автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Тестирование и верификация роботехнических систем на базе встроенных сенсоров

из

00

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ имени М. В. Келдыша

На'правах рукописи

Тодоров 'Годор Белков

ТЕСТИРОВАНИЕ И ВЕРИФИКАЦИЯ.РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ВСТРОЕННЫХ СЕНСОРОВ

Специальность: 03.13.И -

Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1992

Работа выполнена на кафедре теоретической механики МГУ имени М. В. Ломоносова и в Институте прикладной математики имени М. В. Келдыша Российской академии наук (г. Москва).

Научный руководитель: академик

доктор физико-математических наук профессор Д. Е. Охоцимский

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

заседании специализированного совета Д 002.40.01 при Институте прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН по адресу:

123047, Москва, Миусская пл. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

Автореферат разослан "_"_1993 г.

профессор Ю. Ф. Голубев

кандидат физико-математических наук С. Л. Зенкевич.

Ведущая организация: Институт механики МГУ имени М. В. Ломоносова

Защита состоится ".

1993 г. в _ часов на

Ученый секретарь специализированного сове'

кандидат физико-математических наук .....

Бахарев H.A.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Тестирование и верификация являются неотъемлемой часты) процесса разработки, изготовления и эксплуатации робототехнических систем (РТС).

Для проведения полноценных испытаний, гарантирующих требуемую по паспорту РТС точность исполнения, необходимо независимое от РТС оборудование, позволяющее определить в реальном масштабе времени координаты схвата робота или конечного исполнительного элемента РТС в абсолютном пространстве. Задача построения такого рода оборудования достаточно широко известна. Действие этого оборудования основано на принципах стереозрения телекамер, использовании лазерных и ультразвуковых дальномеров, световых отражателей и т.п. Ясно, что построение такой системы требует значительных материальных и интеллектуальных затрат.

Обычно современные РТС оснащаются высокоточными датчиками, и на этой основе логично возникает вопрос: нельзя ли проводить испытания, снимая информацию только с существующих встроенных сенсоров. В определенных случаях' такой подход позволяет обойтись без перечисленной выше дорогостоящей аппаратуры.

Поэтому представляется актуальной разработка испытательного комплекса на базе встроенных в РТС сенсоров. Такой комплекс позволил бы определить ошибки системы управления (СУ) РТС при реальном управлением объекта (механической части РТС). С одной стороны, таким путем не загораживается рабочее пространство, а с другой, появляется возможность отделить ошибки СУ вместе с программным обеспечением от механических ошибок (люфтов, тепловых расширений, механических деформаций, неточностей изготовления и др. параметров). С использованием методов математического моделирования можно получить точностные оценки РТС и сделать вывод о правильности работы системы управления совместно с механической частью РТС.

С целью решения вышеуказанных проблем в диссертации предлагается способ проведения тестирования и верификации СУ на базе встроенных в РТС сенсоров.

ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАШОННОИ РАБОТЫ, является разработка единого подхода для тестирования и верификации СУ робототехнических систем, оснащенных высокоточными датчиками в контуре обратной связи.

К процессу тестирования предъявляются требования простоты проведения исследований, удобный ввод данных, полученных при испытаниях, удобство последующей обработки результатов.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В работе были использованы методы тестирования промышленных роботов, математическое моделирование, создание программных систем, теория автоматов, методы технической диагностики, инженерные методы проектирования и отладки аппаратуры.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Сформулированы требования к программно-аппаратному комплексу тестирования РТС на базе встроенных сенсоров; предложена и обоснована электрическая аппаратная часть. Сформулированы характеристики программного обеспечения и предложена архитектура программного комплекса для тестирования траекторных движений робота РМ-01 со стойкой управлении СФЕ-РА-38.

НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Аппаратно-программный комплекс предназначен для оценки качества работы управляющей части робототехнической системы в реальных условиях /т.е. оценки качества СУ в контуре с реальным объектом/.

