Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Системы реального времени»

на тему: «Макет АСУ ТП по выращиванию зерновых культур в фермерском хозяйстве»

Работу выполнил

студент группы АСУ-51

И.А. Ярославцев,

Руководитель

к.т.н., доц. каф. СТ

Д.Ю. Петров

Саратов - 2012



РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит 65 страниц, 6 таблиц, 12 рисунков, 38 страниц приложений.

Ключевые слова: СИСТЕМА, МОДЕЛЬ, УПРАВЛЕНИЕ, МАКЕТ, НАДЁЖНОСТЬ. управление комбайн макет плата

Объектом автоматизации являются технологические процессы распашки поля, посева и уборки зерна. В работе реализуется управление макетом комбайна и трактора, на котором отрабатываются основные принципы автоматизации реального комбайна и трактора. Разрабатывается система управления, предназначенная для планирования и контроля управлением движением макета и его рабочими органами. Алгоритм управления макетом также подходит и для управления реальным комбайном и трактором. Управление производится при помощи Bluetooth из удалённого центра управления, а в качестве программируемого логического контроллера выступает плата управления Arduino Uno. Кроме управления макетом, в системе также присутствует обратная связь: передача статистических данных и телеметрии удалённому центру управления. Навигация осуществляется посредством технического зрения и распознавания образов на корпусах макетов сельскохозяйственной техники с помощью контурного анализа.

Система предназначена для моделирования и отладки алгоритма управления реальным комбайном на основе макета.



Содержание

Введение

1. Описание макетов сельскохозяйственной техники

2. Электрическая схема макетов сельскохозяйственной техники

3. Таблица входных и выходных сигналов для макетов сельхозтехники

4. Расчёт надёжности комплекса в системе «Арбитр»

5. Объектное моделирование макета на языке UML

6. Описание программы управления макетами сельскохозяйственной техники

7. Организация беспроводной связи

8. Программа АРМ диспетчера

9. Навигация на основе технического зрения

Заключение

Список использованных источников



Введение

Системы автоматизации сельскохозяйственной техники уже существуют, однако это разрозненные системы микроавтоматизации - системы автономного подруливания сельскохозяйственной техникой прямо на поле, системы разработки маршрута и слежения за движением, системы сбора статистических данных. Каждая из этих систем является максимально закрытой ввиду жесткой конкуренции фирм-разработчиков и минимально подходят для взаимной интеграции. Поэтому задачей первостепенной важности является построение системы, которая может решить задачу горизонтальной и вертикальной интеграции в технологическом процессе посева и уборки зерновых агрокультур.

Данная система реализует оперативное и стратегическое планирование для реализации технологического процесса, а также непосредственное управление макетами сельскохозяйственной техники.. Целью курсовой работы является разработка алгоритма автоматизированного удалённого управления комбайном итрактором и планирование их взаимных действий на поле для распашки поля, посева и уборки зерна. В процессе работы были разработаны сами макеты комбайна и трактора, программа управления каждым макетом, и программа контроля(являющаяся АРМ диспетчера), работающая на удалённой ЭВМ и передающая и принимающая данные по каналу Bluetooth, алгоритм управления макетами комбайна и трактора и управляющие коды для передачи сигналов управления. Алгоритм управления комбайном и управляющие коды могут быть применены без изменений при переносе системы на реальный объект автоматизации.

Масштаб макета составляет 1:16. Программный комплекс является системой реального времени, согласно требованиям к реальному объекту автоматизации.



1. Описание макетов сельскохозяйственной техники

В качестве основы для макета выбрана модель комбайна компании John Deere. Компания John Deere является мировым лидером на рынке сельскохозяйственной техники. Модель комбайна John Deere T670i позволяет продемонстрировать особенности современных комбайнов. В модели реализованы реалистичные детали, такие как открывающиеся двери кабины, многочисленные открывающиеся крышки, подвесная жатка с выравниванием, высокая маневренность комбайна, возможность перегрузки «зерна» из бункера выгрузным шнеком. Модель комбайна John Deere T670i изготовлена из высококачественного пластика в масштабе 1:16. Она состоит из комбайна, съемной жатки и прицепа для перевозки жатки. Модель трактора также обладает высокой копийностью, однако из-за недостатка внуутреннего объёма все электронные компоненты вынесены в его пирцеп, в остальном он в целом повторяет технологические решения комбайна.

