Разработка системы удаленного мониторинга для мобильного робота

НОВОСИБИРСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ  АВТОМАТИКИ  И  ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ  ТЕХНИКИ

 

Кафедра  Систем Сбора  и Обработки Данных

 

Дисциплина  «SCADA-системы»

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

Разработка системы удаленного мониторинга для мобильного робота.

 

 

Выполнила:          Преподаватель:

Лесникова А.А.        Баран Е.Д.

Группа: АТ-93

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Новосибирск, 2013 

Оглавление

Введение 3

1. Описание  аппаратно-конфигурационной части  проекта 5

1.1. Ультразвуковой  датчик  Parallax PING 5

1.2. Двигатели  постоянного тока. 5

1.3. Энкодер 6

1.4  Роутер Wi-Fi  и точка доступа 6

2. Основные  функции мониторинга транспортного  средства 7

2.1. Диагностика  функционирования устройств системы 7

2.2. Тестирование  устройств в "ручном" режиме 7

3. Основные  функции мониторинга движения  транспортного средства 9

3.1. Визуализация  траекторного движения 9

3.2. Диаграмма  локального сканирования 9

3.3. Отображение  текущих координат местонахождения  мобильного робота 10

3.4. Отображение  скорости перемещения объекта 10

4. Блок обработки  ошибок 12

Заключение 13

 

 

 

 

 

Введение

Мобильный робот - сложная  мехатронная система, способная  сенсорно воспринимать окружающую среду  и анализировать ее состояние  для осуществления автономной навигации  и управляемого движения с целью  выполнения поставленных задач. Автономные мобильные работы предназначены  для исследования проблемной среды, возможно, опасной для здоровья человека. В незнакомой среде априорные  сведения о свойствах и особенностях среды, окружающей мобильного робота, скудны и недоступны. Поэтому реализация навигационных систем мониторинга  в условиях неопределенности связана  с многими ключевыми проблемами, например, распознавание объектов окружающей среды, оптимизация принятия решения, поиск новых знаний.

Мониторинг - это  непрерывный процесс сбора и анализа информации о значении диагностических параметров состояния объекта. Система дистанционного мониторинга должна распознавать и моделировать окружающую среду, определять навигационные параметры, управлять движением, тестировать собственные ошибки, быть устойчивой к появлению внешних дефектов. Для контроля решения этих задач необходима функциональная диагностика объекта в процессе движения (информация о состоянии робототехнической системы в целом, состояние датчиков, скорость объекта и др.), кроме того, важное значение имеют обнаружение, локализация, объезд препятствий на пути движения робота.

Планирование маршрута мобильного робота можно разделить на глобальное планирование на основе карты местности  и локальное планирование маршрут  на основе сенсорных сигналов от датчиков, поступающий в режиме реального  времени. В рамках данного курсового  проекта будет рассмотрен второй вариант, где функционирование мобильного робота происходит в относительных  координатах.

В настоящее время разработке дистанционных систем для управления движением уделяется много внимания, хочется провести небольшой пример системы, данные которой передаются оператору либо другой системе для анализа качества системы кондиционирования.

 Data Center Robot

DC Robot представляет собой небольшой  прибор, оснащенный дистанционным  управлениям, бортовыми камерами  и платформой для исследований iRobot Create. Эта машинка умеет свободно  перемещаться по дата-центру, получая  по пути необходимую информацию.

Используя цифровые датчики, устройство собирает данные о температуре и  влажности и вибрации в помещении, и с помощью Wi-Fi-сети передает эти  данные на терминал. Специализированное программное обеспечение EMC преобразует  данные в тепловую карту, используя  которую, оператор регулирует те или  иные параметры.

Производители DC Robot, коими являются специалисты из индийского подразделения  транснациональной корпорации EMC, утверждают, что благодаря работе робота можно  уменьшить энергопотребление ЦОДа на 10-20%. Во всяком случае, такие результаты дала тестовая эксплуатация механизма. Указанные цифры вполне могут  быть реальными: на долю охлаждения обычно приходится 50% энергопотребления ЦОД, так что оптимизация процесса кондиционирования может привести к заметной экономии затрат.

