Использования регуляторов в

метки: Интегральный, Программа, Регулятор, Конструктор, Робот, Ошибка, Робототехника, Mindstorm

В настоящее время роботизированные устройства повсеместно используются на производстве, транспорте и в быту в виде технических приборов с программным управлением, роботовманипуляторов, умных домов и автомобилей, шагающих и бытовых машин.

В связи с развитием вычислительной техники, появлением дешевых и мощных микропроцессоров и сетей программно-управляемые устройства получили широкое распространение, что обуславливает необходимость их изучения в общеобразовательных учреждениях, внедрения робототехники как в основной учебный процесс, так и во внеурочные занятия. Не вызывает сомнений и необходимость методической поддержки педагогов, преподавателей центров технического творчества и специалистов, ведущих практическую деятельность по реализации образовательных программ в области образовательной робототехники в условиях новых Федеральных государственных образовательных стандартов (ФГОС).

Образовательная робототехника – цикл мероприятий в общеобразовательной школе или учреждениях дополнительного образования, в котором программирование и конструирование, объединяясь, позволяют формировать навыки технического творчества, мотивируют учащихся на изучение точных наук и обеспечивают их раннюю профессиональную ориентацию, способствуют развитию у учащихся моторики, усидчивости и трудолюбия, а также тяги к исследовательской и проектной деятельности.

В настоящее время существуют различные учебные программы по курсу робототехники. В этой работе будут рассмотрены некоторые авторские программы, а также выделены общие темы, изучаемые при обучении в курсе робототехники. Акцент ставится на тему использования регуляторов в робототехнике и решении задач с их использованием.

Объект исследования – процесс обучения робототехнике учащихся средней общеобразовательной школы.

Предмет исследования – применение регуляторов в решении задач по робототехнике.

Цель исследования – разработать методические рекомендации по

решению задач с использованием регуляторов в курсе робототехники.

Задачи исследования: 1. Провести обзор различных авторских учебных программ. 2. Выделить типы регуляторов, используемых при решении задач по

робототехнике. 3. Провести обзор конструкторов и сред программирования,

применяемых в курсе робототехники. 4. Разработать методические рекомендации по организации процесса

обучения по робототехнике. 5. Разработать методические рекомендации по решению задач с

использованием регуляторов в курсе робототехники. 6. Провести апробацию разработанных материалов.

Функции и задачи субъекта исследования

... в свою очередь, повысит качество управленческой и производственной деятельности организации. Заключение В данном реферате мы рассмотрели функции и задачи субъекта исследования систем управления. В ходе анализа были даны ...

ГЛАВА 1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРЕПОДАВАНИЯ

КУРСА РОБОТОТЕХНИКИ В ШКОЛЕ

1.1. Обзор тем, изучаемых в курсе робототехники

На сегодняшний день в школах и учреждениях дополнительного образования, набирает популярность курс робототехники. Рассматриваемая дисциплина является достаточно молодой по сравнению с другими предметами, преподаваемыми в школе. По основным, уже устоявшимся дисциплинам в школе, существуют примерные рабочие программы, рекомендованные к реализации учебного процесса. По курсу робототехники таких программ не существует, поэтому можно обратиться к опыту педагогов, которые внедрили робототехнику в учебный процесс. Для этого проведем обзор некоторых авторских рабочих программ по курсу робототехники с целью выявления общих тем. Рабочая дополнительная общеобразовательная программа «Робототехника» 1. Автор: Яковлев Н.М., учитель информатики высшей квалификационной категории. 2. Аудитория: 13 — 17 лет (обучающиеся 8-11 классов).

3. Цель: развитие интереса к естественнонаучным дисциплинам, научно техническому творчеству в области робототехники на основе приобретения профильных знаний, умений и навыков. 4. Задачи:

 освоить конструирование роботоустройств на базе микропроцессора

EV3;

•  освоить среду программирования Lego Mindstorms Education EV3;

 получить навык программирования посредством управления

роботом в зависимости от поставленных условий;

 развивать творческие способности и логическое мышление

обучающихся;

 развивать умение выстраивать гипотезу и сопоставлять с

полученным результатом;

 развивать образное, техническое мышление и умение выразить свой

замысел;

•  развивать умение применять знания из различных областей знаний;

 развивать умения излагать мысли в четкой логической

последовательности, отстаивать свою точку зрения, анализировать

ситуацию и самостоятельно находить ответы на вопросы путем

логических рассуждений;

—  получить навыки проведения физического эксперимента. 5. Темы: 1) Введение. 2) Принципы робототехники Lego Mindstorms. 3) Программирование в среде Lego Mindstorms Education EV3. 4) Игры роботов. 5) Решение инженерных задач. 6) Творческие проекты. [1.a)16].

Рабочая программа курса «Образовательная робототехника и 3D моделирование» 1. Автор: Николаева Наталья Евгеньевна, учитель информатики. 2. Аудитория: 12 — 17 лет (обучающиеся 6 — 11 классов).

3. Цель: образование детей и молодежи в сфере инновационных технологий и содействие развитию технического творчества, развитие инновационной деятельности в образовательных учреждениях. 4. Задачи:

 вовлечение детей и молодежи в научно-техническое творчество,

ранняя профориентация;

 расширение политехнического кругозора, закрепление в

практической деятельности знаний, полученных при изучении основ

наук;

 развитие навыков проектной и конструкторской деятельности в

сочетании с готовностью к исполнительской деятельности;

 формирование умений самостоятельной индивидуальной и

согласованной коллективной работы, развитие навыков делового

общения;

 подготовка специалистов дополнительного образования по

вопросам образовательной робототехники и 3D моделирования. 5. Темы:

Становление и развитие инженерной деятельности (2)

... -рисовальщиков до квазинаучной деятельности инженера-«теоретика». 4. Инженерная деятельность и проблемы, возникающие перед ней на современном этапе ее развития. Современный этап инженерной деятельности характеризуется системным подходом ... за создание технологичной конструкции. Конструктор должен быть хорошо знаком со всеми процессами изготовления и обработки проектируемых машин, сооружений или ...

1) Подключение, интерфейс и основное меню Scratchduino и LEGO

Mindstorms.

2) Создание программ с помощью меню Scratchduino и LEGO

Mindstorms.

3) Датчики Scratchduino и LEGO Mindstorms.

4) Шагающий робот.

5) Команды действия. Команды ожидания. Управляющие структуры.

6) Модификаторы. Контейнеры.

7) Подпрограммы и П-регуляторы.

8) Простейшие алгоритмы «Квадрат». Простейшие алгоритмы

«Бесконечность».

9) Простейшие алгоритмы «Движение по комнате».

10) Движение по линии с одним датчиком.

11) Движение вдоль стенки.

12) Движение по линии с двумя датчиками

13) Удаленное управление. Использование П-регулятора при

удаленном управлении моделью [1.a)17].

