Разработка контроллера для робототехнической системы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
( Н И У
« Б е л Г У » )
ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРНЫХ И ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Кафедра «Информационных и робототехнических систем»
Разработка контроллера управления робототехнической системы
Курсовая работа
по дисциплине «Технология роботизированного производства»
обучающегося очной формы обучения
специальности 15.04.01 «Машиностроение»
1 курса группы 12002341
Лихошвай Илья Васильевич
Научный руководитель:
Ст.пр
Ларин А.И.
БЕЛГОРОД 2024
Введение ........................................................................................................................ 3
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ................................................................................. 8
Основы управления робототехническими системами ............................................. 8
Классификация роботов по применению и конструкции. ..................................... 10
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ................................................................................. 16
Анализ задания и постановка задачи ....................................................................... 16
ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМА РАБОТЫ УСТРОЙСТВА ............................................................ 16
СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВА ................................................................. 17
СИНТЕЗ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ................................................. 19
ОЦЕНКА АППАРАТНЫХ ЗАТРАТ И ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ ................................... 22
Заключение: ................................................................................................................ 24
Список использованных источников: ...................................................................... 25
2
Введение
В современном мире робототехнические системы играют всё более важную
роль в различных областях человеческой деятельности. Они находят широкое
применение в промышленности, медицине, сельском хозяйстве, логистике и даже
в повседневной жизни. Разработка контроллеров управления для таких систем
является одной из ключевых задач в области робототехники, поскольку от их
эффективности
и
надежности
зависит
успешное
функционирование
робототехнических устройств.
1. Рост значимости робототехнических систем
В
последние
годы
наблюдается
значительный
рост
применения
робототехнических систем в промышленности, что обусловлено их способностью
выполнять сложные и опасные задачи с высокой точностью и эффективностью. В
медицине роботы помогают в проведении операций и реабилитационных
мероприятий, а в сельском хозяйстве автоматизированные системы улучшают
процессы посадки, ухода за растениями и сбора урожая.
Потребность в развитии технологий управления
Современные робототехнические системы становятся всё более сложными и
требуют новых, более совершенных подходов к управлению. Сложность задач,
которые решают роботы, и условия их эксплуатации требуют разработки
инновационных
контроллеров,
способных
обеспечить
высокую
производительность и надежность работы.
2. Проблемы существующих решений
Анализ существующих контроллеров управления показывает, что многие из
них обладают ограниченной функциональностью, недостаточной гибкостью и
устойчивостью к сбоям. Это обуславливает необходимость разработки новых
решений, которые бы отвечали современным требованиям и позволяли расширять
возможности робототехнических систем.
3
3. Технологический прогресс и возможности
Развитие
микроэлектроники,
сенсорных
технологий
и
методов
искусственного интеллекта открывает новые возможности для создания более
совершенных
контроллеров
управления.
Современные
микроконтроллеры,
датчики и алгоритмы обработки данных позволяют создавать умные системы
управления, адаптирующиеся к изменениям внешней среды и обеспечивающие
высокую точность выполнения задач.
4. Социально-экономическое значение
Робототехнические системы имеют огромное социально-экономическое
значение. Они способствуют повышению производительности труда, улучшению
качества продукции, снижению издержек и повышению безопасности рабочих
процессов. В этом контексте разработка эффективных контроллеров управления
становится
важной
задачей
для
обеспечения
конкурентоспособности
и
устойчивого развития различных отраслей экономики.
5. Перспективы развития
С учетом стремительного развития технологий и роста требований к
робототехническим системам, можно ожидать, что в ближайшие годы спрос на
новые, более эффективные контроллеры управления будет только увеличиваться.
Это создаёт значительные перспективы для исследований и разработок в данной
области, а также для внедрения новых решений в практическую деятельность.
В связи с вышеизложенным, тема разработки контроллера управления
робототехнической системы является актуальной и востребованной. Проект
направлен на решение важных научно-технических задач, связанных с созданием
высокоэффективных и надежных систем управления, что способствует развитию
робототехники и её внедрению в различные сферы деятельности.
