Программный комплекс построения модели закрытого рельефа с использованием гусеничного робота на базе Arduino и Android-устройства

The list of references:

1. Gorobec I.A. Investigation of the surface quality of the stone patterns in grinding / I.A. Gorobec, N.V Golubov // News North-NTU: ST. Science. Vip Ave. 129/2012. Seriya: Mashinopriladobuduvannya transport. - Sevastopol, 2012. - Р. 50-55.

2. Belik V.V., Kienskaya K.I., Physical and Colloid Chemistry: Textbook / Belik VV, Kienskaya K.I. - M.: Publishing Center «The Academy», 2005. - 288 р.

3. Chetvergov VA. Physical basis of reliability: Lectures / VA. Chetvergov, S.M. Ovcharenko // Omsk State Univ paths and messages. - Omsk, 2002. - 37 р.

4. Shobolova L.P. Development of methodology for the selection of optimal surface active liquids to reduce the resistance of rock fracture: dissertation edging. tehn. science / L.P. Shobolova. - M., 1984.

5. Leusheva E.L. Analysis of existing methods for selecting surface-active substances to improve the efficiency of destruction of solid of rocks on the bottom of the well / E.L. Leusheva, M.V Turitsina // Please do the work in research in the framework of the Federal Target Program «Research and scientific-pedagogical personnel of innovative Russia» for 2009-2013. University «Mountain» St. Petersburg.

6. Doludareva Y.S. Influence of surface-active substances on the change in the strength characteristics of rock / Y.S. Doludareva, T.F. Kozlovskye, VD. Le-mizhanskaya, A.I. Coal // Suchasni resursoenergozberigayuchi tehnologii' gir-nichogo virobnitstva. - 2012. - Vipusk 1 (9). - Р. 9-17.

7. Gorobec I.A. Quality management of the surface layer of the workpiece / I.A. Gorobec, A.N. Mikhailov // International collection of scientific papers. -Donetsk. DNTU-2003. MY. 22. The Ukraine, 2003.

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛИ ЗАКРЫТОГО РЕЛЬЕФА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГУСЕНИЧНОГО РОБОТА НА БАЗЕ ARDUINO И ANDROID-УСТРОЙСТВА

© Дрожжин Р.С.*, Копелиович Д.И.*

Брянский государственный технический университет, г. Брянск

Описана аппаратная вычислительная платформа Arduino. Представлена архитектура взаимодействия гусеничного робота, андроид-устройства и персонального компьютера. Перечислены возможности программного комплекса.

Ключевые слова робот, рельеф, Arduino, Android.

* Магистрант кафедры «Информатика и программное обеспечение».

* Доцент кафедры «Информатика и программное обеспечение», кандидат технических наук, доцент.

Робототехника - наука будущего. Фантасты с давних пор пишут о роботах в нашей жизни, и сейчас они всё больше и больше входят в нашу жизнь. Не только на уровне науки и производства, но уже и на обычном бытовом уровне.

Робототехнические комплексы также популярны в области образования. Они используются как современные высокотехнологичные исследовательские инструменты в области теории автоматического управления и меха-троники. Применение возможностей робототехнических комплексов в инженерном образовании даёт возможность одновременной отработки профессиональных навыков сразу по нескольким смежным дисциплинам: механика, теория управления, схемотехника, программирование, теория информации. Кроме того, студенты уже в процессе профильной подготовки сталкиваются с необходимостью решать реальные практические задачи.

Для реализации поставленных задач робототехники существует множество решений, но наиболее интересным и распространенным в среде разработчиков является микроконтроллерная плата Arduino. Она обладает большим количеством библиотек и средств для расширения. При данном типе задач можно сказать, что использование микроконтроллеров является общепринятым методом решения. Освоение данной методики не занимает много времени, а средства разработки для микроконтроллерной платы фирмы Ar-duino являются простыми даже для тех, кто никогда не занимался микроэлектроникой.

