CC BY
37
3. ТЕХНОЛОГ1Я ТА УСТАТКУВАННЯ Л1СОВИРОБНИЧОГО КОМПЛЕКСУ
УДК 004.9 Магктрант М.В. Комарницький; магктрант К.В. Матвшчук;
проф. В.М. Теслюк, д-р техн. наук - НУ "Лheiecbm полтехшка"
СТРУКТУРНА ТА Ф1ЗИЧНА МОДЕЛ1 ДЛЯ АВТОМАТИЗОВАНОГО ПРОЕКТУВАННЯ П1ДСИСТЕМИ В1ДДАЛЕНОГО УПРАВЛ1ННЯ МОБГЛЬНОЮ РОБОТОТЕХН1ЧНОЮ СИСТЕМОЮ
Для проектування шдсистеми вщдаленого управлiння розглянуто 0CH0BHi характеристики та призначення мiкрокомп'ютерiв, вибрано базу для проектування шдсисте-ми. Розроблено структурну схему та алгоритм роботи шдсистеми вщцаленого управлш-ня робототехнiчною системою. Побудовано модель на основi мереж Петрi, яка дае змо-гу дослiдити динамшу роботи робототехшчно! системи. Проаналiзовано цю мережу за допомогою побудови графу досяжносп. Представлено фiзичну модель реалiзацil ще! системи на базi мiкрокомп'ютера Raspberry Pi, що дало змогу перевiрити коректнiсть роботи системи.
Ключовi слова: робототехшчна система, ввддалене управлiння, Raspberry Pi, мере-жi Петрi, фiзична модель, структурна модель.
Структурна схема пщсистеми вщдаленого управл1ння. З досв^ вь домо, що Bci шдсистеми вщдаленого управлiння робототехнiчними системами передбачають використання мiкрокомп'ютерiв. Проаналiзовано TaKi види мшро-комп'ютерiв: Arduino Mega, ASIC (Application-specific integrated circuit), ПЛ1С, Raspberry Pi [1-3, 5-7].
Arduino Mega 2560 побудована на мiкроконтролерi ATmega1280. Платформа мiстить: 54 цифрових входiв/виходiв, 16 аналогових входш, 4 послвдов-них порти UART, кварцовий генератор 16 МГц, роз'ем USB, силовий роз'ем, роз'ем ICSP i кнопку перезавантаження. Arduino Mega сумкна з усша платами розширення, розробленими для платформ Duemilanove або Diecimila. Контролер мае не надто потужний процесор, однак для ще!' платформи iснуe багато плат розширення.
ASIC - штегральна схема, спецiaлiзовaнa для виршення конкретного завдання, застосовуеться в конкретному пристро!' i виконуе суворо обмежеш функцií, хaрaктернi тiльки для цього пристрою. Прикладом ASIC може бути м^осхема, розроблена виключно для управлшня мобшьним телефоном, мш-росхеми апаратного кодування/декодування aудiо- та вiдеосигнaлiв (сигнальш процесори).
ПЛ1С - це вирiб електрошки, який поеднуе в собi конструктивш особли-востi репрограмованих пристро'в та дискретно!' лопки, мае у своему склaдi ло-гiчнi блоки, яш з'еднуються мiж собою вентильною схемою та матрицею переходов. ПЛС не мають притаманно!' мiкроконтролерaм затримки у виконaннi команд, оскшьки працюють за принципами оргaнiзaцií дискретно!' лопки та мають здатнкть багатократного програмування завдяки особливiй конструкцп мaтрицi переходiв (внутрiшнiх з'еднань).
Raspberry Pi Model B 512Mb - мтатюрний одноплатний комп'ютер у форматi кредитно! картки з можливостями великого ПК. Може робити все, що BMie великий системник, але помiщаeться у 4 сiрниковi коробки. Комп'ютер по-ширюеться повнiстю зiбраним на 4-шаровш друкованiй платi розмiром як бан-кiвська картка. Для проектування тдсистеми базою виконання обрано мшро-комп'ютер Raspberry Pi. У роботi розроблено структуру тдсистеми ввддаленого управлiння, яку зображено на рис. 1.
