Дипломная работа: Дипломная работа: Разработка программного обеспечения сенсорной системы мобильной платформы iRobot Create

ВВЕДЕНИЕ

Развитие робототехники началось с отраслей, имеющих наиболее жесткую детерминированную среду и процессы, в частности, машиностроения. По мере развития сенсорных средств, систем управления, робототехнические системы стали создаваться и для немашиностроительных отраслей. В первую очередь такие системы требуются в отраслях и областях деятельности человека, где его нахождение или участие опасно для жизни или здоровья. В других случаях использование робототехнических систем позволяет экономить значительные средства на подготовительных роботах, например, в строительстве.

Для работ в недетерминированных условиях в настоящее время развивается особый класс робототехнических систем, называемых в технической литературе "мобильными роботами", отличительной чертой которых является способность к перемещениям в пространстве.

Диапазон применения мобильных роботов чрезвычайно широк:

- роботы используются при исследованиях космического пространства и океанских глубин;

- с помощью роботов проводятся сложнейшие хирургические операции на мозге и сердце. Разработаны роботизированные протезы конечностей и некоторых внутренних органов;

- военная техника становится все умней и самостоятельней – управление движением, контроль обстановки, прицеливание и поражение цели производит машина, а человеку остаются решение тактических задач и техническое обслуживание.

Все это указывает на актуальность исследований в области мобильных роботов, что и определяет направленность данного дипломного проекта [1].

Цель дипломного проекта – разработка программного обеспечения сенсорной системы мобильной платформы iRobot Create.

В дипломном проекте планируется рассмотреть следующие задачи:

– произвести анализ современных мобильных роботизированных систем;

– рассмотреть устройство и функционирование сенсорных систем мобильных роботов;

– разработать программное обеспечение сенсорной системы мобильной платформы iRobot Create.

Разработка раздела “Безопасность жизни и деятельности человека” необходима для проведения анализа опасных и вредных производственных факторов, в данном случае влияющих на разработчика программного продукта, оценки факторов производственной среды и трудового процесса и приведения этих факторов к норме, для обеспечения оптимального с точки зрения сохранения здоровья и работоспособности взаимодействия людей с техническими средствами и окружающей средой. Помимо вышесказанного, в разделе будут рассмотрены вопросы техники безопасности, производственной санитарии и гигиены труда, пожарной профилактики.

В экономической части дипломного проекта будет произведен расчет трудоемкости разработки ПП и заработной платы исполнителей, затраты на разработку, будет рассчитана отпускная цена одной копии программного продукта, а также коэффициент конкурентоспособности и показатель риска разработчика ПП.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1 Общие сведения о мобильных роботах

Поскольку в различных источниках информации нет однозначных определений и терминов по мобильным роботам и общепринятой классификации, вначале необходимо ввести несколько определений.

Прежде всего, общее понятие "робот" трактуется отдельными авторами по-разному. Наиболее подходящим является следующее определение: робот - машина с автоматическим или интерактивным управлением; перепрограммируемая или самообучающаяся; манипуляционная или мобильная; имеющая несколько степеней подвижности; используемая как в детерминированных, так и в недетерминированных средах и процессах.

В предлагаемом определении можно отметить следующие особенности:

– к роботам отнесены системы с интерактивным управлением (т.е. управляемые попеременно – то оператором, то автоматически), это позволяет считать роботами не только системы, оснащенные манипуляторами, но и большой класс появившихся в последнее время устройств, называемых мобильными роботами, которые в большинстве случаев имеют именно интерактивное управление (автономные мобильные роботы, т.е. управляемые полностью автоматически, существуют пока только в лабораторных разработках);

– к роботам не отнесены устройства с ручным управлением, это, конечно, не позволяет отнести к роботам часть мобильных систем с дистанционным ручным управлением (управляемых в течение всего времени только оператором и не имеющих автоматического управления), но если не принять это ограничение, то придется относить к роботам все манипуляторы с ручным управлением (а ими можно подсчитать даже портальные краны, экскаваторы и т.п.), что совершенно неприемлемо, необходимо, однако, учитывать, что в источниках информации мобильные системы с ручным управлением все же часто называются мобильными роботами.

Под мобильными роботами предлагается понимать лишь устройства, перемещения которых производятся по неопределенной (заранее не проложенной), неограниченной траектории.

К роботам предлагается относить только машины, обладающие несколькими степенями подвижности. Это объясняется тем, что исторически сложилось считать машины с одной степенью подвижности просто транспортными средствами.

Отмечая, что мобильные роботы могут применяться как в детерминированных, так и в недетерминированных средах (процессах) подчеркивается, что сфера использования роботов неограниченна (в отличие, например, от промышленных роботов).

Термин "мобильный" робот имеет в различных источниках информации следующие определения:

– движущийся робот [2];

– робот, который установлен на подвижной тележке [3].

Такие определения являются определениями с неоднозначными признаками (критериями). Дело в том, что в новом классе машин, появившемся в последнее время и названном мобильными роботами, имеется не просто перемещение робота на какое-то определенное расстояние, а перемещение робота на колесах, гусеницах или ногах на любое заданное человеком или программой расстояние. Это предполагает отсутствие однозначного, заранее проложенного маршрута перемещения (траектории). Такие роботы обычно обладают развитой сенсорной системой, элементами искусственного интеллекта. Признак не только большей или меньшей независимости от человека-оператора, но также и независимости от однозначной, предварительно определенной траектории содержится в самом названии таких роботов, т.е. автономные мобильные роботы – это роботы, управляемые без участия человека.

В результате сказанного выше предлагается следующее определение: мобильный робот (англ.: mobile robot; locomotive robot) – робот, отличительной чертой которого является наличие локомоционной способности (т.е. способности к переместительным движениям системы в пространстве).

Существуют различные подходы к классификации мобильных роботов.

На Рисунке 1.1 приведена классификация мобильных роботов по сферам их применения.

Рисунок 1.1 – Классификация мобильных роботов по сферам применения

Необходимо отметить, что для работы в недетерминированных условиях могут в подавляющем большинстве случаев использоваться только мобильные роботы. Недетерминированные условия - это или недетерминированные среды или недетерминированные процессы.

К недетерминированным средам предлагается относить природные среды и среды, создаваемые аварийными ситуациями, как в природных условиях, так и при разрушениях зданий и сооружений, спроектированных и созданных человеком [4]. К действиям робота в природных средах относятся действия при горных разработках, полевых сельскохозяйственных работах, лесопосадках, разведке на местности, подводных и подземных работах, определениях радиоактивной зараженности местности, военных действиях при разминировании и патрулировании, обслуживании слепых в качестве поводырей на улице и т.п. К действиям робота при разрушениях созданных человеком сред относятся действия по расчистке завалов, спасательных работах в разрушенных сооружениях и т.п.

К недетерминированным процессам относиться каждый процесс, протекание и результат которого не зависит полностью от целенаправленной деятельности человека. Недетерминированными процессами являются все природные процессы (землетрясения, извержения вулканов и т.п.), пожары, взрывы, уборка сельскохозяйственных продуктов и т.п.

Необходимо отметить, что в детерминированных условиях мобильные роботы используются редко. Детерминированные условия - это или детерминированные среды и (или) детерминированные процессы.

К детерминированным средам относят среды, проектируемые и создаваемые человеком (производственные, бытовые помещения и здания, строительные площадки и другие сооружения). К детерминированным процессам относиться каждый процесс, протекание и результат которого полностью зависит от целенаправленной деятельности человека (деятельности по непосредственному осуществлению процесса, управлению процессом и т.п.)

К примерам использования мобильных роботов в детерминированных условиях относится, например, обслуживание атомных электростанций и других сооружений, пребывание в которых опасно для человека; обслуживание людей в быту в качестве роботов-уборщиц, роботов-сиделок и т.п.

По степени независимости от участия человека-оператора в контуре управления все мобильные роботы могут быть классифицированы на две большие группы [5]:

– с автоматическим управлением (автономные роботы);

– с интерактивным управлением (телеоператоры, телероботы).

Мобильные роботы с автоматическим управлением - роботы, управление которыми осуществляется системой управления без участия человека.

Для того чтобы совершать действия без участия человека (обычно в недетерминированной, изменяющейся среде) роботы должны обладать искусственным интеллектом. В связи с этим, в отличие от других роботов, мобильные роботы с автоматическим управлением в источниках информации обычно называются автономными. Автономные мобильные роботы - это роботы, способные сами (в зависимости от сигналов от датчиков) принимать решение в изменяющейся обстановке. Иногда они называются также самообучающимися мобильными роботами.

Роботы с интерактивным управлением следует признать системами более высокого интеллектуального уровня, чем автономные роботы, т.к. возможности человеческого разума на уровне принятия решения в критических ситуациях превосходят в настоящее время самые развитые системы искусственного интеллекта.

Мобильные роботы с интерактивным управлением - это роботы, которые могут работать, и в автоматическом режиме, и управляться человеком-оператором. В отличие от биотехнических систем (систем с ручным управлением), интерактивные системы имеют устройства памяти для автоматического выполнения определенных действий [6].

По функциональному назначению мобильные роботы классифицируются на следующие группы:

– специального назначения;

– для военных и военизированных применений;

– для экстремальных ситуаций, научных исследований;

– для спортивных, промышленных и бытовых применений.

1.2 Структура мобильного робототехнического комплекса

Любой мобильный робот может быть представлен в виде совокупности трех больших систем - транспортной, специальной и управления [7].

Транспортная система представляет собой транспортное средство, предназначенное для доставки специального и технологического оборудования к месту выполнения поставленной задачи.

Транспортное средство состоит из ходовой части, корпуса и энергетической установки. Как правило, система управления устанавливается внутри корпуса. В зависимости от типа среды эксплуатации ходовая часть может быть гусеничная, колесная, колесно-гусеничная, полугусеничная, шагающая, колесно-шагающая, роторная.

Облик наземного мобильного робота в первую очередь определяется типом и конструкцией движителя, служащего для преобразования в процессе взаимодействия с внешней средой усилия, получаемого от двигателя, в тяговое усилие, движущее транспортное средство.

Выбор типа движителя и его размеров является очень сложной задачей. Практически невозможно создать универсальную конструкцию движителя, дающего возможность одинаково уверенно передвигаться в разнообразных условиях окружающей среды. Множество видов и свойств оснований, сложные пересечения рельефа местности, необходимость перемещения по элементам сооружений и внутри зданий являются причиной создания большого числа компоновочных схем роботов с различными типами движителей.

Основное внимание разработчиков уделяется различным вариантам колесного и гусеничного движителей. Несколько меньшее внимание уделено шагающему движителю. И существенно меньшее - другим типам (например, роторно-винтовому, аппаратам на воздушной подушке и др.).

Для каждого типа движителя существует своя область применения. Так, в качестве движителя многофункционального мобильного робота, предназначенного для использования на труднопроходимой местности, выбирают гусеничный движитель как наиболее универсальный. При преимущественном использовании робота на дорогах более предпочтительным является колесный вариант транспортного средства. Применение шагающих машин перспективно лишь в среде, где скорость колесного или гусеничного движителя уступает скорости шагающего движителя (например, в горной местности, в очагах разрушений и т.п.). При конструировании обычных транспортных средств параметры движителя оптимизируются для наиболее характерных условий применения и поверхностей движения. Однако, для мобильного робота такая оптимизация невозможна в силу неопределенности условий движения. Поэтому в настоящее время движители роботов конструируются с возможностью адаптации к поверхности движения.

Специальные системы служат для непосредственного выполнения поставленных задач. Специальная система состоит из необходимого набора технологического оборудования, состав которого определяется видом решаемой задачи и назначением МР.

Система управления обеспечивает управление движением и работой технологического оборудования, а также адаптивное управление ходовой частью и энергетической установкой с учетом взаимодействия транспортной системы с окружающей средой.

Система управления движением должна также обеспечивать планирование движения в недетерминированных условиях на основе картографической базы, с учетом непрерывно поступающей информации в систему управления от технических органов чувств и навигационной системы.