Arduino - аппаратная вычислительная платформа, основными компонентами которой являются простая плата ввода / вывода и среда разработки на языке Processing / Wiring. Arduino может использоваться как для создания автономных интерактивных объектов, так и подключаться к программному обеспечению, выполняемому на компьютере (например, AdobeFlash, Processing, Max / MSP, PureData, SuperCollider). Рассылаемые в настоящее время версии могут быть заказаны уже распаянными. Информация об устройстве платы (рисунок печатной платы) находится в открытом доступе и может быть использована теми, кто предпочитает собирать платы самостоятельно [1].

На концептуальном уровне все платы программируются через RS-232 (последовательное соединение), но реализация этого способа отличается от версии к версии. Плата SerialArduino содержит простую инвертирующую схему для конвертирования уровней сигналов RS-232 в уровни ТТЛ, и наоборот. Текущие рассылаемые платы, например, Diecimila, программируются через USB, что осуществляется благодаря микросхеме конвертера USB-to-Serial FTDI FT232R. В версии платформы ArduinoUno в качестве конвертера используется микроконтроллер Atmega8 в SMD-корпусе. Данное решение позволяет программировать конвертер так, чтобы платформа сразу определялась как мышь, джойстик или иное устройство по усмотрению разработчика со всеми необходимыми дополнительными сигналами управле-

ния. В некоторых вариантах, таких как ArduinoMini или неофициальной Boarduino, для программирования требуется подключение отдельной платы USB-to-Serial или кабеля [1].

Android - портативная (сетевая) операционная система для коммуникаторов, планшетных компьютеров, цифровых проигрывателей, наручных часов, нетбуков и смартбуков, основанная на ядре Linux. Изначально разрабатывалась компанией AndroidInc., которую затем купила Google. Впоследствии Google инициировала создание альянса OpenHandsetAlliance (OHA), который сейчас и занимается поддержкой и дальнейшим развитием платформы. Android позволяет создавать Java-приложения, управляющие устройством через разработанные Google библиотеки [2].

Существует множество средств для построения рельефа, но все они базируются на компьютерном зрении, либо на непосредственном активном участии человека. Целью работы служит построение графической модели закрытого рельефа с использованием роботизированной системы. Закрытый рельеф - это рельеф, который может быть исследован только на «ощупь», т.е. с применением датчиков и прочих аппаратных средств. Ярким примером закрытого рельефа являются подземные пещеры. Чаще всего к закрытому рельефу доступ человека осложнён не только из-за того, что размеры человека не позволяют ему комфортно исследовать территорию, но и из-за того, что создаваемые природой условия могут быть опасны для человека (например, большая концентрация газа). Поэтому в таких случаях удобно использовать роботизированную систему по изучению рельефа.

На рис. 1 представлена архитектура программной системы. Архитектуру можно разделить на три составные части: робот, Android-устройство и ПК.

Пользователь управляет робот посредством установленной на персональный компьютер программы, которая предоставляет ему для этого удобный пользовательский интерфейс. Также при управлении он может отслеживать строящийся рельеф, а также для удобства определения местоположения на интерфейс передаётся информация с камеры Android-устройства. При получении локационных данных и показаний различных датчиков от Android-устройства и на основе точек уже полученных ранее происходит анализ строящейся поверхности, с целью уменьшения количества полигонов на карте и новые данные заносятся в БД.

Самого робота можно разделить на три основные части: ArduinoMega ADK, MotorShield (плата управления роботом) и гусеничная платформа, на которую устанавливаются все составляющие. ArduinoMega ADK - это «мозг» робота, к этой плате присоединяются все комплектующие и все датчики. MotorShield - это прослойка, управляющая гусеничной платформой робота и способная получать данные от неё. Гусеничная платформа - это «мышцы» робота, то благодаря чему он передвигается.

Рис. 1. Архитектура программного комплекса

Из всех датчиков и составляющих Android-устройства мы будем использовать только акселерометр и камеру. Данные от них будут передаваться в установленное на устройство приложение и обрабатываться его главным модулем. Затем будут приниматься данные от робота посредством USB-соединения с Arduino. Агрегированные данные будут анализироваться и пересылаться на персональный компьютер через Bluetooth соединение.

Ключевые элементы робота представлены на рис. 2.