Контроллеры управления являются центральным компонентом любой
робототехнической системы, обеспечивая координацию работы всех её частей.
Они отвечают за выполнение задач, начиная от простых операций до сложных
4
многоуровневых процессов. Без эффективного контроллера робот не может
выполнять свои функции должным образом. В последние годы наблюдается
значительный рост применения робототехнических систем в различных областях,
таких как промышленность, медицина, сельское хозяйство, логистика и
повседневная жизнь. Эти системы выполняют всё более сложные задачи, что
требует точного и адаптивного управления. Контроллеры должны обеспечивать
бесперебойную работу в различных условиях, включая экстремальные, и быстро
адаптироваться к изменяющимся условиям и задачам.
Однако существующие решения имеют ряд ограничений. Многие текущие
контроллеры используют устаревшие алгоритмы и аппаратные решения, обладают
ограниченной функциональностью и не всегда могут быть настроены под
специфические требования. Кроме того, интеграция с новыми сенсорами и
исполнительными механизмами зачастую вызывает трудности. В то же время
современные технологии предоставляют новые возможности для разработки более
совершенных контроллеров. Современные микроконтроллеры обладают высокой
вычислительной мощностью и энергоэффективностью, методы машинного
обучения и нейронные сети позволяют улучшить адаптивность и точность
управления, а технологии Интернета вещей (IoT) дают возможность интеграции
роботов в IoT-системы для удаленного управления и мониторинга.
Социально-экономическая
значимость
разработки
эффективных
контроллеров управления также не вызывает сомнений. Автоматизация рутинных
и
опасных
процессов
с
помощью
роботов
способствует
повышению
производительности труда, улучшению качества продукции и услуг, снижению
издержек на производство и обслуживание. Кроме того, автоматизация позволяет
устранить человеческий фактор в опасных для жизни и здоровья процессах, что
повышает общую безопасность.
Технологические
перспективы
и
тренды
также
подчеркивают
необходимость разработки новых контроллеров. Развитие сенсорных технологий,
5
появление новых типов датчиков и методов обработки данных позволяют
создавать более чувствительные и адаптивные системы. Прогресс в области
коммуникаций, таких как 5G и IoT, обеспечивает высокоскоростную и надежную
передачу
данных,
что
открывает
новые
возможности
для
улучшения
взаимодействия между компонентами робототехнических систем. Таким образом,
разработка эффективных контроллеров управления является актуальной задачей,
способной
значительно
улучшить
функциональность
и
надежность
робототехнических систем, а также внести вклад в их широкое применение в
различных сферах человеческой деятельности.
Основная цель проекта: Разработка эффективного контроллера управления
для робототехнической системы, обеспечивающего высокую производительность,
надежность и адаптивность в различных условиях эксплуатации.
Задачи проекта:
1. Исследование
теоретических
основ
управления
робототехническими
системами
2. Изучение современных методов и алгоритмов управления.
3. Анализ математических моделей управления роботами.
4. Обзор существующих решений и их характеристик.
5. Разработка архитектуры контроллера
6. Проектирование структуры контроллера, включающей все функциональные
блоки.
7. Определение взаимодействия между компонентами системы.
8. Обоснование выбора аппаратной платформы и инструментов разработки.
9. Реализация программного обеспечения для контроллера
10.Реализация
алгоритмов
управления,
обеспечивающих
требуемую
с
управления
функциональность.
11.Внедрение
методов
обработки
данных
датчиков
и
6
исполнительными механизмами.
7
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Основы управления робототехническими системами
Принципы управления робототехническими системами представляют собой
основные концепции и подходы, определяющие стратегии взаимодействия между
системой и ее окружением, а также способы достижения поставленных целей.