Сложность системы управления определяется сложностью решаемой задачи, степенью неопределенности внешней среды и требуемой степенью автономности робота.

Именно развитие систем управления определяет развитие робототехнических комплексов в целом, и, в частности, легло в основу классификации мобильных роботов по поколениям. В общем случае система управления содержат три уровня управления: верхний (стратегический), средний (тактический) и нижний (исполнительный), которые имеют встроенные механизмы адаптации, работающие на основе оценки качества реализации планов различного уровня в реальном физическом мире. Организация взаимодействия уровней управления должна позволять принимать решение на том уровне, который в данный момент обладает наиболее достоверной информацией, без передачи управления на более высокий уровень.

Человек (оператор) является в настоящее время неотъемлемой частью системы управления. Функции человека в системе управления определяют ее сложность.

В роботах первого поколения оператор активно участвует в управлении мобильным роботом на всех трех уровнях, вплоть до непрерывного ручного управления исполнительными механизмами. Это упрощает конструкцию системы управления, но усложняет работу оператора. Основные недостатки дистанционного управления обусловлены наличием телевизионного и радиоканалов связи, их невысокой помехозащищенностью, невозможностью сохранять режим радиомолчания, опасностью неожиданного прекращения связи в зонах радиотени.

В роботах второго поколения управление нижнего уровня возложено на бортовую систему управления роботом. Общим для роботов второго поколения является использование обратной связи как в соответствии с текущим состоянием робота, так и в соответствии с состоянием внешней среды.

Третье поколение роботов оставляет человеку только стратегический уровень: система общения с оператором сводится к выдаче задания и принятию отчета о его выполнении. Платить за облегчение жизни оператора приходится весьма дорого: автоматическая система должна обладать универсальностью, гибкостью и широтой возможностей естественного интеллекта. При этом любая решаемая системой искусственного интеллекта дополнительная задача, а тем более класс задач или ситуаций, требует не только разработки специальных алгоритмов решения, но и специализированных технических средств - новых технических органов чувств, спецвычислителей и исполнительных органов, т.е. каждая такая задача представляет собой сложную научно-технологическую проблему.

1.3 Мобильные роботы специального назначения

Мобильные роботы специального назначения применяются при проведении взрывотехнических работ и антитеррористических операций, а также при охране важных объектов.

При этом применение роботов возможно для решения следующих тактических задач [8]:

– при проведении взрывотехнических работ:

1) поиск и диагностика взрывных устройств;

2) уничтожение или эвакуация взрывных устройств;

3) расснаряжение или обезвреживание взрывных устройств;

4) проведение химической и радиационной разведки объектов и территорий;

– при проведении антитеррористических операций:

1) постановка радиоэлектронных помех, дымовых и специальных завес;

2) доставка и применение спецсредств нелетального действия;

3) скрытое проникновение на захваченные и охраняемые объекты;

4) ведение радиоэлектронной аудио- и видеоразведки объектов и территорий;

5) разрушение преград (двери, стены);

6) ведение отвлекающего огня, выявление огневых точек противника;

– при охране объектов:

1) патрулирование территории или периметра объекта;

2) пресечение попыток проникновения на объект;

3) нейтрализация нарушителей.

Указанные операции проводятся на разных объектах и в разнообразных условиях:

– на объектах общественного транспорта (городской транспорт, железнодорожный, авиационный, морской, автомобильный);

– в местах проживания и жизнедеятельности людей (квартиры, дома, офисы и др.);

– на промышленных объектах (объекты химической промышленности, ядерного технологического цикла и пр.);

– на объектах городской инфраструктуры (канализация, теплостанции, водопровод и т.п.);

– на открытой местности, на сильно пересеченной местности, в лесах и т.д.

Специфика операций, условия эксплуатации и функциональное назначение мобильного робота определяют его конструктивные особенности, степень сложности системы управления, массогабаритные характеристики и состав специального оборудования.

К мобильному роботу предъявляются следующие общие требования:

– робот должен иметь высокие подвижность и проходимость в городских условиях, внутри зданий и сооружений, в зонах разрушений, на пересеченной местности, как на твердых гладких покрытиях, так и на деформируемых грунтовых основаниях;

– робот должен надежно действовать как в неподготовленных естественных условиях, так и в среде, специально приспособленной для обитания человека (внутри домов, в транспортных коммуникациях), вписываться в городские транспортные потоки или двигаться в составе транспортных колонн;

– конструкция робота должна обеспечивать его высокую мобильность и быстрое развертывание при выполнении спецопераций.

Для выполнения вышеуказанных задач спецподразделения имеют следующие основные группы мобильных роботов:

– мобильный робототехнический комплекс (МРК) - универсальные наземные роботы, предназначенные для действий на объектах транспорта, промышленности, городской инфраструктуры и т.д., на открытой слабопересеченной местности;

– малогабаритный дистанционно пилотируемый летательный аппарат (МДПЛА) – воздушный робот для проведения разведки на открытой местности, сильно пересеченной местности, в горах, в городе;

– специальные робототехнические комплексы – роботы, способные перемещаться по вертикальным и наклонным поверхностям промышленных объектов и транспортных средств, а также в трубопроводах и узких местах.

Мобильные робототехнические комплексы применяются при:

– боевом обеспечении спецопераций (заградительный огонь, разведка боем, разрушение заграждений и т.п.);

– проведении разведки;

– проведении взрывотехнических работ (поиск, извлечение, транспортирование и обезвреживание или уничтожение взрывоопасных предметов и неразорвавшихся боеприпасов);

– обеспечении безопасности важных объектов.

По массе (и, следовательно, мобильности) и основному назначению МРК можно разделить на 4 группы:

– сверхлегкие, массой до 35 кг (рис. 1.2);

– легкие, массой до 150 кг;

– средние, массой до 800 кг;

– тяжелые, массой свыше 800 кг.

Мобильный робот МРК-01 предназначен для проведения инспекционных проверок, поиска и уничтожения взрывоопасных предметов, имеет массу 20 кг, поэтому относится к классу сверхлегких МРК. Он имеет следующие технические характеристики: габаритные размеры – 0,57´0,48´0,21 м; скорость передвижения – 0–2,5 км/ч; трансмиссия – электромеханическая; движитель – колесный.

В мировой практике наибольшее развитие получили сверхлегкие, легкие и робототехнические комплексы первых трех групп. Это обусловлено их маневренностью, возможной быстрой технической адаптацией к конкретному виду проводимой операции или выполняемых работ, а также относительно небольшими материальными и экономическими затратами на их производство и эксплуатацию. Основное назначение этих роботов – охрана помещений важных объектов, борьба с террористическими акциями, поиск и обезвреживание взрывоопасных предметов.

Изначально заложенный в конструкцию большинства роботов модульный принцип позволяет создавать многофункциональные комплексы, используя единую транспортную систему в качестве базовой и формируя рабочую систему при установке сменного вооружения или рабочего оборудования и требуемой системы управления.

Для роботов массой до 800 кг разрабатываются оригинальные специализированные транспортные модули. Так робот МРК-25, показанный на рисунке 1.2, имеет конвертируемую ходовую часть. Складывание гусеничного обвода дает возможность роботу маневрировать в стесненных условиях (например, разворачиваться на лестничных площадках) и обеспечивает перевозку робота в джипе или микроавтобусе. Этот робот имеет массу 186 кг; габаритные размеры – 0,95´0,65´0,9 м; скорость передвижения – 0–1,1 км/ч; радиус действия – 100 м; грузоподъемность манипулятора – 12 кг; усилие захватывания захватного устройства – 200 Н.

Рисунок 1.2 – Мобильный робототехнический комплекс МРК-25 (МГТУ им. Н.Э. Баумана)

Более тяжелые робототехнические системы используют в качестве базовых шасси серийно выпускаемые образцы военной и гражданской транспортной техники. Робот ETODS (США, ОАО) выполнен на базе погрузчика типа “Bobcat” (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 – Транспортное средство роботизированной системы разминирования ETODS

Конструктивно универсальные мобильные роботы представляют собой малогабаритные самоходные средства, оснащаемые разведывательной аппаратурой, набором сменного рабочего оборудования и инструмента [9]. Рассчитаны на дистанционное управление оператором, ведущим наблюдение непосредственно или с помощью телевизионной камеры. В состав установленных на роботах комплексов приборов и оборудования входят:

– телевизионная аппаратура (на современных образцах, как правило, цветного изображения), включающая телевизионные камеры (до четырех единиц) и портативные мониторы, по которым оператор ведет наблюдение за местностью и управляет работой машины;

– осветительные средства (прожекторы) для подсветки при действиях в темное время суток и низких уровнях освещенности;

– манипуляторы для захвата, перемещения и транспортирования объектов;

– портативная рентгеновская аппаратура для обследования на месте обнаруживаемого объекта и определения степени его опасности;

– оборудование для уничтожения на месте взрывоопасных предметов (наибольшее распространение получили гидродинамические разрушители, используемые для уничтожения самодельных взрывных устройств в неметаллических оболочках, ацетиленовые горелки для сжигания неметаллических мин и гладкоствольные ружья для стрельбы тяжелыми пулями-болванками);

– набор инструмента для разборки, отделения или вывода из строя отдельных компонентов обнаруженного боеприпаса в целях его нейтрализации;

– набор стетоскопов для прослушивания работы часовых механизмов взрывателей замедленного действия, а также зеркал для обследования отдельных компонентов подозрительного объекта, расположенных в труднодоступных местах.

Сами машины выполняются на шасси из алюминиевых сплавов и легированной стали с колесной, гусеничной или сменной (быстро заменяемой с колесной на гусеничную и обратно) ходовой частью. На шасси смонтирован полноповоротный (как правило) манипулятор, приспособленный для установки сменного рабочего оборудования, аппаратуры или инструмента. В качестве энергетической установки чаще всего служат электрические аккумуляторы, их емкости обычно достаточно для работы в течение нескольких часов, однако возможно применение двигателя внутреннего сгорания или питание от внешнего источника электроэнергии. При использовании аккумуляторов привод ходовой части машины и рабочего оборудования обычно электромеханический, а двигателя внутреннего сгорания – гидравлический. Дистанционное управление работой машин осуществляется по радио (на дальности до 4000 м), по волоконно-оптической линии связи (на расстоянии до 400 м), либо по кабелю (на расстоянии до 100 м).

Малые масса и габариты дистанционно управляемых машин допускают их перевозку к месту выполнения работ легкими транспортными средствами, а их выгрузка и погрузка производятся по легким аппарелям своим ходом. Низкое расположение центра тяжести и наличие легких гусениц позволяют машине преодолевать крутые подъемы и спуски, в том числе лестничные марши, проникать в небольшие помещения и работать на весьма ограниченной площади.

Малогабаритные дистанционно пилотируемые летательные аппараты (ДПЛА) появились в начале 80-х годов [10]. Это был новый класс беспилотных разведчиков. Пионерами в этой области стали израильтяне, первыми создавшие и с большим успехом применившие миниДПЛА в ходе боев с Сирией в долине р. Бекаа (Южный Ливан) в 1982 г. Вслед за Израилем к работам в этом направлении приступили СССР, США, Великобритания, Франция, Италия, Канада, Китай, Ирак и другие страны, как обладающие развитой авиапромышленностью, так и имеющие лишь авиаремонтную базу.

ДПЛА способны:

– вести воздушную визуальную разведку местности;

– вести радиационную, химическую и бактериологическую разведку;

– обеспечивать ретрансляцию радиосигналов;

– поражать цели, доставлять к цели специальные технические средства.