Рис. 1. Структурна схема тдсистеми eiddrneHozo управлтня
Побудована структура включае таю елементи:
1. Ноутбук чи персональний комп'ютер з адаптером Wi-Fi.
2. Мшрокомп'ютер Raspberry Pi.
3. Блок живлення для мшрокомп'ютера. Напруга (U) становить 5 V i сила струму (I) - 1,2 А.
4. Камера для мшрокомп'ютера Raspberry Pi.
5. Карта пам'ят micro SD з об'емом не менше 4GB. Ii використано для запису образу операцшно'1 системи мшрокомп'ютера Raspdebian (карта пам'ят micro SDHC за наявност адаптера micro SD).
6. Адаптер Wi-Fi USB 2.0 WIRELESS 802.IIN. Це обов'язковий елемент на структурнш схем^ його будуть використовувати для встановлення бездро-тово1 мережi мiж Raspberry i ноутбуком.
7. Робототанк. Для тестування системи можна використати i макет взiрця. Для управлшня моторами РТС (робототехтчно! системи) використову-
ються сигнали керування логiчна "1" та логiчний "0", що ввдповщають подачi 5 V i 0V вiдповiдно.
Алгоритм роботи тдсистеми вщдаленого управлiння мобыьною ро-бототехшчною системою. Розроблена структура пiдсистеми функщонуе за алгоритмом, який мютить такi кроки:
1. Програмну реашзащя сервера помiщено в пам'ять мжрокомп'ютера i налаштовано в режим автозапуску.
2. Параметри мкрокомп'ютера налаштовано так, щоб його розглядати як Wi-Fi роутер. Тобто наперед задаеться статична адреса для Wi-Fi з'еднання.
3. Елементи 2-6, зображеш на структурнш схем^ вiдповiдним чином пiд'еднати до мжро-комп'ютера Raspberry Pi i подати живлення (шдключити елемент 3). Внаслщок чого вщбу-деться запуск мжрокомп'ютера iз SD карти пам'ятi. Також вщбудеться запуск програми сервера.
4. Включити ноутбук i встановити з'еднання з мж-рокомп'ютером.
5. Запустити.exe файл проекту кшентсько!" части-ни. Знаючи IP адресу мжрокомп'ютера, у прог-рамi клiента встановити зв'язок iз серверним сокетом, створеним шд час старту мжро-комп'ютера.
6. Натиснути кнопку для руху i цим самим вщю-лати серверу команду для перемщення робота (наприклад натиснута клавiша вверх - вщси-лання команди "forward").
7. Оброблення прийнято!" команди сервером i вщ-силання лопчно!" одинищ на вiдповiдний порт GPIO.
Блок-схему розробленого алгоритму зоб-ражено на рис. 2.
Розроблення модел1 на основ1 мереж Петр1. Для того, щоб мати змогу оцiнити динамшу роботи мобшьно!' РТС, розроблено модель на основi мереж Петрi, яку представлено на рис. 3.
Представлення системи у виглядi мережi Петрi та подальшого аналiзу цiеí мережi полягае в отриманнi важливо! шформацп про структуру i динамiчну поведшку модельовано!' системи. Цю iнформацiю можна використовувати для ощнювання модельовано! системи i вироблення пропозицiй щодо и вдоскона-лення. Аналiзуючи розроблену модель, можна побудувати граф досяжностi (рис. 4).
У складних мережах граф може мютити надзвичайно велику кшьшсть вершин i дуг. Проте тд час побудови графу можна не вщображати всi вершини, ос-к1льки багато з них е дублями (вщ маркування Mk завжди породжуеться один i той самий пiдграф не залежно вiд того, з якого стану система прийшла в стан Mk).
Побудова ф1зично"1 модел1 п1дсистеми в1ддаленого управл1ння. Приклад розроблено! фiзичноí' моделi зображено на рис. 5.