Преимущества предлагаемого комплекса:

1.рабочее пространство полностью освобождается, и можно проводить исследования в рабочих условиях;

2.аппаратные затраты сводятся к минимуму;

3. результаты исследования сохраняются в стандартной форме (текстовый файл), и возможна последующая обработка стандартными средствами Спотребительскими программами);

4.способ дешев, что очень важно в современных условиях;

3. способ является универсальным по отношению к достаточно большому классу робототехнических систем.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. На базе созданного аппаратно-программного комплекса и предложенной методики были проведены эксперименты на роботе РМ-ül со стойкой управления "Сфе-ра-36".

АПРОБАЦИЯ. Результаты работы докладывались на семинарах Института прикладной математики имени М. В. Келдыша РАН и Всероссийском семинаре "Механика и управление движением роботов с элементами искусственного интеллекта" под руководством академика Д. Е. Охоцимского в МГУ имени М. В. Ломоносова.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Работа содержит103 страниц машинописного текста, 24 рисунков, 3 таблицы.

а. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ВО ВВЕДЕНИИ аргументирована актуальность темы диссертации, дан краткий обзор известных существующих аналогичных систем. Представлена краткая постановка задачи. Сформулированы основные результаты, полученные в работе. Описана структура диссертации и дано краткое содержанние по главам.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ даны определения, конкретизирована тема настоящей работы. Проанализированы современные системы управления (СУХ Перечислены существующие способы проведения испытаний. Сформулирована задача, решаемая в диссертации, и предложены идея и метод ее решения.

В литературе промышленный робот 1Ш\) определяют как универсальный манипулятор с управлением. Он состоит из звеньев, которые связаны последовательно вращательными или поступательными сочленениями. Робот функционирует самостоятельно или входит в состав группы из нескольких роботов и /или/ дополнительного технического оборудования для выполнения конкретных технологических операций. Системы, в которых робот входит во взаимо-

действие со станками с числовым программным управлением СЧШО или с другими роботами, называются роботехническими системами (.PTCJ. Условно существуют несколько классов РТС: информационые и управляющие, мобильные, манипуляционные.

-Информационные и управляющие системы - совокупность измерительно-информационных и управляющих средств, автоматически производящих сбор, обработку, передачу информации и формирование управляющих сигналов.

, -Мобильные РТС обеспечивают автоматическое перемещение полезных грузов в пространстве. Применяются для обслуживания складув, межцехового и внутрицехового транспортирования.

-Манипуляционные РТС применяются для имитации двигательных функций человеческой руки. Самое большое развитие и практическое применение они получили в промышленности, где их называют промышленные роботы-манипуляторы. В современном производстве им определена основополагающая роль. ПР осуществляют манипуляции, сборку, загрузку, транспортировку и контроль в составе роботизированных комплексов CPTKJ и гибких автоматизированых производственных систем С ГАНС}.

Предлагаемый комплекс применяется для тестирования и верификации подвижных объектов, а первый класс РТС не содержит таковых.

Для остальных классов РТС комплекс применим, если их сенсорная система удовлетворяет перечисленным ниже требованиям.

В диссертации проанализированы существующие СУ и для них обосновано место подключения тестирующего комплекса - локальная обратная связь по положению, так как эта информация жестко связала с конечными исполнительными элементами. Природа сигналов в обратной связи по положению разная Сток, напряжение, код, импульсы и др.). Предусмотреть обработку во всех случаях - проблема обширная и трудно разрешимая. _В работе рассматриваются только РТС, оснащенные инкрементными С фото-импульснымиJ датчиками.

Инкрементные датчики бывают линейными и угловыми. Они характеризуются следующими параметрами: цена одной дискреты датчика, количество импульсов на'оборот (для угловых}, максималь-

ный диапазон С для линейных), относительная и абсолютная ошибки. В связи с бурным развитием цифровых систем управления инкре-ментные датчики очень широко применяются в современных РТС. Уто объясняется тем, что они удобны для использования - от них достаточно просто получается цифровой код. Кроме того у них высокая относительная точность % 1(ГЯ), достаточно миниатюрные размеры, простое подключение, минимальное количество линий связи, надежное функционирование, высокая стабильность параметров.

