Науково-технічні розробки

Управління територіально-розподіленими системами, роботами, об'єктами і комплексами.
Сучасні технології у навчальному процесі ЦНТУ

З метою підвищення рівня підготовки та, відповідно, кваліфікації програмістів, на кафедрі "Програмування комп'ютерних систем і мереж" факультету Автоматики та енергетики ЦНТУ, створений і впроваджений у навчальний процес ще один навчально-методичний комплекс (АПМ), що складається з навчально-методичних матеріалів і апаратно-програмного комплексу (АПК).

1. Призначення

Навчально-методичний комплекс призначений для підготовки програмістів в області розробки і управління територіально-розподіленими системами, роботами, об'єктами і комплексами (рис. 1).

Рис. 1 - Управління територіально-розподіленими системами, роботами, об'єктами і комплексами

2. Область застосування

Основною областю застосування АПК є:

2.1. Розробка та налагодження програмного забезпечення для широкого кола завдань в рамках лабораторних робіт у навчальних установах.

2.2. Розробка та налагодження програмного забезпечення для управління системами різного призначення, наприклад:

  • для систем точного землеробства (супутникове позиціонування, контроль висіву зерна і т.д);
  • для систем управління комплексами водопостачання та поливу (управління засувками, вимірювання тиску води і т.д);
  • для роботів і роботизованих систем (локальних і розподілених);
  • для зерносушарок, дозаторів та іншого обладнання різного призначення;
  • для систем «Розумний будинок»;
  • для систем супутникового позиціонування і стеження за переміщенням об'єктів спостереження;
  • для управління системами охоронної сигналізації, пожежної безпеки, відеоспостереження і т.д.;
  • для управління різними локальними і розподіленими об'єктами і т.д.;
  • для взаємодії з Web-сайтами, серверами і мережевими клієнтами;
  • ...

Бездротова взаємодія з об'єктами управління здійснюється через мережу Internet за допомогою мережевих протоколів і мережу GSM, якщо Internet недоступний.

Управління об'єктами здійснюється через АПК, Web-сервери, смартфони та планшети під управлінням ОС Android.

2.3.Навчальні дисципліни в яких використовується Навчально-методичний комплекс

Навчально-методичний комплекс використовується при вивченні ряду спеціальних дисциплін:

  • «Програмування мікроконтролерних систем»
  • «Програмне забезпечення управляючих мікро ЕОМ»
  • «Архітектура комп'ютерів»
  • «Програмування мобільних пристроїв та систем»
  • «Програмування додатків для OC Android»

Апаратно-програмний комплекс (АПК) є функціональний блок з інтегрованими модулями (рис. 2).

Інтеграція модулів здійснена на конструктивному, апаратному та програмному рівні.

Рис. 2 - Апаратно-програмний комплекс

3. Структура Апаратно-програмного комплексу

Апаратно-програмний комплекс має наступну структуру (рис. 3):

  • контролери;
  • пристрої введення - виведення;
  • зовнішні пристрої;
  • операційні системи;
  • мережеві протоколи;
  • інтерфейси зв'язку з об'єктами і пристроями;
  • бездротові інтерфейси;
  • об'єкти управління.

Рис. 3 - Структура апаратно-програмного комплексу

4. Склад апаратної частини комплексу

4.1. Модулі контролерів:

  • PIC 18F25K22;
  • STM 32F103C8T6;
  • ESP 32;
  • ESP 8266 (рис. 4).

Рис. 4 - Змінні модулі контролерів

Передбачена установка будь-яких інших контролерів і ПЛМ.

4.2. Мережеві комунікаційні модулі:

  • модуль Wi-Fi: ESP 8266;
  • модуль Wi-Fi: ESP 32;
  • модуль GSM: SIM800L.

4.2. Допоміжні модулі:

  • гіроскоп: L3G4200D;
  • акселерометр: ADXL345;
  • модуль GPS: M8030 NEO-M8N;
  • модуль SD Card (read/write).

4.3. Пристрої введення:

  • TouchScreen SPI (TFT дисплей);
  • аналоговий потенціометр;
  • цифровий потенціометр: X9C103SZI;
  • цифровий енкодер;
  • набір кнопок;
  • набір перемикачів;
  • модуль UART;
  • модуль Wi-Fi;
  • модуль GSM;
  • модуль GPS.