Повышение уровня компетенций школьников в области соревновательной робототехники 1. Автор: Подгорный А.Н., Агафонов М.А. 2. Аудитория: 12 – 18 лет. 3. Цель: повышение результативности выступлений учащихся на соревнованиях по робототехнике. 4. Задачи:

 способствовать овладению учащимися навыков построения

эффективных мобильных платформ;

•  обучить базовым элементам теории автоматического управления;
•  развить навыки командной работы;

 сформировать навыки ведения проекта с точки зрения управления

временем;

•  развить навыки программирования систем управления. 5. Темы:

1) Вводное занятие (в том числе техника безопасности).

2) Разработка конструкции робота для подготовки к соревнованиям.

3) Чувствительные элементы измерительной системы.

4) Написание программы робота.

5) Итоговое занятие.

Таблица 1. Сравнение рабочих программ по робототехнике

Яковлев Н.М. Николаева Н.Е Подгорный А.Н.,

Агафонов М.А. Возраст учащихся 13-17 12-17 12-18 Уровень знаний по Начальный Начальный Базовый предмету Кол-во часов 140 70 90 Материально – Lego Mindstorms Scratchduino и LEGO Lego Mindstorms техническое EV3 Mindstorms NXT, EV3 обеспечение Форма реализации кружок кружок кружок Срок реализации 1 год 1 год 1 год Направленность Познавательная Развитие Научно-техническая дополнительной деятельность, технического образовательной конструирование и творчества и программы моделирование инновационной

деятельности в ОУ

Таким образом на основании рассмотренных в данном параграфе рабочих программ по курсу робототехники, мы пришли к выводу, что не существует единой рабочей программы, но при этом большая часть практикующих педагогов, используют боле менее схожее содержание для своих курсов. Далее будут рассмотрены типы регуляторов.

1.2. Типы регуляторов в курсе робототехники

Под регулятором будем понимать устройство, которое с помощью чувствительного элемента (датчика) измеряет регулируемую величину и в соответствии с законом регулирования вырабатывает воздействие на регулирующий орган объекта. Система, состоящая из объекта и регулятора, называется системой управления [1.a)22].

Одной из главных задач теории автоматического управления является управление с помощью обратной связи. В таких задачах можно выделить четыре основных компонента:

Разработка автоматизированной системы дистанционного управления ...

... Техническое задание на разработку Настоящий стандарт распространяется на автоматизированные системы (АС) для автоматизации различных видов деятельности (управление, проектирование, исследование и т. п.), включая их ... транспорта (Рисунок 7). Рисунок 7 - Структурная схема подключения к шкафу питания В вилке каждого переходника имеется встроенный чип с идентификационным номером, через который система ...

 управляемую систему (или как говорят специалисты, объект

управления) – о, чем мы хотим управлять;

 цель управления – то, чего мы хотим достичь при помощи

управления, т.е. желаемое поведение объекта управления;

 список измеряемых переменных (или выходов) – то, что мы

можем измерять;

 список управляющих переменных (или входов) – то, что мы

можем менять для того, чтобы воздействовать на объект

управления.

Еще один важный компонент – регулятор – устройство, вырабатывающее входные величины, необходимые для достижения заданной цели. Этот пятый элемент обычно появляется после того, как теоретическое решение задачи найдено. Под решением проблемы управления будем понимать нахождение закона управления (алгоритма управления), обеспечивающего достижение цели. Как только искомый закон найден, он может быть использован для вычисления управляющих входов по измеренным значениям выходов объекта управления. Полученные значения входов в виде некоторых сигналов подаются на исполнительные устройства. В формировании этих сигналов может принимать участие микропроцессор, производящий достаточно сложные вычисления в соответствии с заданным алгоритмом [1.a)22].

Типы регуляторов

С развитием технологий в инженерных науках широко используется множество различных регуляторов в построении автоматизированных устройств. В робототехнике применяются следующие регуляторы:

•  пропорциональный регулятор (П-регулятор);
•  интегральный регулятор (И-регулятор);
•  пропорционально-интегральный регулятор (ПИ-регулятор);
•  дифференциальный регулятор (Д-регулятор);
•  пропорционально-дифференциальный регулятор (ПД-регулятор);

 пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор

(ПИД-регулятор);

•  релейный регулятор.

Рассмотрим регуляторы, применяемые в робототехнике, более подробно.

Пропорциональный регулятор

Под пропорциональным регулятором понимается реализация пропорционального управления, когда величина коррекции заданного порогового значения пропорциональна величине ошибки. В результате небольшая ошибка будет приводить к небольшой корректировке, а большая ошибка приведёт к большому корректирующему действию. То есть выходной сигнал регулятора up(t) будет пропорционален ошибке слежения e(t):

• (t) = e(t), >
• 0, где – усиление регулятора, положительная константа.

z (t)

УУ

u (t) x з( t ) kp ОУ y ( t)

Рис 1. Схема работы пропорционального регулятора

Фактически пропорциональный регулятор является усилителем. При использовании пропорционального регулятора (П-регулятора) выход системы будет всегда меньше заданного порогового значения. Причиной является то, что П-регулятор имеет на выходе ненулевое значение только в случае ненулевого входа. Если ошибка слежения отсутствует, то пропорциональный регулятор не создаёт выходного сигнала. Практически на входе мы всегда будем иметь ненулевое значение в стационарном состоянии. Следствием этого будет сохранение некоторой статической ошибки. Эта ошибка может быть уменьшена за счёт увеличения усиления регулятора , но при слишком больших значениях это может привести к автоколебаниям и потере устойчивости системы. Значение регулируемой величины в Прегуляторе никогда не стабилизируется на заданном значении, поэтому для устранения статической ошибки нужен другой способ. Конечно, можно изначально задать большее пороговое значение, но существует вид регулятора, который позволяет устранить статические ошибки автоматически. Это приводит нас к интегральному управлению.

Информатика и управление в технических системах

... в любом каталоге любого логического диска. По запросу пользователя она выводит на экран файловую структуру любого логического диска. Кроме того, она предоставляет пользователю удобный язык управления операционной системой ... лабораторные и две контрольные работы, подтвердив это соответствующими отчетами. Отчеты по всем лабораторным и контрольным работам предоставляются в ТМЦДО в виде файлов на ...

Интегральное управление – это стратегия, основанная на общей накопленной ошибке. П-регулятор основывается только на отслеживании мгновенной ошибки. Если ошибка слежения мала, то пропорциональный регулятор теряет свою эффективность (так как результирующие корректировки также будут малы).

Одним из способов «усиления» таких маленьких статических ошибок является использование накопленной ошибки с течением времени, что обеспечивает значительный уровень управляющего сигнала. С другой стороны, если ошибка слежения равна нулю, то накопленное значение также будет нулевым. В этом заключена идея интегрального управления.

Интегральный регулятор

Выход интегрального регулятора пропорционален интегралу ошибки слежения за промежуток времени:

• где > 0 – константа.

В случае дискретного времени в цифровых системах интеграл заменяется суммой ошибок, и интегральный регулятор реализуется в виде сумматора значений ошибок. Этот подход легко реализуется в виде схемы рекурсивного обновления:

= δt + ,

= , где – накопленная ошибка на временном шаге t, – интегральное усиление и – выход интегрального регулятора в момент времени t.

