89b6d7a6
Поиск:  
  
Технологии робототехники
Фотогалерея
Книжная полка
Доска объявлений
Форумы
Контакты

  






  ***

04.12.2005 - Долгосрочная научно-исследовательская и опытно-конструкторская программа Le CyCab


РобоКлуб/Проекты/Разные/04.12.2005 - Долгосрочная научно-исследовательская и опытно-конструкторская программа Le CyCab



Долгосрочная научно-исследовательская и опытно-конструкторская программа Le CyCab

Две компании - INRIA и INRETS - c 1991 года ведут исследования по созданию этой новейшей интеллектуальной транспортной системы для городов будущего. В исследованиях можно выделить два отдельных направления: создание машин общего пользования и интеллектуального транспорта.

89b6d7a6

ВВЕДЕНИЕ


Машины общего пользования разрабатываются в рамках проекта Praxitele, в соответствии с которым 50 электрических машин Renault уже работают в городе Сан-Квентин-ен-Ивелин (Saint-Quentin-en-Yvelines). В работе также принимают участие несколько других компаний:

  • CGFTE, транспортная компания;
  • Dassault Electronique;
  • EDF, компания-поставщик электрооборудования;
  • Renault.

INRIA исследует возможность создания интеллектуального транспорта с компьютерным управлением. В 1994 году была продемонстрирована концепция "platooning" (автоматическое движение машин в группе) на примере электрических одноместных машин. В 1997 году был представлен новый автомобиль "CyCab", сконструированный специально для городов с ограниченным количеством транспорта. Этот автомобиль был разработан совместно компаниями EDF, RATP и Andruet S.A. и, благодаря компьютерной системе управления, может управляться не только водителем с помощью джойстика, но и работать полностью автоматически в различных режимах.

В компании AVENIR-HAVAS (это дочерняя компания группы VIVENDI) сейчас исследуется возможность создания в ряде городов транспортной системы на основе этого автомобиля. Цель этих исследований - уменьшить количество личных автомобилей в городах, предлагая альтернативный вид транспорта, более удобный с точки зрения удобства использования, меньшего шума и загрязнения, меньшего места для парковки и более рационального использования энергии.

Такси с самообслуживанием в городах будущего

Этот новый вид общественного транспорта представляет собой множество небольших электрических автомобилей, сконструированных специально для работы в районах с ограниченным доступом личного автотранспорта, например это могут быть:

  • исторические центры городов;
  • железнодоожные/воздушные станции;
  • аэропорты и вокзалы;
  • университетские городки;
  • зоны отдыха.
Этими автомобилями очень легко пользоваться, благодаря следующим рабочим характеристика:
  • доступ осуществляется с помощью электронной кредитной карты;
  • простое управление джойстиком;
  • доставка пассажира от "двери до двери";
  • автоматическая парковка и перезарядка;
  • мультимедийный информационный терминал.

КОНСТРУКЦИЯ


Введение

CyCab - это двухместный электромобиль, развивающий скорость до 30 км/час, предназначенный для работы в деловых районах, пешеходных зонах, в больших промышленных или развлекательных парках, аэропортах и т.д.

Технические характеристики:
  • длина 1,9 м;
  • ширина 1,2 м;
  • вес 300 кг;
  • мощность: электромоторы 4 x 1 кВт;
  • привод и управление 4-мя колесами;
  • максимальная скорость: 30 км/ч;
  • дальность действия: 40 км;
  • вместимость: 2 взрослых и двое детей;
  • ручное управление с помощью джойстика;
  • удаленное управление телеоператором;
  • полностью автоматизированный режим работы;
  • индукционная зарядка;
  • работа с кредитной картой.

  1. CCD камера для удаленного управления
  2. Джойстик (вместо руля)
  3. Мультимедийный экран
  4. Линейная камера для движения с заданной дистанцией
  5. Инфракрасные датчики для режима движения в группе
  6. Ультразвуковые датчики системы избегания столкновений
  7. Привод управления
  8. По одному электромотору на каждое колесо
  9. По одному электрическому тормозу на каждое колесо
  10. Четыре свинцовых батареи и система электропитания

В автомобиле реализовано две технологии управления: ручного и автоматического. В первом режиме управления пассажир ведет автомобиль с помощью джойстика и сенсорного экрана. Джойстик соединен с компьютером, который в действительности управляет движением, обеспечивая его безопасность: например, он ограничивает скорость на поворотах и в других опасных местах. Для управления автомобилем не требуется специальных навыков, им может пользоваться каждый. Общение с информационно-управляющей системой осуществляется с помощью сенсорного экрана: можно узнать свое местоположение, установить автоматический режим работы электромобиля или просмотреть список городских музеев. Очень часто группе машин требуется двигаться вместе, например на вокзале. В CyCab предусмотрена возможность объединения машин в виртуальный поезд, который управляется только ведущей машиной, а остальные следуют за ней. Также можно реализовать и другие режимы автономного движения (например, радиоуправление или движение по указателям).