Внутреннее устройство макета комбайна:

1) Мотор-редуктор Tamiya 70110

2) Серводвигатель для открытия/закрытия шнека

3) Плата управления Arduino Uno R3

4) Плата управления двигателями Arduino Motor Shield Rev3

5) Bluetooth модуль Bee

6) Аккамулятор GP6120

7) Мотор постоянного тока для вращения шнека

8) Серводвигатель для поднятия/опускания жатки

9) Серводвигатель для управления поворотом макета

Внутреннее устройство трактора в общем повторяет устройство комбайна, но в нём отсутствуют элементы управления шнеком, жаткой, а также внешние датчики.

В макетах использованы серводвигатели SM-S2309B. Данная модель серводвигателя выбрана ввиду ее высокой надежности и достаточного угла поворота(±60°). Всего для изготовления макета было использовано 3 серводвигателя. Для движения макетов используется мотор-редуктор Tamiya 70110 с передаточным отношением 441:1, что обеспечивает достаточный для движения макета крутящий момент.

В качестве источника питания был использован аккумулятор GP6120 с напряжением 6В.Данный аккумулятор обеспечивает надёжную бесперебойную работу макета в течение, как минимум тридцати минут. В качестве программируемого логического контроллера была использована плата Arduino Uno R3 с расширениями Arduino Motor Shield Rev3 и Bluetooth Bee.

Датчики установлены на внешней стороне жатки макета и соединены с контроллером посредством разъёма. В макете использованы следующие датчики: световой датчик - DFRobot Ambient Light Sensor, магнитный датчик Холла - DFR0033, ультразвуковой датчик расстояния - URM37 V3.2 Ultrasonic Sensor.

Размещение датчиков в жатке:

1) Жгут проводов для питания датчиков и передачи информации

2) Внешний монтаж ультразвукового датчика расстояния

Световой датчик расположен на внутренней части жатки, а датчик Холла - внутри ее корпуса. Информационные провода и провода питания собраны в единый разъём, подключаемый к макету комбайна.

Программирование платы Arduino производится через USB-B удлинитель, соединенный с разъёмом на самой плате. также на корпусе комбайна находится кнопка включения/выключения питания макета.

К плате Arduino можно подключиться к через разъем USB-B под боковой панелью для изменения программы управления, также можно получить доступ к модулю связи, для этого надо: подключиться к беспроводной сети комбайна.



2. Электрическая схема макетов сельскохозяйственной техники

Макет комбайна состоит из аккумулятора на 5В, управляющей платы Arduino UNO R3 и подключённых к ней устройств: трёх сервоприводов, двух моторов, датчиков освещённости, Холла, расстояния и Bluetooth-модуля. Плата Arduino состоит из базового модуля и моторшилда. Все подключения устройств происходят через моторшилд.

Управление серводвигателями происходит через восьмой, девятый и десятый пин дискретного выхода платы. Данные с ультразвукового датчика передаются через седьмой пин платы, а питается она от шестого пина платы. Bluetooth-модуль питается от пятого пина платы, а информация передаётся с помощью чётвёртого пина. Управление двигателями происходит с помощью ШИМ через аналоговый выход платы на шесть пинов. Получение информации с аналоговых датчиков Холла и освещённости происходит через аналоговый вход платы на шесть пинов. Управление двигателями осуществляется через микросхему l298 по интерфейсу направление/скорость, т.е. логический сигнал 0..1 задает направление двигателя и ШИМ сигнал 0..5 В задает скорость вращения.

Серводвигатели и аналоговые датчики получают питание от аккумулятора напрямую, остальные устройства питаются энергией через плату управления.

Электрическая схема макета трактора схожа с электрической схемой комбайна, единственным отличием является отсутствие сервомоторов управления жаткой и шнеком, а также датчиков.

3. Таблица входных и выходных сигналов для макетов сельхозтехники

Макет комбайна для связи с остальными частями программно-аппаратного комплекса использует Bluetooth-канал. По нему в двоичной форме передаются управляющие сигналы и информация с датчиков. В качестве входных сигналов используются стандартные ASCII-коды. Управляющие сигналы представлены в следующей таблице:

Номер сигнала	ASCII-код	Буква	Управляющие воздействие
1	#87	W	При движении вперёд остановить вращение оси мотора.
2	#119	w	Начать вращение оси мотора для движения вперёд.
3	#83	S	При движении назад остановить вращение оси мотора.
4	#115	s	Начать вращение мотора для движения назад.
5	#65	A	Если ось сервопривода управления направлением движения повёрнута против часовой стрелки на 45 градусов, вернуть ее в исходное положение
6	#97	a	Повернуть ось сервопривода управления направлением движения против часовой стрелки на 45 градусов
7	#68	D	Если ось сервопривода управления направлением движения повёрнута по часовой стрелке на 45 градусов, вернуть ее в исходное положение
8	#100	d	Повернуть ось сервопривода управления направлением движения по часовой стрелке на 45 градусов
9	#82	R	Если жатка поднята, опустить ее.
10	#114	r	Поднять жатку.
11	#69	E	Если шнек вращается, остановить его.
12	#101	e	Начать вращение шнека.
13	#76	L	Если жатка выдвинута, сложить ее обратно.
14	#108	l	Выдвинуть жатку.
15	#109	m	Передать значения с датчика Холла.
16	#113	q	Передать значения с датчика освещенности.
17	#117	u	Передать значения с ультразвукового датчика расстояния.