В настоящее время отсутствует единая и четкая классификация ДПЛА. В частности, принято подразделять беспилотные аппараты по различным признакам:

– в зависимости от применяемой системы управления – на совершающие полет по программе или по радиокомандам (последние часто называются дистанционно пилотируемыми, или телеуправляемыми). Считается, что дальность действия ДПЛА с радиокомандной системой наведения значительно меньше, чем у аппаратов, совершающих полет по программе, поскольку управление ведется, как правило, в УКВ диапазоне и определяется дальностью прямой видимости;

– по стартовому (взлетному) весу и размерам – на малоразмерные (иногда их еще называют миниатюрными), среднеразмерные и крупноразмерные. Судя по сообщениям иностранной прессы, сейчас основные усилия западные специалисты направляют на создание малоразмерных ДПЛА, сравнимых по своим весовым и габаритным характеристикам с радиоуправляемыми моделями самолетов и вертолетов;

– по выполняемым задачам – на разведывательные, радиоэлектронной борьбы и многоцелевые;

– по типу – ДПЛА самолетного типа; вертолетного типа и автожиры; подъемно-привязные системы; газонаполненные аппараты (дирижабли и аэростаты).

В состав воздушных робототехнических средств входят дистанционно пилотируемые летательные аппараты (ДПЛА), несколько транспортных средств, обеспечивающих старт, обслуживание и управление.

В качестве силовой установки на ДПЛА применяются авиационные поршневые или турбореактивные двигатели, а для обеспечения их старта (взлета) с земли – пороховые сбрасываемые ускорители. Возвращающиеся с задания беспилотные аппараты спускаются на парашюте или подхватываются в конце глиссады снижения специальной сетью, иногда они производят посадку с помощью шасси.

Состав бортовой аппаратуры определяется главным образом возлагаемыми на ДПЛА задачами: на разведывательных используются аэрофотоаппараты (АФА), телевизионные камеры, инфракрасные (ИК) станции, аппаратура радиотехнической разведки. Аппараты могут нести на борту станции постановки активных помех, устройства выбрасывания противорадиолокационных отражателей и т.д.

В последние годы во многих странах повысился интерес к малогабаритным ДПЛА, обладающим вертикальным взлетом и посадкой. выполненным по вертолетной схеме (рис. 1.4). Подобные МДПЛА характеризуются существенно малой массой (до 50 кг) и габаритами, что позволяет осуществлять их перевозку неспециализированным транспортом и быстрое развертывание на месте применения.

Круг задач, решаемых МДПЛА вертолетного типа, весьма обширен:

– визуальный и технический контроль обширных труднодоступных территорий;

– профилактический контроль местности и объектов;

– поиск людей и объектов;

– доставка медикаментов и грузов.

Рисунок 1.4 – Дистанционно управляемый вертолет

С середины 90-х гг. в США ведутся разработки миниатюрных летательных аппаратов - микроДПЛА (рис. 1.5).

Рисунок 1.5 – МикроДПЛА (AeroVironment Inc., США)

МикроДПЛА представляют собой дистанционно пилотируемых устройства с габаритами не более 15 см, дальностью полета около 10 км, скоростью 10-20 м/с и временем полета до 1 ч.

В качестве полезной нагрузки используются миниатюрные цифровые камеры, датчики, специальные технические средства.

1.4 Боевые роботы

Боевой мобильный робот (или военный робот) - автоматическое устройство, заменяющее человека в боевых ситуациях для сохранения человеческой жизни или для работы в условиях несовместимых с возможностями человека в военных целях: разведка, боевые действия, разминирование и т.п.

Боевыми роботами являются не только автоматические устройства с антропоморфным действием, которые частично или полностью заменяют человека, но и действующие в воздушной и водной среде, не являющейся средой обитания человека (авиационные беспилотные с дистанционным управлением, подводные аппараты и надводные корабли). Устройство может быть электромеханическим, пневматическим, гидравлическим или комбинированным.

В настоящее время большинство боевых роботов являются устройствами телеприсутствия, и лишь немногие модели имеют возможность выполнять некоторые задачи автономно, без вмешательства оператора [11].

Существуют следующие виды боевых роботов:

– воздушные (БПЛА);

– мобильные робототехнические комплексы;

– морские (надводные или подводные).

В общем случае боевые БПЛА используются для ведения разведки, нанесения ударов по наземным целям, корректировки огня и т.д. Существуют следующие модели БПЛА: Ка-37; Ка-137; ПС-01 «Комар»; Шмель-1 – прототип беспилотного летательного аппарата Пчела-1Т; Пчела-1Т; ВР-2; ВР-3; Ту-123 «Ястреб» (ДБР-1) – cверхзвуковой дальний беспилотный разведчик; Ту-130; Ту-141 «Стриж»; Ту-143 «Рейс»; Ту-243 «Рейс-Д» – дозвуковой разведчик; Ту-300 «Коршун»; «Скат» – дозвуковой ударный; ZALA 421-08; Эльф-Д. Рассмотрим подробнее некоторые из боевых воздушных роботов.

БПЛА «Скат» (рис. 1.6) – разведывательный и ударный беспилотный летательный аппарат. Впервые был представлен на авиасалоне МАКС-2007 в качестве полноразмерного макета, предназначенного для отработки конструкторско-компоновочных решений.

Рисунок 1.6 – БПЛА «Скат»

Этот летательный аппарат выполняет ведение разведки, нанесение ударов по наземным целям авиабомбами и управляемыми ракетами Х-59, уничтожение радиолокационных систем ракетами Х-31.

ZALA 421-08 – сверхмалый беспилотный летательный аппарат. Этот робот предназначен для наблюдения, целеуказания, корректировки огня, оценки ущерба.

Весь комплекс состоит из системы управления и двух аппаратов. Полевая комплектация предусматривает компактный ручной электрогенератор для зарядки аккумуляторов. В качестве сменной полезной нагрузки в стандартном варианте на борту установлены две цветные камеры: одна смотрит вниз и вперёд, вторая поворотная по крену смотрит вниз-вбок.

Весь комплекс состоит из системы управления и двух аппаратов. Полевая комплектация предусматривает компактный ручной электрогенератор для зарядки аккумуляторов. В качестве сменной полезной нагрузки в стандартном варианте на борту установлены две цветные камеры: одна смотрит вниз и вперёд, вторая поворотная по крену смотрит вниз-вбок. В качестве дополнительных полезных нагрузок выступает тепловизор и фотокамера. Маршрут БПЛА можно изменять в реальном времени. Если оператора интересует какой-то объект более подробно, он просто нажимает пальцем на сенсорный экран ноутбука, и выбирает например фигуру «круг влево» и ZALA 421-08, закладывая левый вираж, начинает делать «воронку», непрерывно удерживая цель в объективе бортовой камеры. Запускается ZALA 421-08 с рук. Метод посадки - автоматически с парашютом.

Следующий вид боевых роботов, которые необходимо рассмотреть – это мобильные робототехнические комплексы. Ознакомимся более подробно с некоторыми из моделей современных боевых МРК.

МРК Guardium (рис. 1.7) - беспилотный военный автомобиль. Создан израильской фирмой G-NIUS, принадлежащей израильским оборонным компаниям «Эльбит Маарахот» и «Таасия Авирит». Предназначен для патрулирования, сопровождения автоколонн, ведения разведки и охраны. Guardium построен на базе четырехколесного багги, обеспечивающего повышенную проходимость на пересеченной местности. Поступил на вооружение Армии обороны Израиля в начале 2009 года.

МРК Swords (сокращение от Special Weapons Observation Reconnaissance Detection Systems) – специальная боевая система наблюдения и разведки.

Создан компанией Фостер-Миллер TALON Робот. По утверждению производителя робот предназначен для действий в городе, способен предолевать песок, воду и снег (до 30,48 м глубины), а также осуществлять подъем по лестнице.

Рисунок 1.7 – Беспилотный военный автомобиль Guardium

Он рассчитан на 8,5 часов работы от батарей в нормальном эксплуатационном режиме - ожидания до 7 суток. Контролируется оператором на расстоянии до 1000 метров. Он весит около 45,36 кг или 27,22 кг в версии для разведки.

Есть целый ряд различных видов оружия, которые могут быть размещены на SWORDS: винтовки M16, 5,56-мм SAW M249, 7,62 мм пулемет M240, винтовки Барретт M82.50, шестиствольный 40-мм гранатомет или четырехствольный 66 мм M202A1 FLASH.

1.5 Бытовые мобильные роботы

Изначально роботы появились в наших домах в виде роботов-игрушек. Одним из первых примеров удачной массовой промышленной реализации роботов-игрушек стала собачка AIBO корпорации Sony (рис. 1.8).

Рисунок 1.8 – Робот-собака AIBO

Она имеет множество модификаций, первая модель была выпущена в 1999 году. AIBO умеет ходить, «видеть» окружающие его предметы с помощью видеокамеры и инфракрасных датчиков расстояния, распознавать команды и лица. Робот является полностью автономным: он может учиться и развиваться, основываясь на побуждениях своего хозяина, обстановки, или другого AIBO. Несмотря на это, он поддаётся настройкам с помощью специальных программ. Существует программное обеспечение имитирующее «взрослую собаку», которая сразу использует все свои функции и программное обеспечение имитирующее «щенка», который раскрывает свои возможности постепенно.

Однако сейчас самыми распространенными бытовыми роботами являются роботы-пылесосы. Существуют такие модели этих устройств – Roomba (производитель – iRobot), Trilobite (производитель – Electrolux), Karcher RC3000 (производитель - Karcher).

Roomba - роботизированный пылесос, разработанный и продаваемый iRobot (рис. 1.9). Устройство представляет собой диск 34 см в диаметре и менее 9 см в высоту. Большой контактный сенсор установлен в передней части устройства, с инфракрасным датчиком по центру в верхней передней части. Для работы Roomba использует внутренние аккумуляторы и нуждается в регулярной подзарядке от настенного модуля. Новые модели третьего поколения имеют возможность поиска зарядного устройства, связываясь с ним через инфракрасный датчик. Roomba имеет небольшую высоту. Он достаточно низкий, чтобы пройти под кроватью или другой мебелью. Если он поймет, что застрял, он перестанет двигаться, и начнет подавать звуковые сигналы, помогающие владельцу его обнаружить.

Рисунок 1.9 – Робот-пылесос Roomba

Другой класс устройств – сторожевые или охранные роботы. iRobot Corporation представила универсального домашнего робота-тележку iRobot-LE, управлять которым можно из любой точки мира через любой web-браузер.

Для этого робот оборудован всем необходимым: видеокамерой, микрофонами, движителем, позволяющим даже самостоятельно подниматься по стандартным лестницам, бортовым компьютером класса Pentium II, беспроводным доступом в Интернет, датчиками и сенсорами, предотвращающими столкновения и даже позволяющими почувствовать запах гари. В качестве бортовой операционной системы используется Linux.

2. ДАТЧИКИ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

2.1 Сенсорные системы

Сенсорные системы предназначены для получения информации о внешней среде и положении робота в ней. В отдельных системах роботов имеются также различные чувствительные устройства – датчики, необходимые для функционирования этих систем (например, датчики обратной связи в приводах, во вторичных источниках питания и т.п.) [12]. Эти устройства, ориентированные на внутренние параметры робота, не специфичны для него в целом и не относятся к сенсорным системам робота.

Но выявляемым свойствам и параметрам сенсорные системы можно разделить на следующие 3 группы:

– системы, дающие общую картину окружающей среды с последующим выделением отдельных объектов, значимых для выполнения роботом его функций;

– системы, определяющие различные физико-химические свойства внешней среды и ее объектов;

– системы, определяющие координаты местоположения робота и параметры его движения, включая его координаты относительно объектов внешней среды и усилия взаимодействия с ними.

К сенсорным системам первой группы относятся системы технического зрения и различного типа локаторы. Вторая группа сенсорных систем наиболее многообразна. Это измерители геометрических параметров, плотности, температуры, оптических свойств, химического состава и т.д. Третья группа сенсорных систем определяет параметры, относящиеся к самому роботу. Это измерители его географических координат в пространстве от спутниковых систем до использующих магнитное поле Земли, измерители угловых координат (гироскопы), измерители перемещения и скорости, в том числе и относительно отдельных объектов внешней среды вплоть до фиксации соприкосновения с ними.

В составе робота все эти сенсорные системы ориентированы на обслуживание двух исполнительных систем – передвижения и манипуляции.

