Управление движением мехатронных систем на основе Internet -технологий

Задачи дистанционного мониторинга экспериментов и контроля управления техническими системами с помощью Internet могут быть выполнены с минимальными затратами практически в любой точке мира за счет доступности глобальной сети. Дистанционное управление МУ с помощью Internet’а подразумевает не только сбор данных при помощи информационно-измерительной аппаратуры, но и подачу управляющих воздействий на использованные органы.

Преимущества исполнительных Internet-технологий:

Ø возможность организации дистанционного управления реальными объектами и экспериментами практически из любой точки мира;

Ø снижение затрат на специализированные каналы связи;

Ø возможность организации доступа специалистов-экспертов широкого круга, территориально удален друг от друга, к уникальному оборудованию в режим On-line.

Перспективными областями применения Internet-технологий являются:

Ø дистанционное управление в условиях агрессивных сред (мобильные работы);

Ø астрономия (создание роботизированных автономных телескопов;

Ø дистанционное образование (создание виртуальных лабораторий удаленного доступа);

Ø удаленное управление роботизированными ячейками и системами;

Ø индустрия развлечений (виртуальные визиты в музей, соревнования, концерты с управлением Internet-роботом и т.д.);

Ø проведение уникальных медицинских операций под наблюдением и управление удаленных специалистов.

Во всех случаях при использовании Internet для целей дистанционного управления возникает целый ряд научно-технических проблем. В частности, это оптимизация взаимодействия Web-сервера и системы управления роботом, необходимость передачи больших объемов данных, нестабильность удаленного соединения с оператором.

При использовании Internet-сети для канала связи необходимо учитывать следующие факторы:

Ø ограничения по пропускной сети;

Ø временные задержки, диапазон которых не предусмотрен и зависит от качества удаленного соединения и от загрузки сети;

Ø возможность потери пакетов передаваемых данных из-за переполнения буферов промежуточных серверов.

Поэтому для управления удаленным объектом с помощью Internet необходимо сформировать и тестировать сегмент Internet и оптимизировать содержание промежуточных серверов. На основании изучения пропускной способности сети определяется верхний предел полосы передаваемого сигнала.

Робототехническая система при управлении Internet должна удовлетворять ряду требований:

Ø система не должна быть повреждена или приведена в неисправное состояние в результате временных задержек;

Ø влияние изменения загруженности сети на работу оператора и качество его взаимодействия с системой должно быть сведено к минимуму;

Ø при инспекции объектов частота передаваемых системой изображений телекамерой должна быть максимальной;

Ø Web-сервер должен иметь «дружелюбный» человекомашинный интерфейс.

Управляемые МС должны обладать высокой степенью интеллектуальности позволяющей:

Ø самонастройку системы на параметры Internet-сети ( средняя скорость передачи данных, вероятность потери данных и т.д.);

Ø прогноз возникновения критических ситуаций и отсутствие адекватной реакции оператора из-за потери связи;

Ø автоматическое отклонение или переход в режим ожидания при потере связи.

Для уменьшения влияния загруженности сети на работу оператора необходимо оптимизировать объем передаваемой по сети информации. Преобразователь информации МС выполняет функцию преобразования унифицированных команд верхнего уровня управления из человекомашинного интерфейса системы в команды для технического уровня управления. Информационная система мобильного робота собирает и обрабатывает данные с датчиков о пройденном пути, состоянии пути, скорости, ускорении, наличии и величине препятствий. Эта информация позволяет отобразить на мониторе оператора модель робота.

Бортовая система управления МС автоматическая остановка движения должна обладать высокой интеллектуальностью на тактическом уровне. В ее задачи входит:

Ø формирование команд для исполнительных приводов робота;

Ø корректировка команд с учетом текущих параметров Internet соединения и прогноза возникновения критических ситуаций;

Ø автоматическая остановка движения и переход в режим ожидания при потере управляющих команд из центра.

Плата захвата изображения необходима для ввода изображения с видеокамеры в бортовой компьютер и при наличии нескольких камер синхронизации их работы.

Интерфейс управления движением позволяет оператору подавать унифицированные команды верхнего уровня нажатием кнопки на мониторе таких как: начало движения, остановку, поворот, изменение скорости. В случае дистанционного управления роботом по сети Internet могут возникнуть технические противоречия. С одной стороны для адаптивного управления роботом оператор должен иметь как можно больший объем информации, а с другой стороны это может вызвать временные задержки и оператор может не успеть подать команды на изменение состояния робота.

