CC BY
303
Educational Technology & Society 7(3) 2004 ISSN 1436-4522
Система дистанционного обучения по робототехнике и мехатронике на базе современных информационных
технологий
И.М. Макаров1, В.М. Лохин2, С.В. Манько3, М.П. Романов4 1 академик РАН,
2 3 4профессор, д.т.н.,
1 2’ 3’ 4кафедра проблем управления, Московский государственный университет радиотехники электроники и автоматики, Москва, Россия
АННОТАЦИЯ
Обобщение результатов исследований и разработок в области открытого образования послужило конструктивной основой комплексного проекта, развернутого на кафедре «Проблемы управления» МИРЭА в целях разработки специализированной виртуальной лаборатории удаленного доступа, как перспективного образца системы дистанционного обучения по специальностям «Роботы и робототехнические системы» и «Мехатроника».
Ключевые слова
роботы и робототехнические системы, мехатроника, дистанционное обучение
Введение
Существующие Государственные стандарты Министерства образования России регламентируют перечень общих требований к профессиональной подготовке кадров и оговаривают примерный набор тех дисциплин, которыми должны в совершенстве овладеть учащиеся по той или иной специальности. В то же время, в зависимости от форм и уровней обучения, специальностей и специализаций, принятых в системе среднего и высшего технического образования, состав, глубина проработки и способы подачи преподаваемых предметов могут значительно отличаться друг от друга при сохранении обязательного объема часов, отведенных для общей и профессиональной подготовки.
Так, ГОСы по специальностям 210300 "Робототехнические системы и комплексы" и 071800 "Мехатроника" законодательно закрепляют основную
структуру учебного плана, включающего блоки дисциплин по следующим областям: гуманитарные и социально-экономические, математические и общие естественнонаучные, общепрофессиональные и специальные. Однако, оптимальный вариант учебного плана, равно как и состав входящих в него блоков дисциплин, могут быть сформированы только исходя из требований, предъявляемых к общеобразовательной и профессиональной подготовке выпускаемых специалистов. Необходимый уровень их квалификации предполагает:
- глубокую подготовку в области теории управления, вычислительной техники и программирования;
- детальное представление о назначении, принципах построения и функционирования робототехнического и мехатронного оборудования различных конструкций как на элементном, так и на системном уровне;
- свободное владение теоретическими методами и компьютерными средствами конструирования, расчета и моделирования механических и управляющих подсистем современного робототехнического и мехатронного оборудования, а также методами разработки их программно-алгоритмического обеспечения;
- наличие профессиональных навыков по внедрению и эксплуатации современных робототехнических систем и комплексов, а также мехатронного оборудования различного назначения.
Анализ требований к квалификации специалистов по управлению и автоматизации производства (в частности по робототехнике и мехатронике) позволяет не только сформировать перечень дисциплин, преподавание которых должно обеспечить необходимый уровень подготовки кадров, но и сформировать главные принципы построения модели обучения.
Очевидно, что оптимальная организация учебного процесса должна предполагать последовательное изучение теоретического материала с переходом "от простого - к сложному", в сочетании с практическим освоением современных технических средств и оборудования - начиная "от элементов - до системы в целом". Если суммарная продолжительность обучения в высшей школе составляет порядка пяти лет, из которых первые два года отводятся на общеобразовательные предметы, то в соответствии с предложенными принципами оставшийся для профессиональной подготовки период времени целесообразно разделить на три условных этапа:
- "Управление и основы робототехники (мехатроники)";
- "Принципы построения роботов (мехатронного оборудования)";
- "Робототехнические (мехатронные) системы и комплексы".
Первый из них охватывает ключевую проблематику базового уровня профессиональной подготовки, включая теорию автоматического управления, а также ряд специальных дисциплин, раскрывающих принципы построения различных функциональных элементов роботов, мехатронного и другого технологического оборудования автоматизированных производств.
Второй этап профессиональной подготовки посвящен принципам построения, разработки, расчета и моделирования роботов, мехатронного оборудования, а также их систем управления.
Третий, заключительный этап, должен носить обобщающий характер и давать ясное представление об основных принципах внедрения и эксплуатации роботов и мехатронного оборудования различного назначения, в том числе в составе технологических комплексов и гибких автоматизированных производств.