[1][2]Эти принципы играют ключевую роль в обеспечении эффективного и
адаптивного управления роботами. Вот основные принципы управления:
Обратная связь: Этот принцип основан на получении информации о
текущем состоянии системы и использовании этой информации для коррекции
действий. Обратная связь позволяет роботу адаптироваться к изменениям в
окружающей среде и корректировать свое поведение в соответствии с
поставленными задачами.
Моделирование:
Принцип
моделирования
предполагает
создание
математических моделей системы, которые описывают ее динамику и поведение.
Моделирование позволяет предсказывать реакцию системы на различные
воздействия и оптимизировать управляющие сигналы для достижения требуемых
результатов.
Оптимизация: Принцип оптимизации направлен на поиск оптимальных
решений при наличии ограничений. Это может включать в себя оптимизацию
траектории движения, распределение ресурсов или выбор параметров управления
для минимизации затрат или максимизации производительности.
Иерархическое управление: Этот принцип предполагает разбиение
управления на несколько уровней иерархии, каждый из которых отвечает за
определенные аспекты работы системы. Например, уровни планирования,
управления и исполнения могут быть выделены для координации действий робота
на разных уровнях абстракции.
8
Адаптивное управление: Принцип адаптивного управления предполагает
способность системы к изменению своего поведения в ответ на изменения в
окружающей среде или внутренние условия. Это может включать в себя
автоматическую коррекцию параметров управления или выбор альтернативных
стратегий в зависимости от текущей ситуации.
Основы робототехнических систем
Робототехническая система представляет собой комплексный мехатронный
системный
аппарат,
предназначенный
для
автоматизации
определенных
процессов или выполнения задач, которые ранее требовали участия человека. Она
включает в себя различные компоненты, взаимодействующие друг с другом для
достижения поставленных целей. Вот основные составляющие робототехнической
системы:
1. Механическая платформа (манипулятор): Это физическая структура робота,
состоящая из манипулятора (роботической руки), осей, звеньев, суставов и
захватных устройств. Механическая платформа обеспечивает поддержку и
передвижение различных инструментов или устройств, используемых для
выполнения задач.[3]
2. Датчики (сенсоры): Датчики служат для сбора информации о внешней среде
и состоянии самого робота. Они могут включать в себя различные типы
датчиков, такие как датчики расстояния, датчики положения, камеры,
акселерометры, гироскопы, датчики силы и так далее.
3. Актуаторы (исполнительные механизмы): Актуаторы отвечают за движение
и управление механическими частями робота. Они могут включать в себя
различные типы двигателей, такие как шаговые двигатели, сервоприводы,
гидравлические и пневматические цилиндры, используемые для приведения
в действие суставов и звеньев манипулятора.
4. Контроллер (вычислительное устройство): Контроллер представляет собой
центральное
вычислительное
устройство,
которое
управляет
всеми
9
функциями робота. Он принимает данные от датчиков, обрабатывает их и
генерирует соответствующие управляющие сигналы для актуаторов.
Контроллер также может включать в себя компьютерное устройство для
выполнения высокоуровневых задач и обработки данных.[4]
5. Система
питания:
Это
компонент,
обеспечивающий
питание
всей
робототехнической системы. Он может включать в себя аккумуляторы,
источники переменного или постоянного тока, а также системы зарядки и
управления энергопотреблением.
6. Программное
обеспечение
(ПО):
Программное
обеспечение
робота
включает в себя операционную систему, драйверы устройств, управляющие
программы и алгоритмы, необходимые для выполнения задач. Это также
может включать в себя пользовательский интерфейс для взаимодействия с
роботом и мониторинга его работы.
Классификация роботов по применению и конструкции.
Промышленные
роботы
предназначены
для
автоматизации
производственных процессов в промышленности. Они могут выполнять такие
задачи, как сборка, сварка, резка, покраска, упаковка и т.д. Промышленные
роботы обычно используются на заводах и в производственных линиях.