Эта дискретная схема обновления предполагает, что управляющие действия производятся периодически. Коэффициент δt представляет собой промежуток времени между последовательными управляющими воздействиями, выраженный в единицах измерения времени (если мы измеряем время в секундах и производим 100 управляющих действий в секунду, то δt = 0,01, если же мы измеряем время в днях и производим одно обновление в день, тогда δt = 1).

Конечно, δt могло бы быть включено в коэффициент усиления регулятора , но это означало бы, что при изменении частоты обновления усиление регулятора тоже бы изменилось. Поэтому лучше их разделять: δt включает временной интервал между последовательными обновлениями, а независимо управляет вкладом интегрального члена на выход регулятора.

Выход интегрального регулятора зависит не только от мгновенного значения ошибки, но и от интеграла (или суммы) наблюдаемых ошибок слежения с начального момента времени. Эта зависимость от предыдущих значений приводит к тому, что интегральный регулятор обладает нетривиальной динамикой, которая может изменить качественное поведение всей замкнутой системы. В частности, интегральный регулятор может приводить к колебаниям, даже если управляемая система им не подвержена. При сохранении положительной ошибки слежения интегральная составляющая в регуляторе начнёт расти и результатом будет положительное значение входа системы, которое сохраняется даже после того, как ошибка слежения будет устранена. Вследствие чего выходной сигнал системы управления будет «промахиваться», и ошибка слежения станет отрицательной. В свою очередь ошибка слежения уменьшает значение интегрального компонента. В зависимости от выбранных значений для коэффициентов усиления регулятора и , эти колебания могут затухать более или менее быстро. Настройка регулятора представляет собой поиск таких значений параметров, которые бы приводили к приемлемому динамическому поведению системы с обратной связью.

Регуляторы кислотности пищевых систем

Среди них различают: а) аминокислоты, входящие в состав белков; б) аминокислоты, образующиеся из других аминокислот, но только п Все живые организмы различаются по способности синтезировать аминокислоты, необходимые для биосинтеза белков. В организме человека синтезируется только часть аминокислот, другие должны доставляться До середины XX в. считалось, что пептиды не являются самостоятельным ...

Однако интеграция ошибок – это процесс опасный. Ошибки имеются всегда, и просто накопление их приводит к снижению стабильности системы или вообще делает систему нестабильной.

Чистое И-регулирование приведет к тому, что колебания системы будут становиться все больше и больше, пока система не пойдет вразнос. Именно поэтому интегратор используется вместе с пропорциональным звеном. В этом случае мы получаем пропорционально-интегральный закон управления (ПИ-регулятор).

ПИ-регулятор

Пропорционально-интегральным регулятором называется реализация параллельно включенных в схему пропорционального и интегрального регуляторов.

Пропорциональное звено

e(t) u(t)

Интегратор +

Рис 2. Схема работы ПИ-регулятора

Итак, интегральное управление используется, чтобы добавить «долгосрочной точности» управлению и практически всегда используется совместно с пропорциональным управлением. Параллельное соединение двух звеньев позволяет использовать достоинства П и И регуляторов.

ПИ-регуляторы имеют наибольшее распространение в промышленной автоматике.

Преимущества: лучшая по сравнению с П-регулятором точность в установившемся режиме.

Недостатки: худшие свойства в переходных режимах (меньшее быстродействие и большая колебательность).

Для того чтобы система не шла вразнос из-за постоянного накопления ошибок, работу интегратора обычно ограничивают, т.е. определяют минимальное и максимальное накопленного сигнала. Это обычно позволяет предотвратить «вылет системы» — неограниченный рост управляющего воздействия.

Дифференциальный регулятор

Дифференциатор – это достаточно простой в реализации элемент. Его задача – умножить разность между текущим значением выходного сигнала и значением выхода в предыдущий момент времени на какой-то постоянный коэффициент.

Подобно интегральному регулятору, дифференциальный регулятор зависит от предыдущих значений и, следовательно, привносит свою нетривиальную динамику в систему. Интегральные регуляторы часто используются вместе с пропорциональными регуляторами, что нельзя сказать о дифференциальном управлении. Проблемой является потенциальное присутствие высокочастотного шума на входе регулятора. Шумовая составляющая будет осциллировать возле нулевой отметки и, таким образом, в интегральном регуляторе она аннулируется. Однако если взять производную зашумлённого сигнала, то это только усилит влияние шума. Поэтому часто бывает необходимо сглаживание сигнала. Это добавляет сложности и нетривиальной динамики в регулятор. Также появляется риск «потери цели» при дифференциальном управлении. Если сгладить сигнал слишком сильно, то будут теряться изменения в сигнале, которые должен использовать дифференциальный регулятор. Ещё одной проблемой, связанной с дифференциальным управлением, является влияние резкого изменения заданного порогового значения, что приводит к моментальному скачку значения на выходе дифференциального регулятора. В то время как пропорциональное управление занимает центральное место в системах с обратной связью, а интегральное управление требуется для устранения статической ошибки.

Інтернет (електронна пошта, робота користувача)

... електронна пошта як широковідома послуга мережі «Інтернет». Предметом дослідження є робота користувача з електронною поштою. Ключові терміни, що використовуються у роботі: Інтернет, електронна пошта, ... до Інтернету. Через електронну пошту можна отримати послуги інших сервісів мережі. Електронна пошта - типовий ... конструкторами Інтернету. Скільки мереж по цілому світі сполучені таким чином? Згідно з ...

Дифференциальный регулятор может быть реализован в виде:

Здесь – значение управляющего сигнала, – постоянный коэффициент, y(t) – текущее значение выходного сигнала (в момент времени t), y(t-1) – предыдущее значение сигнала (в момент времени t-1).

Работает эта компонента (Д-компонента) достаточно очевидно. Если на выходе у нас постоянный сигнал (y(t)=y(t-1)), то значение равно нулю и никакого изменения не происходит. Если же что-то начинает меняться (y(t)≠y(t-1)), то соответственно начинает изменяться величина дифференциальной компоненты. Причем, чем больше разнятся между собой значения выходного сигнала, тем больше будет вклад этой компоненты. Отсюда, следует вывод о том, что использование одной лишь Д- компоненты в регуляторе совершенно неприемлемо. Если ошибка постоянна (всегда y(t)=y(t-1)), то эта компонента никак не прореагирует на это. Поэтому Дкомпонента работает в паре с пропорциональной компонентой. И тогда мы получаем следующую схему регулятора, который называется пропорционально-дифференциальным.

ПД-регулятор

В пропорционально-дифференциальном регуляторе сигнал ошибки поступает как на пропорциональное звено (усилитель), так и на дифференцирующее звено (дифференциатор).

Далее выходные сигналы этих компонент складываются, формируя управляющее воздействие u(t).