Для прочного закрепления изучаемого материала теоретические и лекционные занятия должны сопровождаться соответствующим лабораторным практикумом по всему спектру специальных дисциплин. При этом, структура и состав лабораторной базы также должны отражать ключевые принципы, выбранные в качестве конструктивной основы для формирования модели обучения: "от простого - к сложному", "от элементов - к системе в целом".
Методология
Очевидно, что создание системы дистанционного обучения на базе глобальной вычислительной сети, предполагает необходимость учета специфики форм и методов подготовки, принятых в системе высшего, средне-специального и общего образования, а также особенностей их практической реализации на основе современных информационных технологий. В конечном итоге, комплекс технических и программных средств для дистанционного обучения по робототехнике и мехатронике должен обеспечивать следующий набор функциональных возможностей:
- проведение консультаций, лекционных и практических занятий в режиме телеконференций;
- выполнение лабораторных работ на виртуальных стендах и реальном оборудовании в режиме удаленного доступа;
- проведение индивидуальных занятий и освоение теоретических знаний и в режиме самостоятельной работы с мультимедийными компьютерными учебниками;
- приобретение практических знаний и навыков в режиме самостоятельной работы с виртуальными объектами;
- выполнение тестовых заданий и автоматизированный контроль полученных знаний.
Приведенные требования во многом предопределяют идеологию построения системы дистанционного обучения, двуедиными составляющими которой, как показано на рис. 1, являются интегрированная информационно-образовательная
среда и специализированное программно-аппаратное обеспечение. При этом интегрированная среда, создаваемая и функционирующая на основе современных информационных и сетевых технологий, объединяет мультимедийные компьютерные учебники и справочные системы, средства контроля знаний и тестирования, интерактивные виртуальные обучающие модели и программные средства удаленного доступа к управляемым лабораторным установкам и аудиториям с телекоммуникационным и другим специальным оборудованием.
Система дистанционного обучения может физически размещаться на базе одного или нескольких компьютеризированных центров, объединяемых общей информационной магистралью и оснащаемых видеокамерами, микрофонами, мультимедийной, телекоммуникационной и сетевой аппаратурой, а также дистанционно-управляемыми лабораторными стендами и установками.
Рис. 1. Основные элементы программного и технического обеспечения системы
дистанционного обучения.
Ядром системы является иерархия виртуальных моделей учебной лаборатории, лабораторных стендов и их внутреннего устройства с требуемым комплектом программно-методического обеспечения.
Модель виртуальной учебной лаборатории полностью повторяет планировку и оснащение кафедры «Проблемы управления» МИРЭА (Рис. 2), которая является одним из ведущих в России центров подготовки высококвалифицированных кадров по специальностям «Роботы и робототехнические системы» и «Мехатроника».
Средний, дисциплинарно-тематический уровень объединяет в своем составе мультимедийные компьютерные учебники по всем разделам специальной подготовки кадров в области робототехники и мехатроники, а также комплекс программнометодического обеспечения для выполнения лабораторных работ и контроля полученных знаний.
Общая идеология построения этого уровня предусматривает проведение лабораторного практикума, как с использованием виртуальных моделей лабораторных стендов, так и на реальном оборудовании, управляемом в дистанционном режиме.
Предоставляемые пользователю возможности позволяют детально ознакомиться с взаимодействием основных конструктивных элементов конкретных образцов оборудования и средств управления в процессе интерактивной работы с виртуальными моделями их внутреннего устройства.
а)
Виртуальная кафедра - Microsoft Іггіегпєі Енріогег ыт
Файл Правка _Вцц Избранное Сервис Справка о
4» , . з ш т Назад ВТ1е£пзд Остановить Обновить Домой Ш Поиск Л Избранное Журнал Щг Щ Почта Размер »
Адрес http://www.cpd:mirea.ru/~team/fcaf:ЬЛт! ▼] ^Переход Ссылки
Виртуальная модель кафедры "Проблемы управления"
Учебная лаборатория мехатронно-моцульного оборудования
0] Готово 10 Иі гт:р ют
ЗЙПуск | Виртуальная кафсд... ЗД {СЛРгодют Рі1езЧ5есие.. | Сф пеуу ЗесигеСЯТ ....... б)
Рис.2. Кафедра «Проблемы управления» МИРЭА: учебная лаборатория мехатронно-модульного робототехнического оборудования (а)) и ее виртуальная
модель (б))
При этом, исследование функциональных характеристик изучаемых объектов может проводиться не только на имеющихся моделях, но и на реальном оборудовании за счет программного подключения измерительно-информационной аппаратуры дистанционно-управляемых стендов. С другой стороны, все необходимые теоретические обоснования наблюдаемых явлений и закономерностей поясняются автоматическими ссылками на соответствующие разделы
компьютерного учебника.