Разумеется, DC Robot является не единственным устройством для мониторинга  систем ЦОДа. Первого робота подобного  рода разработала компания IBM. Здешнее  изобретение тоже способно самостоятельно перемещаться по залам ЦОДА. Потом  данные в режиме реального времени  передаются специализированному программному обеспечению IBM, и на их основе создаются  комплексные отчеты о тепловом режиме ЦОД и уровне влажности внутри залов.

Кроме того, недавно на рынке появилось  еще одно решение, представленное молодой  компаний Purkay Labs. Называется оно Audit-Buddy и отличается от своих собратьев  рем, что платформа iRobot Create при его  создании не использовалась. Передвигаться  без постороннего вмешательства  устройство не умеет, но зато может  измерить уровень температуры и  влажности на различных высотах. Это устройство позиционируется  как самое недорогое в своем  классе.

 

 

1. Описание аппаратно-конфигурационной  части проекта

 В качестве объекта исследования и разработки проекта выбрана робототехническая система NI Robotics Starter Kit 2.0. Технические характеристики представлены ниже:

 

•  конфигурируемый контроллер FPGA с портами ввода вывода;
• 400 MHz процессор;
• 128 MB DRAM, 256 MB физической памяти;
• RS232 порт для внешних устройств;
• 3.3 V ТТЛ совместимые цифровые порты ввода/вывода;
• 4 16-битных аналоговых канала;
• 10/100BASE-T Ethernet порт;

 

В состав робототехнической  системы входят: ультразвуковой датчик, двигатели управления движением, энкодер сенсора, платформа NI Single Board.

1.1. Ультразвуковой датчик   Parallax PING

Преобразователь посылает импульс  звука и преобразует принятый отраженный сигнал в напряжение. Измерив  время до прихода отраженного  сигнала из фактора скорости звука  интегрированный в сенсор контролер  рассчитывает расстояние до объекта.

Технические характеристики датчика:

- напряжение питания - 5 В;

- диапазон измерения 2см-3 м;

- ток 30-35 мА;

- интервал измерения 200 мкс;

1.2. Двигатели постоянного  тока.

- напряжение питания -12 В;

- крутящий момент -125 oz-in(унций)

- скорость вращения, об/мин - 152

 

1.3. Энкодер

Энкодер -устройство, с помощью которого можно определить положение вращающейся оси. В данном устройстве механическое движение преобразовывается в электрические сигналы, определяющие положение объекта, которые дают информацию об угле поворота вала, его положении и направлении вращения.

- напряжение питания - 5В;

- количество импульсов  на оборот - 400

1.4  Роутер Wi-Fi  и точка  доступа

При реализации поставленной задачи в прошлом семестре был  организован беспроводной канал  обмена данными между ПК и Starter Kit. В рамках одной подсети были распределены IP адреса, выбран роутер и точка доступа. Однако проблему медленного "заливания" в память устройства не удалось решить. Устройство необходимо было "сбрасывать" до умолчательных настроек. Все это мешало отладить программу.  Текущий проект основан на выполнении в режиме симулятора Starter Kit.

 

2. Основные функции мониторинга  транспортного средства

 

2.1. Диагностика функционирования  устройств системы 
Одно из предназначений системы мониторинга - индикация состояний устройств, входящих в состав системы. На рис.1 показана панель реального функционирования интерфейса оператора, на которой расположены элементы индикации. В случае, если устройства работают неисправно или не подключены, элементы индикации подсвечиватьcя не будут. Sonar-состояние ультразвукового датчика, RM - правого мотора, LM-левого мотора.

Рис.1- Панель реального  функционирования. Отображение состояние  устройств.