Этот автомобиль был разработан с учетом всех требований, которым должен удовлетворять общественный транспорт массового производства: экономичность, небольшие размеры, надежность, простота управления и обслуживания. На решение этой задачи направлена вся конструкция электромобиля: от механики до компьютерной системы управления.

Механика и электроника

Механика автомобиля позаимствована из машин для гольфа, которые уже производятся небольшими сериями. Ходовая часть машины основана на четырех одинаковых блоках привода всех колес, благодаря чему снижается стоимость производства машины и ее объем (четыре небольших мотора с контроллерами гораздо легче сделать и установить, чем один большой мотор. Таким образом, получается простая модульная структура, обеспечивающая простоту управления (все четыре колеса ведущие и могут изменять направление вращения). Рулевая часть машины основана на электрическом приводе, управляющим всеми четырьмя колесами.

Каждый блок привода колес снабжен своим усилителем, который управляется микроконтроллером (см. рис. 1). Систему управления можно представить в виде трех слоев. Низший слой - это слой питания обоих моторов блока, второй слой обеспечивает передачу данных сенсоров и связь с другими слоями. Последний слой с помощью микроконтроллера MC68332 от компании Motorola управляет всеми слоями. Микроконтроллер отлично подходит для этой задачи. Генерация сигналов с модулированной шириной и декодирование данных датчика поворота в нем осуществляется с помощью встроенного программируемого модуля обработки сигналов.

Рисунок 1. Структура блока привода.

Каждый блок привода колес управляет моторами двигателя и тормоза, а также обрабатывает данные установленных на них сенсоров (поворота, вращающего момента, температурного и других). Пятый блок отвечает за рулевое управление. Связь между блоками идет по последовательной шине CAN. Она была разработана специально для подобных приложений и позволяет передавать данные со скоростью до 1 Мбит/с в системе, при сложных условиях эксплуатации. По шине передаются сообщения длиной 8 байт с дополнительными битами, обеспечивающими проверку и контроль переданных данных. Вся сеть состоит из пяти блоков управления и платы персонального компьютера, которая отображает данные на экране и записывает информацию на жесткий диск (см. рис. 2).

Рисунок 2. Связь блоков привода и других узлов между собой.

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ


Давайте продемонстрируем преимущества использования SynDEx с поддержкой методологии ААА на примере режима ручного управления, реализованного в CyCab.

ААА означает Algorithm Architecture Adequation (Соответствие алгоритма архитектуре). Целью разработки этой методологии было оптимальным образом реализовать алгоритм приложения на данной архитектуре и одновременно эффективно удовлетворить существующим ограничениям. Слово "Adequation" в названии методологии французского происхождения и означает эффективное соответствие. Методология ААА основана на модели графов, что позволяет одновременно воспользоваться преимуществами возможного параллелизма алгоритма и реализованным параллелизмом многокомпонентной системы. Каждое такое действие можно описать определенным преобразованием графов.

На первом шаге используются средства графического пользовательского интерфейса SynDEx для описания алгоритма как графа потока данных для реализации потенциального параллелизма. Потом на языке гипер-графов описывается структура оборудования, после этого производится Adequation, симулирующее работу системы, результаты которого отображаются в виде временной предсказательной диаграммы. На этой стадии пользователь может проверить, удовлетворяет ли система наложенным ограничениям.

Если все ограничения соблюдены, то можно оптимизировать ресурсы оборудования, уменьшая число компонентов системы или используя более дешевые. В противном случае необходимо изменять алгоритм, уменьшая дискретизацию для улучшения распределения. Если этих средств недостаточно, необходимо либо добавить новые компоненты в систему, либо использовать более быстродействующие. Начальное число компонентов может быть предложено SynDEx-ом и равно отношению суммы времен всех операций к минимально допустимому времени. Полученное число оказывается хорошей оценкой минимально необходимого числа элементов. Если результаты подходят пользователю, в SynDEx-е можно создать исполнительный файл (с проверкой на отсутствие бесконечных циклов) для выполнения алгоритма приложения на многокомпонентной системе. Исходный код программы написан на макро-языке, независимом от типа микропроцессора, и генерируется для каждого компонента. Макро-код создается на основе исполнительного ядра, которое может выполнять все простейшие операции, представленные в SynDEx: выделение памяти, связь, проверка, циклы и т.д.