В качестве примера на рис. 3 представлены фрагменты лабораторной работы, направленной на изучение принципов построения современных средств вычислительной техники и проводимой на базе виртуальной модели внутреннего устройства персонального компьютера.
Рис. 3. Фрагменты лабораторной работы, направленной на изучение принципов построения современных средств вычислительной техники и проводимой на базе виртуальной модели внутреннего устройства персонального компьютера, а именно устройства материнской платы.
Реализация
Важнейшая проблема создания интерактивных моделей виртуальных миров для сетевых приложений заключается в необходимости организации многопользовательских режимов работы. Один из главных аспектов этой проблемы связан с решением вопросов взаимного отображения действий и намерений отдельных пользователей, действующих одновременно в едином виртуальном пространстве. Так, например, при совершении виртуальной прогулки по искусственному кибернетическому миру, каждый пользователь должен не только наблюдать на экране монитора за перемещением других экскурсантов, а также за инициируемыми ими событиями, но и иметь возможность оперативного обмена текстовыми сообщениями.
Реализация подобных функций предполагает необходимость структурной декомпозиции программного обеспечения многопользовательских виртуальных миров на две основные составляющие:
- клиентскую часть, размещаемую на компьютере удаленного пользователя и отвечающую за отображение виртуального мира, происходящих в нем явлений и процессов, а также за интерактивные режимы работы с моделями управляемых объектов;
- серверную часть, размещаемую соответственно на компьютере-сервере и отвечающую за передачу необходимых данных от клиентской части одного пользователя к клиентской части другого по сети.
Обеспечение «синхронности» отображения происходящих в виртуальном мире событий на объединенных в сеть компьютерах отдельных пользователей, связано с
минимизацией временных задержек в процессе передачи данных, что выдвигает достаточно серьезные требования к скорости выполнения программы-сервера и выбору языка ее написания.
В общем случае программное обеспечение серверной части может быть написано как на платформенно зависимом, так и независимом языке. Из платформенно независимых языков для написания серверных приложений наиболее известными являются такие, как Java, CGI, Perl. Однако эти языки оказываются абсолютно неприемлемыми для создания программ обработки данных в реальном времени. Подобное положение обусловлено тем фактом, что написанные на них программы должны исполняться в специальной среде, являющейся интерпретатором данного конкретного языка для той или иной платформы. Программы на платформенно зависимых языках позволяют обеспечить требуемое быстродействие, представляя собой уже исполняющиеся файлы, которые напрямую вызывают функции своей платформы. Выбор платформенно зависимого языка непосредственно определяется выбором конкретной операционной системы (ОС). Наиболее популярными для Internet-серверов являются Windows NT и Unix-подобные ОС. Поэтому, например, при разработке системы дистанционного обучения, обеспечивающей возможность одновременной работы целого ряда удаленных пользователей в едином виртуальном пространстве, было предусмотрено два варианта организации Internet-серверов. Согласно первому из них соответствующая программа, реализующая серверную часть, написана на языке ANSI C для ОС Unix, а по второму, для ОС Windows NT - на языке Delphi 4 фирмы Borland.
В каждом случае для связи с клиентской частью используется базовый Internet-протокол TCP/IP, но различные форматы передаваемых по сети данных. Такое различие обусловлено созданием специализированной системы оптимизации передаваемых данных для сокращения их объема при работе под ОС Windows NT, что при незначительном снижении быстродействия позволило существенно уменьшить нагрузку на сервер и увеличить предельно допустимое число параллельно действующих пользователей. Важно отметить, что наличие двух типов форматов данных вызвало необходимость создания альтернативных Java-программ для их приема из сети клиентской частью.