Располагая информацией с этих высокоточных датчиков, можно проводить тестирование и верификацию СУ в реальных условиях - в процессе управления реальным объектом С СУ вместе с механическими элементами). Если считать механику идеальной, то результаты можно отнести для РТС в целом.

Существующие методы проведения испытаний можно условно разделить по двум признакам:

1.существует ли контакт с конечным исследуемым звеном;

2.как осуществляется измерение состояния исследуемого звена.

По первому признаку методы делятся на: -контактные - существует контакт с конечным исследуемым узлом;

-бесконтактные - отсутствует прямой контакт с исследуемым узлом.

Но второму признаку методы разграничиваются на: -прямые - измеряется .непосредственно требуемая величина; -косвенные - испытания проводятся при помощи дополнительного оборудования, при помощи встроенных вычислительных мощностей и /или/" встроенной информационной системы РТС. Кроме перечисленых методов имеют место и смешанные. Предлагаемый в диссертации метод исследования основывается на измерениях, проводящихся на базе встроенных сенсоров. Поэтому его можно определить как косвенный бесконтактный.

С учетом приведенных рассуждения, анализов и ограничений, задача диссертации сформулирована следующим образом:

-спроектировать программно-аппаратный комплекс для сбора первичной информации при проведении испытаний с целью

получения набора характеристик траекторного движения на базе встроенных в РТС импульсных датчиков;

-минимизировать аппаратные затраты;

-организовать хранение информации стандартным образом с целью осуществления последующей разносторонней обработки полученных результатов;

-обеспечить в аппаратной части и программном обеспечении универсальность комплекса по отношению к исследуемым объектам и получаемым характеристикам;

-в качестве вычислительной машины использовать стандартную машину класса IBM PC/XT;

-разработать методику проведения испытаний;

-аргументировать достоверность полученных результатов.

Идея и методы решения поставленной задачи.

Для получения характеристик траекторного движения нужно через фиксированный интервал времени получать состояния исследуемого объекта С или его части) и сравнивать с требуемым (.программным) состоянием.

Комплекс располагает информацией, поступающей с датчиков обратной связи по положению Ст.е. информацией об углах или перемещениях звеньев РТС). Чтобы определить положение и ориентацию конечного исследуемого, звена нужно решать прямую задачу кинематики. Для медленных процессов при высоком быстродействии используемой ЭВМ и при большом объеме оперативной памяти можно сравнить реальное состояние с программным состоянием РТС в реальном времени. Для этого понадобится более дорогостоящая аппаратура, а это идет в разрез с требованием минимизации аппаратных затрат.

С целью осуществления универсальности комплекса по отношению к медленным и быстрым объектам принята идея поэтапной обработки информации, т.е. разделение исследования на два этапа:

1. Этап "ON LINE". Комплекс работает в реальном времени и должен выполнять следующие функции:

-снятие информационного шлейфа с датчиков; -проведение первичной обработки, если это нужно; -проверка достоверности поступающей информации и запись

в память;

-сохранение информации на диске для последующей обработке.

2.Этап "OFF LINE". Обработка данных, полученных в результате работы в реальном времени Свообще говоря, вне комплекса): -вычисление на базе накопленной информации соответствующих параметров С углов - р, перемещений - s ); -получение вычисляемых параметров на основе заданных параметров объекта и заданного закона управления ; -сравнение измеренного и программного состояний; -получение требуемых характеристик; -сохранение данных для последующей обработки.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассмотрена концепция проектирования комплекса.

Поскольку РТС является полностью управляемой системой, то, измеряя углы и перемещения суставов и считая известными параметры отдельных звеньев, не представляет трудности вычислить и проверить определенный набор траекторных характеристик.