4.4. Пристрої виведення:

  • TFT SPI дисплей;
  • OLED I2C serial дисплей;
  • набір світлодіодів;
  • набір RGB світлодіодів;
  • матриця LED 8x8 SPI-UART;
  • модуль Wi-Fi;
  • модуль GSM.

4.5. Об'єкти управління:

  • двигун постійного струму;
  • кроковий двигун;
  • сервопривід.

Розширення:

Для розробки і / або підключення інших модулів передбачена макетна панель і клеми розширення.

5. Склад програмної частини комплексу

5.1. Мережеві модулі:

  • FTP Server, Client;
  • HTTP Server, Client;
  • MQTT Client;
  • Websocket Client;
  • Redis Client;
  • Net (UDP, TCP);
  • CJSON;
  • CoAP;
  • IMAP (e-mail.);
  • WiFi (Station, Access Point);
  • WiFi Monitor;
  • Sqlite3 (SQL);
  • Crypto;
  • TLS.

5.2. Бібліотеки та драйвери для:

  • управління апаратними модулями комплексу і зовнішніми шилдами;
  • управління модулем GPS / ГЛОНАСС;
  • управління модулем GSM;
  • бібліотека графічного інтерфейсу з елементами дискретного і пропорційного управління.

5.3. Інші бібліотеки і драйвери:

При необхідності легко встановлюються / використовуються необхідні бібліотеки і драйвери.

6. Мови програмування для навчальних дисциплін:

Розробка програм для Апаратно-програмного комплексу здійснюється на мовах програмування:

  • С (PIC - контролери, STM 32 Cortex);
  • Lua (Контролери ESP 8266, ESP 32);
  • micro-Python (Контролери ESP 8266, ESP 32);
  • Java (Додатки для ОС Android).

Апаратно-програмний комплекс експонувався на виставці науково-технічних досягнень ЦНТУ 18.04.2019.

http://pksm.kntu.kr.ua/EXP.html

Автори і виконавці:
к.т.н., доц. Смірнов В.В.
к.т.н., доц. Смірнова Н.В.


Програма для дослідження сигналів систем управління і робототехнічних систем

В процесі розробки систем управління і робототехнічних систем виникає необхідність у спостереженні та дослідженні сигналів і процесів, що відбуваються в об'єктах управління:

  • впливи, що задаються;
  • впливи, що управляють;
  • впливи, що збурюють;
  • реакція об'єкта управління на дії в реальному масштабі часу.

Важливим завданням є надання системі властивостей стійкості і оптимізація реакції системи на керуючі і впливи.

Для полегшення вирішення цього завдання створено програму для дослідження сигналів систем управління і робототехнічних систем.

Джерела даних:

  • сигнали з об'єктів систем управління;
  • сигнали з вузлів робототехнічних систем;
  • сигнали з цифрового осцилографа;
  • сигнали змодельовані функціональним генератором;
  • дані, отримані при обчисленнях в Excel.

Сигнали для проведення досліджень зчитуються з файлів у форматах *.CSV, *.WAV, *.TXT.

Вихідні дані:

  • впливи, що задаються, для робототехнічних систем і систем управління;
  • впливи, що управляють, для робототехнічних систем і систем управління;
  • результати обчислювальних експериментів.

Вихідні дані записуються в файли в форматах *.CSV, *.WAV, *.TXT для подальшого використання в програмах управління об’єктом.

Можливості:

Операції з сигналами (8 каналів):

  • копіювання, додавання, віднімання, інверсія;
  • швидке перетворення Фур'є.

Курсорні вимірювання сигналів:

  • амплітуда, тривалість, частота, період.

Фільтрація сигналу:

  • ковзне середнє;
  • фільтр Калмана;
  • адаптивна фільтрація.

Статистичні критерії:

  • відношення правдоподібності, Неймана-Пірсона, Вальда.

Кореляція сигналів:

  • автокореляція;
  • вибірковий коефіцієнт кореляції для двох сигналів.

Функціональний генератор:

  • полярність - позитивна, негативна, біполярна;
  • частота сигналу: 0.001..100000 Гц, амплітуда: 1мв..100 В;
  • частота дискретизації: 0.001..100000 Гц.

Форма сигналу:

  • синусоїда, пила, меандр, трапеція.

Впливи сигналу функціонального генератора для досліджуваного сигналу можуть бути застосовані як до всього сигналу, так і в зазначеному інтервалі між курсорами.

В даний час програмна система входить до складу Апаратно-програмного комплексу для розробки програмного забезпечення систем управління та робототехнічних систем.