Таким образом, работа ПД-регулятора описывается следующим соотношением:

Пропорциональное звено

e(t) u(t)

Дифференциатор +

d

dt

Рис 3. Схема работы ПД-регулятора

Достоинства. Этот закон управления имеет наивысшее быстродействие. ПД-регулятор реагирует не только на величину отклонения e(t), но, что наиболее важно, на скорость ее изменения.

Недостатками ПД-регулятора являются малая точность и чувствительность к шумам. Дифференциальная компонента управления является самой проблемной и капризной из всех типов управления. И связано это как раз с тем, что Д-компонента очень чувствительна к скорости изменения ошибки, ведь, как ни странно, не на каждую ошибку надо реагировать.

1. Проблема шумов. Дело в том, что все шумит. Шумят датчики, выдавая не всегда то, что необходимо. Шумит трасса (линия нарисована не всегда четко, имеются всякие неоднородности), шумят исполнительные схемы и механизмы. Д-компонента реагирует на все эти шумы, заставляя систему совершать ненужные действия, реагировать на то, на что реагировать вовсе не обязательно. Особенно остро эта проблема касается высокочастотных шумов. И Д-регулятор упорно будет на них реагировать. В то же время изгибы трассы относятся к низкочастотным помехам (по сравнению со скоростью процессов в системе управления), и регулятору надо бы реагировать именно на них. Выходом является установка низкочастотного фильтра на входе Д-компоненты (этот фильтр будет отсекать высокочастотные помехи).

2. Чувствительность к частоте сбора информации. Поскольку в ПДзаконе фигурирует сигнал «в предыдущий момент времени», то очень важно, чтобы интервал времени сбора информации выдерживался как можно более строго. Если время «будет плавать», то ни о какой адекватности реакции системы речи быть не может. Считается, что временные интервалы должны выдерживаться с точностью не менее 1%. Это само по себе не так просто. При программной реализации выходом может является использование прерываний. Именно в обработчике прерываний должна содержаться короткая (и быстрая) процедура сбора информации от датчиков. Таким образом, главная проблема ПД-регулятора заключается в том, что он усиливает шумы. И если от сильных шумов в системе не удается избавиться, то Д-компоненту, пожалуй, лучше вовсе не использовать.

Поняття переведення на іншу роботу

... пропонувалося ввести в законодавство різні визначення, а саме: переведення на іншу роботу, переведення на роботу з іншими істотними умовами праці, переведення на роботу в інший колектив, переведення на роботу в іншу місцевість [8,с.74]. Починаючи з 90-х років ...

ПИД-регулятор

Регулятор, включающий все три компонента (пропорциональный, интегральный и дифференциальный), называют ПИД-регулятором.

Варьирование его параметров позволяет реализовывать все остальные законы. Он объединяет, все достоинства и недостатки законов, его составляющих.

Каждый из элементов регулятора (пропорциональное, интегральное и дифференциальное звенья) выполняет свою задачу и оказывает свое специфическое воздействие на функционирование системы: пропорциональный закон отвечает за настоящее (реагирует на текущую ошибку), дифференциальный – за будущее (реагирует на тенденцию изменения ошибки), а интегральный – за прошлое (накапливая предыдущие ошибки и сглаживая высокочастотные шумы) [1.a)5].

Выход этого регулятора представляет собой комбинацию трёх его составляющих:

Пропорциональное звено

Интегратор

u(t)

e(t)

+

Дифференциатор

d

dt

Рис 4. Схема работы ПИД-регулятора

ПИД-регулятор – это старое изобретение. Он был создан еще в 1910 году, однако значительно позже, лишь в 1942 г. была разработана методика его настройки (Зиглер и Никольс).

Несмотря на свою распространенность, долгое время ПИД-регулятор был достаточно сложным и дорогим устройством. Но после появления микропроцессоров в 80 – х гг. развитие и распространение (где надо и где не надо) ПИД-регуляторов стало происходить нарастающими темпами. Сейчас ПИД-регулятор относится к наиболее распространенному типу регуляторов. Считается, что почти 90% регуляторов, находящихся в настоящее время в эксплуатации, используют ПИД алгоритм. Причиной столь высокой популярности является прежде всего их низкая стоимость. Правда, в последние годы наблюдается тенденция вытеснения «классических» ПИД-регуляторов их аналогами – регуляторами, использующих т.н. «нечеткую логику». Нечеткие регуляторы, не уступая в быстродействии, все-таки проще в настройке и более универсальны.

Релейный регулятор

Одной из главных задач теории автоматического управления является управление с помощью обратной связи.

Прямая связь

Управляющий Объект

объект управления

Обратная связь

Рис 5. Схема работы релейного регулятора

Важнейшим компонентом этой системы является регулятор. Релейным двухпозиционным регулятором называется регулятор, у которого регулирующий орган под действием сигнала от датчика может принимать одно из двух крайних положений: «открыт» — «закрыт».

В данном параграфе работы требовалось изучить различные типы регуляторов, которые применяются в курсе робототехники. В процессе изучения были сделаны выводы. Регуляторы занимают важное место в изучении робототехники. Их применение упрощает решение той или иной задачи, главное нужно правильно подобрать регулятор, который будет уместно использовать в задаче [1.a)15].

1.3. Обзор конструкторов и сред программирования для курса

робототехники

Применение роботов в сварочной технологии

... на определенном расстоянии. Время обучения робота намного меньше времени сварки, что позволяет осуществлять введение программы индивидуально на каждом экземпляре изделия. Роботы такого типа обучения применяют при ... и точность. Этот тип привода используют, как правило, в сварочных роботах. Пневмопривод применяют в промышленных роботах для сборки деталей, при погрузочно-разгрузочных, транспортных и ...

В век инновационных технологий, становится все больше роботизированных устройств, на заводах, в освоении космоса, здравоохранении, общественной безопасности, развлекательных целях, обороне, медицине и в других отраслях человеческой деятельности. Поэтому не удивительно, что на сегодняшний день в школах и учреждениях дополнительного образования, набирает популярность робототехника. Уже сейчас существует более 23 наборов для самостоятельной сборки и программирования роботов. Такие конструкторы как:  LEGO Education WeDo  LEGO Education WeDo 2.0  LEGO Mindstorms Education EV3  TETRIX  MATRIX  Robotis OLLO  Robotis Bioloid  Hovis Lite  VEX EDR  VEX IQ  VEX PRO  Технолаб  Arduino  #Структор  Multiplo  Makeblock  HUNA-MRT  RoboRobo  fischertechnik  Engino Robotics Platform  ТРИК  MOSS  Robo Wunderkind

Рассмотрим конструкторы, которые чаще используются в школах и учреждениях дополнительного образования.

LEGO Mindstorms Education EV3

Рис 6. Конструктор LEGO Mindstorms Education EV3

Робототехнический конструктор EV3 является третьей версией образовательной серии LEGO Mindstorms Education, выпускаемой с 2013 года. Конструктор LEGO Mindstorms EV3 предназначен для детей старше 10 лет. Он создавался для внедрения в учебный процесс средних школ, при этом домашнее конструирование рассматривалось как дополнение к школьным занятиям [1.a)4].