2.2. Тестирование устройств  в "ручном" режиме

Был разработан модуль "ручного" тестирования, позволяющий оператору  проверить работоспособность сенсора, энкодера и двигателей путем изменения регулятором параметров(угловая скорость вращения двигателей, угол вращения энкодера).  Для индикации работоспособности сенсора был использован индикатор slide, позволяющий судить о том, поступает ли информация с сенсора, корректна ли значения (больше 3 метров дальность обнаружения быть не может). Отличие режима тестирования от функционирования в том, что устройство может быть опрошено оператором еще до введения в эксплуатация в условиях проблемной среды.

Рис.2 - Режим "ручного" тестирования.

 

3. Основные функции мониторинга  движения транспортного средства

3.1. Визуализация траекторного  движения

На рис.3 представлена область программы,  которая служит для визуализации пройденного пути роботом, наличия препятствий, координат начала и завершения движения робототехнической системы. Для отображения на карте используются закрашенные элементы. Каждый цвет соответствует определенной области. Модуль визуализации траекторного движения был интегрирован в систему мониторинга, разрабатывался другим студентом. Хочется отменить, что модуль позволяет не только отобразить траекторию движения, но и выбирать режим управления движением объекта: авто, по заданным точкам, управление с клавиатуры.  

Рис.3 - Картографическая область визуализации движения.

3.2. Диаграмма локального  сканирования

Диаграмма локального сканирования строится на основе данных, полученных с сенсора. В зависимости от угла поворота энкодера, сенсор посылает импульс на дальность до 3 метров и получает его обратно. Диаграмма сканирования отображает процесс функционирования датчика и позволяет пользователю оценить работоспособность сенсора.

Рис.4 - Диаграмма  локального сканирования.

3.3. Отображение текущих  координат местонахождения мобильного  робота

В случае, если связь с  устройством пропадет, необходимо знать  координаты последнего местонахождения. Так как система функционирует  в относительных координатах, система  мониторинга имеет функционал отображения  текущих координат объекта.

Рис.5 - currentCoord - текущие координаты робота в пространстве.

3.4. Отображение скорости перемещения объекта

Помимо отображении координат  объекта и траектории движения робота, система мониторинга должна предоставлять  информацию о скорости перемещения  мобильного робота. Зная скорость, можно оценить расстояние, пройденное объектом. Путем проведения экспериментов было выявлено, что Starter Kit развивает максимальную скорость - 0,25 м/с при управлении с клавиатуры, 0,1 м/c в авторежиме. На рис.6 показана панель функционирования с элементом отображения скорости (скорость линейная).

Рис.6 - Скорость перемещения объекта в пространстве.

 

4. Блок обработки ошибок

Мысль о создании модуля обработки ошибок возникла сравнительно недавно, идея заключается в следующем: необходимо накопить базу возникающих ошибок, которые могли бы возникнуть при функционировании системы мониторинга, в случае их возникновения вывести в интерфейс оператора сообщение на доступном и понятном языке пользователя, возможно, помимо текста ошибки необходимо выводить инструкции и рекомендации(к кому можно обратиться, что можно сделать и т.д.).

При тестировании программы  удалось выявить ошибку, которая  возникает в случае некорректного  завершения программы (оператор не нажал  кнопку "Stop"), при повторном запуске не откроется окно симулятора, для этого следует завершить работу через кнопку и повторить операцию.

Ниже представлена блок-диаграмма  обработки такого сообщения,конечно,1 ошибки для модуля мало, задачей  остается - выявить новые, возможно, есть уникальный набор параметров, при котором система будет  работать с ошибками.

 

Рис.7 - Обработка ошибки -310082

 

Заключение

В ходе выполнения курсового  проекта были выполнены задачи:

1) интеграции модуля управления  движением;

2) реализация основных  функций системы мониторинга:  индикация состояний устройств,  режим ручного тестирования, создание  блока отображения ошибок т.др.;

3) исправлены недочеты  курсового проекта прошлого семестра;