CC BY
151
УДК 666.1.013
А. А. Большаков, Д. Ю. Петров, В. В. Лобанов, А. А. Канунников
СОЗДАНИЕ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ МОБИЛЬНОГО РОБОТА
Введение
Построение эффективных средств в области мехатроники и робототехники неразрывно связано с созданием соответствующих инструментальных сред для испытания навигационных систем, мобильных роботов (МР). Создание испытательных стендов различного назначения, разработка методик оценки надежности, контроля и диагностики МР в целом и входящих в его состав подсистем являются актуальной научно-технической задачей.
Эффективное выполнение функций МР возможно на основе интегрированного применения технологий управления его эксплуатацией и обслуживанием. Эти технологии можно разделить на три группы:
1. Система автоматического построения тестов сложного программного обеспечения (ПО).
2. Система автоматизированного тестирования и диагностики МР.
3. Разработка системы математической обработки информации об испытаниях.
1. Система автоматизированного построения тестов сложного программного обеспечения
Проектная оценка надежности МР выполнена по методике, основанной на применении новой информационной технологии автоматизированного структурно-логического моделирования систем, которая реализована в программном комплексе (ПК) «АРБИТР» [1].
Надежность и безопасность современных организационных и технических систем являются важной составляющей их качества и необходимым условием обеспечения надежности и безопасности производственных объектов. Главная цель анализа надежности и безопасности -своевременное получение достоверной информации о свойствах надежности и безопасности систем, необходимой для выработки, обоснования и реализации эффективных проектных и эксплуатационных решений.
Программный комплекс «АРБИТР» позволяет на основе схем функциональной целостности (описание «правильного» функционирования объекта) автоматически строить деревья отказов, которые являются основой для построения систем технической диагностики сложных объектов управления.
При создании встраиваемых систем с самых ранних этапов жизненного цикла необходимо учитывать требования специальных стандартов: ГОСТ Р 51904-2002, IEC 61508 и IEC 61511. Стандарт ГОСТ Р 51904-2002 «Программное обеспечение встроенных систем: общие требования к разработке и документированию» является аналогом стандарта DO-178B.
Создатели инструментов тестирования обычно сталкиваются со следующими проблемами:
— отсутствие или нечеткость определения критериев тестового покрытия, отсутствие прямой связи с функциональными требованиями;
— отсутствие поддержки повторного использования тестов;
— отсутствие автоматической генерации собственно теста (это касается как входных воздействий, так и эталонных результатов или автоматических анализаторов корректности реализации).
Рассмотрим принципиальные преимущества перед традиционными средствами у новых инструментов тестирования, которые для генерации теста используют модель или формальную спецификацию целевой системы.
Инструментальное средство IBM Rational/Telelogic Rhapsody ATG - автоматический генератор тестов Rhapsody (ATG) - является основанным на UML модельно-ориентированным решением тестирования для системных инженеров и разработчиков ПО. Rhapsody ATG позволяет пользователям определять и тестировать индивидуальные компоненты для определенных целей процесса разработки, таких как учет состояния и степени выполнения этапов работ (State and Transition coverage), учет MC/DC или изоляция определенного класса из всего проекта.
National Instruments (NI) TestStand - это ПО для управления тестами. Оно позволяет быстро разрабатывать и проводить тесты электронных узлов самолетов и вертолетов. NI TestStand
позволяет объединить подпрограммы тестирования, написанные в любом языке программирования, включая графический код LabVIEW и текстовые процедуры, написанные в C/C++. Ее отличительными характеристиками являются следующие:
— графическая среда работы с тестами;
— интерфейсы для вызова тестовых процедур, написанных в разных языках программирования;
— параллельное исполнение тестовых последовательностей для увеличения пропускной способности;
— генерация отчетов в форматах ASCII, HTML/Web, XML, ATML;
— интеграция с Access, Oracle, SQL Server.
