Научная статья на тему 'СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ НА БАЗЕ МОБИЛЬНОГО РОБОТА С ЛОКАЛЬНЫМИ КОНТУРАМИ УПРАВЛЕНИЯ'

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ НА БАЗЕ МОБИЛЬНОГО РОБОТА С ЛОКАЛЬНЫМИ КОНТУРАМИ УПРАВЛЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
187
36
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ / МОБИЛЬНЫЙ РОБОТ / РОБОТОТЕХНИЧЕСКИМ КОМПЛЕКС / ЛОКАЛЬНЫЙ КОНТУР УПРАВЛЕНИЯ / CONTROL SYSTEM / MOBILE ROBOT / ROBOTIC COMPLEX / LOCAL CONTROL LOOP

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Лариошкин Иван Николаевич, Акименко Татьяна Алексеевна

Приведена функциональная схема робототехническим комплексом на базе мобильного робота с локальными контурами управления. Рассмотрены уровни иерархии системы управления робототехническим комплексом, а также схема реализации локальных аналоговых контуров управления.

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

CONTROL SYSTEM FOR A ROBOTIC COMPLEX BASED ON A MOBILE ROBOT WITH LOCAL CONTROL LOOPS

This article provides and describes a functional diagram of a robotic complex based on a mobile robot with local control loops. The hierarchy levels of the robotic complex control system are given. The scheme of implementation of local analog control loops is given.

Текст научной работы на тему «СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ НА БАЗЕ МОБИЛЬНОГО РОБОТА С ЛОКАЛЬНЫМИ КОНТУРАМИ УПРАВЛЕНИЯ»

УДК 621.83

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ НА БАЗЕ МОБИЛЬНОГО РОБОТА С ЛОКАЛЬНЫМИ КОНТУРАМИ УПРАВЛЕНИЯ

И.Н. Лариошкин, Т. А. Акименко

Приведена функциональная схема робототехническим комплексом на базе мобильного робота с локальными контурами управления. Рассмотрены уровни иерархии системы управления робототехническим комплексом, а также схема реализации локальных аналоговых контуров управления.

Ключевые слова: система управления, мобильный робот, робототехническим комплекс, локальный контур управления.

Функциональная схема управления робототехническим комплексом на базе мобильного робота с локальными контурами управления представлена на рис. 1.

Робототехнический комплекс включает в себя пункт управления и мобильный робот (МР).

В пункте управления располагается ЭВМ-оператор, обеспечивающий ввод команд управления и получение информации о состоянии робота и окружающей среды. Введенные команды передаются через аппаратуру передачи данных на мобильный робот.

Мобильный робот (МР) включает:

полукомплект аппаратуры передачи данных, необходимый для связи МР с пунктом управления;

бортовую ЭВМ, осуществляющую управление бортовым оборудованием, предварительную обработку поступающих данных и связь через бортовой полукомплект аппаратуры передачи данных с центральным пунктом управления;

систему перемещения в пространстве, в состав которой входят приводы и движители;

целевое оборудование, в состав каждой единицы оборудования входят привод, исполнительный механизм, сенсоры для осуществления обратной связи и контроля состояния исполнительных механизмов и окружающей среды;

видеосенсор, в состав которого входит привод поворотного механизма, обеспечивающий заданную пространственную ориентацию линии визирования по углам курса и места, и средство наблюдения (телевизионного или тепловизионного типа), жестко зафиксированное на поворотном механизме;

бортовая ЭВМ, обеспечивающая обработку поступающих данных и связь через бортовой полукомплект аппаратуры передачи данных с центральным пунктом управления.

Энергетическая установка, обеспечивающая энергией все активные узлы и блоки бортового оборудования.

