Разработка учебных проектов моделей подвижных автоматических систем наземного и воздушного размещения с использованием СПО (Владимир Симонов, OSEDUCONF-2023)

Ссылки сюда (1) →

Короткая ссылка: 20230128A

Докладчик

Владимир Симонов

Разработаны учебные проекты моделей автоматических систем, осуществляющих движение по поверхности и в воздухе. Синтезированные законы управления позволяют системам избегать препятствий, поддерживать направление движения в сторону объекта, обеспечивать требуемые режимы движения с заданным качеством. В разработке использовалось свободное программное обеспечение

Видео

on youtube

Презентация

Thesis

Разработка наземных и воздушных беспилотных транспортных средств предусматривает обязательное создание действующих макетов и прототипов для оценки конструкции и её отработки в лабораторных условиях, на испытательных стендах, полигонах и т.д. При этом модели создаются в САПР, в натурном виде и т. д. Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Информатика и вычислительная техника», «Управление в технических системах», в особенности для авиационных специальностей участие в таких работах особенно актуально.

Проектирование моделей подвижных автоматических систем наземного и воздушного размещения осуществляется с использованием СПО. Эффективно использование популярных и недорогих аппаратно-программных средств на базе Arduino, Raspberry Pi, а также соответствующих компонент.

Достаточно важным здесь при обучении студентов является разработка закона управления созданным макетом, в особенности управление движением макета. Простейший закон управления — релейный — не всегда приводит к положительному результату, если объект обладает динамическими свойствами. Этапы синтеза системы управления являются классическими:

• определение целей управления;
• выбор переменных, подлежащих управлению;
• формулировка требований к этим переменным;
• выбор конфигурации системы и исполнительного устройства;
• получение моделей объекта управления, датчиков и исполнительных устройств;
• выбор регулятора и определение ключевых параметров, подлежащих настройке;
• оптимизация параметров и анализ качества системы (при необходимости возврат к выбору конфигурации системы и

исполнительного устройства);

Если качество системы приемлемое, процедура синтеза завершается.

В РГСУ в рамках изучения дисциплин, связанных с проектированием информационных систем, создаются и исследуются соответствующие модели подобных систем .

Так, разработан действующий макет средства автономной перевозки грузов. Цель разработки состояла не только в проектировании собственно устройства, но и в пробуждении интереса к электронике и робототехнике у обучающихся, посетителей дней открытых дверей вуза, и, кроме того, не создать отторжения из-за сложности проекта. Для достижения поставленной цели практически все соединения, сенсоры, моторы и прочие элементы должны быть по возможности видны, а также и «мозг» — плата обработки информации. Поэтому большая часть корпуса выполнялась вручную, придан яркий и необычный дизайн. Здесь используются датчик линий, не дающий выехать из заданной зоны и предотвращающий падения со стола; датчик дистанции, предотвращающий столкновение с препятствиями; оптико-электронный модуль (датчики освещённости), отвечающий за наведение на источник освещения. Устройство имеет три состояния:

• покой: при отсутствии освещения или при избыточном освещении;
• движение вперёд: скорость движения зависит от датчиков освещённости; повороты осуществляются при определённой разнице в показаниях левого и правого датчиков освещённости (функция наведения на источник освещения);
• движение назад — при обнаружении препятствии или близости к краю допустимой зоны (например, край стола).

Важную роль играла наглядность макета, поэтому каждое из состояний сопровождалось символами, выводимыми на LED-матрицу, размещённую на видном месте в верхней части макета.

Разработана также модель тренажёра взлёта посадки вертолётного типа. Цель разработки: обучение студентов разработке модели, обладающей динамическими свойствами, а также закона управления. Цель управления здесь состояла в получении приемлемых переходных характеристик для трёх режимов: (а) — взлёта и поддержания заданной высоты; (б) — стабилизации высоты при нагружении и (в) — при освобождении от груза. Переменные, подлежащие управлению: скорость вращения воздушных винтов, которая зависит не только от показаний высотомера (ультразвукового дальномера), но и соответствует предельным значениям напряжения питания. При этом конструкция проектировалась таким образом, чтобы развивается требуемая подъёмная сила. Использовался закон регулирования типа ПИ (пропорционально — интегральный). Проведена оптимизация параметров системы, оценено качество.

Таким образом, представлены результаты разработки учебных проектов моделей подвижных автоматических систем наземного и воздушного размещения с использованием СПО (Wiring, платформа Arduino). Определены области использования разработок; поставлены цели управления; выделены переменные, подлежащие управлению с определением допустимых значений; выбрана конфигурация систем (сенсоры, исполнительные устройства, вычислители, согласующие звенья) и законы управления; оптимизированы параметры системы, оценено качество функционирования. В итоге, разработано несколько макетов, среди которых автоматическое устройство перевозки грузов, движущееся по поверхности, реагирующее на препятствия, следующее за источником света и имеющее несколько режимов функционирования и индикации режимов; тренажёр взлёта-посадки вертолётного типа, осуществляющий стабилизацию высоты полёта, принимающий нагрузку на борт и освобождающийся от полезной нагрузки. Получены и оценены реальные характеристики функционирования моделей. Полученные результаты удовлетворяют поставленным требованиям.

• https://github.com/Flattershaine