Для этого необходимо решить следующие задачи, связанные с разработкой тестирующего комплекса:

I.Предложить схему разветвления цепи сигналов датчиков обратной связи;

2.Обеспечить передачу сигнала в контроллер; 3.Организовать прием сигнала датчика в контроллере; 4.Обеспечить аппаратную обработку сигнала датчика; 3.Организовать контроль поступающей информации;

6. Реализовать получение мгновенного состояния С"мгновенный снимок") РТС;

7.Разработать интерфейс с компьютером;

8. Выработать такт квантования;

9.Считывать первичную информацию и сформировать "шлейфы";

10. Сохранить полученные "шлейфы";

II. Разработать программы для обработки "шлейфов". (Например, по заданной конфигурации и параметрам РТС представить их как последовательность декартовых то-

чек);

12. На базе последовательности декартовых точек и заданного программного движения вычислить требуемые характеристики.

Выбор связи и согласования контроллера с датчиками. Подключение напрямую к линиям обратной связи по положению Св нашем случае к сигналам инкрементного датчика) - электрически некорректно, так как в этом случае нарушается согласование линии, и появляются новые отражающие поверхности. Это может привести к появлению в линии отраженных волн большой амплитуды. Чтобы избежать эффекта отражений, нужно спроектировать разветвление цепи обратной связи путем организации приема сигналов, идущих от сенсоров, и дальнейшей передачи их в двух направлениях - к стойке» управления и к тестирующему комплексу. Так как все исследования основываются на этой информации, передача информации должна быть организованна надежным способом (без искажения сигналов в каждой ветви цепи).

Считается, что для линии связи (J1C) длины не более I , согласование не требуется. Теоретически для распространения ТТЛ сигнала по ЛС 1гр-30 - 30 см. Но на практике реальная задержка в сигнале ЛС получается больше теоретической, из-за наличия потерь и неоднородностей в линии. Поэтому, на практике линии длиной 15-20 см не нуждаются в согласовании. Вместе с тем для подключения контроллера к линиям инкрементного датчика понадобится ЛС длиной 3-3 метров, что гораздо больше ^ . Поэтому обязательно нужно применить специальные меры по согласованию ЛС.

При передаче цифровой информации по длинным линиям в условиях различного рода помех используются специальные передающие и приемные микросхемы, ориентированные для работы на линии связи, организованной в виде витых пар . На передающем конце ЛС включается микросхема с парафазным выходом (прямым и инвертированным). На принимающем конце линии располагают микросхему приемника с дифференциальным входным каскадом. Приемник выделяет только разностный сигнал, что обеспечивает существенное ослабление синфазных помех, так как помехи в каждом из двух провод-

ников имеют одинаковую полярность и амплитуду. В состав входных каскадов микросхем приемников обычно включен нагрузочный резистор, который выполняет функции согласования и исключает эффект отражений сигналов от конца ЛС. Для повышения помехозащищенности такой ЛС на практике используется стробирование схемы приемника. Это обеспечивает нечувствительность приемника к помехам, действующим внутри такта квантования.

Выбор регистрирующих схем. На рис. 1. представлена структурная схема обычной реализации отсчета импульсов инкрементных датчиков.

Рис. 1.

На вход логической схемы поступают сигналы А и В датчика. После их обработки - определения количества импульсов и дефази-рования, импульсы подаются соответственно к счетчикам 1 или 2, сообразно с направлением движения исполнительного элемента. Разница содержания счетчиков определяет текущее положение датчика. Так как импульсы А и В поступают асинхронно во времени и их частота достигает S00 KHz (граничная рабочая частота инкрементных датчиков), логическая схема и счетчики организуются аппаратно. Программно организуется обработка отсчетов. Счетчики должны обеспечивать весь диапазон отслеживания движения. Их разрядность согласована с тактом считывания информации для осуществления разумного соотношения между аппаратной и программной частями. Условием выбора разрядность счетчика является требование, вытекающее из теоремы Котельникова-Шенона: общий счет импульсов за длительность одного такта квантования не должен превышать g- min ( N, сР >, где N - число импульсов датчика, а n-используемых разрядов счетчика.