Выходными сигналами макета являются данные датчиков: ультразвуковой датчик расстояния, магнитный датчик Холла, датчик освещённости. Эти данные передаются в ответ на соответствующий входной сигнал. Данные передаются в виде двухбайтового бесзначного числа. Со времени передачи управляющего сигнала запроса до получения данных запрещена передача любых управляющих сигналов.



4. Расчёт надёжности комплекса в системе «Арбитр»

Проектная оценка надежности программно-аппаратного комплекса выполнена по методике, основанной на применении новой информационной технологии автоматизированного структурно-логического моделирования систем (АСМ), реализованной в программном комплексе АРБИТР. Выбор этой методики обусловлен следующим.

Практически все существующие методики проектной оценки надежности основываются на ручном построении расчетных аналитических или статистических моделей систем. Однако, построение расчетных моделей надежности современных сложных систем, к которым относится данная система, этими методиками практически невозможно из-за непреодолимой громоздкости и трудоемкости ручного применения всех известных методов моделирования. Приближенные аналитические модели надежности реальных систем, как правило, не удовлетворяют требованиям точности проектных расчетов надежности систем данного класса.

Выходом из этого положения является автоматизация самого процесса построения расчетных математических моделей свойств надежности проектируемых систем, создание соответствующих программных средств и разработка методик их практического применения в технологии автоматизированного моделирования. Одной из таких наиболее теоретически разработанных и практически реализованных технологий является автоматизированное структурно-логическое моделирование (АСМ) систем. В основе этой технологии лежит так называемый общий логико-вероятностный метод (ОЛВМ) системного анализа. В настоящее время технология АСМ обеспечивает практическую возможность автоматического построения четырех основных видов математических моделей структурно-сложных систем - аналитических, статистических, марковских и сетевых. Приведенная в настоящем отчете проектная оценка надежности выполнена на основе технологии аналитического АСМ, в котором автоматизирован процесс построения логических и точных многочленов расчетных вероятностных функций различных свойств надежности проектируемой системы.

Практическая реализация технологии автоматизированного структурно-логического моделирования и проектной оценки надежности осуществлена с помощью специальной методики, которая включает в себя следующие три последовательные этапа:

1) Первичное структурно-логическое моделирование системы. На этом этапе разрабатываются частные и общие структурные модели надежности программно-аппартного комплекса. Для этого используется специальный графический аппарат схем функциональной целостности (СФЦ). Задаются вероятностные параметры элементов и логические критерии работоспособности подсистем и МР в целом;

2)Автоматизированное моделирование и расчет системных показателей надежности. На этом этапе построение требуемых математических моделей и выполнение расчетов показателей надежности для всех 13 основных подсистем и МР в целом выполняется автоматически с помощью программного комплекса АРБИТР;

3)Анализ результатов, выработка и обоснование проектных решений. На этом этапе полученные с помощью комплекса АРБИТР результаты используются для содержательного анализа свойств надежности МР и обоснования их соответствия заданным требованиям.

Центральное место в автоматизированном структурно-логическом моделировании занимает построение структурных моделей надежности. Структурные модели в АСМ строятся с помощью специального аппарата СФЦ.

Для функций работы макета были проведены расчёты и получены результаты, использованные для расчета функции общей работоспособности макета. Для неё были получены следующие результаты.

Параметры СФЦ:

Число вершин - N=33. Число элементов - H=22.

Вероятностная функция содержит 30 одночленов Р=0.649894387317 - вероятность реализации критерия функционирования системы в целом.

Таким образом, по полученным результатам, наиболее критичными узлами системы являются плата управления и аккумулятор макетов, а также программа управления комплексом и программа навигации. Если эти узлы не будут функционировать - не будет функционировать вся система. При дальнейшей разработке системы необходимо обеспечить резервирование данных элементов и тем самым повысить надёжность системы.

