CC BY
4
Ермишов Иван Алексеевич, студент, [email protected]. Россия, Саранск, Мордовский государственный университет
INTEGRATED MODELS OF MOBILE ROBOT TRANSPORT PLATFORM
M.V. Chugunov, I.N. Polunina, I.A. Ermishov
The article presents integrated virtual (CAx) and full-scale models of the transport platform of a mobile robot. Models are made on different scales, which simplifies the solution of specific tasks of analyzing design solutions. The main tool for integrating models of different types is a single control system. The necessary parameters of the carrier system, chassis, electric and servo drives are determined on the basis of numerical and field experiments.
Key words: mobile robot, transport platform, full-scale, virtual and integrated models, full-scale and numerical
experiment.
Chugunov Mikhail Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected]. Russian, Saransk, Mordovian State University,
Polunina Irina Nikolaevna, candidate of pedagogical sciences, docent, [email protected]. Russian, Saransk, Mordovian State University,
Ermishov Ivan Alekseyevich, student, [email protected]. Russian, Saransk, Mordovian State University
УДК 629.12:007.52
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-534-535
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ НАДВОДНЫМИ БЕСПИЛОТНЫМИ ПЛАТФОРМАМИ
А. С. Майстро, А.С. Глуханов, Д. Д. Сидоренко
В статье представлена собственная архитектура системы управления робототехническим комплексом с безэкипажным катером, учитывающая функции, необходимые для дистанционной и автоматической работы в соответствии с положениями по классификации морских автономных и дистанционно управляемых надводных судов. Приведены результаты натурных экспериментов по управлению безэкипажным катером в условиях стандартных маршрутных заданий.
Ключевые слова: безэкипажный катер, надводная беспилотная платформа, система управления, программное обеспечение, протоколы передачи данных.
Надводные беспилотные платформы, построенные на основе маломерных катеров, катамаранов, конвертированных в безэкипажные катера (далее БЭК) имеют целый ряд приложений [1-3]. Можно сформулировать следующие классы задач: научные исследования, исследование океанов и морей, поисковые задачи, доставка грузов, экологические задачи, обследование закрытых водоемов, поиск подводных объектов.
Постановка задачи. Широта выполняемых задач требует соответствующего проектирования конструкции судна и системы управления, которая в свою очередь должна поддерживать простоту добавления новых функций, обеспечивать надежность, простоту замены комплектующих, в том числе на отечественные аналоги. Для выполнения всех этих требований была разработана общая схема системы управления, которая может быть выбрана в качестве базовой для разработки новых надводных платформ. Предлагаемое решение имеет большие возможности для расширения функций робототехнического комплекса.
Архитектура сети. При управлении платформой возникают задачи по передаче следующих групп данных:
1.телеметрия положения судна;
2.телеметрия модулей полезной нагрузки;
3.команды ручного управления пропульсивной установки;
4.команды модулей полезной нагрузки;
5.статусы состояния судна (предупреждения и ошибки);
6.данные миссии.
Был разработан собственный закрытый зашифрованный протокол передачи данных с возможностями узкополосного и широкополосного доступа и многофакторной аутентификации. Схема сетевой архитектуры комплекса состоит из части, расположенной на БЭК, и части, расположенной на станции управления (рис. 1).
Отправка команд управления и сбор телеметрии с двигателя судна происходит по закрытому протоколу с многофакторной аутентификацией. Для работы с модулем полезной нагрузки был разработан закрытый протокол, в котором для передачи необходимых значений и параметров были описаны собственные типы данных и разработан модуль шифрования.
В случае неполадок или невозможности работы основной сети используется сеть узкополосного доступа. Эта сеть имеет более низкую частоту и не конфликтует с сетью погодных радаров на судах. Для увеличения дальности передачи информации группа БЭК может выстраиваться в линию. Такой метод позволяет работать вдали от берега и ретрансляции данных, т.е. реализуется динамическая децентрализованная распределённая меш сеть.