Это определяет и основные требования к сенсорным системам – дальность действия, точность, быстродействие и т.д.

Сенсорные системы, используемые в системах передвижения робота, подразделяются на системы, обеспечивающие навигацию в пространстве и системы, обеспечивающие безопасность движения (предотвращение столкновений с препятствиями и опрокидываний на уклонах, попадания в недопустимые для робота внешние условия и т.п.).

Сенсорные системы, обслуживающие манипуляторы, тоже образуют две подгруппы: системы, входящие в контур управления движением манипулятора, и системы, очувствления его рабочего органа. В число последних систем часто входят размещенные у рабочего органа манипулятора системы технического зрения и измерители усилий.

Важным параметром сенсорных систем является дальность действия. По этому показателю сенсорные системы роботов можно разделить на контактные, ближнего, дальнего и сверхдальнего действия.

Контактные сенсорные системы применяются для очувствления рабочих органов манипуляторов и корпуса (бампера) мобильных роботов. Они позволяют фиксировать контакт с объектами внешней среды (тактильные сенсоры), измерять усилия, возникающие в месте взаимодействия (силомоментные сенсоры), определять проскальзывание объектов при их удержании захватным устройством. Контактным сенсорным системам свойственна простота, но они накладывают существенные ограничения па динамику и прежде всего на быстродействие управления роботом.

Тактильные сенсоры помимо получения информации о контакте применяются и для определения размеров объектов (путем их ощупывания) [13]. Они реализуются с помощью концевых выключателей, герметизированных магнитоуправляемых контактов, на основе токопроводящей резины ("искусственная кожа") и т.д. Важным требованием, предъявляемым к этим устройствам, является высокая чувствительность (срабатывание при усилии в единицы и десятки грамм), малые габариты, высокая механическая прочность и надежность.

Сенсорные системы ближнего действия обеспечивают получение информации об объектах, расположенных в непосредственной близости от рабочего органа манипулятора или корпуса робота, т.е. на расстояниях, соизмеримых с их размерами. К таким системам относятся оптические локаторы, дальномеры, дистанционные измерители плотности грунта и т.п. Такие бесконтактные устройства технически сложнее контактных, но позволяют роботу выполнять задание с большей скоростью и заранее выдавать информацию о различных объектах до соприкосновения с ними.

Сенсорные системы дальнего действия служат для получения информации о внешней среде в объеме всей рабочей зоны манипуляторов роботов и окружающей среды мобильного робота.

Сенсорные системы сверхдальнего действия применяются главным образом в мобильных роботах. К ним относятся различные навигационные системы, локаторы и другие сенсорные системы соответствующей дальности действия. Эти устройства находят применение и в стационарных роботах при работе с подвижными объектами, чтобы заранее предвидеть их появление в рабочей зоне.

В бесконтактных сенсорных системах для получения требуемой информации используются излучаемые ими специальные сигналы (оптические, радиотехнические, ультразвуковые и т.д.) и естественные излучения среды и ее объектов. В зависимости от этого различают активные и пассивные сенсорные системы. Активные сенсорные системы имеют передатчик, излучающий первичный сигнал, и приемник, регистрирующий прошедший через среду прямой сигнал или вторичный сигнал, отраженный от объектов среды. Пассивные системы имеют, естественно, только приемное устройство, а роль излучателя играют сами объекты внешней среды. Поэтому пассивные сенсорные системы обычно технически проще и дешевле активных, но менее универсальны. Для некоторых применений важна также скрытность действия пассивных систем. Заметим, что все органы чувств человека являются пассивными. Однако у некоторых животных (летучие мыши, дельфины), поскольку подобные системы и, прежде всего, зрение не обеспечивают их необходимой информацией, существуют и активные сенсорные системы.

Наконец, сенсорные системы роботов можно разделить на системы с фиксированным направлением восприятия и с переменным (сканирующие).

В настоящее время для очувствления роботов наиболее широкое применение получили системы технического зрения, локационные, силомоментные и тактильные.

2.2 Датчики роботов и их интерфейсы

2.2.1 Датчики соударений и наклона

Как правило, датчик соударений представляет собой выключатель, подающий информацию логического типа. Выключатель может находиться в одном из двух положений - разомкнутом или замкнутом. Может показаться, что эту информацию легко преобразовать для использования в программе.

В физическом смысле датчики соударений представляют собой выключатели концевого типа, или кнопки [14].

Они используются в качестве бамперов мобильных роботов на колесах, а также для остановки вращения оси, пришедшей в положение соприкосновения с ограничительным упором.

На рисунке 2.1 представлены схемы интерфейса для датчиков такого типа.

Как правило, в состоянии покоя выключатель находится в разомкнутом положении, но это необязательно. Важным является то, что, когда датчик находится в состоянии покоя, в центр управления подается верхний уровень напряжения, определяемый нагрузочным резистором. Это необходимо по двум причинам. Первая заключается в потребляемом токе, так как предполагается использование датчика только в определенные моменты, а вторая – в том, что резистор зачастую устанавливается на плате управления, вблизи физических входов процессора.

Рисунок 2.1 – Интерфейс для датчика соударений

У этих датчиков имеется серьезный недостаток: контакт не замыкается сразу. Появляется эффект дребезга контакта, который может быть неправильно интерпретирован центром управления. Решение этой проблемы заключается во введении в программу достаточно длительной задержки, перекрывающей интервал времени дребезга контакта, между двумя интервалами времени чтения этих входов. Такое решение используется в программах, имеющих узел реального времени.

Датчики наклона предназначены для использования на пересеченной местности, но не просто найти модель, указывающую наклон с большой точностью до двух градусов наклона и более.

Положение датчика очень важно во избежание получения ложной информации. Малейшее ускорение робота вызывает срабатывание датчиков. Необходимо установить несколько датчиков для проверки истинности полученной информации и дождаться остановки робота для прочтения их значения.

Интерфейсы датчиков наклона идентичны интерфейсам, предназначенным для датчиков соударений.

2.2.2 Оптические датчики

Оптические датчики включают в себя фоторезисторы, фототранзисторы, фотодиоды, пироэлектрические датчики и видеокамеры. Выбор того или иного типа зависит от таких параметров, как длина волны оптического спектра излучения или скорость считывания показаний датчика. Длиной волны определяется цвет источника света, который может меняться от ультрафиолетового до инфракрасного, проходя через видимую область спектра. На рисунке 2.2 показаны области известных источников света.

Рисунок 2.2 – Длины волн оптического спектра излучений

Время срабатывания представляет собой важный фактор времени расчета для подтверждения информации. Фотодиоды и фототранзисторы являются самыми быстрыми, а фоторезисторы и видеокамеры - более медленными.

Эти датчики могут оснащаться как простыми электронными интерфейсами подобно датчикам соударений, так и сложными интерфейсами, необходимыми, например, для видеокамеры. Данные, получаемые от датчика, могут быть аналоговыми или цифровыми в зависимости от выбранного интерфейса. Для улучшения чувствительности при конкретном применении может понадобиться дополнительный источник света. Например, кодированное ИК-сообщение информирует робот-пылесос о местонахождении разъема для зарядки батареи.

Фоторезистор представляет собой полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от освещенности, при уменьшении которой его сопротивление увеличивается. Очень просто изготовить интерфейс для данного компонента с аналоговым входом для подключения платы управления. Достаточно всего одного резистора в паре с фоторезистором. При помощи резистора мы создаем делитель напряжения, выходное значение которого зависит от освещенности (рис. 2.3).

Рисунок 2.3 – Интерфейс для фоторезистора

Этот датчик очень чувствителен к видимому свету, соответственно, данная информация может быть очень полезна для управления роботом. Подобно человеку датчик должен быть способен различать градации света: темноту, затемненные зоны и изменения яркости света.

ИК-датчиками являются фототранзисторы или фотодиоды.

Фототранзистор и фотодиод обладают максимальным покрытием ИК-области спектра, но их также можно применять и в красной области спектра. Фотодиод имеет более быстрое время срабатывания, чем фототранзистор.

Фотодиоду отдают предпочтение, когда необходимо обнаружение кодированного сообщения, например, при приеме сигналов пультом дистанционного управления телевизора. Но для усиления принятого сигнала необходим интерфейс, и, соответственно, фотодиод не может подключаться непосредственно к плате управления.

Фототранзистор используется в качестве замены фоторезистора для обнаружения быстрых перепадов освещенности окружающего пространства. Как и фоторезистор, фототранзистор подключается непосредственно к плате управления при помощи простого интерфейса (рис. 2.4).

Рисунок 2.4 – Интерфейс для фототранзисторов и фотодиодов

Фототранзисторы часто используются совместно с излучателем фотонов – источником света, например светодиодом (французское обозначение - Del, английское обозначение -Led). Эти совместно работающие компоненты называются оптопарой и в зависимости от ориентации могут образовывать датчик отражения или оптокоммутатар. Схема включения неизменна для обоих типов датчиков (рис. 2.5).

Рисунок 2.5 – Интерфейс для датчика отражения и оптокоммутатора

Для сведения к минимуму влияния окружающего света на датчик используется ИК-модель светодиода. Светодиод настраивается на оптимальное значение светового излучения при помощи переменного резистора, которым регулируется количество излучаемых фотонов. Это позволяет избежать насыщения приемника, в результате которого приемник становится непригодным для использования. Сопротивление нагрузки фототранзистора зависит от модели. Оптимальное значение сопротивления подбирается опытным путем.

Датчик отражения используется для обнаружения градаций монохромного (черно-белого) цвета на плоской поверхности. Темная поверхность поглощает излученные фотоны, и транзистор остается в закрытом состоянии. Светлая поверхность отражает свет в направлении фототранзистора, в результате чего происходит его насыщение - транзистор переходит в другое, открытое, состояние.

Таким же образом возможно обнаружение и других цветов, например зеленого. Оптимальное расстояние обнаружения составляет порядка 5 мм. При изменении этого расстояния характеристики датчика заметно ухудшаются.

2.2.3 Детекторы приближения

Очень полезно уметь уклоняться от столкновения с неподвижным или мобильным препятствиями. Столкновение может привести к неожиданным последствиям. Итак, данное умение - очень ценное преимущество робота.

Для обнаружения препятствий, расположенных на небольшом расстоянии, можно использовать излучающий ИК-светодиод с небольшим фотоприемником. В совокупности компоненты называют оптопарой.

Используемый принцип обнаружение препятствия близок к принципу работы датчика отражения, но с одним усовершенствованием. ИК-излучение должно быть не непрерывным, а импульсным, что позволит исключить паразитные ИК-излучения (солнечный свет, источник тепла). При наличии препятствия перед роботом излучение отражается и принимается приемником. Но эффективность этой системы зависит от мощности излучения, угла отражения, происхождения и цвета препятствия.

Импульсное излучение модулирует несущую волну на частоте 40 кГц. Эта частота является стандартной несущей частотой всех коммуникационных систем, использующих ИК-излучения (пульты дистанционного управления телевизорами и прочие приборы). Излученный сигнал принимается специальным приемным модулем, который включает в себя фотодиод, усилитель и демодулятор, работающий на частоте 40 кГц. Модуль после демодуляции преобразует ее в цифровую форму и в уровнях, непосредственно совместимых с уровнями сигналов на входах платы управления.

Для обеспечения достоверности информации необходимо, чтобы продолжительность излучения составляла примерно 1 мс, а между излучениями выдерживалась пауза длительностью 1 мс. Во время излучения выполняется чтение приемника, наличие препятствия подтверждается отсутствием сигнала приемника при отсутствии излучения. Указанные промежутки могут быть сокращены при испытаниях в конкретной ситуации.

Схема датчика представлена на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 – Схема детектора приближения

Для увеличения или уменьшения расстояния обнаружения можно изменить номинал резистора.