В базовый набор входит контроллер EV3 Intelligent, три сервомотора и два датчика касания, датчик цвета, гироскоп, ультразвуковой датчик, аккумулятор, кабели и 500 пластиковых деталей. Собранные модели роботов обладают такими возможностями:  распознавать 7 цветов и реагировать на изменение освещённости;  улавливать ультразвуковые волны и обнаруживать предметы на

расстоянии до 2,5 м преодолевать препятствия и двигаться по

лабиринту;  управляться мобильными устройствами с ОС Android или iOS.

Специально для LEGO компания National Instruments разработала графическое ПО, не требующее кодировки. Блочное программирование роботов производится с помощью готовых алгоритмов в виде иконок на основе программной среды MyBlocks.

Конструктор Mindstorms EV3 обладает широкими возможностями для творчества благодаря совместимости с другими конструкторами LEGO и представляет собой комплексное решение для обучения подростков основам робототехники. Он позволяет собирать высоко детализированные уникальные модели роботов самого разного назначения. К недостаткам Mindstorms EV3 можно отнести небольшую мощность сервомоторов, достаточно хрупкие детали и соединения [1.a)1].

HUNA-MRT

Рис 7. Конструктор HUNA-MRT

Линейка конструкторов HUNA-MRT достаточно широкая: это и простейшие наборы с минимумом электроники, и продвинутые наборы с контроллерами, датчиками и исполнительными устройствами. Конструкторы ориентированы на детей от 5-6 лет и до студентов. Выпускаются как пластиковые, так и металлические наборы. Причем конструкторы разных ступеней совместимы между собой и можно собирать металлопластиковые конструкции. Детали, сенсоры, моторы всех серий унифицированы.

Оригинальными являются сами детали – они допускают соединение с 6 сторон и дают широкие возможности 3D моделирования объектов по своему замыслу.

То, что конструкторы начального уровня не требуют программирования, обеспечивает их доступность и для детей, и для начинающих педагогов – что не маловажно с учетом дефицита кадров в области образовательной робототехники младшего возраста [1.a)14].

Все конструкторы линейки имеют методическое сопровождение для детского сада, школы и кружков. Оборудование HUNA-MRT соответствует ФГОС и может использоваться в дошкольных образовательных учреждениях и школах.

ТРИК

Рис 8. Конструктор ТРИК

ТРИК – конструктор, позволяющий без помощи профессиональных инженеров и программистов собирать роботов: от простых радиоуправляемых моделей до сложных кибернетических систем. Законченная платформа для занятий персональной робототехникой, интересная в том числе профессионалам.

Принципиальное отличие от обычных конструкторов в следующем:  крепкий металл. Детали изготавливаются толщиной 0,75 мм, 0,8 мм, 1,0

мм;  жесткий профиль. Балки П-образного профиля;  удобно собирать. Предусмотрены переходники (адаптеры) для

крепления типовых моторов, сервомоторов и т.д.

Контроллер ТРИК позволяет легко создавать современных роботов, способных даже «видеть» и «слышать». На его основе сделан конструктор ТРИК для использования в школах и вузах. Среда визуального программирования TRIKStudio позволяет составлять программы роботов из картинок с готовыми алгоритмами. Простота и удобство делают конструктор интересной игрушкой для широкого потребителя, желающего создать собственного робота или радиоуправляемую модель [1.a)11].

Robotis Bioloid

Рис 9. Конструктор Robotis Bioloid

BIOLOID – это популярная серия программируемых робототехнических конструкторов компании Robotis. Наборы для робототехники BIOLOID включают в себя микроконтроллеры, датчики, а также уникальные сервомоторы Dynamixel, используя которые можно создавать своими руками различные продвинутые модели автономных или управляемых роботов, например, робот андроид (человекоподобный робот или гуманоид), паук, динозавр, трансформер и другие модели.

Серия представлена разнообразными универсальными наборами, которые подойдут как начинающим робототехникам, так и специалистам, работающим над решением актуальных робототехнических задач.

Существуют 4 модификации этого робота: комплект для начинающих (Beginner Kit), комплексный комплект (Comprehensive Kit), премиум комплект (Bioloid Premium Kit) и эксперт (Expert).

Комплект для начинающих (Beginner Kit), позволяет создать до 14 различных модификаций роботов. Все остальные комплекты позволяют построить до 26 модификаций. Используя этот комплект, вы можете построить роботов с 4 степенями свободы. Он рекомендуется для юных и начинающих роботетехников.

Комплексный комплект (Comprehensive Kit), позволяет строить простые механизмы с 1 степенью свободы, а также пауков или гуманоидов с 18 степенями свободы.

Премиум комплект (Premium Kit) состоит из более продвинутых и уже металлизированных деталей, а также различных датчиков: дальномер, двухосный гироскоп, датчик прикосновения и некоторые другие, менее важные компоненты.

Комплект Bioloid эксперт (Expert Kit), предназначен для образовательных и исследовательских целей. В отличие от модели Bioloid Comprehensive Kit, эксперт имеет два дополнительных сервопривода, один дополнительный контроллер, модуль беспроводного соединения, беспроводную камеру, два дополнительных датчика и алюминиевый корпус.

Из данного комплекта можно собрать 26 различных роботов, каждый из них может быть запрограммирован на выполнение отдельных действий. Это своего рода комплект роботов или робот трансформер.

Комплект идет с набором сервомоторов, из которого можно с легкостью создать любого робота. Сервомоторы объединяются друг с другом через интерфейс RS-485 и передают данные к главному блоку управления. Благодаря уникальному идентификационному номеру у каждого сервомотора, любая возможная путаница исключается.

Всё что нужно для того, чтоб построить робота, это комплект элементов и отвёртка. Роботы используют наиболее распространённую и недорогую модель сервопривода Dynamixel AX -12. Он обеспечивает вращающий момент высокой производительности и высокую точность позиционирования. Несколько сервоприводов объединяются в сеть и имеют множество параметров конфигурации.

Мозг робота управляется микроконтроллером CM — 5, основанным на ATmega128. CM — 5 программируется с помощью программного обеспечение RoboPlus. Все ПО поставляется в комплекте с роботом. CM — 5 оснащён флэш-памятью 128 КБ, 2 портами UART и шестью кнопками управления. Светодиодные индикаторы обеспечивают визуальную обратную связь о текущем состоянии робота.

Dynamixel AX-S1 используется в качестве корпуса для датчиков. Этот сенсорный модуль «все в одном» может определить звуковой источник и измерить расстояние. Он включает в себя: IrDA приёмник, 3 инфракрасных датчика и микрофон [Ошибка! Источник ссылки не найден.].

VEX IQ

Рис 10. Конструктор VEX IQ

Металлические наборы VEX занимают особое место среди образовательных робототехнических конструкторов. Они состоят из перфорированных металлических деталей – профиля и пластин, пластиковых элементов передач – зубчатые колеса, шкивы и колеса. Наборы VEX укомплектованы современными микроконтроллерами Cortex, сервомоторами и разнообразными датчиками. Отдельно стоит отметить, что среди комплектующих VEX есть элементы пневматики и линейные передачи, различные колеса и гусеничные траки. Благодаря вышеперечисленным качествам металлические наборы VEX обладают уникальными функциональными возможностями.