Программная архитектура БЭК. Для выполнения специализированных вычислений в реальном времени и задач непосредственно на борту судна была применена операционная система реального времени FreeRTOS [4]. Интеллектуальная бортовая система судна включает следующие программные компоненты:
534
1. модуль навигации (расчет целевого курса, нечеткий регулятор курса, регулятор «притягивания» к линии, переключение точек вектора миссии, управление состоянием полезной нагрузки);
2. модуль работы с рулевым управлением (измерение положения линейного актуатора, регулятор линейного актуатора);
3. модуль работы с двигателем (сбор данных с двигателя, управление мощностью двигателя);
4. модуль управления подключениями (формирование структур и сообщений, отслеживание подключений, «парсинг» сообщений, запись объектов в вектор миссии, работа с настроечными параметрами);
5. модуль работы с бортовой сетью (прием, парсинг, сборка и отправка сообщений, формирование адресов и приоритетов);
6. модуль работы в сети широкополосного доступа (прием, парсинг, сборка и отправка сообщений, обеспечение стека работы);
7. модуль работы в сети узкополосного доступа (прием и отправка сообщений);
8. модуль работы с акселерометром (настройка акселерометра, сбор первичных данных, фильтрация данных с помощью фильтров и алгоритмов объединения данных и интеллектуальных алгоритмов снижения ошибки
[5]);
9. модуль сбора данных со спутниковых систем связи (настройка модуля и сбор данных);
10. модуль сохранения данных в энергонезависимую память (запись и чтение константных параметров);
11. модуль системы расхождения с препятствиями.
12. модуль глобальной навигации.
13. модуль логирования данных на SD карту и RAID накопитель (сбор логируемых данных, управление файловой системой, запись, связь с внешними модулями).
Рис. 1. Сетевая архитектура надводной беспилотной платформы
Описание состояний системы управления. В процессе своего функционирования система управления осуществляет переход между следующими состояниями:
Ручное управление РС: рулевое управление от команд от РС.
Нажата красная кнопка «заблокировать приводы»: приводы заблокированы.
Выполнение команды вектора навигации: отправка соответствующих команд на периферийные устройства, ожидание, работают провода, интерфейсы, осуществляется выполнение навигационных задач.
Швартовка: благодаря системе технического зрения комплекс осуществляет швартовку.
Движение на точку: в зависимости от состояния системы могут быть запущены: движение на точку из вектора навигации, движение на точку из глобального маршрута, движение на точку из локального маршрута, коррекция маршрута по МППСС.
Инициализация: опрос устройств на линиях шины данных и составление списка подключенных
устройств.
Ожидание команд: прием команд от управляющего интерфейса, управление вектором навигации, конфигурационными параметрами.
Аварийное состояние «движение домой».
Выполнение маршрутного задания.
Диагностика систем.
Остановка приводов при потере связи с пультом.
Ручное управление с РС: система ждет команд от беспроводных интерфейсов.
Испытания системы управления. Для проверки работоспособности системы управления был проведен ряд классических экспериментов:
1. движение на свободном ходу (рис. 2);
2. движение в повороте (рис. 3);
3. прохождение маршрута «зигзаг» (рис. 4).
Управление осуществляется изменением угла пера руля, выходными характеристиками являются курс относительно грунта (COG) и направление диаметральной плоскости (HDG).
йэ'ьэ'об.а-м
I"", 1 1*1 "Г
"В 5a'5ff5fl.rN
зо'кгагЕ
Longitude
350 31» 290 200
3
е-150 § 100 8 и о
•50
Сраанение курса и угла пара р ' /
2 5 255
Время.мс
Рис. 2. Эксперимент «На свободном ходу».
30'10'15.2-Е 3Q'1ff1E.4-E 30'1 ffl Б.6"Е 30't0'15.Й"Е
Longitude
курс. ФВД
в PC Mit мс
Рис. 3. Эксперимент «Поворот».
Сравнение курса и угла пара руля, град
ЗЭ'бЭ'Сб 5"N
g 59'59'05'N
ЭО'КГМ'Е Longitude
Рис. 4. Эксперимент «Зигзаг».
Заключение. Получена универсальная блок-схема системы управления беспилотной надводной платформы. Представлены результаты экспериментов по выполнению маршрутных заданий. Предлагаемые технические решения могут быть использованы в широкой линейке робототехнических комплексов.
Список литературы
1. Протасов М.С. Безэкипажное судоходство - новое направление для цифровой экономики / М. С. Протасов, Н. А. Воробьев // Матрица научного познания. 2021. № 2-1. С. 66-69.
2. Создание безэкипажного катера «СТРЕЛА» // Неделя науки Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. 2022. № 3-2.