Автори: к.т.н., доцент Смірнов В.В., к.т.н., доцент Смірнова Н.В.


Апаратно-програмний комплекс для розробки програмного забезпечення систем управління та робототехнічних систем

Склад:

  1. Апаратно-програмний модуль для розробки систем на базі PIC - контролерів.
  2. Апаратно-програмний модуль для розробки систем на базі контролерів STM32.
  3. Апаратно-програмний модуль для розробки систем на базі контролерів ESP8266.
  4. Апаратно-програмний модуль для дослідження і розробки PI - PID регуляторів.
  5. Вбудований апаратний модуль системи GPS / ГЛОНАСС.

Даний комплекс дозволяє здійснювати розробку апаратно-програмного забезпечення для систем управління об'єктом і робототехнічних систем з використанням мережевих / хмарних технологій і системи супутникового позиціонування.

Модулі 1, 2, 4 комплекси використовується в навчальному процесі на кафедрі "Програмування комп'ютерних систем и мереж".

Модулі 3 і 5 плануються до використання.

Автори: к.т.н., доцент Смірнов В.В., к.т.н., доцент Смірнова Н.В.


Апаратно-програмний модуль для розробки систем на базі
PIC – контролерів

Апаратно-програмний модуль для розробки систем на базі PIC – контролерів

Призначений для створення, програмування, налагодження мікроконтролерних систем управління і виконання лабораторних робіт в рамках курсу "Програмне забезпечення керуючих мікро-ЕОМ".

До складу навчально - методичного комплексу входить:

  • базовий інтегрований апаратно - програмний модуль;
  • автономний апаратно - програмний модуль;
  • модуль - емулятор об'єкта управління;
  • навчальна програма курсу;
  • завдання і методичні вказівки до виконання лабораторних робіт;
  • приклади виконання лабораторних робіт;
  • інтегроване середовище розробки системного програмного забезпечення на мові програмування С;
  • драйвер для завантаження компільованою програми в Flash - пам'ять програм контролера.

Завдання, які вирішуються за допомогою навчально-методичного комплексу:

  • ознайомлення з мікроконтролерами і засобами розробки:
    • введення - виведення дискретних сигналів;
  • виведення інформації на LCD - дисплей;
  • робота з перериваннями мікроконтролера;
  • введення - виведення даних по інтерфейсу RS-232;
  • введення і обробка аналогових сигналів за допомогою АЦП:
    • організація введення з цифрової клавіатури;
  • виведення даних через зовнішній ЦАП по інтерфейсу SPI:
    • створення драйвера інтерфейсу SPI;
  • виведення інформації на семисегментний LED дисплей:
    • створення драйвера динамічної індикації;
  • робота з модулями PWM (ШІМ):
    • управління потужністю в навантаженні;
    • управління двигуном постійного струму. Напрямок та швидкість обертання;
  • робота з зовнішньої EEPROM пам'яттю по інтерфейсу I2C:
    • запис - читання байтів і блоків даних;;
  • розробка ПІД - регулятора:
    • розрахунок параметрів ПІД - регулятора за методикою Ніколса;
    • оптимізація ПІД - регулятора;
    • управління об'єктом;
  • управління сервоприводом.

Програмування: порт USB, інтерфейс ICSP

Автори: к.т.н., доцент Смірнов В.В., к.т.н., доцент Смірнова Н.В.


Графічний інтерфейс на базі контролера Espressif ESP8266

Для управління об'єктом (в тому числі - роботом) через WI-FI і хмарні сервіси розроблений графічний інтерфейс на базі контролера Espressif ESP8266.

Графічний інтерфейс містить:

стандартні елементи управління:

  • Button;
  • Label;
  • Field;
  • TextArea;
  • CheckBox;
  • RadioButton;
  • ProgressBar;
  • Slider;
  • List (Menu);

нестандартні елементи управління:

  • KeyBoard;
  • MultiLabel;
  • MultiSlider;
  • TouchPad.

Управління об’єктом може здійснюватися:

дискретно:

  • елемент управління "Button" - 10 каналів і більше
    (ввімкнути - вимкнути).

пропорційно:

  • елемент управління "MSlider" - 5 каналів;
  • елемент управління "TouchPad" - 6 каналів.

Для плавного управління квадрокоптера, роботом, шасі і т.д.

Автор: к.т.н., доцент Смірнов В.В.


© 2019 KNTU