VEX IQ – это уникальная линейка конструкторов, которая сочетает в себе разнообразие металлических конструкторов VEX и простоту использования пластиковых конструкторов. В комплекты VEX IQ входит большое количество пластиковых деталей, сенсоров, контроллеров. VEX IQ очень просты в использовании, структурные элементы соединяются и разъединяются без специальных инструментов. Огромное количество шестеренок, колес и других соединительных механизмов позволяет конструировать разнообразных мобильных роботов. Robot Brain – высокотехнологичный и мощный контроллер, специально разработанный для использования в учебных целях. Контроллер обеспечивает возможность подключения произвольной комбинации из 12 датчиков, которыми можно управлять с помощью встроенных программ или запрограммировать их самостоятельно, подключив через компьютер и совместимое программное обеспечение.

В дополнение к автономному режиму работы по предварительно запрограммированным командам, VEX IQ роботами можно управляться дистанционно с помощью удобных контроллеров. VEX IQ укомплектован необходимыми датчиками, например, датчиком цвета, гироскопом, потенциометром, ИК — датчиками и многими другими. Наличие разнообразных датчиков открывает обширные возможности для разработки уникальных конструкций роботов.

Серия VEX IQ состоит из трех основных наборов (Starter Kit with Controller, Starter Kit with Sensors, Super Kit).

Самым популярным из них, является Super Kit [1.a)3].

Fischertechnik

Рис 11. Конструктор Fischertechnik

Fischertechnik Robotics, как и LEGO Mindstorm, направлен на то, чтобы ребёнок был привязан к робототехнике конкретной компании и не пользовался конструкторами других разработчиков не менее интересных продуктов. Оба эти производителя создают искусственные препятствия для того, чтобы другие электронные модули, в том числе используемые во взрослой робототехнике, невозможно было бы подключить к моделям из-за несоответствия стандарта разъёмов.

В техническом отношении Fischertechnik Robotics – это «продвинутая» игрушка, цель которой обучить ребёнка механике, электротехнике, химии и физике и совсем немного – программированию. В составе наборов конструктора есть множество элементов, позволяющих собирать совершенно невероятные вещи из области cхемотроники: пневматические приводы, электрохимические суперконденсаторы. Из наборов специальных серий, например, «Экологическая энергетика», можно собрать целое производство, например, электромобиль с заправочной станцией, настоящий водородный топливный элемент или электростанцию на солнечных батареях. Развлекательный и образовательный проект Fischertechnik Robotics охватывает широкую аудиторию пользователей – от школьников младших классов до студентов и является самым популярным роботизированным конструктором в Европе. «Материальная» часть конструктора базируется на оригинальной детали Артура Фишера (выдающийся изобретатель и основатель компании), обеспечивающей соединение элементов по типу «ласточкин хвост». Таким образом, детали могут крепиться друг к другу по всем 6 граням.

Основой роботизированных моделей является программируемый контроллер ROBOTICS TXT, состоящий из главного 2-х ядерного процессора ARM Cortex A8, периферийного процессора Cortex М3, встроенного динамика и 2,4’’ цветного сенсорного дисплея. Контроллер оснащён оперативной памятью 128 Мб, модулями WiFi и Bluetooth, имеет 8 универсальных и 4 счётных входа для подключения периферийных устройств, 4 выхода для подключения моторов — сервоприводов. Программирование может осуществляться беспроводным способом или с помощью USB кабеля через мобильные устройства и персональный компьютер.

Преимуществом робототехнических конструкторов «Фишертехник» перед аналогичными игрушками «LEGO» является использование такого же языка программирования, каким пользуются программисты: С-Compiler, PC Library, MS-RDS, в то время как LEGO Mindstorm имеет свой собственный закрытый язык, применяемый только в «LEGO». Программное обеспечение на компакт – диске входит в состав всех наборов Fischertechnik Robotics вместе книжкой, в которой описаны исторические факты, технические решения и другая полезная для ребёнка информация, связанная с тематикой конкретного набора. В настоящее время выпускается 6 наборов конструктора Fischertechnik Robotics [1.a)13].

ОБЗОР СРЕД ПРОГРАММИРОВАНИЯ

С каждым годом все больше становится программируемых конструкторов, благодаря этому, увеличивается и количество сред программирования. Уже сегодня можно перечислить не менее 10 сред:  NXT-G  TrikStudio  Microsoft Robotics Developer Studio (MRDS)  RobotC  BricxCC  Arduino  Robolab  RoboPlus  LEGO Mindstorms Education EV3  Urbi  ROS

Рассмотрим наиболее часто используемые среды на сегодняшний день, которыми являются: RobotC, Robolab, EV3, RoboPlus и TrikStudio.

Robolab

Рис 12. Robolab

Robolab – это многофункциональная графическая среда программирования, которая создана на основе LabView и ориентирована на самые разные возрасты – от дошкольников до студентов. Robolab позволяет программировать несколько типов микроконтроллеров – Control Lab, RCX, NXT, также проводить независимые расчеты на компьютере. При запуске, Robolab предлагает три уровня работы: Администратор, Программист и Исследователь.

Режим Администратора позволяет настраивать контроллер на работу со средой. С помощью режима Программиста можно создавать программы и загружать их в микроконтроллер. Режим Исследователя осуществляет запись данных, поступающих с датчиков микроконтроллера, с их последующим анализом.

Режим «Администратор». Первое, что следует сделать администратору – выполнить «Проверку связи с RCX» (подразумевается NXT).

Есть три варианта исхода: – успешное завершение со звуковым сигналом на микроконтроллере; – сообщение о необходимости сменить операционную систему (ОС NXT или, иначе говоря, Firmware); – сообщение об ошибке связи. Если связь компьютера и NXT не появилась сразу, нужно воспользоваться меню «Select СОМ Port» для выбора USB-порта. Лучше выбрать автоопределение, выключить NXT, убедиться, что он хорошо соединен, и снова включить Для поддержки новых возможностей NXT дополнительные установки добавлены в таблицу «Установка RCX/NXT». В ней можно выбрать имя файла загружаемой в NXT программы. По умолчанию стоит имя rbl. Разрешается использовать до шести символов или можно задать его из программы с использованием расширенного NXT – светофора (блок NXT begin).

Поскольку Robolab поддерживает несколько устройств (RCX, NXT, Control Lab) диалоговое окно «Choose Hardware» добавлено в установки автоопределения. Оно может появляться в разных ситуациях при потере связи с NXT.

Режим «Программист». Раздел программиста делится на два: Pilot и Inventor, что не совсем точно переведено как Управление и Конструирование. Разделы условно можно обозначить как Новичок и Изобретатель. В них можно не углубляться и пройти дальше, начав сразу с последнего уровня Inventor 4, в котором представлены все основные возможности программирования среды Robolab.