Разработанная система предоставляет пользователю следующие возможности:

- управление роботом через интерфейс программной части предназначенной для персонального компьютера, с которого и будет осуществляться работа оператора;

- подключение роботизированной системы перед использованием является максимально простым, для того чтобы переложить все сложные аспекты настройки на администратора и внутренние механизмы программной системы;

- данные с датчиков устройства являются актуальны, в пределах допустимой нормы, для того чтобы оператор успевал принимать необходимые решения;

- данные о получаемых рельефных точках и конечная модель рельефа схожи с реальным рельефом, с допустимой погрешностью позволительной для решения конкретных прикладных задач;

- изображения с камеры максимально актуально и сопровождаться информацией о задержке получения изображения, чтобы оператор понимал реальную ситуацию и принимал своевременные решения;

1. Гусеничная платформаRover 5 с двумя мощными моторами. Обладает высокой степенью проходимости и хорошей устойчивостью при установке на основную платформу дополнительных расширений.

2. Крепление под мобильное устройство на базе ОС Android.

3. Батарейный блок питания гусеничной платформы (6 батареек АА).

4. Arduino Mega ADK.

5. MotorShield - плата управления моторами гусеничной платформы, обладающая высокой степенью надежности обеспечивающая равномерное питание мотором и защищающая их от случайных скачков напряжения.

6. Порт ввода / вывода для возможности вывести программу с компьютера на микроконтроллер, а также для отладки этой программы.

7. USB-порт для подключения устройства на базе ОС Android в режиме AccessoryMode, который поддерживается устройствами, начиная с версии ОС 2.3.

8. Разъем питания микроконтроллерной платы Arduino Mega ADK.

9. Питание Arduino Mega ADK. (Батарейка «Крона» - 9 Вольт).

Рис. 2. Устройство гусеничного робота в минимальной комплектации

Вследствие выбора описанной архитектуры, программный комплекс имеет большой потенциал для развития. Расширяемость платформы Arduino не ограничивается только подключением Android-устройства. Присутствует возможность увеличения точности измерений за счет подключения к Arduino нескольких сонарных дальномеров. Для наглядности построенной модели возможно дополнение системы компьютерным зрением, на базе OpenCV, которое позволит текстуризировать поверхность.

Разработанная программная система имеет невысокую эффективность на представленном аппаратном обеспечении, но может раскрыть весь свой

потенциал на более мощных и точных аппаратных средствах. Например, необходимы мощные моторы и больший размер колеса для повышенной проходимости, несколько точных акселерометров могут повысить точность вычислений при построении. Изменение способа беспроводной передачи данных на более высокоскоростной метод также позволит увеличить информативность снятых с датчиков показаний (HD-камера со вспышкой, real-time данные акселерометра). Также для практической ценности необходимо значительно увеличить радиус действия беспроводного соединения и сделать его более устойчивым к помехам.

Список литературы:

1. Соммер У Программирование микроконтроллерных плат Arduino / Freeduino / У Соммер. - СПб.: БХВ-Петербург, 2012. - 256 с.

2. Голощапов А.Л. Google Android. Программирование для мобильных устройств / А.Л. Голощапов. - СПб.: БХВ-Петербург, 2011. - 440 с.

ТЕПЛОВАЯ МОДЕЛЬ ОБОЛОЧКИ МАЛОГО КАРКАСНОГО СТРОЕНИЯ КУПОЛЬНОГО ТИПА

© Дрянов О.А.*

Иркутский государственный технический университет, г. Иркутск

В работе рассматривается вопрос построения тепловой математической и имитационной модели оболочки каркасного сооружения. На основе схемы замещения строиться математическая модель в виде система дифференциальных уравнений, с последующей реализацией в среде Simulik.

Ключевые слова: тепловая модель, модель теплопотерь, теплопоро-водность оболочки.

Анализ тепловой устойчивости сооружений, моделирование условий теплового комфорта и ряд других задач теплофизики неразрывно связаны с задачей построения тепловой модели ограждения или стены, а в случаи каркасных сооружений требуется построение модели оболочки. Возьмём за основу известную модель теплопотерь [1]:

dQ T - T t

losses _ room_out

dt ~ R

eq

где Req - тепловое сопротивление помещение-окружающая среда; Tr0om - температура в помещении; T0ut - температура окружающего воздуха.

* Директор Международного Центра Технической Экспертизы и Стандартизации ИрГТУ.