^ Початок ^
I
Запуск Raspberry Pi, включения ноутбука
Запуск серверно! частини на Raspberry
Запуск кшентсько! програми i встановлення wi-fi з'еднання
ЕИдсилання команди юпентом i отримання сервером
^ Кшець
Рис. 2. Блок-схема алгоритму роботи тдсистеми
Рис. 5. Машинка-робот: фiзична модель
Побудована фiзичнa модель включае тaкi основнi складовг
1. Електричнi мотори для управлшня рухом машинки (4 мотори: кожен вщпо-вiдаe за напрямок руху).
2. Портативне живлення для Raspberry Pi. На рис. 5 й' розмiщено пiд самим Raspberry Pi.
3. Сам мшрокомп'ютер i3 всiма необхiдними елементами.
4. Живлення для мотс^в - акумуляторна батарея, яка розмщуеться на днi машинки.
Фiзичнa модель вiдрiзняеться вiд попередшх тим, що база робототехшч-но!' системи мiстить власне живлення для моторш, до бази приеднуеться невеликими провщниками мiкрокомп'ютер Raspberry Pi, який мае власне живлення, що дае змогу системi працювати довший промiжок часу без дозарядки. Розроб-лений макет роботехнiчноí системи дае змогу перевiрити прaвильнiсть та ко-ректнiсть розроблених моделей.
Висновки. Розроблена структура шдсистеми й алгоритм роботи дають змогу правильно й ефективно створювати програмне забезпечення для шдсистеми ввдаленого упрaвлiння.
Розроблена модель на основi мереж Петрi дае змогу дослщити динaмiку роботи шдсистеми, а фiзичну модель пiдсистеми вщдаленого упрaвлiння вико-ристано в склaдi макету РТС, що пiдтверджуе правильнкть проектних рiшень.
Лiтература
1. Brooks R. A robust system layered control system for a mobile robot / R. Brooks // IEEE Trans. on robotics and automation. 1986. RA-2. - Pp. 14-23.
2. Баранов Д.Н. Интеллектуальное управление робототехническими системами на основе следящей системы технического зрения и нечёткой логики / Д.Н. Баранов, Ю.В. Подураев // Экстремальная робототехника : труды 19-ой Всеросс. науч.-техн. конф. - СПб., 2008.
3. Брускин Д.Э. Электрические машины и микромашины : учебник [для электротехн. спец. ВУЗов] / Д.Э. Брускин, А.Е. Зорохович, В.С. Хвостов. - Изд. 3-е, [перераб. и доп.]. - М. : Изд-во "Высш. шк.", 1990. - 528 с.
4. Хахаев И.А. Практикум по алгоритмизации и программированию на Python / И.А. Хахаев. - М. : Изд-во "Наука", 2011. - 364 с.
5. Simon Monk, Adafruit's Raspberry Pi Lesson 4. GPIO Setup, 2014.
6. Arduino Mega. [Electronic resource]. - Mode of access http://arduino.cc/en/Main/ ArduinoBoardMega2560
7. Грицик В.В. Методологш системного проектування нейрокомп'ютерних засобiв мобшьних робототехшчних систем / В.В. Грицик, 1.Г. Цмоць, В.М. Теслюк // Доповщ НАН Украши : зб. наук. праць. - 2013. - № 1. - С. 30-36.
8. Березький О.М. Прогнозування руху мобшьно! робототехшчно! системи / О.М. Березь-кий, 1.Г. Цмоць, В.М. Теслюк, I.C. Ваврук // Моделювання та шформацшш технологи : зб. наук. праць; вщп. ред. В.Ф. Свдоюмов. - Л^в : Вид-во ПП "Сист. технол. шформ. послуги". - 2012. -Вип. 65. - С. 174-178.
9. Теслюк В.М. Структура та реалiзацiя колюною робототехнiчною системою / В.М. Теслюк, I.C. Ваврук, 1.Г. Цмоць, Р.О. Ткаченко // 1нтелектуальш системи прийняття ршень та проблеми обчислювального iнтелекту ISDMCI'2013 : матер. Мiжнар. наук. конф. - Херсон : Вид-во ХНТУ, 2013. - С. 302-303.