Режим «Исследователь». В режиме исследователь программа позволяет выбрать датчик, с которого предполагается снимать показания. Далее устанавливается интервал, в течение которого показания будут регистрироваться. Помимо табличного вида, данные могут выводиться в виде диаграммы. Этот режим весьма специфический и больше подходит для математических расчетов на основе произвольных данных и т.п.

Программа похожа на блок-схему, положенную на левый бок. Она читается слева направо, хотя блоки можно располагать, как угодно. Блоки команд находятся в окне Functions Palette (Палитра команд).

Они связываются между собой проводами, а также управляются инструментами, находящимися в меню Tools Palette (Палитра инструментов).

Все команды можно разделить на два типа: Жди и Делай. Команды типа «Делай» посылают управляющий сигнал на одно из устройств управления микроконтроллера. Например, «включить моторы», «остановить моторы», «издать звуковой сигнал» и т.п. Это действие, как правило, выполняется практически мгновенно (за исключением звуковых сигналов), после чего программа переходит к следующему блоку. Включенный мотор продолжает работать до тех пор, пока не выполнится команда выключения или программа не закончится.

Команды типа «Жди» не выполняют никакого ощутимого действия, хотя и активно взаимодействуют с оборудованием NXT. Эти команды останавливают ход выполнения программы (точнее, текущей задачи) в ожидании некоторого события. Как только событие происходит, управление переходит к следующей команде. Примеры таких команд: «жди громкого звука», «жди яркого света», «жди заданное время» и т.д. Во время выполнения команды «Жди» все запущенные ранее процессы (включенные моторы и др.) продолжают работать [1.a)12].

RobotC

Рис 13. RobotC

RobotC – это мощный язык программирования, основанный на языке С (СИ) и имеющий среду для написания и отладки программ. В настоящий момент – это единственный язык программирования для роботов, который предоставляет развитый режим отладки во время выполнения программ. RobotC является кроссплатформенным решением, которое позволит студентам и ученикам изучить С-подобный язык, используемый в большинстве образовательных и профессиональных приложений [1.a)2]. RobotC предназначен как для на новичков, так и для подготовленных программистов и имеет два режима работы – базовый и расширенный.

Программное обеспечение имеет схожую с Visual Studio среду и включает в себя мощный интерактивный отладчик, способный функционировать в режиме реального времени, тем самым существенно сокращая время отладки кода. Данная среда обладает развитыми возможностями для работы с математическими выражениями, с помощью которых можно составлять весьма эффективные и сложные программы. В RobotC существует опция предоставления данных с датчиков в «сыром» виде в формате RAW. Среда может поддерживать связь с устройствами посредством инфракрасного канала или Wi-Fi [1.a)2].

LEGO MINDSTORMS Education EV3

Рис 14. EV3

С EV3 в комплекте поставляется новая среда разработки на базе LabView, похожая на NXT-G. Работать она будет, как и NXT-G, на ОС Windows и Mac. Но есть и различия. Появилось такое понятие как проект, который содержит программу для робота, документацию и результаты экспериментов. В проект можно добавлять новый и уже существующие программы. Также был добавлен инструмент zoom, который позволяет масштабировать программу, чтобы, например, увидеть всю программу целиком. Можно программировать NXT блок с помощью новой среды EV3, однако он поддерживает не все особенности нового языка программирования.

С точки зрения программирования, вкратце, можно отметить следующие новшества:  тесная интеграция между P-блоком (новое название, вместо NXT

блока) и средой программирования;  специальная страница с подключенным оборудованием позволяет

отслеживать его статус и получать значения на датчиках в реальном

времени;  оборудование автоматически распознается при подключении,

благодаря функции auto-id (автоматическое определение

оборудования).

То есть. не нужно указывать, к какому порту какой

датчик или мотор подключен. Новый режим отладки:  подсветка места исполнения позволит определить в каком конкретном

месте алгоритма исполняется сейчас программа;

 специальный символ будет отображаться на соответствующем

программном блоке, если с заданным портом используется не тот

датчик или мотор. Это так же достигнуто с помощью auto-id

функциональности;  есть возможность просматривать значения, передаваемые через каналы

данных (data wires);

Новые возможности программных блоков:  сцепление блоков друг с другом позволило отказаться от «балки

исполнения», на которой располагались блоки в среде NXT-G;

 у блоков нет такого понятия, как панель настройки, – поведение теперь

настраивается непосредственно на блоке, что привело к увеличению их

размера. Удобство заключается в том, что программу теперь

становиться легче читать, то есть видно сразу на что реагирует датчик

или как ведет себя мотор;

 появились блоки «ждать изменения», которые позволяют реагировать

просто на изменение, а не на изменение до определенного значения

(обычные блоки Ожидания/Wait в NXT-G);

 улучшения в передачи данных от блока к блоку позволяют упростить

преобразование типов;

•  есть возможность работать с массивами;  стал возможен досрочный выход из цикла.

Кроме нового языка программирования появились программы под Android и iPhone\iPad для управления роботом. Также на базе программы Autodesk Invertor Publisher создана программа для создания и просмотра пошаговых 3D инструкций. В этой программе можно масштабировать и вращать модель на каждом этапе сборки, что позволяет строить более сложных роботов по инструкциям [1.a)11].

RoboPlus

Рис 15. RoboPlus

Среда разработки RoboPlus содержит в себе все необходимые инструменты для программирования робототехнических наборов на базе конструкторов фирмы ROBOTIS. С ее помощью можно программировать модели на базе наборов серий OLLO и Bioloid, а также отдельные устройства, например, сервопривода Dynamixel и модули беспроводной связи.

В состав среды разработки RoboPlus входят специальные программы, предназначенные для настройки различных устройств, входящих в состав робота, а также программирования и управления роботами.

 RoboPlus Task

 RoboPlus Manager

 RoboPlus Motion

 RoboPlus Terminal

 Dynamixel Wizard

RoboPlus Task – программная среда для написания и редактирования управляющих программ. Данная программа является основным инструментом для разработки программ для образовательных робототехнических модулей [1.a)20].

Программирование в RoboPlus Task осуществляется с помощью специализированного языка, подобного языку программирования С. Для удобства пользователя в RoboPlus Task в виде графических блоков реализованы базовые возможности набора, такие как таймеры, блоки обработки данных с датчиков и блоки передачи данных между устройствами.

В языке среды RoboPlus все служебные слова, программные блоки, команды и комментарии располагаются в строках. Для того чтобы активировать строку, по ней нужно нажать дважды. После нажатия появится диалоговое окно, позволяющее выбрать различные команды языка.

После выбора определенного набора команд необходимо задать необходимые параметры или условия выполнения команд. В зависимости от типа программируемого контроллера и числа подключенных внешних устройств в диалоговом окне предлагаются различные наборы команд. Перечень команд определяется автоматически и обновляется при подключении новых устройств.

После написания кода программы в RoboPlus Task, ее необходимо загрузить в программируемый контроллер. Для этого контроллер нужно подключить к порту компьютера и воспользоваться функцией автоматического поиска, чтобы компьютер определил тип программируемого контроллера и порт, к которому он подключен.