В случае работы Unix-сервера (без оптимизации трафика) обмен данных происходит непрерывным образом. Так, при движении виртуального пользователя координаты его положения в искусственном кибернетическом пространстве через минимальные интервалы времени (0.1 с.) передаются серверу, пересылающему эти данные по сети множеству клиентов. Программы-клиенты в свою очередь считывают и обрабатывают полученные координаты, перестраивая по ним виртуальную модель. Сразу же после чтения координат, поступивших от одного клиента, программа-сервер передает в обратном направлении текущие данные остальных клиентов. При этом, даже при неподвижном состоянии виртуального пользователя программа-клиент должна отправлять соответствующие данные на сервер, чтобы получить взамен координаты местоположения других пользователей. В таком случае для каждого из клиентов отставание наблюдаемой динамики изменений виртуального мира от реальной составляет немногим более 0.1 с., однако визуализация изображений имеет не плавный, а дискретно-прерывистый характер.
Работа сервера под ОС Windows NT обеспечивает оптимизацию реализуемого через него обмена данными между отдельными клиентами в сети. Так, например, при движении виртуального пользователя координаты его положения в искусственном кибернетическом пространстве с частотой 1 с. передаются серверу, пересылающему эти данные остальным программам-клиентам. Анализируя данные предыдущей и последующей посылки (с учетом известного временного интервала между ними), каждый из клиентов выполняет интерполяцию координат и последующее моделирование интерактивно управляемых виртуальных объектов. Реализация асинхронного режима чтения и записи данных позволяет при сохранении возможности получения информации из сети обеспечить передачу координат интерактивно управляемого виртуального объекта только в процессе его движения. При таком подходе отставание наблюдаемой динамики изменений виртуального мира от реальной для каждого из клиентов составляет немногим более 1 с., однако движения виртуальных моделей пользователей сохранят свою плавность и естественность при отображении на экране монитора.
Подобная организация программы-сервера под ОС Windows ЭТ, позволила снизить выпадающую на него нагрузку (по передаче данных) и соответственно увеличить максимальное количество одновременно работающих пользователей в 10-кратном размере по сравнению с аналогичными характеристиками Unix-сервера. Однако, односекундная задержка в передаче данных, которая не оказывает существенного влияния при проведении параллельных во времени экскурсий по единому виртуальному пространству, является неприемлемой для управления реальными процессами.
Опыт разработки интерактивно-управляемых геометрических моделей для сетевых приложений позволил сформировать общую методику построения многопользовательских виртуальных миров. В соответствии с этой методикой основными этапами процесса разработки многопользовательских систем виртуальной реальности являются (Рис. 4).
Рис. 4. Основные этапы разработки многопользовательских систем виртуальной реальности для сетевых приложений.
- разработка программно-алгоритмического обеспечения серверной части, отвечающего за передачу данных по сети;
- разработка программно-алгоритмического обеспечения клиентской части, отвечающего за интерактивность общей информационной среды и передачу данных по сети;
- разработка структуры проектируемого виртуального мира с выделением моделей отдельно подгружаемых секторов;
- разработка виртуальных моделей и нанесение текстур;
- оптимизация виртуальных моделей;
- формирование виртуального мира с использованием механизмов подгрузки отдельных секторов.
Дистанционное управление сложными динамическими объектами на основе современных сетевых технологий
Важнейшее направление развития дистанционного обучения непосредственно связано с вопросами использования сетевых технологий для управления удаленным оборудованием при выполнении лабораторных и практических занятий. Вместе с тем, эта проблематика является предметом целого ряда широкомасштабных исследований по созданию специализированных систем виртуальной реальности для дистанционного управления роботами, летательными и подводными аппаратами, а также другими сложными динамическими объектами, функционирующими в экстремальных или труднодоступных условиях [Литвинцева 1995, Encarnacao 1994, Kahaner 1994]. Кроме того, методы и средства дистанционного управления реальными образцами робототехнических и мехатронных систем на основе глобальной компьютерной сети Internet имеют и большое самостоятельное значение, например, для разработки принципиально нового класса промышленных технологий уничтожения ядерного, химического и бактериологического оружия, а также для других типов потенциально-опасных производственных процессов. Учитывая стремительное внедрение глобальной компьютерной сети Internet в практику повседневной жизни, организация дистанционного управления может иметь определенную актуальность и для целого ряда специфических приложений, связанных с необходимостью оперативного привлечения высококвалифицированных экспертов при использовании сложного оборудования для проведения уникальных медицинских операций, научно-исследовательских и технических экспериментов и т.д. Важно отметить, что применение сетевых технологий, по-видимому, является единственной реальной альтернативой для построения так называемых многоагентных систем с централизованным или распределенным управлением.