260

Рис. 1. Функциональная схемаробототехнического комплекса на базе мобильного робота с локальными контурами управления

Оператор МР во взаимодействии с ЭВМ генерирует серию команд, обеспечивающих функционирование робота. При этом связь с центральным пультом осуществляется по кабелю или по радиосвязи. Оператор, в зависимости от решаемой тактической задачи, текущего состояния МР, вводит в ЭВМ, на пункте управления, очередную команду. Введенная команда кодируется с помощью ЭВМ и передается через систему связи.

Принятое сообщение поступает на бортовую ЭВМ и декодируется. При необходимости передача/прием команды производится повторно для повышения надежности управления роботом. В соответствии с поступившей командой бортовая ЭВМ по заданному алгоритму выбирает узел, блок или механизм, который является текущим объектом управления, необходимым для обеспечения решения поставленной задачи. Для текущего объ-

261

екта управления определяется его текущее состояние и выбирается команда, которая переводит заданный узел в следующее состояние. Команда кодируется, и код через контроллер вводится в исполнительный блок и/или механизм. Исполнение команды контролируется сенсором, данные с которого через интерфейс вводятся в ЭВМ, кодируются и через систему связи передаются на пункт управления. На пункте управления данные, поступившие с роботизированной платформы, декодируются, формируется сообщение оператору и через интерфейс отображаются на экране монитора. Таким образом, замыкается обратная связь, контролирующая исполнение очередной команды.

В качестве контура передачи изображений с видеосенсора используется камера, работающая в видимом или в инфракрасном спектре.

Подобный принцип управления предполагает разделение системы управления на иерархические уровни, на каждом из которых решается свой определенный круг задач.

Таблица 1

Уровни иерархии системы управления МР_

Уровень иерархии Решаемые задачи

Стратегический 1. Формирование модели поведения МР. 2. Контроль общего состояния МР, его ориентации в пространстве, а также окружающей обстановки. 3. Генерация совокупности /последовательности команд для реализации модели поведения с учетом текущего состояния МР и окружающей среды. 4. Контроль за исполнением команд, внесение корректив в модель поведения

Тактический 1. Получение команд со стратегического уровня. 2. Генерация генетического алгоритма реализации команд с разделением их на команды тактического уровня, реализуемые узлами и блоками, расположенными на борту МР. 3. Согласование и синхронизация функционирования бортового оборудования. 4. Сбор информации от сенсоров о состоянии бортового оборудования, окружающей среды и пространственной ориентации МР и подготовка сообщений, передаваемых по каналу связи человеку-оператору.

Функционально-логический 1. Реализация алгоритмов управления узлами и агрегатами с замыканием обратных связей. 2. Реализация алгоритмов сжатия/распаковки данных для передачи информации о состоянии на пункт управления и получения команд с пункта управления. 3. Контроль энергетической установки.

Таким образом, на верхнем, стратегическом уровне, иерархии МР получает самую общую внешнюю команду от оператора. В соответствии с ней генерируется последовательность решаемых задач. При этом осуществляется контроль исполнения команды и могут быть внесены коррективы в составе и последовательности задач в соответствии с обстановкой.

На следующем, тактическом уровне, бортовая ЭВМ МР получает команды на решение задач. Определяется генетический алгоритм, соответствующий данной команде. Алгоритм модифицируется

262

в соответствии с текущей обстановкой и состояниями узлов и агрегатов МР и передается в систему управления узлами и агрегатами для ее реализации.

На функционально-логическом уровне происходит реализация алгоритмов управления узлами и агрегатами. При этом замыкаются обратные связи, осуществляется синхронизация работы бортового оборудования по времени, энергетике и другим ресурсам, осуществляется обработка данных с сенсоров и т.п.

Система управления включает ряд локальных контуров, каждый из которых состоит из контроллера, привода, исполнительной (механической) части и сенсора. Вход привода и выход сенсора, включенного в локальный контур, подключены контроллеру.

Таким образом, внутренняя шина МР частично разгружается за счет того, что пара контроллеров, осуществляющих соответственно ввод данных от сенсора и вывод управляющего воздействия данных на привод заменяется одним контроллером, осуществляющим ввод/вывод данных. Кроме того, частично разгружается процессор бортовой ЭВМ за счет того, что величина управляющего воздействия рассчитывается непосредственно для данного контура управления, минуя центральную ЭВМ.