Функция измерения расстояния обеспечивает проверку положения робота, рассчитанного другими способами. Долгое время измерение расстояния являлось прерогативой ультразвуковых систем из-за относительно небольшой стоимости по сравнению с лазерными телеметрическими датчиками. Ситуация изменилась после разработки технологичных телеметрических ИК-датчиков. Они обеспечивают достаточно точно измерение расстояний в пределах от 10 до 80 см при помощи инфракрасного излучения.

Для расчета расстояния или наличия объекта в поле зрения эти датчики используют триангуляцию совместно с сетью фотодиодов. Идея заключается в излучении коротких и мощных ИК-импульсов, которые отражаются объектом или теряются, если не попали в поле его зрения. В случае отражения на детектор поступает луч в точке, образующей треугольник с точкой излучения и обнаруженным объектом (рис. 2.7).

Угол отражения в треугольнике меняется в зависимости от расстояния до обнаруженного объекта. Точность датчика повышается линзой детектора. Фазочувствительный детектор положения определяет угол отражения и рассчитывает расстояние до объекта. Этот способ позволяет исключить влияние окружающего освещения, а также цвета обнаруженного объекта. Соответственно, возможно обнаружить черную стену при полном освещении помещения.

Рисунок 2.7 – Принцип работы телеметрических ИК-датчиков [13]

2.2.4 Пироэлектрические датчики

Пироэлектричекие датчики способны обнаруживать тепло, исходящее от человеческого тела или от огня. В самом деле, живые существа - люди или теплокровные животные - излучают инфракрасное излучение (в диапазоне от 8 до 10 мкм), которое может быть обнаружено пироэлектрическими датчиками. Эта особенность используется для обнаружения несанкционированного движения человека в системах тревожной сигнализации. Пироэлектрические датчики другого типа используются для обнаружения возгорания и подачи сигнала срабатывания на систему пожарной сигнализации. Датчики последнего типа представляют собой УФ-датчики, чувствительные к излучениям, исходящим от огня (от 185 до 260 нм).

2.2.5 Звуковые датчики

Окружающие нас предметы могут передавать полезные звуки, которыми даже лечат больных или проводят релаксацию работников, подверженных стрессу. Но они могут издавать и вредные звуки, которые называют источниками звуковых «загрязнений». Чем выше частота звука, тем с большей точностью можно определить направление на него. Звуки распространяются со скоростью 320 м/с, если их измерять на уровне моря при температуре 25 °С. При других условиях скорость может отличаться от приведенной. Звуки используются разными способами. С их помощью можно общаться с роботом или обнаруживать препятствия, на которых звуки образуют эхо.

Датчик детектирования звуков представляет собой классический микрофон, сигнал которого усиливается до определенного уровня. Декодирование звуковой команды для исполнения роботом может потребовать значительных ресурсов, если речь идет о распознавании звуков человеческого голоса. Но если для общения с роботом довольствоваться выбором одной определенной частоты, положение дел значительно упрощается. В этом заключается причина успеха небольших роботов, которые реагируют на такие простые однотонные звуки, как хлопанье в ладоши или свист.

В данном случае, как правило, используется два электронных устройства: частотный детектор селектирующий из множества одну определенную частоту, и преобразователь «частота-напряжение», генерирующий напряжение, пропорциональное поступающей на его вход частоте.

Схема, показанная на рисунке 2.8, является одной из возможных реализаций преобразователя частоты в напряжение. Устройство работает по следующему принципу: сигнал, вырабатываемый микрофоном, усиливается интегральной схемой LM386. Она представляет собой усилитель звуковых частот определяемых источником питания +5 В, работающий в диапазоне низких напряжений. Интегральная схема LM2917 –- это преобразователь частота-напряжение.

Рисунок 2.8 – Схема преобразования частоты в напряжение

Ультразвуковые частоты лежат выше диапазона звуковых частот и обладают узкой направленностью. Это свойство ультразвуковых сигналов позволило использовать их для измерения расстояний от нескольких сантиметров до 11 м. Ультразвуковая система измерения расстояния излучает спектр частот в полосе частот 40 кГц, а затем измеряет время возврата (отклика) отраженного сигнала. Так как излученный сигнал прошел расстояние от источника до препятствия дважды, измеренное время должно быть разделено на два. Для получения расстояния остается умножить полученный результат на скорость звука.

Теоретически измерить расстояние с помощью ультразвука может показаться простой задачей, но на практике возникают проблемы с правильным приемом отраженного сигнала. Первая проблема - паразитное взаимодействие передатчика и приемника, когда часть сигнала передатчика «просачивается» на вход своего же приемника, в результате чего через несколько секунд после излучения импульса генерируется ложное эхо. Во-вторых, амплитуда отраженного сигнала уменьшается пропорционально пройденному расстоянию.

Первой решение этих проблем предложила компания Polaroid, которая уже 20 лет тому назад изобрела мгновенный фотоаппарат со встроенной системой распечатки снимков.

Polaroid решила проблему, изменяя коэффициент усиления в зависимости от времени (минимальный коэффициент усиления в начале увеличивается с прошествием времени), и блокируя в течение нескольких миллисекунд любой принятый отраженный сигнал.

2.2.6 Датчики положения

Знание положения для выбора направления движения - это одна из проблем для ориентации робота. Точное знание своего положения и ориентация относительно отправной точки представляет собой непростую задачу, которая требует привлечения значительных математических ресурсов [15]. Но не всегда требуется знать точное положение. Для некоторых роботов достаточно простого указания для ориентации направления их движения.

Для определения своего местоположения робот может воспользоваться несколькими способами. Используемая информация бывает абсолютной или относительной.

Система глобального позиционирования (GPS - Global Position System) позволяет определить местоположение любого мобильного (сухопутного или водного) транспортного средства на земном шаре с точностью, достаточной для него, но недостаточной для робота, установленного на предприятии. Решение заключается в установке неподвижных маяков на маршруте движения робота для передачи ему необходимой информации. Для повышения точности определения местоположения в качестве возможного дополнительного навигационного маяка можно использовать электронный компас, но магнитные поля двигателей часто снижают достоверность его работы.

В некоторых случаях достаточно знать угол вращения относительно оси. Робот-пылесос, направляясь к разъему зарядного устройства, довольствуется изменением угла вращения относительно источника света, установленного в устройстве.

Ориентиры выполняют для роботов ту же роль, что и маяки для морских судов. Они могут указывать на препятствия, от которых следует уклониться, или передавать другую нужную роботу информацию. В случае с роботами маяк может быть пассивным или активным. Простейшие пассивные маяки представляют собой отражающую ленту, а самые сложные – штрих-коды. Они могут передавать простую или более сложную информацию. Таким образом, несколько маяков, установленных на маршруте движения робота, передают ему информационные сообщения об относительном или абсолютном положении.

Активные маяки дают возможность проводить измерения на базе сигналов различных диапазонов частот. Для общения с роботом используются инфракрасные, ультразвуковые или звуковые сигналы. Ультразвуковые сигналы обеспечивают возможность измерения расстояний или курсовых углов между маяками и роботом. Задача робота заключается в идентификации этих маяков. ИК-сигналы позволяют кодировать излучения для различения маяков. Звуковые сигналы способны при необходимости заменить ультразвуковые сигналы. Первый вариант взаимодействия сигналов различных частот – маяки передают кодированные ИК-сигналы, которые робот получает, направляясь к ним. Второй вариант взаимодействия - робот излучает ИК-луч, активирующий маяки. В свою очередь, маяки излучают спектр ультразвуковых сигналов, измеряемый роботом.

Еще один вид датчиков положения – гироскопы представляют собой датчики, позволяющие измерять угол вращения робота относительно выбранной оси. Гироскоп предназначен для двух следующих измерений: угла поворота робота или его угловой скорости. Он представляет собой датчик угловой скорости, основанный на явлении кориолисовых сил. Это явление возникает в результате передачи на гироскоп определенной угловой скорости вращения. На рис. 2.9 представлен принцип работы датчика.

Рисунок 2.9 – Принцип роботы пьезоэлектрического гироскопа

2.2.7 Датчики внутреннего состояния робота

Датчики этого типа сообщают информацию о внутреннем состоянии робота [16]. Плата управления робота обрабатывает информацию с датчиков – прежде всего, ток потребления двигателей и напряжение питания батареи. Но внутренние датчики могут также сообщать информацию о температуре или выполнять тестирование внешних датчиков.

Для измерения напряжения батареи используется делитель напряжения с активным сопротивлением, который обеспечивает напряжение 5 В при полной зарядке батареи. Получаемые при измерениях значения напряжений меняются в зависимости от того, работает ли робот, или он выключен. В состоянии покоя напряжение всегда выше значения для батареи, подающей ток. О реальном состоянии батарей следует судить по их напряжению при работе робота.

Измерение тока потребления двигателей также является очень важной информацией. Оно может либо подтвердить нормальную работу робота, либо указать блокировку одного из двигателей. В случае блокировки робот должен вращаться вокруг своей реи вместо движения по прямой. Если эта неисправность не будет вовремя устранена, двигатель может выйти из строя при повышении тока больше максимально допустимого. Как правило, для определения тока, потребляемого двигателями, используются резисторы небольшого номинала, подключаемые последовательно с каждым из двигателей.

Чрезмерное увеличение температуры электронных компонентов или двигателей представляет собой верный признак неисправности в их работе. В этом случае достаточно использовать терморезистор с отрицательным или положительным температурным коэффициентом сопротивления совместно с каким-либо резистором для образования делителя напряжения, напряжение с которого можно прочесть через аналоговый вход платы управления. Существуют также датчики температуры, которые вырабатывают аналоговое напряжение, пропорциональное температуре.

2.3 Сенсорная система iRobot Create

iRobot Create имеет следующие внешние датчики (рисунки 2.10, 2.11):

– два датчика столкновения, для обнаружения удара слева или справа. Они расположены внутри бампера робота;

– инфракрасный приемник, расположенный сверху на передней части робота (используется вместе с виртуальной стеной, домашней базой);

– датчики спада, находящиеся на ведущих колесах, переднем и заднем ролике;

– четыре ИК-датчика, расположенных под бампером.

К внутренним датчикам относятся:

– датчик, показывающий превышение потребляемого тока левым колесом;

– датчик, показывающий превышение потребляемого тока правым колесом;

– два одометра, расположенных на ведущих колесах;

– напряжение батареи;

– температура батареи;

– датчик заряда батареи.

Рисунок 2.10 – iRobot Create (вид сверху)

Рисунок 2.11 – iRobot Create (вид снизу)

3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ IROBOT

3.1 Открытый интерфейс iRobot Create

iRobot Create содержит последовательный протокол передачи данных, называемый открытым интерфейсом (OИ), используемый для управления роботом и чтения состояния его датчиков.

Открытый интерфейс (OИ) состоит из аппаратного и программного интерфейсов. Аппаратный интерфейс включает в себя 7 контактный разъем Mini-DIN и 25 контактный разъем в грузовом отсеке для подключения оборудования, например, манипулятора, оптического датчика и т.д. Программный интерфейс позволяет манипулировать поведением робота, считывать данные с его датчиков, а также выполнять ряд других.

Каждая команда начинается из однобайтового кода операции. Некоторые из команд должны следовать за байтами данных. Все команды ОИ включают заданное количество байт данных. После команды необходимо указать количество байт данных, иначе, процессор робота войдет в состояние «ожидание».

ОИ Create имеет четыре режима работы: выключенный, пассивный, безопасный и полный. После замены батареи или первой подзарядки ОИ находится в выключенном режиме. При этом скорость передачи данных установлена на 57600 или 19200 байт/с для получения команды Старт. После этой команды можно включить любой из трёх оставшихся режимов.

Находясь в пассивном режиме можно получать данные с датчиков робота, но нельзя изменять параметры исполнительных механизмов (двигатель, динамик и т.д.). В этом режиме также доступно выполнение демонстрационных команд.

Безопасный режим дает полный контроль над iRobot Create, за исключением следующих положений:

– обнаружение обрывов при движении вперед;

– обнаружение спада колеса (любого);

– обнаружение зарядного устройства.

Если попытаться выполнить запрещенную команду, робот вернется в пассивный режим.