После того как программа определит тип программируемого контроллера, можно произвести компиляцию программы, тем самым проверить ее на наличие ошибок и подготовить к загрузке в программируемый контроллер.

Полученную программу можно загрузить в контроллер робота, и она запустится сразу же после подачи на него питания.

RobotPlus Manager – программа для настройки оборудования, входящего в состав робототехнических конструкторов ROBOTIS. С помощью данной программы RoboPlus обновляет собственные файлы и производит тестирование оборудования, подключенного к компьютеру в данный момент при помощи контроллера или специализированных переходников. Благодаря использованию RoboPlus Manager возможно изменять параметры контроллера, сервоприводов и производить настройку коммуникационных устройств.

RoboPlus Motion – среда программирования сложных движений робота. Благодаря RoboPlus Motion можно запрограммировать различные действия робота, а после использовать их в основной программе. Зачастую в процессе движения робота участвует множество различных приводов, и задать их скорости вращения и углы поворотов вслепую крайне затруднительно.

RoboPlus Motion позволяет промоделировать движение в процессе написания управляющей программы. В специальном окне отображаются все привода, подключенные в данный момент к роботу. Пользователь в режиме реального времени может задать для каждого из приводов скорость и угол поворота, а после запустить программу и увидеть результат ее работы на реальном роботе. Таким образом, можно разработать программу, реализующую сложное движение робота.

RoboPlus Terminal – программа, предназначенная для получения и отправки данных посредством терминала операционной системы компьютера. Применяется для отладки управляющих алгоритмов, например – для вывода на экран показаний датчиков, то есть для отображения той информации, к которой пользователь обычно не имеет доступа в процессе выполнения программы.

Dynamixel Wizard – программа, предназначенная для настройки и калибровки сервоприводов Dynamixel. С помощью данной программы для каждого из приводов можно задать ограничения скоростей вращения и углов поворота, а также получить код ошибки, препятствующей работе устройства [1.a)20].

TRIK Studio

Рис 16. TRIK Studio

Среда TRIK Studio позволяет визуально программировать различные робототехнические платформы. Программа в TRIK Studio составляется из блоков и стрелок. Исполнение начинается со специального начального блока и далее передается по стрелкам. Условие рисуется как развилка (две стрелки, отходящие от блока), бесконечный цикл – как связь назад, арифметический цикл – как набор блоков со связью назад и выходной стрелкой. Таким образом, поток управления программы наглядно визуализируется создаваемой диаграммой. Часть диаграммы может быть вынесена в подпрограмму для ее последующего переиспользования. Математические выражения, условия на развилках, значения свойств описываются на встроенном текстовом языке – Lua [1.a)21].

Для облегчения рисования диаграммы среда может распознавать жесты мышью. Например, если пользователь правой кнопкой мыши в произвольном месте окна редактора нарисует стрелку вперед, появится блок включения моторов, если нарисует пиктограмму часов – появится блок ожидания, если провести линию от одного блока к другому, появится стрелка, их соединяющая. Жесты распознаются довольно сложным алгоритмом, поэтому могут восприниматься системой даже если не будут в точности соответствовать идеальным.

На данный момент среда поддерживает программирование конструкторов Lego Mindstorms NXT, Lego Mindstorms EV3 и конструктора ТРИК. Для каждого конструктора среда предоставляет три режима работы с ним: режим интерпретации, режим автономного исполнения и режим отладки на симуляторе.

В режиме интерпретации программа исполняется на компьютере с отправкой команд роботу по какому-либо низкоуровневому протоколу (USB и Bluetooth для NXT и EV3, Wi-Fi для ТРИК).

Значения всех переменных во время интерпретации могут быть просмотрены в соответствующем окне, а также можно отслеживать графики показаний датчиков, строящиеся в реальном времени.

В режиме автономного исполнения среда генерирует код, компилирует его, если целевой язык не скриптовый, загружает по низкоуровневому протоколу на робота и запускает его на исполнение, показывает его во встроенном текстовом редакторе. Код генерируется в читаемом виде, он может быть открыт и отредактирован во встроенном текстовом редакторе с подсветкой синтаксиса и автоматическим дополнением. Для одного конструктора TRIK Studio может поддерживать больше одного текстового языка. Например, в режиме ТРИК возможна генерация в JavaScript, F# и Pascal ABC.NET, в режиме NXT программа может быть сгенерирована в NXT OSEK C или русскоязычном школьном алгоритмическом языке (ШАЯ).

В третьем режиме, доступном для каждого из поддерживаемых конструкторов, режиме симуляции, программа будет выполнена на двумерной модели робота, открываемой внутри окна среды. Двумерный симулятор позволяет пользователю нарисовать произвольную модель мира, состоящую из стенок, регионов и цветных элементов, нарисованных на полу. Например, могут быть нарисованы все стандартные поля и полосы препятствий, используемые в спортивной робототехнике. Далее указывается, какие датчики подключены к роботу, их пространственное положение и ориентация. Программа затем может быть исполнена на нарисованной модели мира, при этом, так же, как и в режиме интерпретации на реальном устройстве, можно отслеживать значения переменных и графики значений сенсоров. Для удобства отладки скорость течения времени в модельном мире может быть уменьшена или увеличена.

Наличие режима симуляции полезно не только для отладки. Возможность программирования виртуального робота может быть полезна образовательным учреждениям и индивидуальным пользователям, у которых по тем или иным причинам отсутствует реальный робот. К примеру, детям, у которых дома нет роботов, преподаватели могут выдавать домашнее задание, которое нужно решить для виртуального робота. Двумерный симулятор робота может рассматриваться как исполнитель. В частности, робот может рисовать на полу след траектории его перемещения (аналогично исполнителю «Чертежник») [Ошибка! Источник ссылки не найден.].

В среде имеется возможность автоматической проверки заданий. Задание описывается на внутреннем языке ограничений и может быть сохранено особым образом для последующего его распространения между учениками.

Рассмотрев конструкторы и проведя некоторые исследования, мы можем сделать вывод, что наиболее распространяемым конструктором является LEGO Mindstorms Education EV3 со своей средой программирования.

Таким образом, после изучения теоретических основ преподавания курса робототехники, мы можем сделать вывод, что не существует единой рабочей программы для данного курса, но есть большое количество примерных авторских программ, которые имеют схожие темы, но различаются количеством отведенных часов на курс, а соответственно и полнотой содержания.

Рассмотрев типы регуляторов, применяемых в робототехнике, можно сделать вывод, что регуляторы являются неотъемлемой частью в изучении робототехники, и каждая рабочая программа должна содержать в себе данную тему, так как с их помощью можно более правильно и точно решать задачи.

Также в ходе изучения робототехнических устройств, мы выделили более востребованный и популярный конструктор LEGO Mindstorms Education EV3, так как он более прост в изучении и доступный в цене. Что касается сред программирования, то самой часто используемой, также является LEGO Mindstorms Education EV3, так как данное программное обеспечение включается в состав набора конструктора, а также является доступным для понимания и изучения программирования робототехнических устройств.