5. Объектное моделирование макета на языке UML

Unified Modeling Language (UML) - язык объектного моделирования третьего поколения, стандарт которого разработан консорциумом Object Management Group (OMG). Язык UML может использоваться для разработки систем и программного обеспечения, предназначенных для применения в самых разных областях. В настоящее время UML используется для проектирования различных информационных систем - начиная с ПО систем инвентаризации и заканчивая ПО систем управления летательными аппаратами. Всякий поддерживаемый стандарт со временем изменяется: в нем исправляются ошибки, реализуются новые идеи и исключаются неудачные элементы. В настоящее время UML используется в проектах по моделированию и созданию систем, весьма значительно различающихся по своему масштабу - от проектов, в которых участвует группа разработчиков из нескольких человек, до систем, в разработке которых участвует несколько тысяч человек. UML обладает всем необходимым для моделирования, своевременной обработки событий и управления ресурсами, которые характеризуют современные встраиваемые системы и системы реального времени.

В качестве средства разработки на UML был выбран Rhapsody Modeler ввиду его функциональности и открытой лицензии. В данной программе были разработаны объектная диаграмма, диаграмма использования макета внутри всей системы и структурная диаграмма макета.

Ппоказано, какие функции макета обеспечивают его работу их взаимная зависимость. Таким образом, вы видим, что основными функциями, обеспечивающими работу всех функций макета, являются функции работы программы управления макета в бесконечном цикле и исправной работа физической части макета.

Показано положение макета системой автоматизированного управления комбайном в системе автоматизации технологических процессов распашки, посева и уборки зерна. Таким образом, в макете имеются следующие виртуальные информационные каналы:

канал управления, физически реализуемый Bluetooth-соединением, канал передачи данных с датчиков макета, физический реализуемый через тот же самый Bluetooth-канал и визуальный канал навигации, в котором по маркировке макета с помощью камеры и технического зрения определяется местоположение макета в рамках координат поля. Диаграмма использования макета в рамках системы в целом необходима, чтобы понять его структурное место в системе, а также, разделить функции на выполняющиеся внутри макета, выполняющиеся вне макета в системе и функции передачи данных другим компонентам системы и от них в макет.

Диаграмма использования макета и объектная диаграмма работы макета являются основой для разработки структурной диаграммы макета. Но в отличие, от диаграммы использования макета и диаграммы работы макета в структурной диаграмме отражены не функции макета и их связи, уровни подчинения, а его физическая структура с обобщённым распределением этих функций и связей на их реальные назначения. При разработке структурной диаграммы используется терминология объектно-ориентированного программирования, где система в целом рассматривается как приложение, макет комбайна - как класс системы, а функциональные блоки(компоненты) - как объекты внутри этого класса. Для связи между компонентами используется понятие порта передачи данных. В данном типе диаграмм порт является виртуальным понятием и может быть применён как к физическом порту, так и к программному, а также к любому другому каналу передачи данных, например, визуальном.

В структурной диаграмме макета отражено как реальное устройство макета, так и функциональное, причём можно проследить связь между функциями и их реальными исполнителями. Всего в структурной диаграмме можно выделить следующие типы связей между портами(каждой связи соответствует пара портов):

1) Питание напряжением 5В, стандартное для всего макета.

2) Канал передачи данных из контроллера устройствам(пара портов(O-I)

3) Канал передачи данных в контроллер от устройств (пара портов I-O)

4) USB для программирования микроконтроллера

5) Bluetooth канал для передача данных в контроллер и из контроллера

6) Канал визуального наблюдения камерой маркировки макета

Таким образом, моделирование на языке UML позволяет наиболее полно разработать функциональную компоновку макета, привязав её к физической, и гарантировать функциональную интеграцию макета в программно-аппаратный комплекс в целом.



6. Описание программы управления макетами сельскохозяйственной техники

После включения питания и инициализации исполнительных устройств. Система управления макетом комбайна на базе платы Arduino Uno R3 начинает устанавливать связь через модуль Bluetooth с компьютером управления и при ее установлении ожидает команд от компьютера.

Реализация алгоритма управления такова: после описания и инициализации переменных в разделе setup, запускается бесконечный цикл Loop, вкотором происходит постоянное определение пришедшего по Bluetooth-каналу ASCII-кода, и реализация действия в зависимости от него.

Пример функции управления:

switch (curByte) {

…

case 'L':

analogWrite(ELEV_SPEED, 0);

break;

…}

Листинг 1 - пример функции управления.

Мы определяемый входящий управляющий сигнал, и, если это “L”, то передаем значение «0» переменной, определяющей скорость вращения мотора шнека и с помощью команды «break» переходим на следующую итерацию цикла.

Реализация алгоритма для программы управления макетом трактора аналогична таковой для макета комбайна, с тем лишь отличием, что в ней не обрабатываются управляющие значения для навесного оборудования и датчиков.