Существуют разные способы реализации счетчиков импульсов:

1.Счет отдельно каждого направления движения ( + ,-): -на дискретных ТЛ микросхемах,

-на больших интегральных схемах С таймерах);

2. Счет импульсов с применением реверсивных счетчиков.

Интерес представляет вариант реализации накопления импульсов на реверсивных счетчиках Стаймеры не имеют возможность работать в реверсивном режиме). В этом случае нужно программно обработать только один счетчик, при этом на нем хранится разница накопления импульсов в двух-направлениях. Так как реверсивные счетчики реализуются на дискретных ТТ1. микросхемах - они открыты. Поэтому на них можно реализовать любые аппаратные синхронизации С"защелки" и /или/ синхронизированное преобразование информации), что необходимо для контроля датчика. Исходя из этих соображений, в работе принято решение отсчет импульсов реализовать на базе реверсивных счетчиков.

С целью осуществления "защелки" (осуществления безошибочного считывания и фиксации мгновенного состояния счетчика) нужно предусмотреть программные и аппаратные решения для синхронной фиксации, проводя ее в момент покоя регистрирующих счетчиков Са не в момент переключения). "Защелка" - важное требование при асинхронных отсчетах. В противном случае, из-за запаздывания при чтении второго байта, существует вероятность ошибочного чтения мгновенного состояния слова /16 битов/.

Для осуществления исследования траекторного движения необходимо получение мгновенного состояния С"мгновенного снимка") РТС. Если информация от отдельных степеней подвижности РТС поступает последовательно, то восстановление траекторного движения сильно усложняется. Так как измерение основывается на инкре-ментных датчиках, то требования к мгновенному состоянию ужесточаются, потому что минимальное запаздывание может привести к увеличению ошибки измерения с одной дискреты Стакая ошибка естественно считается нормальной) до двух и более дискрет.

Исходя из таких соображений, в аппаратной части комплекса спроектирована "защелка" по всем исследуемым координатам. Эффект "защелки" распространяется и на дополнительные платы С если

таковые применяются). Для экономии аппаратных средств и с целью повышения быстродействия, "защелка" по всем' координатам и "защелка" слова организованы аппаратно на одном регистре и осуществляются по запросу программного обеспечения.

Так как исследование РТС основано на получаемой с датчиков информации, необходимо проверять достоверность ее поступления. Помехи могут появляться в результате неправильной работы датчика, возмущений в ЛС, сбоев приемника или передатчика. Контроль осущестляется по реперному импульсу С инкрементного датчика. Если накопленные импульсы в счетчике соответствуют требуемым, то информацию, полученную до этого момента tприхода импульса С), можно считать достоверной.

Интерфейс для связи компьютера с регистрирующими счетчиками можно осуществить в виде-памяти, канала с прямым доступом, порта. Основные требования к комплексу - быстродействие, универсальность и низкая себестоимость. Осуществляя разумный компромисс, в работе реализован интерфейс посредством портового обмена. Таким путем достигнуто: стандартное подключение к компьютерам класса IBM PC/XT, минимальные аппаратные затраты и число занимаемых портов, не ограничивается адресное пространство компьютера.

Отсчет состояний сенсоров должен осуществляться через строго фиксированные временные интервалы Стакты квантования). Такт квантования должен быть гибким и обладать большим диапазоном изменения. Одновременно к нему предявляются жесткие требования по точности. Обычно в микропроцессорных системах после истечения временного интервала генерируется прерывание текущего выполняемого процесса и выполняется процесс обработки прерывания, Такая организация обеспечивает самым удачнным образом выполнение перечисленых требований.

Возможны два варианта формирования такого типа прерывания в комьютере типа IBM PC/XT. Первый - реализовать отдельную аппаратную часть для генерации сигнала прерывания. Второй - использовать наличные аппаратные решения в компьютере. Отдельная аппаратная реализация не представляет трудности. Для упрощения аппаратной части комплекса и наиболее экономного расхода ком-

плектующих, встронный системный таймер используемого компьютера задает временные интервалы и формирует аппаратно заявку прерывания. У него есть возможность задавать временные интервалы в диапазоне от 1.6 ¡js до 0.0349s. Если нужен такт длиной больше верхней границы этого диапазона, то возможно его получение программным способом.