Организация дистанционного управления традиционно является одним из важнейших предметов исследований в современной робототехнике. В настоящее время дистанционные системы управления средствами промышленной, экстремальной и бытовой робототехники принято разделять на следующие основные типы [Кулешов 1986, Кулешов 1980, Кулаков 1980]:
- дистанционные системы командного управления;
- дистанционные системы копирующего управления;
- дистанционные системы полуавтоматического управления;
- дистанционные системы супервизорного управления;
- дистанционно-автоматические системы управления.
При этом, дистанционные системы управления роботами как правило строятся с использованием протоколов обмена, опирающихся на проводные (электрические и оптоэлектронные) или беспроводные (радио) каналы передачи данных.
Разработка средств и методов дистанционного управления сложными техническими устройствами, системами и оборудованием на основе Internet-протоколов семейства TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol), как некоторая новая альтернатива, представляет несомненный интерес для различных прикладных областей и в этой связи представляет собой одно из приоритетных направлений исследований в области современных компьютерных технологий.
Обобщенная структура дистанционной системы управления вне зависимости от ее типа, назначения и специфики организации канала передачи данных может быть приведена к единой схеме и включает следующие основные модули:
- удаленное управляющее устройство, предназначенное для формирования задающих управляющих воздействий или командных целеуказаний;
- блок преобразования данных, обеспечивающий кодирование и сжатие, а также восстановление управляющей информации на входе и выходе тракта передачи;
- тракт передачи данных, обеспечивающий надежный канал связи между объектом управления и удаленным управляющим устройством, как в прямом, так и в обратном направлении;
- локальное (бортовое) управляющее устройство, предназначенное для формирования управляющих сигналов;
- исполнительный механизм, обеспечивающий отработку управляющих сигналов;
- объект управления;
- информационно-измерительные устройства, предназначенные для организации обратной связи между объектом и системой управления;
- блок отображения процессов управления.
Эффективность систем дистанционного управления удаленными объектами во многом определяется наличием высокоскоростных каналов связи, обладающих большой пропускной способностью и обеспечивающих высокий уровень надежности при передаче управляющей и телеметрической, а также аудио, видео и другой необходимой информации с минимальным уровнем искажений и временных задержек. При этом следует иметь в виду, что требования по скорости, надежности и объемам передачи данных могут значительно различаться в зависимости от типа соответствующей информации. Так, например, управляющие и телеметрические данные должны передаваться максимально быстро и, при этом, потеря или искажение информации являются недопустимыми, так как могут привести к трагическому результату. В тоже время, некоторые потери или искажения аудио и видео информации не считаются столь критичными, хотя требования по скорости ее передачи остаются такими же жесткими и высокими. Для целого ряда практических приложений важнейшей характеристикой систем дистанционного управления является ее мобильность, а также возможность оперативного развертывания каналов двусторонней связи с удаленным управляемым объектом.
Таким образом, важнейшие аспекты разработки систем дистанционного управления в общем случае связаны с решением следующих основных вопросов:
- организация канала связи между оператором и дистанционноуправляемым объектом;
- обеспечение надежности передачи управляющей, телеметрической аудио и видео информации в реальном времени;
- реализация требуемой совокупности управляющих функций с учетом временных задержек в канале передачи информации.
С другой стороны, организация дистанционного управления по каналам Шете! сопряжена с необходимостью решения ряда крайне острых проблем.