10. Tsmots Ivan. Hardware and Software tools for motion control of mobile robotic system / Ivan Tsmots, Vasyl Teslyuk, Iryna Vavruk // Досвщ розробки i застосування САПР в мiкроелектронiдi : матер. 30-о! Мiжнар. конф. CADSM 2013, 19-23 лютого 2013, Поляна, Укра!на / НУ "Львгв. полiтехнiка". - Львгв : Вид-во "Вежа i Ко", 2013. - С. 368-372.
11. Pavlo Denysyuk, Kateryna Matviichuk, Marta Duda, Taras Teslyuk, Yaroslav Kobyliuk. Technical Support For Mobile Robot System RoboCAD // Досвщ розробки i застосування САПР в
мжроелектроншд : матер. 13-о! М1жнар. конф. CADSM 2013, 19-23 лютого 2013, Поляна, Украша / НУ "Львш. полиехшка". - Львгв : Вид-во "Вежа i Ко", 2013. - С. 431-432.
Комарницкий М.В., Матвийчук Э.В., Теслюк В.Н. Структурная и физическая модели для автоматизированного проектирования подсистемы отдаленного управления мобильной робототехнической системой
Для проектирования подсистемы удаленного управления рассмотрены основные характеристики и области применения микрокомпьютеров, выбрана база для проектирования подсистемы. Разработана структурная схема и алгоритм работы подсистемы удаленного управления робототехнической системой. Построена модель на основе сетей Петри, которая позволяет исследовать динамику работы робототехнической системы. Проведен анализ данной сети с помощью построения графа достижимости. Представлена физическая модель реализации данной системы на базе микрокомпьютера Raspberry Pi, что позволило проверить корректность работы системы.
Ключевые слова: робототехническая система, удаленное управление, Raspberry Pi, сети Петри, физическая модель, структурная модель.
Komarnytskiy M. V., Matviichuk K. V., Teslyuk V.M. Structural and Physical Models for Automated Design Subsystem Remote Control of Mobile Robots Technical System
For remote control subsystem design the basic characteristics and purpose microcomputers are studied, the basis for designing subsystem is selected. A structural diagram and the algorithm of the subsystem remote control robotic system are designed. A model based on Petri nets, which allows exploring the dynamics of the robotic system, is constructed. The network is analysed by constructing the reachability graph. Physical realization of this model system based on Raspberry Pi microcomputer, allowing to check the correctness of the system, is presented.
Key words: robotic systems, remote controls, Raspberry Pi, Petri nets, physical model, structural model.
УДК 674.047 Acnip. А.М. Комбаров1 - НЛТУ Украти, м. Львiв
МЕТОДИКА ДОСЛ1ДЖЕННЯ ДИНАМ1КИ ЗМ1НИ ТЕМПЕРАТУРИ ДЕРЕВИНИ П1Д ЧАС НАГР1ВАННЯ
Подано характеристику рiзним способам на^вання деревини (конвективного, кондуктивного, радiадiйного та електричного) з огляду енерговитрат. Наведено обгрун-тування вибору породи деревини для експериментальних дослщжень процесу нагргван-ня. Конвективне на^вання характеризуемся змшним температурним полем у деревиш i описуеться диференцшним ргвнянням тепропровщносп Фур'е. Для складання методики дослщження процесу нагргвання потрiбно експериментальним або розрахунковим шляхом визначити вс величини, що е в розв'язку (у критерiальнiй форм^ рiвняння Фур'е. Для опису динамжи змши температури деревини в процес на^вання виведено математичну модель, що достатньо точно апроксимуе результати експериментальних дослщжень.
Ключовi слова: деревина, названия, теплопровщшсть, температуропровщшсть, волопсть, густина, питома теплоемшсть, математична модель, динамша змши темпера-тури.
Найбiльш поширеним, хоча i не найiнтенсивнiшим способом нагрiвання деревини е конвективний. Радiацiйний споаб можна використати для тонких
1 Наук. кергвник: проф. П.В. Бшей, д-р техн. наук
