Використання високопродуктивних мікроконтролерів для автоматизованої платформи дослідження території



В даній роботі надані результати розробки програмної інфраструктури автоматизованої платформи дослідження території що використовують можливості архітектури Cortex-A. Була проведена робота з метою розробки мініатюрної недорогої системи збору і обробки відео інформації. Саме ця інформація є основою базового елемента системи визначення місцезнаходження, що дотепер здійснюється за допомогою супутникової навігації, що є вразливою до втрати зв'язку. Результат розробки прототипу автоматизованої системи управління наземною рухомою платформою на основі фреймворку Spring з вбудованою системою визначення місцезнаходження на основі відеоданих дозволив визначити стандарти такої системи і забезпечити високу надійність таких систем.

Ключові слова--АСУ, рухома платформа, Spring, одометрія, обробка відеоданих.

Вступ

При виконанні пошукових робіт на небезпечних для людини ділянках використовуються дистанційно керовані мобільні платформи. В даний час найбільш поширене застосування наземних колісних і гусеничних мобільних платформ[1]. Основна перевага їх застосування це можливість розміщення фахівців, в даному випадку оператора мобільної платформи, поза межами потенційно небезпечної зони, зберегти здоров'я і життя людей.

При втраті зв'язку, погіршенні видимості і інших випадках, коли відсутня можливість візуального спостереження, виникає проблема ручного управління платформою оператором. Такі ситуації потребують використання системи автоматичного повернення рухомої платформи до місця перебування оператора. Саме вони засновані на використанні автономної навігації.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Аналіз останніх публікацій [1-4], що пов'язані з вищеописаним, показав, що на теперішній час активно іде розвиток контролерів на базі архітектури Arm(cortex-A). Автоматизація управління реалізується у тому числі і для систем управління мобільними платформами, діаграма розгортання яких показана на рис.1. Основою контролера автоматизованої системи управління мобільною платформою (АСУМП) є OrangePi Zero Plus. Далі розкриті технічні характеристики мікрокомп'ютера OrangePi Zero Plus, що виконує роль контролера системи управління рухомою платформою:

  • процесор 64-бітний SoC Allwinner H5 Quad-core Cortex-A53;
  • графічний процесор Mali450MP4;
  • оперативна пам’ять 512Mb DDR3 synchronous dynamic random-access memory (включаючи GPU);
  • вбудована пам'ять 8GB embedded MultiMediaCard;
  • можливість підтримки карт пам'яті microSD (об'ємом до 64GB);
  • аудіо- і відеовивід через HDMI з підтримкою Consumer Electronics Control;
  • вбудований WiFi 802.11 b/g/n + Bluetooth 4.0 Low Energy;
  • мicroUSB 2.0 On-The-Go x1;
  • camera Serial Interface;
  • налагоджувальний порт;
  • 26 пінів General Purpose Input-Output, сумісних з Raspberry Pi B +;
  • світлодіоди стану і активності;
  • живлення від microUSB роз'єму;
  • розміри: 48 х 46 mm;
  • вага: 20g.

Базовими причинами вибору такого рішення є невисока вартість, \$15 на момент написання статі, наявність безкоштовної ОС “Armbian”, сумісність даної ОС з технологіями JAVA і наявність безкоштовних, надійних бібліотек для виконання поставленої задачі [5-8].

Актуальність та постановка задачі

Метою даної роботи є зменшення трудомісткості (вартості) розробки програмної складової системи управління мобільною платформою за рахунок використання загальнодоступного фреймворку, а також описати її роботу на рівні діаграми розгортання.

Виклад основного матеріалу

Метою статі є опис системи автоматизованого керування мобільними платформами на рівні діаграми розгортання, у стандартах UML. Отже задачею є показати технологічні можливості практичної реалізації АСУМП на базі мікроконтролерів Arm(cortex-A) на прикладі OrangePi.

Рис. 1 Діаграма розгортання АСУМП

На рис. 1 показана діаграма розгортання частини АСУМП на базі мікрокомп'ютера cortex-A, а саме OrangePi Zero Plus. В нижній частині діаграми розгортання зображені виконавчі механізми, що керуються за допомогою мікроконтролера STM32F103, підключеного до OrangePi Zero Plus через інтерфейс General Purpose Input-Output (GPIO). До виконавчих механізмів відносяться два електричних двигуни, а також оптичні датчики швидкості обертання. Оскільки двигуни потребують різкі зміни напруги, їх живлення відбувається через окремий коло живлення. Мікроконтролер дозволяє керувати двигунами в реальному часі.

У верхній частині рисунку показана плата мікрокомп’ютера Orange Pi, і операційна система Armbian, встановлена на ній. До мікрокомп’ютера за допомогою USB під’єднується живлення та веб-камера. WI-FI, встановлений у плату мікрокомп’ютера, дозволяє підключитися до встановленого-веб-сервера для керування наземним роботом.

Таким чином, можна виділити два основні контури управління – контур управління двигунами, а також контур управління відеокамерою та обробки візуальної інформації.

Система на основі діаграми розгортання може бути використана як прототип системи з можливістю візуального спостереження.

Висновки

У ході виконання роботи було побудовано прототип автоматизованої системи управління рухомою платформою, що показав можливість зменшення трудомісткості і вартості розробки програмної складової системи управління за рахунок використання загальнодоступного фреймворку. Також було описано його роботу на рівні діаграми розгортання у стандартах UML.

Побудований прототип може бути використаний як основа для системи автоматичного повернення рухомої платформи до місця перебування оператора.

Література

{1} Szewczyk, R. Progress in Automation, Robotics and Measuring Techniques. : Volume 2 Robotics / R. Szewczyk, C. Zieliński, M. Kaliczyńska // Springer, 2015. P. 81 – 92

{2} The Best Single-Board Computer for Robotics [електронний ресурс]: https://www.electromaker.io/blog/article/best\-single\-board\-computer\-for\-robotics

{3} Використання високопродуктивних мікроконтролерів для підвищення економічної ефективності виробництва джему / Р. С. Бессмертний, П. Ю. Катін // Стандартизація. Сертифікація. Якість. - 2019. - № 3. - С. 69-77. - Режим доступу: http://nbuv.gov.ua/UJRN/ssia\\_2019\\_3\\_11

{4} Wiring Pi GPIO Interface library for the Raspberry Pi [електронний ресурс]: http://wiringpi.com

{5} Java Communications API [електронний ресурс]: https://www.oracle.com/technetwork/java/index\-jsp\-141752.html

{6} Spring Framework Overview [електронний ресурс]: https://docs.spring.io/spring/docs/current/spring\-framework\-reference/overview.html

{7} A java package to access the Capture interface of the Video4Linux API [електронний ресурс]: https://code.google.com/archive/p/v4l4j/

{8} rxtx - a Java cross platform wrapper library for the serial port [електронний ресурс]: https://github.com/rxtx/rxtx

Рецензент: доцент кафедри інформаційних систем та технологій КПІ ім. Ігоря Сікорського к.т.н. доцент Катін Павло

Dec 5, 2021