2. Система автоматизированного тестирования и диагностики мобильного робота
Решения, предлагаемые NI, основаны на современных компьютерных и промышленных технологиях, таких как высокоскоростные шины передачи данных PCI, PCI Express, PXI, PXI Express, USB и Ethernet, быстрые процессоры, операционные системы реального времени, надёжные платформы с ПЛИС, среды графического и текстового программирования -LabVIEW, LabWindows/CVI, Measurement Studio. Разрабатывая системы на базе технологий NI, можно получить необходимую функциональность, максимальную производительность и относительно быстрое внедрение системы [2]. Модульные технологии оборудования и ПО NI позволяют с минимальными затратами разрабатывать измерительные системы различной конфигурации и сложности:
1. Системы для проведения стендовых испытаний. Многоканальные модульные системы для измерения статических и динамических сигналов с датчиков, сохранения данных на RAID-массивы и управления стендовыми испытаниями. Многофункциональные среды разработки и готовые программы для стендовых испытаний.
2. Автоматизированные системы тестирования БРЭО. Модульные системы PXI для проведения автоматизированных тестов бортового оборудования, авионики, электронных блоков, систем связи и навигации.
3. Системы управления и имитаторы. Технологии NI для отладки и разработки систем управления, имитаторов, а также комплексного программно-аппаратного моделирования с замкнутым циклом «Система управления - объект испытаний» (рис. 1).
Объект испытаний /1 1 \ Имитатор объекта
/ Реализация имитатора объекта
Штатная система МР в LabVIEW System Identification Toolkit jS \j 1/ PXI c модулями R-серии на базе ПЛИС
Штатная САУ Х1 ^ ут Реализация отладочной САУ Отладочная САУ
Штатная (бортовая) система управления МР в LabView Control Design Toolkit CompactRIO c модулями ввода/вывода
Рис. 1. Т ехнологии NI для создания систем управления и имитаторов
3. Разработка системы статистической обработки информации об испытаниях
Использование инструментария LabVIEW для анализа и обработки информации, поступающей с МР, обусловлено простотой системы, а также возможностью её сопряжения с большим числом единиц используемого оборудования.
Можно выделить две основные фазы анализа МР:
- анализ состояния, проводимый на специальном стенде;
- анализ состояния, проводимый самим МР.
В этих случаях для эффективного анализа состояния МР и последующих управляющих воздействий необходимо сохранять полученные данные в хранилище, с возможностью их дальнейшего воспроизведения и анализа. В состав ПО LabVIEW входит подсистема работы с реляционными базами данных Database Connectivity Toolset, которая предоставляет различные механизмы (ADO, ODBC и др.) доступа к системам управления базами данных [3].
Работа LabVIEW с СУБД имеет достаточно богатый инструментарий, позволяющий получать информацию не только о данных, но и о типах, хранимых в таблицах, настройках таблиц, именах полей, возможности обработки пропущенных значений и многого другого [4].
При создании системы статистической обработки информации об испытаниях МР использованы непараметрические методы обработки случайных процессов, а в качестве программных пакетов систем обработки данных применены популярные предметно-ориентированные инструментальные средства, такие как MathCad, Matlab, Statgraphics, Statistica, NCSS, NI DIAdem.
Среда постобработки данных NI DIAdem интегрирована с разнообразным оборудованием компании NI и обеспечивает упрощение и ускорение обработки больших объёмов данных. DIAdem - интерактивное ПО NI для поиска и управления техническими данными, математического и интерактивного графического анализа данных, а также представления данных в виде отчетов. Можно настроить инструменты под задачу и автоматизировать их исполнение с помощью скриптов, что значительно сокращает время вычислений.
4. Аппаратная реализация диагностического стенда для мобильного робота
Для калибровки и диагностики датчиков и исполнительных устройств МР разработан диагностический стенд (рис. 2).
