Удаленное управление микроробототехническими комплексами через сеть Интернет: архитектура системы и особенности реализации

Рис. 5. Полученные результаты

Методы идентификации позволяют получить достаточно точные и адекватные модели элементов сложных технических систем.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. БусленкоН.П. Моделирование сложных систем. -М.: Наука. 1978.

2. Льюнг Л., Идентификация систем. Теория пользователя. Пер. с англ. Под редакцией Я.З. Цыпкина. - М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1991.

3. Дейтч А.М. Методы идентификации динамических объектов. - М.: Энергия, 1979.

4. Дорф Р., Бишоп Р., Современные системы управления. Пер. с англ. Б.И. Копылова -М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2002.

5. Лесин В.В., Лисовец Ю.П., Основы методов оптимизации. М.: МАИ, 1998.

О.В. Даринцев, А.Б. Мигранов, И.В. Голенастов

УДАЛЕННОЕ УПРАВЛЕНИЕ МИКРОРОБОТОТЕХНИЧЕСКИМИ КОМПЛЕКСАМИ ЧЕРЕЗ СЕТЬ ИНТЕРНЕТ: АРХИТЕКТУРА СИСТЕМЫ И ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ

В работе рассмотрено построение системы удаленного управления микроро-бототехническими комплексами на основе используемых в сети Интернет современных протоколов передачи данных. Рассматриваемый подход основан на архитектурном решение фирмы Microsoft - Web-службах инфраструктуры ASP.NET из состава .NET Framework, что позволяет эффективно решать проблемы задержки сигналов обратной связи использованием формата хранения данных XML, а также снимать привязку программных модулей к аппаратной платформе за счет клиент-серверной архитектуры на базе Web-служб. Работа выполнялась в рамках проекта, целью которого являлась разработка виртуального комплекса управления автома -тизированными технологическими процессами [1], выполняемыми с помощью роботов специального класса (так называемых микросборочных роботов или мик -ророботов) [2]. На данном этапе проекта решались задачи по разработке распределенной системы удаленного управления микросборочным комплексом.

Телеуправление на основе технологии Web-служб

Чаще всего Web-службы используются для построения распределенных систем [3]. Под распределенной системой будем понимать программную среду, ком-

поненты которой функционируют на различных физических устройствах, таких как персональные компьютеры, мэйнфреймы и т.п. Это актуально в области построения распределенных систем управления сложными робототехническими системами, в которых, как правило, имеет место информационное взаимодействие между платформами различных архитектур. Так, в микросборочном производственном комплексе программные модули взаимодействия с аппаратной частью реализуются в операционной системе реального времени, обработка сигналов обратной связи, для получения которых используется система технического зрения, реализована в среде Windows, а человеко-машинный интерфейс с целью упрощения и снижения стоимости планируется разработать на базе миниатюрных ПЭВМ, например КПК или смартфона. Естественно, в условиях, когда различные компоненты системы управления реализованы на различных платформах, выбор Web-служб для построения распределенной системы является обоснованным.

Другим важным моментом, связанным с использованием Web-служб, является возможность удаленного управления микросборочным комплексом на основе глобальной сети Интернет. В последние годы телеуправление роботами с использованием глобальной сети считается одним из новых перспективных направлений научных исследований. Возможные приложения сетевой робототехники - телеуправление в экстремальных средах, дистанционное обучение, удаленное управление автоматизированными производствами и построение человеко-машинных интерфейсов [4].

На рис. 1 показана предлагаемая схема информационного взаимодействия в системе распределенного управления микросборочным комплексом на основе технологии Web-служб.

Рис. 1. Схема информационного взаимодействия на основе технологии ШвЬ-служб Система состоит из двух ключевых компонентов.

1. Web-служба, которая устанавливается на удаленном сервере и физически взаимодействует с технологическим оборудованием. Посредством Web-службы реализуется распределенное удаленное управление.

2. Web-клиент. Клиент может быть двух типов, первый - это Web- браузер (независящий от платформы и установленной операционной системы), второй - Windows-приложение, устанавливаемое на стороне клиента (работает только в системе Windows с предустановленной платформой .NET Framework).

Использование формата XML для передачи данных

Важным преимуществом представленной схемы является возможность отка -заться от разработки особого протокола (формата передаваемых и получаемых данных) и опереться на популярный, платформенно-независимый формат хранения данных XML (extensible Markup Language). Формат данных XML имеет одинаковое представление на любой платформе, может хранить любые данные и легко передается по сети. Это позволяет реализовать Web-службу на основе обмена XML-сообщениями.

Управляющие команды, используемые для воздействия на технологическое оборудование, микроманипуляционные устройства и микророботы реализованы на известном принципе клиент-сервер (рис.2). Сервер - программное приложение, исполняющееся на базе ПЭВМ (персональная ЭВМ), с помощью которой организована система управления низкого уровня и осуществляется непосредственное управление работой аппаратной частью. Клиент -интерфейсный модуль удаленного управления технологической частью. Связь между программой-клиентом и программой-сервером осуществляется на основе технологии Web-служб, что позволяет связывать вычислительные узлы как в пределах одной сети, так и в глобальной сети Интернет.