7. Организация беспроводной связи

Довольно важной задачей работы является организация беспроводной связи техники с центром управления. Подберём для нашего макета наиболее удовлетворяющий нашим требованиям канал передачи данных. Важными для нас критериями выбора будут являться:

· стабильная работа в помещениях,

· скорость передачи данных,

· питание и энергопотребление,

· масса,

· габариты устройства,

· стоимость.

Выделим и рассмотрим подробнее три варианта устройств беспроводной передачи данных:

Blooetooth модуль XBee,

Wi-Fi модуль RN-XV WiFly Module,

Радиомодем Невод-5.

XBee Shield.

Модули XBee Shield позволяют установить связь между несколькими модулями Arduino/Freeduino с помощью модулей XBee от компании Maxstream/BlueGiga ( стандарт ZigBee).

Модули XBee являются достаточно развитыми устройствами и работают под управлением собственного микроконтроллера MC9S08. Производитель предлагает специальное ПО для гибкой конфигурации модулей, а также альтернативные прошивки управляющего микроконтроллера, и таким образом, функционал приемо-передатчика для Arduino лишь часть возможностей XBee.

Для обмена данными с Arduino модуль занимает последовательный порт (выводы 0 и 1), и в конфигурации по умолчанию работает со скоростью 9600 бит/сек. При этом все переданные (с помощью Serial.Write) байты передаются в эфир, а переданное в эфир другими модулями поступает в порт, и может быть прочитано с помощью Serial.Read.

В процессе работы модуль управляется AT-командами, позволяющими изменить такие параметры, как адрес в сети ZigBee, скорость работы с последовательным портом, управлять состоянием дополнительных выходов модуля, и многое другое.

Характеристики:

- возможность работы с платами в форм-факторе классической Arduino;

- возможность работы с платами в форм-факторе Arduino Nano;

- автоматический выбор питания (Arduino/USB);

- все выводы XBee выведены на контактные площадки с шагом 2,54 мм;

RN-XV WiFly Module

RN-VX модуль от Roving Networks это сертифицированное Wi-Fi решение специально спроектированное для пользователей, который хотят мигрировать с существующей 802.15.4 архитектуры на платформу базирующуюся на стандартном TCP/IP без изменения существующего аппаратного обеспечения. Другими словами, если ваш проект построен на XBee и вы хотите перевести его на стандартную WiFi сеть, вы можете вставить этот модуль в сокет XBee без добавления какого-либо дополнительного оборудования.

RX-VN основан на надежном RN-171 Wi-Fi модуле от Roving Networks и включает в себя 802.11 b/g, 32-битный процессор, TCP/IP стек, часы реального времени (RTC), крипто-акселератор, блок управления питанием и интерфейс аналогового сенсора. Модуль идет с препрошивкой от Roving для упрощения интеграции и минимизации времени разработки вашего приложения. В простейшей конфигурации необходимо только четыре вывода (Питание, Tx, Rx и земля) для построения беспроводного соединения.

Характеристики: - построен на базе обычного 802.15.4 XBee разъема - ультра низкое энергопотребление: 4мкА в спящем режиме, 38мА в активном - встроенный TCP/IP стек, включающий в себя DHCP, UDP, DNS, ARP, ICMP, HTTP клиент, FTP клиент и TCP - настраиваемая мощность передачи: от 0dBm до 12dBm - аппаратный интерфейс: TTL UART - скорость передачи через UART до 464 Кбайт/сек - поддержка Adhoc и сетевую структуру - 8 цифровых выводов для общих целей - 3 аналоговых входа - часы реального времени (RTC), режимы авто-засыпания и авто-пробуждения - поддержка 3.3В регулируемого питания - проводная антенна на борту.

Радиомодем Невод-5 предназначен для передачи и приема цифровой информации при работе в составе распределенных сетей телеметрии, управления и автоматизации технологических процессов.

Радиомодем Невод-5 представляет собой программно-управляемое приемно-передающее устройство, преобразующее сигналы стандартных последовательных интерфейсов RS-232 или RS-485 в радиочастотные посылки и обратно.

Конфигурирование радиомодема осуществляется через последовательный интерфейс набором команд. Радиомодем имеет колодку контактов для быстрого подключения кабелей питания и интерфейса, а так же светодиодные индикаторы для отображения состояния цепей изделия.

Прибор выполнен в пластмассовом корпусе для установки на DIN-рейку. Возможно исполнение во влагозащищенном корпусе (степень защиты IP65) для установки снаружи рядом с антенной.