Сервисные роботы разработаны для выполнения задач в общественной
сфере, в том числе в сфере здравоохранения, образования, обслуживания клиентов
и т.д.[5]
Они могут использоваться в качестве помощников в больницах, уборщиков
в общественных местах, помощников для инвалидов и пожилых людей и так
далее.
Медицинские роботы предназначены для использования в медицинской
сфере. Они могут выполнять хирургические операции с высокой точностью, а
также помогать в диагностике и реабилитации пациентов. Медицинские роботы
10
включают в себя хирургические роботы, роботы для дистанционной диагностики
и лечения, а также роботы для медицинских исследований.
Военные роботы разработаны для использования в военных целях. Они
могут
выполнять
различные
задачи,
включая
разведку,
обнаружение
и
обезвреживание взрывчатых устройств, транспортировку грузов, а также
поддержку в боевых операциях.[6]
Бытовые роботы предназначены для использования в домашнем окружении
с целью автоматизации рутинных задач и облегчения повседневной жизни. Они
могут включать в себя умные устройства для уборки, умные кухонные приборы,
роботов-помощников для престарелых людей и т.д.
Классификация по конструкции:
Мобильные роботы: Эти роботы обладают подвижной конструкцией и
способны передвигаться в окружающей среде. Они могут быть колесными,
гусеничными, ногатыми или даже воздушными. Мобильные роботы широко
используются для исследований в труднодоступных местах, мониторинга
окружающей среды, поиска и спасения и т.д.
Стационарные роботы: Эти роботы фиксированы в определенном месте и
не способны к передвижению. Они могут использоваться для выполнения задач,
требующих точности и стабильности, таких как промышленные роботы на
сборочных линиях, а также роботы для автоматизации лабораторных процессов.
Гибридные роботы: Эти роботы сочетают в себе характеристики как
мобильных, так и стационарных роботов. Они могут иметь подвижные и
неподвижные части, что делает их универсальными и способными выполнять
разнообразные задачи.[7]
Интерфейсы и связи между компонентами контроллера играют ключевую
роль в обеспечении согласованной работы всей робототехнической системы.
1. Аналоговые и цифровые входы/выходы (GPIO): Это базовые интерфейсы
для
обмена
информацией
между
микроконтроллером
и
внешними
11
устройствами. Аналоговые входы могут принимать переменные значения
напряжения, в то время как цифровые входы/выходы могут быть либо в
состоянии "включено", либо "выключено".
2. Шина I2C (Inter-Integrated Circuit): Это двунаправленная последовательная
шина, используемая для связи между микроконтроллером и различными
устройствами, такими как датчики, EEPROM и другие периферийные
устройства. I2C позволяет подключать несколько устройств к одной шине,
используя адресацию.
3. Шина SPI (Serial Peripheral Interface): Это синхронная последовательная
шина,
обычно
используемая
для
передачи
данных
между
микроконтроллером и внешними устройствами, такими как дисплеи, SDкарты, датчики и другие периферийные устройства. SPI поддерживает
одновременную двунаправленную передачу данных и может иметь
несколько устройств, подключенных к одной шине.
4. Универсальный асинхронный приемопередатчик (UART): Это стандартный
интерфейс последовательной связи, используемый для передачи данных
между
микроконтроллером
и
другими
устройствами,
такими
как
компьютеры, датчики, Bluetooth-модули и т.д. UART поддерживает
однонаправленную
передачу
данных
и
может
использоваться
для
коммуникации на средние расстояния.
5. Аналоговые входы (ADC) и ШИМ (PWM): Эти интерфейсы используются
для работы с аналоговыми устройствами. Аналоговые входы (ADC)
позволяют микроконтроллеру измерять аналоговые сигналы, такие как
напряжение или ток. ШИМ (PWM) используется для управления
аналоговыми устройствами, такими как сервоприводы или яркость
светодиодов.
6. Сетевые интерфейсы (Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth): Эти интерфейсы позволяют
микроконтроллеру подключаться к локальной или глобальной сети для
12
обмена данными с другими устройствами, серверами или интернетом.