В полном режиме возможен контроль над всеми исполнительными механизмами и запрещенными в безопасном режиме командами.

Передача команд с ПК осуществляется через последовательный порт (COM-порт) с помощью программ, работающих с потоками данных, например – RealTerm. RealTerm очень хороший и функциональный пакет для работы с последовательным портом ПК, имеет множество настроек, позволяет выводить и считывать байты в различных форматах, и протоколах, тестировать порты, и многое другое. Интерфейс этой программы представлен на рисунке 3.1.

Список основных команд приведен в таблицах А.1, А.2.

Рисунок 3.1 – Интерфейс программы RealTerm

Начинать работу с роботом необходимо с команды Старт, которой соответствует код операции номер 128. После неё необходимо указать режим работы (при первом обращении к iRobot Create), а потом интересующий нас код. Например: последовательность 128 132 142 9 переведет робот в полный режим и прочтет состояние датчика спада левого колеса.

Как видно из Рисунка 3.1 программа RealTerm будет сложной для понимания пользователям, плохо разбирающимся в аппаратном и программном обеспечении. Поэтому, будет целесообразно написать программу с более дружественным интерфейсом. Это возможно сделать с помощью таких языков как C#, C++, Delphi.

3.2 Описание программного обеспечения

Программа была разработана в среде программирования Borland Delphi и рассчитана для работы с открытым интерфейсом iRobot.

Delphi – язык программирования, который используется в одноимённой среде разработки. Сначала язык назывался Object Pascal. Начиная со среды разработки Delphi 7.0, в официальных документах Borland стала использовать название Delphi для обозначения языка Object Pascal.

Поскольку Delphi является визуальная среда разработки программ, она максимально упрощает создание приложения и облегчает жизнь программисту, упрощая процесс формирования внешнего вида программы. При этом можно больше внимания уделить логике выполнения программы и непосредственно заниматься созданием математической части приложения.

Delphi – результат развития языка Турбо Паскаль, который, в свою очередь, развился из языка Паскаль. Паскаль был полностью процедурным языком, Турбо Паскаль, начиная с версии 5.5, добавил в Паскаль объектно-ориентированные свойства, а в Object Pascal – динамическую идентификацию типа данных с возможностью доступа к метаданным классов (то есть к описанию классов и их членов) в компилируемом коде, также называемом интроспекцией – данная технология получила обозначение RTTI. Так как все классы наследуют функции базового класса TObject, то любой указатель на объект можно преобразовать к нему, после чего воспользоваться методом ClassType и функцией TypeInfo, которые и обеспечат интроспекцию.

Также отличительным свойством Object Pascal от С++ является то, что объекты по умолчанию располагаются в динамической памяти. Однако можно переопределить виртуальные методы NewInstance и FreeInstance класса TObject. Таким образом, абсолютно любой класс может осуществить «желание» «где хочу - там и буду лежать». Соответственно организуется и «многокучность».

Object Pascal (Delphi) является результатом функционального расширения Turbo Pascal.

Среда Delphi была выбрана, потому, что является визуальной, а визуальность дает удобные средства разработки для более быстрого написания кода.

Мною была взята существующая программа iRobot Create и дополнена некоторыми процедурами для получения данных с датчиков.

Далее идет пример некоторых процедур программы.

Процедура, выполняющая получение данных с датчиков:

procedure TfrmCreateMain.doRequestSensorData(logit: boolean);

begin

// очистить буфер и приготовится получить данные с датчиков

bufptrstart:= 0; // сделать значения равными 0

bufptrend:= 0;

buflength:= 0;

sensor_index:= 0;

refreshtimercnt:= 0;

reading_sensors:= true;

doSend('142 6', logit);

end;

С помощью этой процедуры робот переводится в пассивный режим:

procedure TfrmCreateMain.btnPassiveModeClick(Sender: TObject);

begin

reading_sensors:= false;

doSend('128'); // отправка команды, устанавливающая робот в пассивный // режим

doRequestSensorData(true);

PageControl1.ActivePage:=tabSensors; // вывод значений датчиков

end;

Следующая процедура получает данные о спаде колес, датчиках бампера и ИК-датчиках, находящихся под бампером:

procedure TfrmCreateMain.ProcessSensorData;

var

i: integer;

dist,angl: smallint;

begin

// Спад колес

if (sensors[SenBumpDrop] and 16) = 16 then // проверка ролика на спад

shCaster.Brush.color:= clRed // закрасить фигуру в красный, если есть спад

else

shCaster.Brush.color:= clGreen; // закрасить в зеленый

if (sensors[SenBumpDrop] and 8) = 8 then // проверка на спад левого колеса

shLeftWheel.Brush.color:= clRed

else

shLeftWheel.Brush.color:= clGreen;

if (sensors[SenBumpDrop] and 4) = 4 then // проверка на спад правого колеса shRightWheel.Brush.color:= clRed

else

shRightWheel.Brush.color:= clGreen;

// Бампер

if (sensors[SenBumpDrop] and 2) = 2 then // проверка значения 1-го датчика

// бампера

shBumpLeft.Brush.color:= clRed // если есть касание, закрасить фигуру в // красный

else

shBumpLeft.Brush.color:= clGreen;

if (sensors[SenBumpDrop] and 1) = 1 then

shBumpRight.Brush.color:= clRed

else

shBumpRight.Brush.color:= clGreen;

// ИК-датчики под бампером

if (sensors[SenCliffL] = 1) then // проверка 1 ИК-датчика под бампером

shCliffLeft.brush.color:= clRed // если под датчиком нет поверхности – // закрасить его на схеме в красный

else

shCliffLeft.brush.color:= clGreen;

lblCliffLeft.caption:= inttostr((sensors[SenCliffLSig1] shl 8) + sensors[SenCliffLSig0]);

if (sensors[SenCliffFL] = 1) then// аналогично к первому проверка 2-го // датчика

shCliffFrontLeft.brush.color:= clRed

else

shCliffFrontLeft.brush.color:= clGreen;

lblCliffFrontLeft.caption:= inttostr((sensors[SenCliffFLSig1] shl 8) + sensors[SenCliffFLSig0]);

if (sensors[SenCliffFR] = 1) then

shCliffFrontRight.brush.color:= clRed

else

shCliffFrontRight.brush.color:= clGreen;

lblCliffFrontRight.caption:= inttostr((sensors[SenCliffFRSig1] shl 8) + sensors[SenCliffFRSig0]);

if (sensors[SenCliffR] = 1) then

shCliffRight.brush.color:= clRed

else

shCliffRight.brush.color:= clGreen;

lblCliffRight.caption:= inttostr((sensors[SenCliffRSig1] shl 8) + sensors[SenCliffRSig0]);

Интерфейс программы показан на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Интерфейс программы

Подключение к COM-порту осуществляется с помощью компонента TComPort. Для установки этого компонента и подключения его к программе необходимо в меню Delphi выбрать Component->Install Component, далее открыть вкладку «Into new package tab» и открыть файл CPort.pas, находящийся на диске, приложенном к дипломному проекту, и нажать кнопку «ОК» для компиляции и установки компонента.

3.3 Руководство пользователя

После открытия программа имеет интерфейс показанный на Рисунке 3.2. Для начала работы с программой необходимо открыть вкладку «Датчики» и нажать на кнопку «Открыть Com-порт…». После нажатия на эту кнопку, появится окно с установками для подключению к Com-порту (рис. 3.3).

Рисунок 3.3 – Установки для подключения к Com-порту

Baud rates устанавливает скорость передачи данных, Stop Bits устанавливает стоповый бит, data bits устанавливает количество бит в слове, Pfrity утанавливает проверку на четность. Необходимо установить следующие значения: количество бит в слове – 8; стоповый бит – 1; проверка четности – нет; скорость – 57600.

Потом выбрать «Пассивній режим», для того, чтобы убедиться, что программа считывает данные с датчиков робота, и установить фляжок «Автоматическое обновление» равное 300 мс. После этого программа должна отобразить значения всех датчиков. Для осуществления полного контроля над роботом необходимо нажать на кнопку «Полній режим». С помощью кнопок «Отправить 2» и «Отправить 3» можно отправлять роботу собственные скрипты. Кнопки «Вперед» и «Назад» позволяют осуществлять движение вперед и назад, соответственно, а кнопки «Вправо» и «Влево» – поворот вправо и влево, соответственно. В программе существуют следующие поля: «Пройденная дистанция» – показывает пройденное расстояние, мм; «Угол поворота» – показывает угол поворота, мм; «Скорость» – скорость, мм/с; «Левого колеса» и «Правого колеса» – скорость левого и правого колес, соответственно; «Состояние зарядки» – состояние заряда батареи; «Напряжение батареи» – напряжение батареи, мВ; «Температура батареи» – температура батареи, ^о C.

В верхнем левом углу вкладки датчики расположен схематический рисунок робота, на котором показаны состояние датчиков спада колес (прямоугольники), бампера(овалы), ИК-датчиков расположенных под бампером(квадраты). Окраска этих фигур в зеленый цвет означает, что робот не обо что не ударяется и стоит на твердой поверхности. В противном случае датчики окрашиваются в красный цвет.

На вкладке «Log» показываетя код команды отправленной роботу.

4. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНИ И ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

4.1 Анализ условий труда

Анализ условий труда проводится с точки зрения выявления возможных (потенциальных) опасных и вредных производственных факторов, созданных техническими средствами, технологическими процессами, неправильной организацией труда в производственных помещениях и на рабочих местах [17].

Помещение, где разрабатывается программное обеспечение сенсорной системы мобильной платформы iRobot, представляет собой вычислительный центр, который расположен на шестом этаже двенадцатиэтажного кирпичного здания. Производственное помещение имеет размеры 12x9x4 м. Таким образом площадь помещения составляет 108 м² , а его объем 432 м³ . В помещении вычислительного центра работают 7 человек, находятся 7 ПЭВМ типа IBM PC, лазерный принтер и сканер. На каждого работающего отводится 15,4 м² площади и 61.7 м³ объема помещения, что соответствует требованиям ДНАОП 0.00-1.31-99, при норме 6 м² и 20 м³ на 1 работающего.

Сеть электропитания – трехфазная четырехпроводная с глухозаземленной нейтралью, напряжение – 380/220 В.

Для данного помещения выделим и проанализируем систему «Человек-Машина-Среда». Подсистемами данной системы являются: «Человек», «Машина», «Среда». Составляющими элементами подсистемы «Человек» являются операторы ЭВМ (для моего случая это программист). Составляющими элементами подсистемы «Машина» являются ПЭВМ, принтеры и другие периферийные устройства (для моего случая это ПК, лазерный принтер и сканер). Составляющими элементами подсистемы «Среда» является производственная среда в помещении. Предмет труда- то с чем человек работает (в моем случае с разработкой программ).

Элемент “человек” рассматривается с трех сторон.

Ч1 – это человек, управляющий машиной главным образом для выполнения основной задачи системы – производства выходного продукта, а также обеспечения возможности этого производства;

Ч2- это человек (коллектив), рассматриваемый с точки зрения непосредственного влияния на окружающую среду (за счет тепло- и влаговыделения, потребление кислорода и т.д.);

Ч3 – это человек, рассматриваемый с точки зрения его функционального состояния под влиянием факторов, воздействующих на него в производственном процессе.

Элемент “машина” делим на составляющие:

М1 - выполняет основную технологическую функцию,

М2 – функции аварийной защиты,

М3 – влияние на окружающую среду и человека.

Таблица 4.1 – Воздействие в системе «Человек-Машина-Среда»

Машина (1) – Машина(7) – соединение машин в сеть, следовательно, их взаимное влияние

Возникающие связи между элементами системы приводят к появлению опасных и вредных производственных факторов. Согласно ГОСТ 12.0.003-74. ССБТ они делятся на четыре категории: физические, химические, психофизиологичесие, биологические.