3. Liu Z. et al. Unmanned surface vehicles : An overview of developments and challenges // Annual Reviews in Control, 2016, №41. P. 71-93.
4. Курниц А. FreeRTOS - Операционная система для микроконтроллеров // Компоненты и Технологии,
2011, Т. 2.
5. Madgwick S.O.H., Harrison A.J.L. and Vaidyanathan R., «Estimation of IMU and MARG orientation using a gradient descent algorithm» // IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics, Zurich, Switzerland, 2011. P. 1-7.
Майстро Алексей Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
Глухов Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет,
Сидоренко Данил Дмитриевич, инженер, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
CONTROL SYSTEM FOR SURFACE UNMANNED PLATFORMS A.S. Maystro, A.S. Glukhanov, D.D. Sidorenko
The article presents our own architecture for the control system of a robotic complex with an unmanned boat, taking into account the functions necessary for remote and automatic operation in accordance with the provisions for the classification of marine autonomous and remotely controlled surface vessels. The results of full-scale experiments on the control of an unmanned boat under the conditions of standard route tasks are presented.
Key words: unmanned boat, surface unmanned platform, control system, software, data transmission protocols.
Maystro Alexey Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University,
Glukhanov Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, promol 9_78@mail. ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering,
Sidorenko Danil Dmitrievich, engineer, mandryk.av@spbstu. ru, Russia, St. Petersburg, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University
УДК 629.78
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-537-538
МЕТОДИКА ОЦЕНИВАНИЯ ЗАТРАТ НА ПОДДЕРЖАНИЕ ЗАДАННОГО УРОВНЯ ТЕХНИЧЕСКОГО
СОСТОЯНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Р.И. Горяинов, И.В. Левко, М.С. Жарких
Рассмотрены актуальные вопросы оценивания затрат организации на поддержание заданного уровня технического состояния автоматизированных систем специального назначения (АССН). В основу оценивания положена разработанная авторами методика оценивания затрат организации на поддержание заданного уровня технического состояния автоматизированных систем обработки данных. При создании АССН на основе современных инфокоммуникационных систем, являющихся результатом конвергенции телекоммуникационных сетей и информационных систем, возникает ряд трудностей, среди которых важнейшей является оценивания затрат организации на поддержание заданного уровня технического состояния АССН в реальном масштабе времени.
Ключевые слова: технологическое состоние, автоматизация, инфокоммуникационные системы.
В настоящее время опубликован ряд статей, посвященных вопросам оценивания затрат организации на поддержание заданного уровня технического состояния автоматизированных систем [1...3]. Однако вопросы построения методик оценивания затрат организации на поддержание заданного уровня технического состояния автоматизированных систем специального назначения (АССН) рассматривались недостаточно полно.
Автоматизированные системы специального назначения - это совокупность функционально связанных органов управления, пунктов управления, систем, комплексов, средств автоматизации и связи, а также специальных систем, обеспечивающих сбор, обработку и передачу информации. Каждая из указанных составных частей (подсистем) АССН может иметь свою обособленную цель функционирования, которая связана с целью функционирования подсистемы более высокого уровня и с общей целью функционирования всей системы в целом.
При этом, стоимостные значения затрат организации на поддержание заданного уровня технического состояния АССН напрямую зависят от значений текущего уровня их технического состояния, задаваемых, как правило, директивно руководством организации, исходя из соображения обеспечения информационной безопасности, оперативности обработки информации и текущих финансовых возможностей организации по их обеспечению.
В представляемой методике оценивания затрат на поддержание заданного уровня технического состояния АССН в качестве влияющих на систему случайных факторов и предумышленных воздействий нарушителей информационной безопасности, кроме текущей информации на входы подсистемы оценивания воздействуют случайные и преднамеренные аддитивные или мультипликативные сигналы, искажающие текущую информацию о техническом состоянии АССН.
Базовые подходы к решению задачи оценивания затрат организации на поддержание заданного уровня технического состояния. Для организации процессов оценивания затрат организации на поддержание заданного уровня технического состояния АССН предлагается создавать оперативные подсистемы, обеспечивающие получение всех необходимых для их оценивания показателей в реальном масштабе времени. К такой информации относятся данные о параметрах работы и состоянии АССН, состоянии всех ее программно-аппаратных комплексов, элементов, и протекающих в них процессов.