Первая из них связана с обеспечением надежности подключения собственно к каналу связи через многочисленные шлюзы, репитеры, маршрутизаторы и другие аппаратные средства. Чтобы обезопасить систему от внезапных обрывов связи, которые могут возникнуть между управляющим устройством и контролируемым объектом, необходимо предусмотреть дублирование используемого тракта передачи данных с возможностью активизации запасного канала при отказе основного. Кроме того, высоко уровневый протокол связи между устройством и объектом управления должен непременно поддерживать контроль разрыва соединения и, в случае обнаружения такового, обеспечивать своевременный ввод заранее определенных режимов безопасной работы. При этом таймаут протокола связи должен быть заведомо меньше разницы времен, определяемых, с одной стороны, продолжительностью безаварийного функционирования объекта при отсутствии контроля, и максимальной длительностью перехода к безопасному режиму, с другой.
Вторая проблема обусловлена неравномерной скоростью передачи данных, которая варьируется в широком диапазоне и зависит от текущей загрузки канала связи в соответствии с количеством одновременно подключенных к сети пользователей. Эта проблема, к сожалению, имеет лишь частичные решения. Одно из них предполагает уменьшение собственного потока информации за счет применения разнообразных алгоритмов компрессии, а также установки интеллектуальных надстроек или математических экстраполяторов на самом объекте управления. Другое решение связано с проектированием системы в расчете на конкретную пропускную способность, а также (при отклонении жизненных реалий от ожидаемых) на обработку ситуаций аналогично случаям разрыва связи.
Третья проблема заключается в обеспечении конфиденциальности и защите информации, поскольку весь сетевой трафик потенциально может быть подвергнут анализу на любом из серверов, через которые он проходит, а следовательно возникает реальная угроза не только несанкционированного доступа к совокупности передаваемых данных, но и случайного или намеренного их искажения.
Традиционные пути в решении этой проблемы связаны с разработкой и применением специализированных алгоритмов шифрования, верификации и т.д. Однако, в подавляющем большинстве ситуаций безопасность является более приоритетным фактором по сравнению со всеми прочими, что полностью оправдывает такой подход, несмотря на необходимость привлечения дополнительных вычислительных ресурсов для его реализации.
И, наконец, последняя из наиболее важных проблем дистанционного управления по каналам Intemet вызвана необходимостью предотвращения конкурентных коннекций, когда несколько пользователей независимо друг от друга пытаются одновременно воздействовать на контролируемый объект. Соответствующее решение требует построения тщательно продуманных протоколов обмена информации, контролирующих подобные ситуации (а также, возможно, и ситуации с попытками несанкционированного доступа).
Практическая апробация принципов и технологий дистанционного управления по каналам Intemet потребовала проведения цикла экспериментальных исследований и разработок, опытным полигоном для которых послужил учебный образец гибкой производственной системы (ГПС), размещенной в одной из лабораторий кафедры «Проблемы управления» МИ-РЭА. В состав учебной ГПС входят пять аппаратнонезависимых робототехнических модулей (Рис. 5):
Рис. 5. Экспериментальный образец учебной мини-ГПС в специализированной лаборатории кафедры «Проблемы управления» МИРЭА.
- автоматизированный склад;
- роботизированный центр фрезерной обработки;
- роботизированный сборочный центр;
- роботизированный центр токарной обработки;
- энергонезависимый транспортный робот.
Все модули управляются на базе промышленных компьютеров фирмы “Octagon Systems”, соединенных общей локальной вычислительной сетью между собой и с главной ЭВМ на Intel-платформе. Такая идеология отвечает современным тенденциям к организации гибкого производства, позволяет изменять его конфигурацию и строить сложные иерархические системы управления технологическим процессом.
Каждый модуль ориентирован на выполнение определенных технологических операций и может функционировать как в составе ГПС, так и абсолютно независимо. Использование операционной системы QNX со встроенным механизмом сообщений позволяет обеспечить информационный обмен между модулями и главной ЭВМ.
В функции главной ЭВМ входит распределение заданий между модулями в соответствии со схемой технологического процесса, а также контроль выполнения требуемых операций. Таким образом, она исполняет роль супервизора, который координирует общий ход технологического процесса и, в зависимости от состояния его основных параметров, запускает и/или останавливает работу тех или иных узлов ГПС. Интерфейс с пользователями обеспечивается подключением главной ЭВМ к каналам Internet. Абонент сети, находящийся в произвольной точке земного шара и обладающий необходимым доступом, может перекачать (на свой компьютер) и запустить соответствующую программу, которая работает под операционной системой Windows и устанавливает по стандартному Internet-протоколу TCP/IP соединение с главной ЭВМ.
