1 Общие положения

С учетом специфики изучаемой дисциплины и специальности рекомендуется изучение систем управления роботами осуществлять таким образом, чтобы к концу первого семестра студенты имели бы основные знания и навыки для успешной творческой работы над курсовым проектом. Поскольку проект посвящен разработке микропроцессорной системы управления, в первый семестр курса вынесен материал по системам с фиксированной структурой, функциональные возможности которых определяются программой (микропроцессоры, микроконтроллеры). Вслед за изучением материала студенты выполняют практические задания, а во втором семестре занимаются курсовым проектированием, повторяя и закрепляя материал первого семестра. В конечном итоге к концу второго семестра студенты готовы к сдаче экзамена по курсу. Выполнение индивидуальных практических заданий, курсового проекта и подготовка к его защите входят в запланированный объем самостоятельной работы студентов по дисциплине (54 часа).

Основой микропроцессорных систем управления промышленными роботами (МПУУ ПР) являются управляющие ВМ (в настоящее время это обычно микроЭВМ). Эти УВМ могут быть определены как управляемые программно ЭВМ, пред­назначенные не для вычислительных, а для специализированных примене­ний, таких, как управление роботами и другими объектами, сбор, регист­рация и поиск информации, автоматизированное проведение экспериментов, работа в измерительных приборах и комплексах и т.п. Такие ЭВМ органи­зованы как системы с обратной связью, и вычислительная машина работает как автомат, систематически корректирующий свою деятельность при помо­щи обратной связи от обслуживаемых им объектов, получая информацию для обработки от датчиков и других устройств объекта и направляя результа­ты обработки в исполнительные механизмы и другие устройства.

В частности, устройства управления промышленными роботами, как известно из курса "Основы робототехники", должны поддерживать двунаправленные связи со следующими группами объектов и объектами внешнего мира:

- с подсистемами данного робота (роботов);

- со вспомогательным технологическим оборудованием;

- с другим оборудованием (внешней средой);

- с СУ верхнего уровня (АСУ ГПС);

- с оператором;

- с устройствами внешней памяти;

- с реальным временем.

Программное управление процессом обработки информации делает мик­роЭВМ универсальной, т.к. дает возможность реализовать требуемый для специализированного применения алгоритм взаимодействия с объектом. При этом конкретная специализация определяется потребителем путем разра­ботки специальной прикладной программы и выбора необходимых функцио­нальных модулей системы, в частности устройств связи с объектом и дру­гих периферийных устройств.

При управлении объектами микроЭВМ должна производить сбор, обра­ботку и выдачу информации во взаимодействии с процессами, происходящи­ми в управляемом устройстве, т.е. работать в режиме реального времени. Это обеспечивается программированием последовательности измерений ин­фор­ма­ци­он­ных сигналов и выдачи управляющих воздействий с необходимыми временными интервалами, длительность которых достаточно мала и опреде­ляется динамикой управляемой системы. Так, для РТС эта дли­тельность составляет менее десятых долей секунды. В процессе управле­ния вычисления в микроЭВМ непрерывно повторяются для новых данных, а цикл вычислений занимает сравнительно небольшой промежуток времени.

Таким образом, в отличие от ЭВМ вычислительного типа управляющая ЭВМ не занимается длительными вычислениями, при которых накапливаются погрешности численных методов, а проводит их кратковременно, но перио­дически, постоянно оценивая расхождения и внося поправки. Это дает возможность получить необходимую для целей управления точность вычис­лений при использовании уменьшенной разрядности двоичных чисел, с ко­торыми работает процессор, и не требует очень высокого его быстродейс­твия.

Принцип обратной связи с управляемым процессом дал основу для ис­пользования в МПУУ ПР микроЭВМ с малой точностью вычислений (раз­рядностью) и невысоким быстродействием. Основные требования к такой ЭВМ:

• иметь разветвленную и гибкую систему устройств связи с разнород­ными источниками управляющих воздействий и с управляемыми объектами;

• согласовывать ход вычислительного процесса с ходом процесса уп­равления объектами (работа в реальном масштабе времени), выдавать воз­действия в соответствии с показаниями таймера;

• обладать специальными режимами обмена с внешними устройствами, связанными с прерыванием хода основных вычислений процессора для об­служивания таких устройств или с передачей своей активной роли другому устройству.