7. Специализированные
интерфейсы:
В
зависимости
от
конкретных
потребностей робототехнической системы могут использоваться и другие
специализированные интерфейсы, такие как CAN (Controller Area Network)
для автомобильных приложений, LIN (Local Interconnect Network) для
промышленных систем и т.д.
Основные алгоритмы и методы управления
В робототехнике применяются различные алгоритмы управления для
обеспечения желаемого поведения робота в различных ситуациях. Вот обзор
основных из них:
ПИД-регуляторы:
Пропорционально-интегрально-дифференциальные
(ПИД) регуляторы являются классическими алгоритмами обратной связи,
используемыми для стабилизации и контроля динамических систем, включая
роботы.
Они
управляют
пропорциональной,
выходным
интегральной
и
сигналом
путем
дифференциальной
корректировки
составляющих
в
зависимости от ошибки управления, интеграла ошибки и производной ошибки.
ПИД-регуляторы корректируют выходной сигнал, используя три компоненты:
пропорциональную, интегральную и дифференциальную. Пропорциональная
компонента
реагирует
на
текущую
ошибку,
интегральная
компенсирует
накопленные ошибки со временем, а дифференциальная предотвращает колебания
системы за счет анализа ее изменения. ПИД-регуляторы широко применяются в
промышленности для стабилизации систем управления, таких как регулирование
скорости, температуры, позиции и других параметров в различных процессах и
устройствах.[8]
Методы планирования движения: Эти алгоритмы используются для
планирования траекторий и движений робота от его текущего положения до
целевой точки или состояния. Они могут включать в себя методы планирования
13
пути, такие как алгоритм A*, RRT (Rapidly-exploring Random Trees), PRM
(Probabilistic Roadmaps), а также алгоритмы планирования движения, такие как
алгоритмы поиска оптимального управления (ОУП). Эти методы строят
оптимальный путь или траекторию для робота, учитывая его текущее положение,
препятствия и целевую точку. Они могут использовать различные алгоритмы
поиска
и
оптимизации
для
нахождения
наилучшего
решения.
Методы
планирования движения используются в робототехнике для навигации мобильных
роботов,
планирования
движения
манипуляторов,
автономного
вождения
автомобилей, управления беспилотными летательными аппаратами и многих
других приложений.
Алгоритмы
машинного
обучения:
В
последние
годы
алгоритмы
машинного обучения стали широко применяться в робототехнике для решения
различных задач, таких как распознавание объектов, обучение поведению,
навигация и т.д. Эти алгоритмы включают в себя нейронные сети, методы
обучения с подкреплением, алгоритмы кластеризации и многое другое.
Алгоритмы машинного обучения обучаются на основе данных, чтобы принимать
решения или предсказывать результаты. Они могут классифицировать данные,
регрессировать их, кластеризовать или выполнять обучение с подкреплением. В
робототехнике алгоритмы машинного обучения используются для распознавания
объектов, навигации, обучения поведению, автоматического управления, а также
для решения задачи SLAM (Simultaneous Localization and Mapping).
Фильтры состояния: Фильтры состояния, такие как фильтр Калмана и его
модификации, применяются для оценки состояния робота на основе имеющихся
измерений и модели системы. Они позволяют учитывать неопределенность и шум
в данных и повышают точность оценки состояния. Фильтры состояния
используются для оценки состояния системы на основе имеющихся измерений и
модели системы. Они учитывают неопределенность и шум в данных для
улучшения точности оценки состояния. Фильтры состояния широко используются
14
в робототехнике для навигации, слежения за объектами, фильтрации данных из
датчиков и других приложений, где необходимо оценивать состояние системы.[9]
Алгоритмы обучения с подкреплением: Эти алгоритмы используются для
обучения робота принимать оптимальные решения в зависимости от текущего
состояния и окружающей среды. Они позволяют роботу изучать и адаптироваться
к новым ситуациям, основываясь на полученном опыте. Эти алгоритмы
используют обратную связь от окружающей среды для обучения робота
принимать оптимальные решения в зависимости от текущего состояния и задачи.