Возможности современных информационных технологий, основанных на применении таких языков программирования как Java и VRML, позволили обеспечить организацию режима дистанционного управления непосредственно с Intrernet-страницы без предварительного скачивания программы на компьютер удаленного пользователя. Важно, что реализация подобного режима основана на использовании того же протокола передачи данных с сохранением их формата. Основные отличия соответствующего программного обеспечения, связаны с изменением клиентской части.
Ее состав включает три основных элемента:
- Java-программа, отвечающая за обеспечение интерфейса, а также прием и отправку данных;
- VRML-программа, отвечающая за отображение трехмерной модели управляемого устройства;
- программа, построенная на базе специализированного пакета NetMeeting и отвечающая за отображение потокового видео.
Выбранный подход к построению системы дистанционного управления удаленными объектами по каналам Internet позволил обеспечить широкий набор сервисных функций, предоставляемых оператору для работы с конкретными
устройствами:
- динамическое отображение реальных состояний объекта управления на его виртуальной модели по показаниям датчиков обратной связи;
- возможность осмотра виртуальной модели объекта управления с произвольных точек наблюдения в трехмерном пространстве;
- возможность управления виртуальной моделью объекта на экране монитора при освоении навыков работы с конкретными образцами удаленного оборудования;
- возможность визуального контроля за работой дистанционно управляемого (в том числе и сторонним пользователем) оборудования по видео изображению, транслируемому в реальном времени;
- возможность отладки исполнительных программ управления на виртуальной модели объекта (без привлечения реального оборудования).
Эксперимент
Принципы построения и опыт реализации создаваемой в МИРЭА системы дистанционного обучения робототехнике и мехатронике многократно обсуждались, а ее готовые фрагменты демонстрировались на целом ряде научно-технических семинаров и конференций, пользуясь неизменным интересом и получая высокие оценки со стороны специалистов. Одна из последних и наиболее показательных демонстраций состоялась на XI научно-технической конференции «Экстремальная робототехника» в апреле 2001 г. в рамках двустороннего сеанса связи, организованного по каналам Intemet между Москвой и Санкт-Петербургом (Рис. 6). В первой части сеанса, находясь в операторской МИРЭА, один из авторов настоящей публикации и руководитель работ по созданию системы дистанционного обучения
академик РАН И.М. Макаров выступил с приветствием в режиме телеприсутствия и сделал научный доклад перед участниками конференции, которая традиционно проводилась на базе ЦНИИРТК.
МНР') А ЦНИИРТК
(Москва) (Санкт-Петербург)
Рис. 6. Организация двустороннего сеанса связи через Іпіегпеї между Москвой и Санкт-Петербургом для проведения эксперимента по дистанционному управлению сложным робототехническим оборудованием с удаленного
терминала.
При этом аудитория могла не только прослушать текст выступления в реальном времени, но и получить необходимые ответы на задаваемые вопросы, параллельно наблюдая за докладчиком по проекции экрана монитора непосредственно в конференц-зале. В ходе последующей сессии демонстрировалась возможность удаленного доступа через Intemet к размещенной на сервере МИРЭА системе открытого инженерного образования по робототехнике и мехатронике.
В завершение сеанса был проведен уникальный эксперимент по дистанционному управлению манипуляционным роботом в реальном времени по каналам Intemet Управление роботом, находившимся в одной из лабораторий МИРЭА, осуществлялось в интерактивном режиме с удаленного (на более чем 700 км) терминала в ЦНИИРТК. Контроль правильности выполняемых операций обеспечивался отображением текущих состояний робота с помощью его виртуальной модели по показаниям датчиков обратной связи, а также за счет оперативно передаваемого изображения с телекамеры (Рис. 7).
Рис. 7. Фрагмент сеанса дистанционного управления манипуляционным роботом в лаборатории МИРЭА (г. Москва) из конференц-зала ЦНИИРТК (г.
С.-Петербург) по каналам Шегпеї.
Задержка в передаче данных, наблюдаемая в процессе эксперимента, варьировалась в диапазоне 5-10 мс, что не привело к возникновению существенных затруднений при управлении манипулятором в ручном режиме с использованием визуальной обратной связи для выполнения операций по захвату и перестановке технологических объектов. Общее время подготовки системы к работе, связанное к установлению канала связи через Intemet, составило несколько минут.