Требования к программному обеспечению. Программное обеспечение должно осуществлять управление процессами тестирования и верификации, поддерживать связь с оператором, сбор, накопление, обработку и сохранение информации. Во время стыковки с датчиками необходимо паралельно отслеживать положения датчиков и осуществлять диалог с оператором. Для удобства и универсальности последующей обработки выходные данные тестирования желательно сохранять в доступном виде как текстовый файл.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ выбрана и обоснована архитектура комплекса для исследования и верификации. Обоснованы конкретные аппаратные решения. Предложен интерфейс для осуществления связи компьютер - каналы. Даны два варианта для осуществления разветвления цепи сигнала обратной связи по положению.

Архитектура комплекса связана с двумя этапами проведения испытаний. Для сбора данных в реальном времени предложена архитектура, показанная на рис.2, состоящая из компьютера со своим терминалом, клавиатурой и дисководом; требуемого количества контроллеров для обработки сигналов датчиков и блоков разветвления.

При обработке данных на этапе "OFF LINE" контроллеры и блоки разветвления являются лишними. Дальнейшая обработка проводится только в компьютере и необходимы только накопитель на дисках и внешние устройства для вывода информации С для печати текста или графиков).

Все контроллеры одинаковы кроме одного - так называемого "материнского". Разница состоит в том, что в "материнском" есть генератор синхроимпульсов СГСИ), а в остальных отсуствует. Так экономятся элементы, место на платах и достигается одновременность фиксации мгновенного состояния по всем исследуемым коор-

динатам Сдатчикам).

Основньм элементом архитектуры контроллера является канал С рис.3). В нем осуществляется обработка поступающих с приемника сигналов; анализ направления движения; счет поступающих импульсов; умножение поступающих импульсов на четыре и контроль датчика. В связи с реально существующим ограничением физической

дисковод

контроллер 1

интерфейс

2 3

приемники

БЛОК 1 РАЗВЕТВЛЕНИЯ

компьютер PC/XT

1ВМ

*—+ |

гр2>л

I контроллер 2

г *----1

L

"Г

БЛОК 2 1 РАЗВЕТВЛ. 1

J

монитор

клавиатура

~1—г 1 i

ИНКРЕМЕНТНЫЕ ДАТЧИКИ

В

I контроллер N

Г------1

L

т

J

Г"БЛОК N 1 1 РАЗВЕТВЛ. 1

Рис. 2. Архитектура комплекса для исследования и верификации.

реализации при выбранной элементной базе на одной плате, контроллер состоит из трех каналов. Все три канала одинаковы. Регистр времменного хранения информации используется для осуществления "защелки" счетчика, а также для фиксации "мгновенного снимка" по всем координатам. Контроль поступающей информации осуществляется при помощи регистра контроля. Логическая схема

обработки импульсных последовательностей СА и В) датчика, ис-спользованная в работе, широко используется на практике. Она осуществляет квантование входных сигналов по времени и анализ их состояния и дефазирование. Вырабатывает импульсы на одном из своих выходов в соответствии с дегазированием сигналов А и В датчика С с дефазированием сигналов А и В связано направление движения степеней подвижности РТС). Управление передачи сигналов и синхронизация процессов осуществляется схемой управления каналом. Внутренние регистры каждого канала объединены общей внутриконтроллерной шиной данных (ШД)

от ГСИ

от ГСИ

A,

B.

от датч

wt

схема управления канала

П I v

лигичес-кая cxei1a

от датчика

сброс счетчнха

реверсивный счетчик

управлеше пер»0росхн i контроля

регистр временного хранения состояния

-П-

v

регистр контроля

v

внутриконтроллерная вина данных

ГСИ - Генератор синхроимпульсов А, В, С - Сигналы датчика

Рис.3. Архитектура канала

разрядностью 8 битов. Такая организация выбрана в связи с портовым обменом, который принят для ввода информации Спри обмене через порты в PC/XT передается и принимается 1 байт). Использование внутриконтроллерной шины данных экономит портовое пространство компьютера: контроллер занимает только 4 порта.