Алгоритмы обучения с подкреплением используются в робототехнике для
автономной навигации, обучения поведению, управления роботами на основе
опыта и других задач, где необходимо адаптироваться к изменяющейся среде.[10]
15
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Анализ задания и постановка задачи
Устройство должно принимать коды команд, а также относительные
координаты перемещения кисти в случае получения кода перемещения кисти.
Полный список команд, выполняемых роботом:
 Поднять кисть.
 Опустить кисть.
 Сжать кисть.
 Разжать кисть.
 Двигаться влево.
 Двигаться вправо.
 Двигаться вверх.
 Двигаться вниз.
Будем считать, что по краям области, в которой может двигаться робот стоят
датчики, которые срабатывают при достижении роботом соответствующей
границы.
Предусмотрим также на устройстве переключатель сброса, который
принудительно завершает выполнение текущей команды и запускает процедуру
установления робота в начальное положение.
Таким образом, задача проектируемого устройства - преобразование
входных данных в унитарный код, подаваемый на соответствующий выходной
разъём. Причём в случае команды перемещения кисти унитарный код требуется
подать на разъём число раз, указанное во втором входном байте.
ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМА РАБОТЫ УСТРОЙСТВА
16
На каждом цикле своей работы устройство получает байт с кодом команды и
числом шагов в случае команды движения.
Каждый цикл начинается с отправки устройством в ИРПР сигнала ЗП. После
чего устройство ожидает сигнал СТР, по которому считывает байт данных. Из
полученного байта данных устройство получает код команды; если код команды
соответствует:
 Командам движения. То в специальный счётчик записывается часть
входного байта, отвечающая за число шагов, и на выходной разъём будет
подано соответствующее число импульсов унитарного кода. Если во время
движения сработает один из датчиков по краям поля, то выполнение
команды прекращается.
 Командам управления кистью, то отправляется соответствующий унитарный
код, причём всегда только один раз.
Если был получен внешний сигнал сброса, то на выходной разъём подаются
сигналы «влево» и «вверх» до тех пор, пока не сработают соответствующие
датчики по краям поля.
После выполнения команды устройство снова отправляет сигнал ЗП и т.д.
Формат входного байта:
7
6
5
4
Положительное целое число от 0 до 31
3
2
1
Код команды
0
СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ УСТРОЙСТВА
В соответствии с алгоритмом необходимы следующие блоки:
 Блок принятия байта данных из ИРПР, который сохраняет его в
специальном регистре.
 Схема вывода, которая отправляет унитарный код на выходной разъём
17
требуемое число раз с некоторой задержкой.
 Преобразователь входного байта в унитарный код и количество повторений.
 Система безопасности, которая прекращает выполнение команды в случае
сработки датчиков и не позволяет в дальнейшем выполнять команды
движения в соответствующую сторону.
 Управляющий автомат.
 Генератор импульсов.
RESET
Управляющий
автомат
Генератор
импульсов
ERROR
C0/C7
SRC
SET
ZERO
COUNT
ЗП
СТР
D0/D7
Блок
приёма
данных из
ИРПР
D0/D7
Преобразователь
кода
L0/L4
S0/S3
Система
безопасности
DO0/DO7
Схема
вывода
C0/C7
Рисунок 1 - Структурная схема устройства.
Входные сигналы:
 RESET - внешний сигнал сброса устройства в начальное положение.
 S0/S3 - датчики по краям области движения робота. Устанавливаются в
единицу, если робот достиг соответствующего края.
 СТР - синхросигнал ИРПР.
 D0/D7 - линия данных ИРПР.
Выходные сигналы:
 ЗП - сигнал готовности приёмника ИРПР.
 DO0/DO7 - унитарный код управления приводами робота.
Внутренние сигналы устройства:
 SRC - определяет откуда Система безопасности должна брать код для
18
вывода на разъём.