Граф оборудования

На рисунке 3 (справа) показан граф структуры этой системы, созданный с в SynDEx. Все процессоры данной системы, а именно 5 MC68332 (AvG332, AvD332, ArG332, ArD332, Dir332) и один 486DXII66 связаны по шине CAN.

Рисунок 3. Граф алгоритма и оборудования.

Граф алгоритма

На рисунке 3 (слева) показан граф потока данных при работе алгоритма ручного управления машиной. Вершины - это те операции, которые нужно произвести над данными, линии показывают связь между данными. На графе есть три вида вершин: входные, которые представляют собой источники данных, обрабатывающие, которые как принимают данные на входе, так и выдают полученные результаты, и выходные вершины, которые только "выдают" полученные результаты. Обычно входные вершины представляют собой данные сенсоров, а выходные - приводов. Поэтому появляется следующее ограничение: они должны быть связаны с элементами, соединенными непосредственно с сенсорами и приводами. Этот граф выполняется в цикле, данные обрабатываются слева направо, на выполнение графа один раз затрачивается время, которое и называется периодом цикла реального времени.

Чтобы объяснить работу SynDEx, давайте рассмотрим более подробно рулевую часть нашей системы. На рисунке 4 более подробно представлена блок-схема управляющего цикла, которая схематически показана в верхней части рисунка 3.

В узле JoyEtPotDir требуемый угол направления колес (joydir) определяется углом поворота джойстика и положением привода рулевого управления, измеряемого потенциометром. Также для управления машиной необходимо знать ее скорость и скорость привода рулевого управления (resp. V и vitdir соответственно). Первое значение вычисляется в узле VitLoc, который находит среднее значение скоростей вращения всех четырех колес (узлы VitAvG, VitAvD, VitArG, VitArD). Значение vitdir дает узел VitDir.

Рисунок 4. Цикл рулевого управления

Функция, обозначенная ConsPosDir, вычисляет ошибку определения положения errdir. Сначала насыщается значение величины joydir, чтобы ограничить смещение привода рулевого управления. Полученное значение умножается на коэффициент, определяемый скоростью автомобиля, чтобы определить максимальную величину бокового ускорения. Перед вычитанием требуемое и настоящее положение обрабатываются фильтрами низких частот, чтобы уменьшить влияние ошибок данных сенсоров и обеспечить более гладкое движение.

Узел ConsVitDir вычисляет требуемую скорость привода поворота (vitdircons), исходя из необходимого перемещения. Это пропорциональный фильтр, который насыщается при установленном ограничении на крутизну поворота. Узел ConsCurDir вычисляет требуемый ток (currdir) для узла PwmCurDir, который является циклом управления рулевым приводом. currdir - это величина, пропорциональная изменению скорости (vitdircons - vitdir).

На самом деле, узлы PwmCurDir, VitDir, JoyEtPotDir, VitAvG, VitAvD, VitArG, VitArD напрямую не управляют "железом". Они отправляют и получают данные от подпрограммы низкого уровня, которая и обеспечивает сбор данных, определение положения по сигналам квадратурного датчика, вычисление скорости, работу цикла управления током и безопасность. Такая схема позволяет вести низкоуровневую обработку данных с заданной частотой (для обработки скорости вращения колес), которая больше частоты исполнения цикла реального времени. В нашей системе цикл реального времени исполняется за 10 мс, а управляющий цикл низкого уровня за 1 мс.

Отметим несколько вспомогательных узлов "VISU", которые позволяют контролировать, просматривать и сохранять данные. Они очень помогают во время тестирования и отладки приложения. На рисунке 6 показано время работы цикла, предсказанное SynDEx после выполнения процедуры Adequation. Показана только одна итерация графа. Каждая колонка представляет набор действий одного процессора, а по вертикальной оси отложено время исполнения, направленное сверху вниз. Узлы иллюстрируют взаимодействие между процессорами. Более точно, начало узла - это момент, когда данные готовы к отправке, а его конец - это момент времени, когда данные становятся доступными процессору, для которого они предназначаются.

Рисунок 5. График работы.

Генерация кода

На каждом процессоре компонующий автокод представляет собой оптимизированный макрокод, созданный SynDex-ом, расширенный макропроцессором М4 (Gnu). Также создается сборочный файл, который компилирует и линкует приложение, вызывая Gnu GCC и загружает исполняемый файл на процессор по шине CAN. На каждом микроконтроллере, благодаря оптимизированному макрокоду, весь исполняемый файл занимает не более 15 кБ.



 


gale
Le CyCab

Комментарии

Добавить комментарий