Характеристики:

- Радиомодем для систем телеметрии

- Диапазон частот: 433 Мгц

- Скорость передачи данных: до 19200 бит/с

- Максимальная дальность связи: 8-10 км

- Цифровые интерфейсы RS-232/RS-485

- Разрешение на использование не требуется

- ПО для первоначальной настройки входит в комплект поставки

- В корпусе для монтажа на DIN-рейку

Все устройства подходят нам для использования в помещениях на небольших расстояниях. Скорости передачи хватит для передачи управляющих сигналов и приёма данных с датчиков устройств. Как видно из таблицы, радиомодем Невод-5 можно отнести несколько к иному классу устройств, более подходящем для установки на реальную технику (большие габариты и энергопотребление). Различия между Bluetooth и Wi-Fi модулями не столь критичны для нашей задачи (у Bluetooth модуля чуть худшие характеристике, но ниже стоимость устройства).

В связи с этим было принято решение об использовании в макете сельскохозяйственной техники модуля Bluetooth XBee Shield.

Организуем связь центра управления, установленного на компьютере, с микроконтроллером Arduino, находящемся внутри моделей техники, используя модуль XBee Shield. Для этого на компьютере должно быть устройство Bluetooth (встроенное или внешнее, подключенное в USB порт). Bluetooth адапторы определяются в системе как виртуальные COM порты, поэтому и работать предстоит как с COM портом. На примере операционной среды Windows 7 покажем, как организовать связь с удалёнными устройствами (моделями трактора и комбайна):

1. Включаем устройства Bluetooth на компьютере с установленным центром управления и на моделях трактора с комбайном.

2. Заходим в папку Пуск->Устройства и принтеры.

3. Нажимаем кнопку “Добавление устройства”.

4. Ждём, пока компьютер не определит два Bluetooth устройства под именем “Bluetooth V3”

5. Подключаемся к каждому из устройств, и если потребуется ввод пароля, то используем стандартный “1234”.

6. Заходим в свойства каждого из подключенных устройств, и находим информацию о номере порта (Например COM11 и COM14).

Связь установлена, теперь можно обращаться к виртуальным COM портам для приёма-передачи данных с моделей сельскохозяйственной техники.

Теперь перейдём к настройке центра управления. Нам потребуется передавать из приложения по интерфейсу Bluetooth строковые сообщения, которые после передачи обработаются программой на контроллере Arduino. В среде Visual Studio 2008 для работы с COM портами предусмотрен компонент serialPort. В нашем приложении их потребуется два, так как один компонент serialPort работает с одним подключенным устройством.

После завершения настройки порта произведём подключение к устройству командой serialPort1->Open();

В случае успешного открытия порта интерфейс программы отметит это сменившимся на зелёный цвет панели состояния порта, иначе панель останется красной. Отправка команды в порт производится командой

serialPort1->WriteLine(textBox_writecom1->Text);

Передадутся строковые данные из текстового поля компонента textBox. Также можно передавать константы, например serialPort1->WriteLine("D");

После работы с COM портом требуется его закрытие serialPort1->Close();

Опишем возможные передаваемые команды из центра упрвления. В случае передачи неподдерживаемой команды микроконтроллер установленный на моделях техники просто её проигнорирует. У модели комбайна имеется больше функций чем у трактора, поэтому в сначала укажем общие команды движения, а дальше специальные команды для комбайна.



8. Программа АРМ диспетчера

Центральной частью комплекса автоматизированного управления сельскохозяйственной техникой является программа для компьютера, связывающая различными интерфейсами все компоненты комплекса. Представим структурную схему комплекса, и покажем какую важную часть занимает в ней центр управления.

Задача 2.1 необходима только для макета комплекса и выполняется только на нем.

Задача 2.2 выполняется на макете иными техническими средствами (техническое зрение вместо GPS/ГЛОНАСС), анализ навигационных данных осуществляется только на месте оператора.

Определившись с функциями, была выбрана среда программирования для написания приложения АРМ диспетчера. АРМ диспетчера должен функционировать на компьютерах с операционной систнмой семейства Windows. Требуется также сделать удобный и привычный пользователям интерфейс. Так как на данном этапе разрабатывается макет комплекса, то было принято решение создания своего приложения с необходимым набором функций, а не использования готовых дорогостоящих и многофункциональных SCADA систем. Исходя из требований была выбрана среда разработки Microsoft Visual Studio 2008, язык программирования c++.

Перейдём к описанию работы АРМ диспетчера. После запуска приложения пользователя встречает окно приветствия и предлагает войти в систему. На данном этапе разработки создан только один тип пользователей - администраторы системы. Администраторы имеют полный доступ ко всем функциям программы, имеют доступ на запись и редактирование базы данных, отдавать непосредственные команды для моделей сельскохозяйственной техники. Для входа в систему требуется ввести логин и соответствующий ему пароль. В случае неправильного ввода система оповестит пользователя сообщением “Неверное имя/пароль”.