Следует заметить, что предложенная структура системы предъявляет серьезные требования к вычислительным ресурсам, скорости информационного обмена между физической и удаленной средами, а также объемам передаваемых данных. Использование системы технического зрения (СТЗ) для определения координат и ориентации микророботов, рабочих органов микроманипуляторов, микрообъектов и т.д. исключает возможность непосредственного обмена данными через интерфейсный комплекс Web-клиента, поскольку пропускной способности его канала, а также вычислительной мощности оказывается недостаточно для организации работы всей системы в реальном времени. Поэтому для достижения наилучшего соотношения по производительности система строится на базе современной элементной базы и программных компонентов. Это обеспечивается использованием многопроцессорной системы со структурно-процедурной организацией вычислений, имеющей в своем составе также высокопроизводительный фреймграббер с аппаратной поддержкой функций обработки изображений. Из-за большой вычислительной нагрузки модули обработки изображений с СТЗ и сенсорной информации с датчиков реализуются на базе отдельной ПЭВМ, имеющей достаточно эффективный коммуникационный интерфейс для связи вычислительных узлов между собой (на базе скоростных портов ввода-вывода цифровых видеосигналов), а также быстродействующую подсистему ввода-вывода на дисковые накопители и подсистему памяти. Система управления низкого уровня также строится на базе отдельной ПЭВМ, основным требованием к ней является наличие достаточного количества портов ввода-вывода для связей с основными и периферийными устройствами технологического комплекса.

Поскольку предложенная структура вычислительных узлов является распределенной, то интерфейсная надстройка Web-клиента имеет подсистемы сетевого и коммуникационного взаимодействия и включает протоколы обмена информации как физического, так и логического характеров. Программные средства приема по сети данных с вычислительных узлов реализуются на базе технологии

Web-служб, обработка значений параметров управляемых объектов (положения, углы поворота, скорости и т.д.) осуществляется с помощью COM-, LPT- и USB-портов. Между отдельными программными модулями в пределах одного вычислительного узла (модули предварительной обработки изображений, распознавания компонентов сборки, координат микророботов и т.д.) обмен данными реализуется на основе протоколов логического характера - DDE и OLE (ActiveX).

В связи с вышесказанным в системе происходит высокий по интенсивности обмен информационными пакетами, и поэтому возникает необходимость их программного согласования во времени друг относительно друга. Эта функция реализуется модулем синхронизации, расположенным на одном из уровней в иерархической структуре Web-клиента. Иначе возможна ситуация перехода всей системы в состояние ожидания, когда необходимо обработать одну из команд, а информация для него еще не пришла из другой подсистемы. Это может быть связано со сложными расчетами математической модели или задержками в сети, в этом случае модуль синхронизации программно экстраполирует необходимые параметры и на основе их предыдущих значений сглаживает сигналы управления движением объектов.

Важным преимуществом представленной схемы является возможность отка -заться от разработки какого-то особого формата данных и использовать популяр -ный, платформенно-независимый формат хранения данных XML (extensible Markup Language). Формат данных XML имеет единое представление на любой платформе, может хранить любые данные, и его структура оптимизирована для передачи по сети, что в совокупности облегчает реализацию Web-служб на его базе. Поэтому главное требование, которому должен отвечать тот или иной модуль управления микросборочным комплексом - это умение принять запрос на выполнение функционала в формате XML и сгенерировать ответ в этом же формате.

Клиент Сервер

Рис. 2. Клиент-серверная архитектура системы распределенного управления

Для непосредственного управления действиями микророботов используется специальная библиотека команд в формате XML-документа, включающая кроме команд, описывающих различные операции в глобальной системе координат рабочего пространства («Движение к целевой точке», «Движение к целевой точке с заданной ориентацией» и т.п.), команды управления для работы в локальной системе координат микророботов («Вперед», «Поворот влево» и т.п.).

Как известно, XML-документы имеют иерархическую структуру и предназначены для хранения данных в текстовом формате. Поэтому в древовидной структуре XML можно разместить информацию из хранилища данных с практически любой

структурой. Поскольку основная обработка связана с данными, поступающими из систем технического зрения и обработки изображений, то XML-документ содержит только набор параметров, однозначно определяющих состояние микророботов и технологической среды (набор обобщенных координат и координаты объектов). Такой подход позволяет реализовать не только возможности поиска и преобразова -ния необходимых данных, но и одновременно решается проблема, связанная с физической ограниченностью пропускной способности каналов связи.

К примеру, для приема ПЭВМ видеоизображений используются CCD-камеры с размером кадра 640x480 точек (пикселей), обеспечивающие 256 градаций серого и частоту 50 кадров в секунду. Так как состояние каждого пиксела кодируется 1 байтом, информационный трафик, формируемый CCD-камерой, будет составлять 15 000 Кбайт/с. Вместе с тем, оператору при выполнении микросборочных операций для наиболее оптимальной идентификации рабочей сцены необходимо воспринимать до пяти проекций рабочей области, поэтому суммарный информационный трафик будет составлять около 73 Мбайт/с. Даже для наиболее высокоскоростных каналов подобные скорости передачи данных, не говоря уже об их обработке вычислительными алгоритмами, являются трудно реализуемыми.