Заключение
Проведенный эксперимент и предварительные лабораторные испытания не только убедительно доказали возможность организации дистанционного управления сложными мехатронными устройствами, робототехническим и другим технологическим оборудованием по каналам Intemet в учебных целях, но и позволили сделать несколько принципиально важных выводов более общего характера.
1. Глобальная компьютерная сеть Intemet является эффективным, удобным и в известной мере универсальным средством организации и оперативного развертывания систем дистанционного управления объектами, удаленными как на малые (единицы и сотни метров), так на средние (единицы и десятки километров) и большие (сотни и тысячи километров) расстояния.
2. Анализ трехмерной сцены по ее плоскому изображению на экране монитора является достаточно сложной задачей, оперативное решение которой при дистанционном управлении манипулятором вызывает заметные сложности даже у подготовленного оператора, требуя не только наличия определенных навыков, но и богатого пространственного воображения в совокупности с высокой скоростью реакции.
3. Требования по разработке систем дистанционного управления роботами и другими сложными объектами по каналам Intemet должны формироваться с учетом не только особенностей соответствующих
средств передачи информации, но и реальных возможностей оператора по выполнению возложенных на него командных и контролирующих функций.
4. Принципы построения систем дистанционного управления удаленными
объектами по каналам Intemet, имеющих неравномерную загрузку (в зависимости от количества единовременно подключенных к сети абонентов), должны обеспечивать возможность автономного
выполнения требуемых функций при задержке в передаче командной, сенсорной и иной необходимой информации.
5. Современный подход к организации дистанционного управления на основе глобальной компьютерной сети Intemet должен предусматривать возможность комплексной диагностики и настройки контролируемых объектов.
Обобщение этих выводов позволило перейти к разработке опытного образца системы дистанционного управления с более широким набором функциональных возможностей, представляющих интерес, как для учебных, так и иных для приложений, включая промышленные, специальные и бытовые.
Параллельно со средствами управления сложным оборудованием по каналам Intemet активно развиваются все основные составляющие системы дистанционного обучения робототехнике и мехатронике: на основе предложенных и апробированных принципов [Литвинцева 1995, НШг 1993] создаются и совершенствуются виртуальные лабораторные стенды и модели оборудования, ведется разработка программно-методического обеспечения, компьютерных учебников по ключевому набору специальных дисциплин и т.д. Несмотря на различную степень готовности своих фрагментов, экспериментальная версия системы проходит комплексную проверку в учебном процессе МИРЭА и ряда других ВУЗов при подготовке специалистов по робототехнике и мехатронике. Некоторые завершенные разделы системы доступны для открытого использования по следующим Шете^адресам:
- http://www.cpd.mirea.ru/~team/index.html (виртуальная лаборатория удаленного доступа в составе интегрированной информационнообразовательной среды для обучения робототехнике и мехатронике);
- http://www.cpd.mirea.ru/latish/index.html (мультимедийный
компьютерный учебник с виртуальным преподавателем по теории автоматического управления).
Литература
[Литвинцева 1995] Литвинцева Л.В., Налитов С.Д., “Виртуальная реальность: анализ состояния и подходы к решению” // Новости искусственного интеллекта, №3, 1995
[Hiltz 1993] Hiltz S.R., “Correlates of learning in a virtual classroom” // Int. J. Man-Machine Studies, vol. 39, 1993
[Encarnacao 1994] Encarnacao J., Gobel M., European, Activities in Virtual Reality. // IEEE Computer Graphics and Applications, January, 1994
[Kahaner 1994] Kahaner D. Japanese Activities in Virtual Reality. // IEEE Computer Graphics and Applications, January, 1994
[Кулешов 1986] Кулешов В.С., Лакота Н.А., Андрюнин В.В. и др., “Дистанционно управляемые роботы и манипуляторы”./ Под общ. ред. Попова Е.П. // М.: Машиностроение, 1986
[Кулешов 1980] “Проектирование следящих систем двустороннего действия”, под ред. Кулешова В.С. // М.: Машиностроение, 1980
[Кулаков 1980] Кулаков Ф.М. Супервизорное управление манипуляционными робота-ми. // М.: Наука, 1980