Сжатие данных также осуществляется с помощью микроконтроллера. При этом в микроконтроллер поступает информация как от сенсоров контроля окружающий обстановки, так и от видеосенсоров. Сжатые данные через шину передаются на бортовую ЭВМ, и затем через аппаратуру передачи данных - на пункт управления человеку-оператору.

Схема реализации локальных аналоговых контуров управления приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема локального аналогового контура управления

263

Таким образом, с одной стороны, осуществляется управление состоянием механизма без бортовой управляющей ЭВМ, а с другой стороны, осуществляется информационный обмен между контуром управления и бортовым компьютером, что необходимо для определения текущего состояния МР.

Рациональное разделение системы управления на иерархические уровни, выбор способа реализации управления на нижнем, функционально-логическом и тактическом уровнях является инженерной задачей, к настоящему времени нерешенной. Методология создания надежных иерархически, разделенных систем управления должна опираться на фундаментальный математический аппарат, отражающий физические явления и процессы, протекающие в системах управления МП и в самом мобильном роботе как объекте управления.

Список литературы

1. Бобырь М.В. Адаптация системы управления мобильным роботом на основе нечеткой логики // Мехатроника, автоматизация, управление. 2015. Т. 16. № 7. С. 449 - 455. DOI: 10.17587/mau.16.449-455.

2. Давыдов О.И., Пряничников В.Е. Управление движением мобильного робота по данным ультразвуковых сенсоров // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2015. Т. 13. № 7. С. 57 - 67.

3. Акименко Т. А., Аршакян А.А., Ларкин Е.В. Управление информационными процессами в робототехнических комплексах специального назначения. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. 150 с.

4. Карпов В.Э. К вопросу об управлении мобильным роботом в условиях общей постановки задачи // Вестник компьютерных и информационных технологий, 2008. № 1. C. 2 - 9.

5. Ларкин Е.В., Акименко Т.А., Аршакян А.А., Будков А.Н. Промышленный робот с информационной системой управления // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. Вып. 4. С. 133 - 138.

6. Хрущ А.В., Михайлов Б.Б. Управление мобильным роботом с бортовой системой объемного зрения // Механика, управление и информатика. 2012. № 8. С. 62 - 67.

7. Akimenko T.A., Larkin E.V. The Method of Successive Simplifications of the Semi-Markov Process // 2019 8th Mediterranean Conference on Embedded Computing, MECO 2019. Номер статьи 87601658th. Mediterranean Conference on Embedded Computing, MECO 2019. Budva. Montenegro. DOI: 10.1109/MEC0.2019.8760165.

8. Akimenko T.A., Larkin E.V., The temporal characteristics of a wandering along parallel Semi-Markov chains // Communications in Computer and Information Science, 2019. Vol. 1071. P. 80-894. DOI: 10.1007/978-981-32-9563-6_9.

Лариошкин Иван Николаевич, аспирант, Ivan. dragon4 7@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Акименко Татьяна Алексеевна, канд. техн. наук, доцент, tantan72@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

CONTROL SYSTEM FOR A ROBOTIC COMPLEX BASED ON A MOBILE ROBOT WITH LOCAL CONTROL LOOPS

I.N. Larioshkin, T.A. Akimenko

This article provides and describes a functional diagram of a robotic complex based on a mobile robot with local control loops. The hierarchy levels of the robotic complex control system are given. The scheme of implementation of local analog control loops is given.

Key words: control system, mobile robot, robotic complex, local control

loop.

Larioshkin Ivan Nikolaevich, postgraduate, Ivan. dragon4 7@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Akimenko Tatiana Alekseevna, candidate of technical science, docent, tantan 72@ mail. ru, Russia, Tula, Tula State University

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.