В то же время, объем массива параметров XML-документа, однозначно описывающих состояние физической среды, составляет 1304 байта: обобщенные координаты микроманипуляторов, положение и ориентация микророботов, координаты объектов, с которыми они взаимодействуют и т.д., - всего 341 переменная в формате четырехбайтных чисел с плавающей запятой или однобайтных целочисленных. Несложно подсчитать, что объем данных, передаваемых в виде XML-документа, меньше на 5 порядков, и управление технологическим оборудованием возможно при полосе пропускания канала в пределах 8-10 Кбит/с.

Не менее важным является то, что приложения, написанные для одной платформы, могут вызывать Web-службы, функционирующие на другой или других платформах. Таким образом, Web-службы оказывают неоценимую помощь, когда речь идет об интеграции так называемых унаследованных систем (legacy systems), то есть интеграции старых, созданных до начала эпохи бурного развития компьютерных технологий с новыми, современными компонентами. Примерами унаследованных систем могут быть аппаратно-зависимые человеко-машинные интерфейсы, программное обеспечение для сбора, обработки и анализа изображений, интеллектуальные алгоритмы на основе аппаратной реализации нейронных сетей и т.д. Интерфейсы, через которые осуществляется взаимодействие с унаследованными системами, часто весьма сложны, и решение задачи интеграции становится чрезвычайно трудоемким, но и отказаться от использования системы и написать все заново слишком трудоемко и дорого. При использовании Web-служб у этой проблемы возникает относительно тривиальное решение - необходимо просто перестроить старую систему в Web-клиента.

Заключение

Предложенные методы распределенного управления на основе технологии Web-служб были опробованы в экспериментальных работах на базе натурного прототипа микросборочного комплекса. В настоящее время построен клиент системы управления со стандартным графическим интерфейсом удаленного пользователя, который автоматически загружается через браузер персонального компьютера, КПК или смартфона. Ведутся работы по организации канала управления с обратной связью с использованием КПК. Предполагается, что в дальнейшем эти работы станут основанием для реализации более простых и дешевых человекомашинных интерфейсов.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта «Кандидаты наук РАН» Фонда содействия отечественной науке, гранта РФФИ 05-01-97906-р_агидель_а и программы № 16 фундаментальных исследований ОЭММПУ РАН.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Даринцев О.В., Мигранов А.Б. Виртуальный имитатор технологического комплекса сборки микросистем // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2006.

- № 10 - С. 19 - 25.

2. Даринцев О.В., Мигранов А.Б. Манипуляционные микроробототехнические системы и проблемы производства гибридных МЭМС // Нано- и микросистемная техника. 2005.

- №2. С. 38-44.

3. Феррара А., Мак-Дональд М. Программирование Web-сервисов для .NET. / СПб.: Пи-тер-BHV, 2003.

4. Белоусов И.Р., Сазонов В.В., Чебуков С.Ю. Опыт разработки и использования системы управления роботом-манипулятором через сеть Интернет // Труды научной школы-конференции “Мобильные роботы и мехатронные системы”. М.: МГУ. С. 217-226.

С.Б. Симонов

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ВИЗУАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ПО ПОЛОЖЕНИЮ В РОБОТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЕ НАВЕДЕНИЯ НА ЦЕЛЬ

Визуальные системы управления роботами обеспечивают обратную связь по относительному положению рабочего органа робота. Они используют алгоритм интерактивного позиционирования, базирующегося на формировании и обработке визуальной информации об окружающей среде. Если образ, полученный с камеры, используется для определения положения объекта в пространстве, и эти параметры используются для управляющего воздействия, то такие системы называют визуальными системами с обратной связью по положению [1].

Раньше практическое приложение этой задачи было относительно небольшим (траектография, обнаружение и контроль объектов на подвижной ленте транспортера) [2], однако в настоящий момент в связи с развитием вычислительной техники эта задача возникает во многих интеллектуальных робототехнических системах. В частотности, ведутся исследования в следующих направлениях: интеллектуальные следящие системы технического зрения (ИССТЗ) [4], дистанционное управление подвижными роботами по видеопотоку внешней камеры [5], позиционирование манипулятора по видеоизображению и других.

На рис. 1 показана обобщенная схема управления системы визуального управления с обратной связью по положению [1]. Внутренний контур обратной связи относится к системе позиционирования манипулятора. Внешний контур — визуальная обратная связь по положению.

В идеальном случае связь между положением объекта в пространстве и его отображением 1(K) линейна. К сожалению, на практике такой ситуации достигнуть сложно. Отвлекаясь от качества видеосигнала, можно считать, что на отображение влияют следующие явления [2].

Эффект параллакса.

Геометрическая аберрация (увеличивается по мере удаления объекта от оптической оси).

Эффект нарушения фокусировки: точечному объекту соответствует образ с ненулевым значением площади.