 ERROR -Система безопасности выдаёт на Управляющий автомат этот
сигнал ошибки в случае совпадения направления движения робота и
соответствующего сигнала от датчика достижения границы поля.
 ZERO - сигнал от Схемы вывода, осведомляющий Управляющий автомат об
окончании вывода.
 COUNT - импульс уменьшения значения счётчика в Схеме вывода.
 SET - сигнал установки начального значения счётчика.
СИНТЕЗ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
Управляющий автомат
Представляет собой обыкновенный конечный автомат с четырьмя
состояниями. Список состояний:
a0 - ожидание прихода сигнала стробирования со стороны ИРПР.
a1 - вывод сигналов управления роботом.
a2 - сброс схемы в начальное состояние (движение влево).
a3 - сброс схемы в начальное состояние (движение вверх).
Проектирование будем осуществлять интерпретационным методом синтеза.
Этот метод синтеза управляющего автомата осуществляется на базе обратной
структурной таблицы переходов.
Обратная структурная таблица переходов:
ai
a1 a1 a3
K(ai)
01 01 11
aj
a0
K(aj)
00
a0
a2
00
10
a1
a3
01
11
X(ai, aj)
ERROR ZERO
ERROR
СТБ
ERROR
φ(ai, aj)
J0 J0 K0K1
J0
J0
Формирование функций возбуждения для элементов памяти
Также введём возможность сброса системы по сигналу RESET. С учётом
19
того, что выбраны JK-триггеры с инверсным входом K, то функции возбуждения
будут выглядеть:
α = a3 ERROR= RESET= RESET α= RESET(a1ERROR v a1ZERO v a0СТБ v
a2ERROR)0 = RESET α
Синхронизация элементов памяти осуществляется по срезу сигнала
синхронизации - это необходимо для того, чтобы за время нулевого уровня
сигнала синхронизации успели переключиться все части схемы, и, таким образом,
схема была полностью готова к началу следующего такта.
Блок приёма данных из ИРПР
Представляет собой 8-разрядный регистр, который считывает данные из
ИРПР по фронту сигнала СТБ (в ИРПР данные считаются действительным от
фронта до среза сигнала СТБ).
Преобразователь кода
Дешифратор, преобразующий входной трёхразрядный код в унитарный
восьмиразрядный, и мультиплексор, задающий число повторений команды.
Модуль выполняет полезную работу между тактовыми импульсами. На выходе
получаются сигналы C0/C7 и L0/L4.
20
Схема вывода
Состоит из счётчика и формирователя сигнала ZERO. По сигналу SET (срез
такта в окончании состоянии a0) устанавливает своё начальное значение,
полученное в преобразователе кода. Осуществляет счёт по сигналу COUNT
(фронт такта в состоянии a1).
Система безопасности
Блок, который решает выводить сигналы на внешний разъём или нет. Также
в этом устройстве осуществляется выбор исходного кода для вывода (в случае
сброса устройства выбирается соответствующий код). Внутри устройства
формируется сигнал OE (Output Enable) на основе кода состояния, сигнала ERROR
и тактового сигнала CLC.
Генератор импульсов
Создаёт тактовые сигналы, управляющие работой устройства. Скважность 2. Самая длительная операция (операция преобразования кода) составляет 66 нс,
возьмём время такта с запасом - 100 нс. Тогда при учёте, что R1 = 1 кОм, а t =
2RC:
C1 = t / 2R = 100 нс / 2 кОм = 50 пФ
R1
DD19.1 DD19.2
1
1
DD19.3
CLC
1
DD24.1
1
CLC
C1
21
Рисунок 2 - Генератор импульсов.
Временные диаграммы
D0:D7
СТБ
ЗП
Рисунок 3 - Временная диаграмма интерфейса ИРПР.
контроллер управление робототехнический команда
CLC
a0
a1
ЗП
СТБ
COUNT
ZERO
OE
ERROR
Р1:Р8
Рисунок 4 - Временная диаграмма работы устройства.