Организм человека подвергается воздействию следующих опасных физических факторы:

- повышенный уровень шума, источником шума являются работа принтера, сканера, люди, работа ПЭВМ, это ухудшает условия труда, оказывает вредное воздействие на слуховой аппарат, мозг, голосовые связки, вызывает раздражение, создает неудобства речевого общения, снижает производительность труда;

- повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека, источником является электрическая сеть или электрооборудование, возможные последствия воздействия на человека: электротравмы, электроудары. В помещении необходимо выполнить зануление с повторным заземлением нейтрали;

- повышенная температура внешней среды, источниками являются люди, ПЭВМ, источники света, этот фактор вызывает обильное потовыделение, тепловыделение организма, вызывает дискомфорт для работающих, развитие утомляемости, что уменьшает производительность труда и отрицательно сказывается на трудящихся;

- недостаток естественного освещения, источником являются малые световые проемы, освещение является одним из основных факторов, которые сказываются на деятельности человека, этот недостаток ведет к ухудшению зрения, быстрому утомлению;

- освещенность рабочей зоны, может являться причиной травматизма: плохо освещенные опасные зоны, слепящие лампы и блики от них, резкие тени ухудшают или вызывают полную потерю ориентации работающих;

- повышенный уровень статического электричества, может быть причиной поражения человека электрическим током, что в свою очередь приводит к травме или даже к смерти;

- электромагнитные поля, источником является в большей степени монитор.

Факторы опасности: повышенная напряженность электрического и магнитного поля, повышенный уровень электромагнитных излучений.

Последствия: функциональные нарушения систем организма.

Психофизиологические факторы, воздействующие на человека:

- статические перегрузки, источник – длительное пребывание в одной позе;

- умственное перенапряжение, источник – обработка большого количества информации;

- перенапряжение зрительных анализаторов, источник – работа с дисплеем;

- монотонность труда, источник – выполнение однообразных движений при работе с клавиатурой, мышью, сканером и принтером;

- эмоциональные перегрузки, возникают при решении научных задач и при общении людей.

Перечисленные факторы приводят к утомлению рабочего, переутомляемости нервной системы, органов зрения, слуха, что неблагоприятно сказывается на здоровье человека, снижается работоспособность, возможен стресс.

Химических и биологических опасных факторов в вычислительном центре не наблюдается.

Оценка факторов производственной среды и трудового процесса сведена в таблице 4.2.

В результате сравнения фактических результатов измерения и нормативных значений, получили следующее: рабочее место по условиям труда относится к 1 степени опасности и вредности условий труда 3 класса. При анализе условий труда доминирующим вредным фактором является повышенный уровень шума. Это в свою очередь приводит к быстрому утомлению работника, в результате чего снижается производительность труда и качество продукта труда.

Таблица 4.2 – Оценка условий труда

4.2 Техника безопасности

По степени опасности поражения электрическим током помещение вычислительного центра относится к классу помещений без повышенной опасности, так как исключена возможность одновременного прикосновения человека к корпусам электрооборудования и заземленным металлическим конструкциям зданий и сооружений, имеющих связь с землей. Для создания безопасных условий труда проведен ряд организационных и технических мероприятий.

Электроснабжение помещения осуществляется от трехфазной четырехпроводной сети с глухозаземленной нейтралью, ток переменный, частота 50 Гц, напряжение 380/220 В. В соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.030-81 для электроустановок переменного тока, напряжением до 1000В и глухозаземленной нейтралью применяется зануление для устранения опасности поражения людей током при пробое на корпус. Защитный эффект зануления заключается в уменьшении длительности замыкания на корпус, следовательно, в сокращении времени воздействия электрического тока на человека. Это достигается соединением металлических корпусов оборудования с нулевым защитным проводом сети. Нулевой провод подлежит повторному заземлению. Сопротивление повторного заземлителя не более 30 Ом, а сечение нулевого проводника сети такое же, как и сечения фазного провода. 1 раз в год при отключенном электропитании проводится контроль изоляции между фазой и нулем, нулевым защитным проводником и фазой, а также между фазами. Сопротивление изоляции не менее 500 кОм. Применяются устройства защитного отключения. Время отключения 0,1 – 0,2 с.

К работе допускаются лица, изучившие инструкцию по технике безопасности, а также прошедшие инструктаж по безопасности труда на рабочем месте. Согласно требованиям ДНАОП 0.04-4.12-05 проводится вводный, первичный на рабочем месте, повторный, а при необходимости - внеплановый и целевой инструктажи. Вводный инструктаж проводится при поступлении на работу. Инструктаж организует и проводит служба охраны труда, факт инструктажа фиксируется в журнале вводного инструктажа. Первичный инструктаж проводится непосредственно на рабочем месте. Инструктаж проводит руководитель лаборатории или преподаватель, ведущий занятия, факт инструктажа фиксируется в журнале первичного инструктажа. Аналогично с периодичностью 1 раз в полгода проводится повторный инструктаж. Внеплановый инструктаж проводится при изменении условий труда, введения в эксплуатацию новой техники, а также при несчастных случаях. Целевой инструктаж проводится при выполнении работ, не связанных с их основными обязанностями. Факт проведения инструктажа фиксируется в соответствующие журналы с росписью лица, проводившего инструктаж, и росписью инструктируемого. Журналы инструктажей пронумерованы, прошнурованы и скреплены печатью.

4.3 Производственная санитария

Работы в вычислительном центре производятся сидя и не требует систематического физического напряжения. Согласно ГОСТ 12.1.005-88 работа относится к категории легкой Iа (энергозатраты до 120 ккал/ч). Для создания нормальных условий труда установлены следующие нормы микроклимата, в соответствии с ДСН 3.3.6.042-99, приведенные в таблице 4.3.

Таблица 4.3 – Оптимальные нормы микроклимата

На микроклимат влияют такие источники тепла: ЭВМ, люди, находящиеся в помещении, искусственное освещение, солнечная радиация, тепло, передаваемое через стены. Анализируя нормативные и фактические значения микроклимата, можно сказать, что температура воздуха не превышает допустимые значения.

Уровень относительной влажности 46% соответствует оптимальному; скорость движения воздуха - 0,1 м/с.

Согласно ДБН В.2.5-28-2006, зрительную работу оператора ПЭВМ можно охарактеризовать как работу высокой точности, наименьший размер объекта различения для которой 0,3-0,5мм: разряд зрительной работы – II. Освещенность при работе с экраном дисплея в сочетании с работой над документами 330 Лк, что соответствует нормам (300¸500 Лк).

Естественное освещение для любой точки характеризуется коэффициентом естественной освещенности (КЕО) [18]. Естественное освещение соответствует норме КЕО – в данном помещении оно равно 1.5%. Для искусственного освещения используют потолочные светильники типа УСП 35 с четырьмя люминисцентными лампами типа ЛБ-40.

Согласно нормам охраны труда (ГОСТ 12.2.032) планирование рабочего места в помещении удовлетворяет установленным нормам.

Расположение рабочих мест с ПЭВМ выполнено в соответствии требованиям (Рис. 4.2):

- расположение на расстоянии не меньше 1 метра от стен со световыми проемами;

- расстояние между боковыми поверхностями мониторов в данном помещении составляет 1.2 м;

- расстояние между тыльной поверхностью одного видеотерминала и экраном другого в данном помещении составляет 2.5 м;

- проход между рядами рабочих мест 1.6 м.

Согласно ДНАОП 0.00-1.31-99, требованиями к организации рабочего места для выполнения работ оператора выполнены.

В вычислительном центре для размещения ПЭВМ используются столы высотой 800 мм, ширина стола – 1200 мм, глубина стола, 600 мм.

Во избежание перенапряжения органов зрения рекомендуется соблюдать расстояние до монитора 70–80 см (для 17 дюймовых мониторов).

Рабочее место организовано в соответствии с требованиями ГОСТ 12.2.032-78 и ДСанПиН 3.3.2.007-98. На рисунке 2 показано размещение рабочих мест и оборудования в вычислительном центре.

Трудовая деятельность в вычислительном центре относится к группе В (отладка программ, редактирование и др.). Выполняемые работы относятся к IV категории работ- продолжительность работ группы В превышает 4 ч. Для уменьшения умственного перенапряжения и эмоциональных перегрузок следует установить перерывы по 15 мин каждый через 2 ч после начала работ. Общая продолжительность технологических перерывов должна составлять 60 мин.

Произведя оценку уровня шума, можно сделать вывод, что фактическое значение шума превышает норму, допустимую по ГОСТ 12.1.003-83 «Шум. Общие требования безопасности», ДСН 3.3.6.037-99 «Санітарні норми виробничого шуму, ультразвуку та інфразвуку.

В таблице 4.4 приведены измеренные спектральные уровни звукового давления в расчетной точке.

Таблица 4.4 – Спектральные уровни звукового давления в расчетной точке

Из Таблицы 4.4 видно, что в области частот 250 – 4000 Гц фактический уровень звукового давления превышает допустимые нормы, поэтому следует провести комплекс мероприятий для уменьшения уровня шума в вычислительном центре. К этим мероприятиям можно отнести облицовку потолка и части стен звукопоглощающим материалом для шумопоглощения, при необходимости, следует применять рациональное расположение оборудования или использовать индивидуальные средства защиты.

Произведем расчет шумопоглощающей облицовки для уменьшения уровня шума в вычислительном центре.

Найдем объём помещения:

V = 12*9*4=432 м²

По таблице описания помещения выбираем индекс прямой (данном случае «в »-рабочие помещения административных зданий) и по «графику для определения постоянной помещения B₁₀₀₀ » определяем постоянную помещения на частоте 1000 Гц [19]:

B₁₀₀₀ = 40 м²

Найдем частотные множители и определим постоянные помещения на стандартных частотах (прил. 62 книги Дзюндзюк Б.В. и др. «Охрана труда. Сборник задач»).

Таблица 4.5 – Частотный множитель для определения постоянной В

Рассчитаем постоянные помещения на стандартных частотах

Полученные данные занесем в таблицу 4.7.

Определим общую суммарную площадь ограждающих поверхностей помещения:

м² .

По найденной постоянной помещения В для каждой октавной полосы вычислим средний коэффициент звукопоглощения в помещении до его акустической обработки:

(4.1)

Полученные результаты занесем в таблицу 4.7.

Целесообразность применения звукопоглощающих облицовок в помещении для снижения уровня шума выявим ориентировочно. Принято считать целесообразной акустическую обработку помещений в случаях, когда до ее применения средний коэффициент звукопоглощения в октавной полосе со среднегеометрической частотой 1000 Гц не превышает 0,25. В нашем случае , что не превышает коэффициент 0,25, и значит, что звукопоглощающая облицовка является целесообразной.

Звукопоглощающие облицовки разместим на потолке. Определим площади ограждения помещения, подлежащие облицовке (потолок) и неподлежащие ей (пол, стены, окна):

Вычислим эквивалентную площадь звукопоглощения поверхностями, не занятыми звукопоглощающей облицовкой:

(4.2)

Полученные результаты заносим в таблицу 4.7.

Анализ представленного в условии спектра звукового давления показывает, что конструкция звукопоглощающей облицовки должна иметь высокий коэффициент звукопоглощения в области частот 250 – 4000 Гц. Поэтому для облицовки вычислительного центра выбираем конструкцию № 16 из приложения 64. Эта конструкция относится к звукопоглощающим облицовкам без перфорированного покрытия. Согласно приложению 63 эта конструкция состоит из матов из супертонкого базальтового волокна БСТВ, оболочка из декоративной стеклоткани ТСД. Средняя плотность звукопоглощающего материала 20 кг/м² . Толщина слоя звукопоглощающего материла 5 см. Воздушный зазор отсутствует. Находим реверберационный коэффициент звукопоглощения и заносим эти значения в таблицу 4.7.

Таблица 4.6 – Реверберационный коэффициент звукопоглощения

Вычислим эквивалентную площадь звукопоглощения поверхностями, занятыми звукопоглощающей облицовкой:

(4.3)

Полученные результаты заносим в таблицу 4.7.

Найдем средний коэффициент звукопоглощения в помещении после акустической обработки:

(4.4)

Полученные результаты заносим в Таблицу 4.7.