Для осуществления синхронизации с внешним миром в каждом контроллере предусмотрены по четыре цифровых выхода и четыре

цифровых входа.

С целью контроля процесса накопления информации аппаратно осуществлена семафорная организация для сохранения содержания счетчика в момент появления С импульса и передача его С содержания счетчика) в регистр контроля.

Аппаратно-программным способом реализовано укорачивание реверсивных счетчиков для универсальности в работе с разными типами инкрементных датчиков (с разным числом импульсов на оборот) .

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ представлена методика (сценарий) и программное обеспечение для проведения тестирования и верификации (испытаний) при помощи спроектированного аппаратно-программного комплекса.

Испытания следует проводить, выполняя следующую последовательность действий:

1.Подключить аппаратуру к объекту исследования.

2.Выбрать тестовый пример. Имеется в виду выбор некоторого движения РТС , которое нужно исследовать.

3.Ввести (из файла, либо с клавиатуры) конфигурационные параметры:

-количество подключенных сенсоров (степеней свободы);

-число импульсов на оборот каждого датчика (для угловых);

-условие старта тестирования;

-условие выхода из тестирования;

-такт квантования;

-число сканируемых точек;

-дельта-окрестности - <5 (зона начала работы программы считывания).

4. Выполнить калибровку аппаратуры по всем сенсорам.

3. Установить объект в заранее известное состояние (например, в начало базовой системы координат). По этому состоянию математическая модель РТС привязывается к реальным координатам.

6.Указать программе, что объект находится в начальной точке.

7. Указать стартовую точку тестового примера С если это нужно). С этой точки С координаты) начинается считывание и накопление информации.

8.Запустить тестовый пример; указав это событие комплексу.

9.Остановить накопление информации.

10. Сохранить собранную информацию в файле.

И. Моделировать РТС, исходя из ее конструктивных параметров.

12.Запустить обработку собранной информации:

-В каждый момент времени tk вычислить собственные координаты исследуемой системы по измеренному коду с датчиков С код —► углы, перемещения <.»з. Ct),s. it)) ); -вычислить декарт. координаты по значениям собственных коорд. С ipi С t) ,s. С t))—»координаты (х^О.у. Ct),2.Ct)>).

13.Вычислить требуемые характеристики.

14.Начертить графики.

Структура программного обеспечения для этапа "ON LINE". На рис. 4 показана структура программного обеспечения для проведения считывания информации при тестировании и верификации РТС. Ядром является управляющая программа. Она осуществляет управление последовательностью проведения процесса испытания и передает управление отдельным модулям.

Назначение отдельных программных модулей:

-Инициализация комплекса - модуль осуществляет задание установочных данных на регистрах аппаратуры и исходных переменных программного обеспечения.

-Настройка комплекса - модуль позволяет задавать и изменять такт' квантования, число подключенных датчиков, условия старта тестирования, условия выхода из процесса считывания информации, число исследуемых точек, ¿-окрестности и т.д.

-Привязка к реперам сенсоров - модуль проводит привязку значений показании счетчиков к реперным импульсам последовательно для всех датчиков, что обеспечивает однозначное определение состояния сенсора внутри одного оборота С для угловых) и внутри интирвала С для линейных). Запускает процесс слежения каждого сенсора.

-Накопление информации - учитывая указанное количество сенсоров и число исследуемых точек, модуль готовит нужное количество ячеек памяти и накапливает получаемую с модуля "считывание" информацию.

привязка

к реперам сенсоров

настройка

комплекса

инициализация комплекса

J

сохранение информации

регистрация ошибок

считывание информации

Рис. 4.

-Привязка к реальным координатам - модуль осуществляет фиксацию tсоздает репер привязки} в момент, когда РТС приведена в точку с заранее известными координатами.

