluetooth [Текст] / В. Р. Дусеев // Вестник науки Сибири. Серия: Информационные технологии и системы управления. — 2014. — № 2(12). — С. 147-153.

4. Нефедов, Г. А. Реализация алгоритма управления четырехколесным роботом Lego Mindstorms, обеспечивающего движение вдоль заданного пути [Электронный ресурс] / Г. А. Нефедов // Молодежный научно-технический вестник. — 2014. — № 2. — Режим доступа: \www/URL: http:// sntbul.bmstu.ru/doc/551896.html. — 10.09.2015.

5. Зубов, В. И. Лекции по теории управления [Текст] / В. И. Зубов. — М.: Наука, 1975. — 495 с.

6. Красовский, Н. Е. Теория управления движением [Текст] / Н. Е. Красовский. — М.: Наука, 1968. — 476 с.

7. Official site of Lego Engineering [Electronic resource]. — Available at: \www/URL: http://www.legoengineering.com/

8. Официальный сайт конструктора Lego Mindstorms NХТ [Электронный ресурс]. — Режим доступа: \www/URL: http://www. lego.com/ru-ru/mindstorms/default.aspx?domainredir-www. mindstorms.com&ignorereferer-true

9. Internet shop of Lego Mindstorms [Electronic resource]. — Available at: \www/URL: http://shop.lego.com

10. Раздел робототехника [Электронный ресурс] / «ДКО Электронщик» — Дом компонентов и оборудования. — Режим доступа: \www/URL: http://www.electronshik.ru/class/robototehnika-1817. — 15.09.2015.

РАЗРАбОТКА АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МОДЕЛИ РОбОТА-ПОГРУЗЧИКА НА бАЗЕ LEGO MINDSTORMS NXT

Представлена функциональная схема и алгоритм адаптивной системы управления модели робота-погрузчика на базе Lego Mindstorms NXT. Проанализированы быстродействие и производительность для трех способов управления моделью робота. Для обеспечения быстродействия рекомендуется часть задач управления перенести с ЭВМ на встроенный процессор робота.

Ключевые слова: адаптивность, система управления, имитационное моделирование, робот-погрузчик.

Ащепкова Наталiя СергПвна, кандидат техтчних наук, доцент, кафедра механотронки, Днтропетровський нащональний утверситет ж. О. Гончара, Украта, e-mail: ashhepkova_natalja@rambler.ru.

Ащепкова Наталья Сергеевна, кандидат технических наук, доцент, кафедра механотроники, Днепропетровский национальный университет им. О. Гончара, Украина.

Ashhepkova Natalja, Oles Honchar Dnipropetrovsk National University, Ukraine, e-mail: ashhepkova_natalja@rambler.ru

l 48

технологический аудит и резервы производства — № 5/6(25), 2015

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.