В случае успешного входа, разблокируются все функции программы.

Одной из главных задач центра управления является реализация автопилотов для моделей сельскохозяйственной техники. В макете присутствует две единицы техники - модели комбайна и трактора, поэтому программа управления должна уметь взаимодействовать одновременно с несколькими объектами. Программно каждая модель является структурой с определённым набором характеристик, например таких как текущее местоположение, тип объекта, состояние объекта и так далее.

В программе имеется интерфейс, осуществляющий визуализацию объектов на условной карте. В макете под полем для сельскохозяйственных работ принимается участок 2 на 3 метра, поэтому все расчеты маршрутов производятся для данной ограниченной области. Оператор может управлять техникой удалённо как в ручном, так и в автоматическом режиме, позволяя программе рассчитывать траекторию движения. Чтобы техника двигалась в автоматическом режиме, предварительно требуется создать и выбрать маршруты движения. Для макета например это несколько кольцевых маршрутов. Маршрут состоит из отрезков между контрольными точками (чекпоинты). Модель техники должна пройти в установленном порядке через все контрольные точки. Система расчёта движения техники на трассе основывается на данных выхода из траектории проезда предыдущего чекпоинта, как точки отсчёта и учитывает при прохождении текущего чекпоинта не только оптимальную траекторию - минимальное расстояние с минимальными потерями скорости, но и наиболее оптимальную точку выхода из обхода текущего чекпоинта для наиболее оптимального точки входа в траекторию объезда следующего чекпоинта.

У каждой из единиц техники ведётся учёт такого параметра как топливо. При движении техники происходит уменьшение на некоторую величину запаса топлива. В интерфейсе программы это отображается цветным баром под иконкой соответствующей модели. Чтобы визуально продемонстрировать изменение параметра, расход топлива на единицу перемещения был выбран относительно большой.

В случае опустошения топливного бака то критической отметки, оператору АРМ выводится соответствующее сообщение, прекращается выполнение текущего задания техники и предлагается в ручном режиме провести технику в область заправки. В базу данных системы заносятся все операции по потреблению топлива, что позволит в дальнейшем провести статистику и принять меры по уменьшению топливных ресурсов. Например может последовать оптимизация маршрутов движения или предложение по смене техники на более экономичную.

Также в программе реализована система советов для оператора на основе полученных ранее данных. На данном этапе реализованы подсказки по выбору вида вспашки, типа плуга, скорости движения техники. Например, покажем советы по выбору типа плуга:

· Если почва каменистая использовать дисковые плуги.

· При вспашке зяби с оборотом пласта применяют лемешные плуги с отвалами и предплужниками.

· При вспашке с внесением органических удобрений -- лемешные плуги с отвалами.

· При глубоком рыхлении без оборота пласта -- безотвальные плуги.

· В зонах ветровой эрозии почв, с целью максимального сохранения стерни, на рыхлении почвы -- плоскорезы.

9. Навигация на основе технического зрения

Навигационные алгоритмы основаны на распознавании образов. При распознавании образов координаты образа относительно точки «0» изображения в масштабе 1:1 передаются в АРМ диспетчера, где используются для определения координат маркеров на форме приложения и реальных макетов во время демонстрации относительно краёв поля, помеченных специальными метками. также специальными метками помечены сами макеты.

Программа написана на C++, с использованием открытой библиотеки OpenCV.

Основой программы является алгоритм контурного анализа(КА).

КА позволяет описывать, хранить, сравнивать и производить поиск объектов, представленных в виде своих внешних очертаний - контуров. Предполагается, что контур содержит всю необходимую информацию о форме объекта. Внутренние точки объекта во внимание не принимаются. Это ограничивает область применимости алгоритмов КА, но рассмотрение только контуров позволяет перейти от двумерного пространства изображения - к пространству контуров, и тем самым снизить вычислительную и алгоритмическую сложность. КА позволяет эффективно решать основные проблемы распознавания образов - перенос, поворот и изменение масштаба изображения объекта. Методы КА инвариантны к этим преобразованиям. Сначала определим, что такое контур объекта. Контур - это граница объекта, совокупность точек (пикселов), отделяющих объект от фона. В системах компьютерного зрения используется несколько способов кодирования контура - наиболее известны код Фримена, двумерное кодирование, полигональное кодирование. Но все эти способы кодирования не используются в КА. Вместо этого, в КА контур кодируется последовательностью, состоящей из комплексных чисел. На контуре фиксируется точка, которая называется начальной точкой. Затем, контур обходится (допустим - по часовой стрелке), и каждый вектор смещения записывается комплексным числом a+ib. Где a - смещение точки по оси X, а b - смещение по оси Y. Смещение берется относительно предыдущей точки.