Определим постоянные помещения на стандартных частотах после акустической обработки:

(4.5)

Полученные результаты заносим в таблицу 4.7.

Вычислим снижение уровня шума в расчетной точке:

(4.6)

Полученные результаты заносим в таблицу 4.7.

Таблица 4.7 – Результаты расчета звукопоглощающего покрытия

Рассчитаем уровень шума в расчетной точке после акустической обработки:

(4.7)

Из приложения 57 найдем допустимые уровни звукового давления и занесем их в Таблицу 4.7.

Анализируя полученные значения, можно сказать, что уровни звукового давления после акустической обработки меньше нормированных значений, то есть мы добились уменьшения шума до допустимых уровней.

4.4 Пожарная профилактика

Причинами, которые могут вызвать пожар в рассматриваемом помещении, есть: неисправность электропроводки или оборудования; короткое замыкание электрической сети; перегрев аппаратуры.

По взрывопожарной и пожарной опасности производство в данном помещении в соответствии со СНиП 2.09.02-85, ОНТП – 24-86 относится к категории В.

По пожарной опасности помещение вычислительного центра относится к классу П-IIа по ПУЭ-85, т.к. в помещении находятся твердые горючие вещества без пыли. В помещении ВЦ имеются вещества и материалы, которые могут гореть (бумага, пластмасса, паркетный пол). Данное помещение по степени огнестойкости, согласно ДБН В.1.1-7-2002, относится к I степени огнестойкости (ж/б). Причинами возгорания в данном помещении могут являться: искрения в коммутационной аппаратуре, возможности замыкания в электрических цепях, нарушение правил пожарной безопасности.

Пожарная безопасность, в соответствии с ГОСТ 12.1.004-91, обеспечивается системами предотвращения пожара, системой противопожарной защиты, организационно-техническими мероприятиями.

Технические мероприятия:

– аварийное отключение и переключение аппаратуры;

Учитывая специфику загорания ЭВМ (большое количество дыма), наличие систем кондиционирования воздуха, высокую стоимость оборудования, в помещениях с ЭВМ следует устанавливать дымовые пожарные извещатели (например: дымовой пожарный извещатель ИПК-8). Для данного помещения их необходимо 6 штук (2 на 20 м² ), согласно ДНАОП 0.00-1.31-99.

Согласно ГОСТ 12.1.004-91. ССБТ в помещении необходимо разместить:

– 6 ручных углекислотных огнетушителя ОУ-2 (2 штуки на 20 м² площади, но не менее двух в помещении);

– дымовые пожарные извещатели 8 штук (2 штуки на 20 м² площади, но не менее двух в помещении);

– телефон, установленный в легкодоступном месте.

Помещение вычислительного центра имеет один рабочий выход шириной 1 м, что удовлетворяет требованиям для вынужденной эвакуации людей, т.к. расстояние от наиболее удаленного места до выхода из помещения не превышает 25м, поэтому применение этого выхода является допустимым для эвакуации при пожаре. Дополнительного эвакуационного выхода не требуется. Схема эвакуации должна быть размещена на стене у выхода из помещения. На эвакуационных путях организовано как естественное, так и искусственное аварийное освещение СНиП 2.09.02-85. На Рис. 4.2 приведена схема организации рабочих мест и оборудования, а так же схема эвакуации.

Организационные мероприятия:

– проведение инструктажей по пожарной безопасности;

– назначен ответственный за пожарную безопасность;

– надзор за средствами пожаротушения.

Режимные мероприятия:

– запрещено применение самодельных электрических приборов;

– запрещен открытый огонь (использование зажигалок в помещении);

– курение в строго установленных местах (на улице), запрещено в лабораториях где проводится ремонт, обслуживание и эксплуатация ПЭВМ.

Рисунок 4.1 – План размещения рабочих мест и эвакуации из помещения

4.5 Охрана окружающей среды

Разработка данного программного продукта не участвует в производственных процессах, которые влияют на окружающую среду. И поэтому вопросы защиты окружающей среды в дипломном проекте не рассматриваются.

4.6 Гражданская оборона

На предприятии есть служба Гражданской обороны, которая занимается всеми вопросами связанными с режимом защиты рабочих и служащих, обеспечением медицинскими средствами, способами индивидуальной защиты и т.д.

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Целью данной дипломной работы является разработка программного обеспечения сенсорной системы мобильной платформы iRobot Create, а именно: разработка программы, которая в режиме реального времени будет осуществлять получение информации о состоянии датчиков робота Create. Данное программное обеспечение можно использовать в научно-исследовательских и обучающих целях, которые предполагают решение задач связанных с изучением датчиков мобильных роботов.

Разрабатываемое программное обеспечение имеет следующие характеристики:

– тип ЭВМ – IBM совместимые компьютеры;

– операционная система – Windows 2000/XP/Vista;

– среда разработки – Borland Delphi 7.

Территориальный рынок сбыта ПП данного функционального назначения характеризуется величиной его емкости и определяется объемом реализованного на его сегментах ПП (в физических единицах).

Результаты расчета емкости рынка ПП целесообразно представить в виде таблицы 5.1.

Таблица 5.1 – Расчет ориентированной емкости рынка нового ПП

Анализируя таблицу расчета ориентированной емкости рынка нового ПП, можно сделать вывод, что разрабатываемый программный продукт наиболее широко применяется в ВУЗах – 70 копии, наименее популярен на частных предприятиях – 6 копий.

В соответствии с темой дипломной работы определим трудоемкость выполняемых работ. С этой целью детализируем работы по этапам, укажем виды работ и в какие сроки они выполнялись. Такой подход дает возможность досконально определить объемы, сроки и стоимость разработки.

Разработку ПП осуществляет один инженер-программист, который формулирует постановку задачи, обеспечивает ее решение и создает соответствующую документацию. Оклад специалиста – 2650 грн.

Рассчитаем среднедневную заработную плату исполнителя (З_сд ) по формуле:

(5.1)

где – месячная заработная оплата исполнителя, грн.;

– количество рабочих дней в месяце (n=22 дня).

грн.

Полученные данные занесем в таблицу 5.2.

Таблица 5.2 – Расчет трудоемкости разработки ПП и заработной платы исполнителей

Расчет единовременных затрат на разработку ПП (научно-технической продукции) приведен в таблице 5.3.

Отчисления на социальные мероприятия в соответствующие фонды осуществляется в соответствии с действующим законодательством Украины.

Рассчитаем амортизацию основных фондов (стоимость машинного времени В_мч ) по формуле:

(5.2)

где – стоимость одного часа работы на ПЭВМ, грн.;

– суммарное время работы на ПЭВМ, год.

грн.-час.

час.

Таблица 5.3 – Расчет единовременных затрат на разработку ПП

Общехозяйственные расходы включают плату за коммунальные услуги: водоснабжение, водоотведение, подогрев воды, электроэнергия.

Коммунальный налог, определен в размере 10% необлагаемого налогом минимума доходов граждан (размером 17 грн), согласно с Декретом КМ Украины «Про місцеві податки та збори» от 25.05.93 № 56-93. Исходя из времени, затраченного на разработку ПП (2 месяца) для одного исполнителя равен 3.4 грн.

Стоимость оплаты услуг связи (Всв), которые предоставляются интернет-провайдерами, операторами телефонной связи при почасовой оплате, рассчитаем по следующей формуле:

(5.3)

грн.

где – тариф (стоимость) одного часа;

– количество необходимых часов связи.

Стоимость информационных ресурсов может включать: приобретение необходимой специальной литературы, участие в научно-практических семинарах и т.д.

Расчет единовременных затрат на разработку единицы ПП (В) определяем по формуле:

(5.4)

где − суммарные единовременные затраты на разработку ПП;

− емкость территориального рынка ПП.

грн.

Расчет отпускной цены одной копии ПП приведем в таблице 5.4.

Таблица 5.4 – Расчет затрат на тиражирование и отпускной цены одной копии ПП

Расчет затрат на продвижение ПП приведем в таблице 5.5.

Таблица 5.5 - Расходы на продвижение программного продукта

Расходы на продвижение единицы ПП (В_пр ) рассчитаем по формуле:

(5.5)

где − суммарные затраты на продвижение ПП;

− емкость территориального рынка ПП.

грн.

Конкурентоспособность программного продукта определяется не его "абсолютной ценностью" для потребителя, а сравнительной полезностью его характеристик (технических и экономических параметров) с соответствующими характеристиками ПП конкурента.

Показатель уровня конкурентоспособности нового ПП (КСП) рассчитывается по формуле:

>, (5.6)

где − сводный параметрический показатель по техническим параметрам;

− сводный параметрический показатель по экономическим параметрам.

Результат расчета конкурентоспособности ПП приведем в таблице 5.6.

Таблица 5.6 − Расчет конкурентоспособности ПП

При анализе риска вывода на рынок программного продукта целесообразно рассчитать показатель, позволяющий определить, насколько разработчик может снизить объем продаж, не потерпев при этом убытки. Он определяется как отношение разности между ожидаемым объемом продаж и точкой безубыточности к ожидаемому объему продаж:

(5.7)

где − показатель риска разработчика ПП;

− ожидаемый объем продаж (емкость рынка);

− расчетная цена ПП;

− точка безубыточности (в денежных единицах).

Точка безубыточности () – это такой объем продаж, при котором валовая выручка (доход) от реализации покрывает общие совокупные постоянные издержки, и определяется по формуле:

(5.8)

где − постоянные затраты на разработку и реализацию ПП;

− расчетная цена ПП;

− переменные затраты на единицу ПП.

шт.

На рисунке 5.1 показан график безубыточности производства.

Рисунок 5.1 – График безубыточности производства

Чем выше численное значение показателя , тем менее рискованна работа разработчика программного продукта.

ВЫВОДЫ

Целью работы данного дипломного проекта являлась разработка программного обеспечения сенсорной системы мобильной платформы iRobot.

В процессе выполнения работы был дан анализ современных мобильных робототехнических систем, рассмотрены самые распространенные датчики мобильных роботов и конкретно – сенсорная система iRobot Create, приведено описание последовательного протокола передачи данных, называемого открытым интерфейсом (OИ), используемого для управления роботом и чтения состояния его датчиков. Управление iRobot осуществляется специальными наборами команд, передаваемые ему с ПК через COM-порт. Основные команды для управления роботом сведены в таблицу и приведены в приложении. Передача этих команд возможна с помощью программ работающих с потоками данных, например, RealTerm – пакета для работы с последовательным портом ПК. Для достижения цели дипломного проекта была разработана собственная программа, написанная в среде программирования Borland Delphi, позволяющая работать с ОИ iRobot.

В результате выполнения раздела “Безопасность жизни и деятельности человека” были выявлены опасные и вредные производственные факторы и рассмотрено их влияние на здоровье и работоспособность программиста. Был определен доминирующий опасный производственный фактор – повышенный уровень шума. Для уменьшения влияния данного опасного производственного фактора была рассчитана конструкция звукопоглощающей облицовки. Кроме того, был разработан ряд мероприятий по противопожарной безопасности и соблюдению санитарных норм для обеспечения безопасных и безвредных условий работы.

В экономической части дипломного проекта был произведен расчет трудоемкости разработки ПП и заработной платы исполнителей, затраты на разработку, будет рассчитана отпускная цена одной копии программного продукта, а также коэффициент конкурентоспособности и показатель риска разработчика ПП. Суммарные затраты составили – 8606.31 грн., цена единицы товара – 138.67 грн., что ниже цен конкурентов на аналогичную продукцию. Точка безубыточности составляет 71 копи. Это значит, что при продаже 71 копии окупятся затраты и начиная с последующих продаж мы начнем получать прибыль. Так как объем тиража составлял 100 копий, то за один объем тиража окупаются все затраты и мы начинаем получать прибыль. Также был произведен расчет конкурентоспособности. На основании расчетов можно сделать вывод, что разрабатываемый продукт является конкурентоспособным и более экономичным по сравнению с существующими аналогами.