Методика взаимодействия робота и оператора предполагает:

Ø унификацию команд верхнего уровня;

Ø максимально возможное упрощение ввода управляющих воздействий оператора;

Ø унификацию команд в виде относительного и абсолютного приращения к текущему значению параметра;

Ø отображение параметров системы на мониторе оператора с обязательным подтверждением принятия команд к исполнению и наличием индикатора опасных ситуаций.

Для уменьшения загрузки канала связи управления роботом используют специальные интерфейсы, например, CGI-интерфейсы. Алгоритм работы системы с использованием CGI-интерфейса содержит следующие этапы:

Ø клиент устанавливает соединение с Web-сервером через стандартный браузер (например, Microsoft Internet Explorer);

Ø браузер клиента передает серверу HTTP-запрос;

Ø Web-сервер анализирует зарос по расширению и выясняет, что это запрос не статической страницы, а запрос к CGI-скрипту;

Ø при обнаружении сказанного в запросе CGI-приложения и наличии прав на запуск Web-сервера запускает приложение;

Ø CGI-скрипт выполняет необходимые действия и в результате взаимодействия с приложением формирует ответные данные, выводит их в стандартный поток ввода-вывода, Web-сервер передает эти данные клиенту. Причем CGI-скрипт может передавать не только HTML-данные, но и бинарные данные, таким образом полностью формируется HTTP-ответ.

Ø Web-сервер разрывает соединение, завершая обмен.

Из анализа эффективности различных языков программирования при разработке CGI-приложений в качестве основной среды разработки был выбран язык графического программирования LabVIEW^TM (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) – рабочее место проектирования лабораторных виртуальных приборов.

LabVIEW – это мощный, полнофункциональный язык программирования, работающий на платформах PC под управлением Microsoft Windows и других модификаций компьютеров. Он отличается от традиционных языков программирования и обладает графической программной средой и инструментарием, необходимым для сбора данных, анализа и представления результатов. С помощью LabVIEW – графического языка, именуемого часто «G», можно создавать программы в виде блок-диаграмм, с помощью которых можно адекватно воспринимать «текст» программы, облегчает ее отладку, модернизацию, поиск и корректировку ошибок. После написания программы в виде блок-программы LabVIEW преобразует ее в машинный код.

LabVIEW объединяет сбор, анализ и представление информации в один комплекс («сквозная» технология программирования). В состав пакета входит инструментальная библиотека с драйверами для сотен приборов, что значительно упрощает управление приборами, а также обширная библиотека для анализа данных, генерации сигналов, их обработки, фильтрации, статистической оценки, линейной алгебры и операций с массивами.

Достоинством LabVIEW является то, что в него можно встраивать в блок диаграмм внешние подпрограммы пользователя, написанные на текстовых языках программирования (Cu, C++, Pascal, Visual Basic), что обеспечивает преемственность программ обеспечения. К достоинствам LabVIEW относятся следующие преимущества:

Ø возможность разработки CGI-приложений, что обеспечивает интеграцию программ, обеспечение Web-сервера с управляющей программой робота;

Ø поддержка операционной системы работы LabVIEW и бортового контроллера, работа с помощью операционной системы Microsoft Windows в жестком реальном времени;

Ø наличие в дополнительной библиотеке встроенного G Web-сервера – базисного компонента, позволяющего разрабатывать Internet-приложения.

Программы на языке G – виртуальные приборы и оператор может управлять роботом с помощью панели этого виртуального прибора.

[1] НПМ – нетрадиционные производственные машины

[2] УКУ – устройство компьютерного управления

[3] ИМ – исполнительный механизм

[4] МПК – машины с параллельной кинематикой

[5] ИМС – интеллектуальные мехатронные системы

[6] ИММ – интегрированные мехатронные модули.

[7] МЭМС – микроэлектромеханические системы

[8] ЦСУ – цифровые системы управления

[9] ЦПУ – центральное процессорное устройство

[10] КД – контроллеры движения

[11] ВМД – вентильные высокомоментные двигатели.

[12] ИСП – интеллектуальные силовые преобразователи.

[13] ЧПУ – числовое программное управление.