14
13
12
Рис. 2. Диагностический стенд для МР:
1 - диагностическое оборудование NI S/B RIO 9631; 2 - движитель с энкодером; 3 - система распределённого ввода/вывода Fastwel I/O; 4 - система управления МР CPB905; 5 - навигационный модуль «Геос-1»; 6 - система управления AS-SAM9; 7 - источники питания 12 В, 5 В;
8 - сервоусилитель MOVISERVO; 9 - датчик температуры ДТС3105-РТ100.В2.70; 10 - датчик линии; 11 - группа реле РЭК 78/4; 12 - ультразвуковой датчик; 13 - инфракрасный барьер; 14 - гироскоп
Стенд позволяет отключить датчики и подключать диагностическое оборудование на базе N1 8/Б Ы09631 к системе управления МР. Это позволяет, в свою очередь, создать управляемую виртуальную внешнюю среду для наладки и тестирования системы управления МР.
Схемы подключения основных компонентов стенда показаны на рис. 3. Стенд состоит из трёх основных подсистем: системы управления МР, датчиков и исполнительных устройств и диагностической системы на базе 8/Б М09631.
На рис. 3 приведены три схемы работы диагностического стенда:
а) соединения системы управления МР с датчиками и исполнительными устройствами (штатный режим работы);
б) соединение диагностического оборудования с датчиками и исполнительными устройствами (режим калибровки и поверки);
в) соединение системы управления МР с диагностическим оборудованием (режим управляемой виртуальной внешней среды).
Рис. 3. Схемы подключения подсистем диагностического стенда
Для тестирования системы ввода/вывода Fastwel I/O используется SDK, разработанный компанией Fastwel (г. Москва) для операционной системы QNX6.
Программное обеспечение LabVIEW представляет собой достаточно гибкий и модульный инструмент для того, чтобы производить точные измерения, начиная от сбора данных и до вывода результата. National Instruments предоставляет возможность расширять возможности LabVIEW на основе набора утилит, которые разработаны для того, чтобы упростить снятие показаний с датчиков различных устройств, а также формирование сигналов для исполнительных устройств.
Для диагностики и поверки работы системы управления МР, а также датчиков было разработано ПО, позволяющее анализировать сигналы, которые поступают на вход системы диагностики от датчиков и системы управления МР. Интерфейс этой программы представлен на рис. 4. Сигналы от датчиков поступают на аналоговые и дискретные входы, состояние которых отображается на индикаторах зелёным цветом. При записи значений в поля регуляторов ModB/A0, ModB/A1, ModB/A2, ModB/A3 на соответствующих аналоговых выходах A0, A1, A2, A3 формируются выходные сигналы, амплитуда которых равна значению соответствующих полей регуляторов.
Рис. 4. Интерфейс программы диагностической системы и программа LabVIEW
Программа позволяет пользователю с наименьшими потерями времени снять показания с датчиков и системы управления МР.
Заключение
Разработана система автоматизированного тестирования и диагностики (САТД) мобильных роботов. Она основывается на микроконтроллерных системах, использует различные средства их диагностирования: программные, на основе сигнатурных анализаторов, программноаппаратные и соответствующие процедуры их проведения. Кроме этого, предложены методы диагностики видеокамеры в процессе эксплуатации, а также диагностики энергообеспечения мобильного робота. Для создания систем технической диагностики использована технология National Instruments.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СПИК СЗМА [Электронный ресурс]: Программный комплекс «АРБИТР» - Режим доступа: http: //www. szma. com.
2. Васильев А. Е. Микроконтроллеры. Разработка встраиваемых приложений. - СПб.: БХВ-Петербург, 2008. - 304 с.
3. Технологии для авиации и ракетно-космической техники [Электронный ресурс]: National Instruments -Режим доступа: http://digital.ni.com/worldwide/russia.nsf.
4. Большаков А. А., Каримов Р. Н. Методы обработки многомерных данных и временных рядов. -М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 522 с.
Статья поступила в редакцию 14.12.2010
CREATION OF TECHNICAL DIAGNOSTICS SYSTEM OF A MOBILE ROBOT
A. A. Bolshakov, D. Yu. Petrov, V. V. Lobanov, A. A. Kanunnikov
The diagnostics system of a mobile robot on the basis of the application of modern equipment rooms and software is developed; the diagnostic laboratory stand is created for a mobile robot.
Key words: diagnostics, testing, stand, mobile robot.