ОЦЕНКА АППАРАТНЫХ ЗАТРАТ И ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ
Оценим аппаратные затраты. В схеме использовано 24 микросхемы, 26
конденсаторов, 19 резисторов и 2 разъема.
Тип
КР1533ИД7
КР1533ИР33
Ток, мА
10
24
Задержка, нс
22
20
Выводов
16
20
Количество
1
1
22
КР1533КП16
КР1533ИЕ7
КР1533ТВ15
КР1533ЛА1
КР1533ЛА3
КР1533ЛН1
КР1533ЛИ1
КР1533ЛА4
11
22
4
1.5
3
4.2
4
2.2
24
30
18
11
11
11
14
11
16
16
16
14
14
14
14
14
3
1
2
2
8
3
1
1
Таблица 1 - Оценка потребляемой мощности.
Суммарное значение тока 143 мА, что при напряжении питания 5 В дает
мощность 715 мВт.
23
Заключение:
В ходе данного курсового проекта был разработан контроллер управления
робототехнической системой, способный принимать команды и координаты
перемещения кисти. Основные функции устройства включают обработку входных
данных и преобразование их в унитарный код, который затем подается на
соответствующие выходные разъемы. Контроллер поддерживает выполнение
следующих команд: поднять кисть, опустить кисть, сжать кисть, разжать кисть,
двигаться влево, двигаться вправо, двигаться вверх и двигаться вниз.
Для обеспечения безопасности и точности работы робота, по краям области
его движения установлены датчики, срабатывающие при достижении роботом
границ. Это позволяет предотвращать выход робота за пределы допустимой зоны
и обеспечивать корректное выполнение команд.
Дополнительно на устройстве предусмотрен переключатель сброса, который
позволяет принудительно завершить выполнение текущей команды и вернуть
робота в начальное положение, обеспечивая восстановление системы в случае
непредвиденных ситуаций.
Таким образом, проектируемое устройство успешно выполняет задачу
преобразования входных данных в унитарный код для управления роботом. При
этом для команд перемещения кисти унитарный код подается на разъем столько
раз, сколько указано во втором входном байте. Данная функциональность
позволяет точно контролировать и координировать действия робота, обеспечивая
выполнение заданных команд с необходимой точностью и надежностью.
24
Список использованных источников:
1) Бобров, А. В. Теория и практика управления робототехническими
системами / А. В. Бобров. — М.: Машиностроение, 2018. — 352 с.
2) Филиппов, И. И. Программирование и управление роботами / И. И.
Филиппов. — СПб.: Питер, 2019. — 416 с.
3) Кудрявцев, С. А. Микроконтроллеры и их применение в робототехнике / С.
А. Кудрявцев. — М.: Солон-Пресс, 2020. — 304 с.
4) Смирнов, В. В. Датчики и исполнительные механизмы в робототехнических
системах / В. В. Смирнов. — Новосибирск: Наука, 2017. — 272 с.
5) Иванов, П. Н. Алгоритмы машинного обучения в робототехнике / П. Н.
Иванов. — М.: Диалог-МГУ, 2021. — 384 с.
6) Петров, Ю. С. Основы планирования движения роботов / Ю. С. Петров. —
Казань: Фэн, 2019. — 348 с.
7) Сидоров, К. Л. Фильтры Калмана и их применение в робототехнических
системах / К. Л. Сидоров. — СПб.: Лань, 2018. — 320 с.
8) Рыбаков, А. В. Принципы оптимального управления роботами / А. В.
Рыбаков. — Екатеринбург: УрО РАН, 2020. — 288 с.
9) Лебедев, Н. И. Программирование ПИД-регуляторов для робототехники / Н.
И. Лебедев. — М.: Энергоатомиздат, 2017. — 256 с.
10)
Громов, Д. С. Распределенные системы управления в робототехнике /
Д. С. Громов. — М.: Высшая школа, 2019. — 312 с.
25