Система удаленного управления мехатронными комплексами

(Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики)

В связи с активным развитием телекоммуникационных технологий и микропроцессорной техники одним из ведущих направлений в области современной теории управления становится синтез систем управления физически удаленными на достаточном расстоянии от задающего устройства объектами. Целью работы является разработка системы управления мехатронными робототехническими комплексами через глобальную сеть Интернет независимо от места размещения объекта управления и задающего устройства.

В качестве наиболее яркого и распространённого примера системы удаленного управления техническими объектами можно рассмотреть IP PTZ (panorama-tilt-zoom) камеры, управление которыми может происходить через локальную сеть или Интернет. На рис. 1, а и 1, б представлены PTZ камеры и работа специального программного обеспечения на рис. 1, в, которое может скрывать нежелательные области. Прогресс в системах удаленного управления демонстрируют игровые проекты, в которых можно не выходя из дома поуправлять различными объектами [5-7].

Рис. 1. IP PTZ видеокамеры

В работе [4] в Техасском университете было предложено сетевое управление шаром на магнитной подвеске с использованием предиктора команд. На рис. 2 видно, что при потере или большой задержке сигнала от управляющего компьютера, предиктор предсказывает на основе предыдущих полученных команд сигнал управления, тем самым реализуя непрерывность работы.

Рис. 2. Работа предиктора команд

Первостепенной задачей в удаленном управлении является обмен телеметрической информацией с объектом управления ОУ, который может находиться сколь угодно далеко от задающего устройства ЗУ (оператора). Единственным требованием, выдвигаемым к ОУ и ЗУ, является доступность Интернет-канала достаточной пропускной способности и возможность подключения к сети Интернет ОУ. Второй важной задачей является контроль положения мехатронного комплекса в пространстве. Следовательно, требуется организовать видеотрансляцию в зависимости от задач либо с самого объекта, либо со стороны.

На рис. 3 представлена архитектура системы управления, решающая эти задачи.

Рис. 3. Архитектура системы управления

К серверу подключаются через интерфейсы «последней мили» объекты управления. Мы проводили апробацию на роботах Boe-Bot от компании Parallax, подключенных по интерфейсу ZigBee и на роботах Lego Mindstorms NXT, подключенных по интерфейсу Bluetooth. Сервер подключен по Ethernet/Wi-Fi к маршрутизатору имеющему доступ к глобальной сети Интернет. Обменом телеметрической информацией между удаленным пользователем и мехатронным комплексом занимается специальное программное обеспечение ПО, написанное на node.js и работающее на Сервере. Для минимизации задержек используется современная технология web-сокетов. На данном этапе не рассматриваются предикторы команд и алгоритмы управления с запаздыванием. При апробации системы задержки по управлению составляли 20-50 мс.

В данной архитектуре для реализации видеовещания непосредственно с ОУ используются мобильные Wi-Fi IP видеокамеры, подключаемые к маршрутизатору. В случаях, когда требуется организовать видеовещание со стороны целесообразнее использовать статичные IP камеры. Для сокращения временных задержек в видеовещании можно использовать аналоговые радиокамеры с аппаратным энкодером. Специальный процессор позволяет аппаратному энкодеру выдавать кодированный поток быстрее, чем программными средствами. Однако при использовании мобильных IP камер при вещании по локальной сети задержки составили 200 мс в формате MJPEG, который поддерживает большинство браузеров, и 500 мс при вещании через сеть Интернет. Для поставленных задач такие результаты являлись приемлемыми и дальнейшего исследования аналогового вещания не проводилось.

Представленная система удаленного управления является универсальной. Работа производится с последовательным портом, следовательно, любое устройство, подключенное через интерфейс, способный работать в качестве последовательного порта может быть подключено к управляющему серверу. Работоспособность объекта будет зависеть от управляющей программы мехатронного комплекса и набора команд, определенного сервером. Рассмотрена простая и надежная система видеовещания, независящая от объекта управления. Задержки, как по вещанию, так и по управлению находятся на допустимых, относительно малых уровнях, что говорит о возможности использования данной системы управления в широких областях.

1. 
   И.Р. Белоусов. Алгоритмы управления роботом-манипулятором через Интернет. – Москва: Математическое моделирование, 2002. – т.14, №8, 10-15 с.
   
2. 
   Б.Р. Андриевский, А.С. Матвеев, А.Л. Фрадков. Управление и оценивание при информационных ограничениях: к единой теории управления, вычисления и связи // Автоматика и телемеханика, №4, 2010.
   
3. 
   Alexander L. Fradkov, Boris Andrievsky, Dimitrii Peaucelle. Estimation and Control Under Information Constraints for LAAS Helicopter Benchmark // IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 18, №5, 2010.
   
4. 
   Won-jong Kim, Kun Ji, Abhinav Srivastava. Network-Based Control with Real-Time Prediction of Delayed/Lost Sensor Data // IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 14, №1, 2006.
   
5. 
   MicroGonki. // [Электронный источник] URL: http://www.mikrogonki.ru/ дата обращения: 15.05.2013.
   
6. 
   Glavbot. // [Электронный источник] URL: http://www.glavbot.ru/ дата обращения: 15.05.2013.
   
7. 
   Joker Racer. // [Электронный источник] URL: http://www.jokerracer.com/ дата обращения: 15.05.2013.