-Регистрация ошибок - модуль предназначен для сохранения обнаруженных некорректных ситуаций, а также для их распечатки или сохранения в файле.

-Считывание информации - модуль проводит в конце такта квантования запрос о фиксации состояния по всем исследуемым координатам и осуществляет последовательное считывание состояния каждого сенсора.

-Сохранение информации - модуль осуществляет запись накопленной информации в файл.

Структура программного обеспечения для этапа "OFF LINE", представлена на рис.5. Из-за огромного многообразия существующих РТС и больших возможностей применения комплекса для тестирования и верификации, создание стандартного универсального

программного обеспечения - проблема довольно обширная. Поэтому предложена стандартная обработка только до этапа вычисления действительных углов и перемещений. Далее задача решается в зависимости от конкретного случая (.конфигурации РТС). Для остальных пунктов предложеного алгоритма показано конкретное решение для исследования робота РМ-01.

таг

Рис. 5.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ при помощи созданного комплекса С контроллер реализован на макетных платах), проведены эксперименты на роботе РМ-01 со стойкой управления С'фера-36.

Эксперименты проводились с целью подтверждения работоспособности комплекса и исследования системы управления робота РМ-01.

Эксперименты подтвердили универсальность спроектированного комплекса по отношению к разным типам инкрементных датчиков. В роботе РМ-01 локальная обратная связь по положению осуществляется разнотипными инкрементными датчиками. Во втором шарнире применяется датчик с 250 импульсами на оборот, а в остальных пяти степенях подвижности используются датчики с 200 импульсами на оборот. Счетчики на макетной плате организованы 12 разрядными С в соответствии с результатами главы 2 это обеспечивает правильную идентификацию параметров).

Эксперименты подтвердили также пригодность предлагаемого программного обеспечения для целей исследования конкретного ПР.

Описан ряд экспериментов, проведенных для исследования СУ Сфера-36 в режиме контурного управления роботом РМ-01. На при-веденых в приложении 2 графиках, показано максимальное отклонение реального движения от программного на заданной траектории. Тамже можно увидеть характер переходного процесса траекторной скорости.

Показано наличие взаимного влияния одной степени свободы на другую. Графики этого эксперимента также находятся в приложении 2.

ВЫВОДЫ

1. Сформулированы требования и поставлена задача о верификации и тестировании СУ РТС на базе встроенных сенсоров.

2.Обоснована возможность аппаратно-программного решения поставленной задачи с минимальными затратами.

3.На базе анализа современных систем управления аргументирован выбор места подключения к системе управления и выбор исследуемых датчиков в РТС.

4. Построена архитектура аппаратной части комплекса. Обоснован выбор схемных решений. Предложенный комплекс требует минимального количества аппаратного оснащения . Не требует дефицитных элементов. Имеет дешевую аппаратную часть.

S.Обеспечена универсальность для проведения испытаний к ряду РТС, оснащенных инкрементными датчиками.

6.Обеспечены одновременность и контроль достоверности пос-

тупающей информации по всем исследуемым датчикам.

7. Обоснована структура программного комплекса. Показаны возможные варианты построения комплекса и обоснован выбор пред-ложеного разделения программного обеспечения комплекса на этапах "ON LINE" и "OFF LINE".

8.Предложена методика проведения испытаний правильности работы СУ РТС. Показаны результаты проведения испытаний робота РМ-01 управляемого стойкой управления Сфера-36. Комплекс и предложенная методика позволяют проводить тестирование и верификацию в рабочих условиях РТС.

9. Комплекс решает проблему автоматизации проведения тестирования и верификации для РТС, оснащенных инкрементными датчиками обратной связи по положению.

10.Проведение тестирования и верификации СУ РТС, оснащенных инкрементными датчиками, может быть стандартизировано, если производители РТС предусмотрят при разработке РТС стандартные выходы, т.е. введение стандартного разъема вывода сигналов датчика после их приема в.стойке управления РТС.