Каждый вектор контура будем называть элементарным вектором (ЭВ). А саму последовательность комплекснозначных чисел - вектор-контуром (ВК).

Вектор-контуры будем обозначать большими греческими буквами, а их элементарные векторы - малыми греческими буквами. Таким образом, вектор-контур Г длины k можно обозначить как

Почему в КА используется именно комплекснозначное кодирование? Потому, что операции над контуром именно как над вектором комплексных чисел обладает замечательными математическими свойствами, по сравнению с другими способами кодирования.

Свойства контуров. Сумма ЭВ замкнутого контура равна нулю. Это тривиально - поскольку элементарные векторы приводят в начальную точку, значит их сумма равна нуль-вектору.

Контур-вектор не зависит от параллельного переноса исходного изображения. Поскольку контур кодируется относительно начальной точки, то этот способ кодирования инвариантен сдвигу исходного контура. Поворот изображения на определенный угол равносилен повороту каждого ЭВ контура на тот же угол.

Изменение начальной точки ведет к циклическому сдвигу ВК. Поскольку ЭВ кодируются относительно предыдущей точки, то понятно, что при изменении начальной точки последовательность ЭВ будет та же самая, но первым ЭВ будет тот, который начинается в начальной точке.

Изменение масштаба исходного изображения можно рассматривать как умножение каждого ЭВ контура на масштабный коэффициент.

Общая последовательность действия при распознавании выглядит так:

Предварительная обработка изображения -- сглаживание, фильтрация помех, повышение контраста.

Бинаризация изображения и выделение контуров объектов.

Начальная фильтрация контуров по периметру, площади, коэффициенту формы, фрактальности и так далее.

Приведение контуров к единой длине, сглаживание.

Перебор всех найденных контуров, поиск шаблона, максимально похожего на данный контур.

КА имеет две группы факторов отрицательно влияющих на результаты распознавания. Первая группа факторов связана с проблемой выделения контура на изображениях. Контур - это строго определенная дискретная структура.

Однако большое число реальных изображений имеют объекты, слабо выраженные на окружающем фоне. Объект может не иметь четкой границы, он может быть одинаков по яркости и цвету с фоном, он может быть зашумлен помехами и так далее.

Все эти факторы приводят к тому, что контур либо невозможно выделить вообще, либо он выделяется неправильно, и не соответствует границе объектов. На рисунке справа показано бинаризированное изображение. Небольшие «мостики» между изображением цифры и окружающим фоном делают контур цифры нераспознаваемым методами КА.

Такие случаи очень тяжелы для КА. Ведь КА имеет смысл, только в том случае, когда контур объекта определен однозначно правильно во всех своих точках.Вторая группа факторов, осложняющих КА, связана с принципами контурного анализа. Методы КА предполагают, что контур описывает весь объект целиком, и не допускает никаких пересечений с другими объектами или неполной видимости объекта.

На картинке справа - бинаризированное изображение. Видно, что блик фотографии, идущий горизонтальной чертой, делает буквы неразличимыми для КА.

Таким образом, КА имеет слабую устойчивость к помехам, не допускает пересечения или частичной видимости объекта.



Заключение

Данная система реализует оперативное и стратегическое планирование для реализации технологического процесса, а также непосредственное управление макетами сельскохозяйственной техники.. Целью курсовой работы является разработка алгоритма автоматизированного удалённого управления комбайном итрактором и планирование их взаимных действий на поле для распашки поля, посева и уборки зерна. В процессе работы были разработаны сами макеты комбайна и трактора, программа управления каждым макетом, и программа контроля(являющаяся АРМ диспетчера), работающая на удалённой ЭВМ и передающая и принимающая данные по каналу Bluetooth, алгоритм управления макетами комбайна и трактора и управляющие коды для передачи сигналов управления. Алгоритм управления комбайном и управляющие коды могут быть применены без изменений при переносе системы на реальный объект автоматизации.

Масштаб макета составляет 1:16. Программный комплекс является системой реального времени, согласно требованиям к реальному объекту автоматизации.



Список использованных источников

1) Brian W. Evans, «Arduino programming notebook», CreativeBook, 2009

2) Румянцев Е., «Управление зерноуборочным комбайном», Колос, 1975

3) «Системы автоматического управления на основе программируемых логических контроллеров», Шнейдер Электрик, 2008

4) Архипкин В.Я., «Bluetooth. Технические требования. Практическая реализация», Техномир, 2004

Размещено на Allbest.ru

...