Помимо перечисленных, МПУУ должна удовлетворять и таким требованиям как дешевизна, надежность, климатоустойчивость, функциональная гибкость.

Основным критерием при выборе архитектуры МПУУ является минимальная стоимость проектируемой системы, а ограничениями – удовлетворение перечисленных выше требований со стороны интерфейса. Конкурирующими вариантами микропроцессорной базы в данном случае могут быть:

• промышленный контроллер;

• персональная ЭВМ (ПК);

• система однокристальных процессоров;

• сочетание каких-либо из перечисленных вариантов.

Первый вариант предполагает использование готового набора узлов, включающих блок центрального процессора с оперативной памятью и блоки интерфейсов с оборудованием. Состав набора должен быть выбран в соответствии с перечисленными выше положениями. В то же время иногда приходится изменять и набор датчиков или исполнительных элементов робота.

С другой стороны, существует ряд соображений в пользу того, чтобы разрабатывать оригинальные МПУУ (варианты 2 и 3). Во-первых, для специфических узлов робототехники (например, электромеханических фазовращателей) на рынке может просто не оказаться подходящих модулей сопряжения. Во-вторых, стандартные МПУУ очень часто проектируются исходя из их максимальной универсальности (а, следовательно, большого объема выпус­ка), что нередко приводит к их довольно высокой стоимости по сравнению со специализированными устройствами. Наконец, в-третьих, оригинальная разработка позволяет использовать возможности новых элементов (процессоров, памяти, схем сопряжения), еще не включенных в серийную аппаратуру. Такая разработка может стать основой новой, более со­вершенной МПУУ, с которой можно будет затем выйти на рынок.

Использование в качестве базы МПУУ стандартного персонального компьютера оправдано в случае, если условия эксплуатации не требуют его дополнительной защиты, а интерфейс с пользователем предусматривает значительный объем графической и текстовой информации, выводимой на стандартный дисплей. При этом требования к быстродействию и объему памяти ПК обычно весьма низки, что обеспечивает экономическую эффективность разработки устройств сопряжения (УС) ПК с оборудованием. Оригинальные УС при этом подключаются либо к портам ПК, либо к его шинам (PCI, ISA, USB /1/). Ввиду ограниченности количества портов шинная структура УС является преобладающей. Задания на проектирование интерфейсного модуля для ПК с сопряжением по одной из его шин могут быть выданы индивидуально в составе какой-либо комплексной разработки.

Исполнение МПУУ на базе одного или нескольких однокристальных микроконтроллеров (МК) /2/ позволяет минимизировать аппаратную базу и матобеспечение системы, полностью учесть особенности используемого оборудования. В учебных целях в проект включены задания на проектирование многопроцессорного МПУУ на базе наиболее широко распространенных МК (приведены ниже).

Сочетание стандартных аппаратных средств и самостоятельно разработанных блоков наиболее целесообразно, но при этом разработчику следует освоить как разновидности архитектур микропроцессоров, являющихся основой МПУУ, так и соглашения об обмене информацией по интерфейсам, правила электрического и временнóго согласования с перечисленными объектами и т.д. Очень важно также знать типичные примеры конкретной схемотехнической реализации узлов МПУУ, особенно некоторых наиболее ответственных, чтобы не делать грубых ошибок. Это значительно облегчает процесс проектирования.

Конечно же, разработчик должен уметь составить программу, управляющую разработанной системой, которая бы в наибольшей степени была ориентирована на учет всех особенностей аппаратуры и которая в ряде случаев очень эффективно может взять на себя многие функции этой аппаратуры, снизив стоимость системы.

Все эти вопросы должны решаться в комплексе. Только в этом случае можно надеяться на успешное решение задачи разработки оригинальных и эффективных МПУУ.