Особенности разработки и реализации мобильных пультов тренажерного комплекса оператора портального крана

Аннотация

Р.А. Файзрахманов, А.С. Мехоношин, Р.Р. Бакунов, А.Б. Федоров, Р.Р. Бикметов

В данной статье рассматриваются этапы разработки компонентов технического обеспечения для тренажерного комплекса оператора портального крана. Подробно рассматривается разработка программных и аппаратных составляющих мобильного пульта для тренажерного комплекса, а так же решается проблема подключения пультов к персональному компьютеру. Приводится описание конструктивных решений, особенностей данной разработки, результаты, полученные в ходе экспериментов и  исследований. Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (договор № 13.G25.31.0093) в рамках реализации Постановления Правительства РФ № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства».

Ключевые слова: Компьютерный тренажер, мобильный пульт, микроконтроллер, аккумулятор, USB HID устройство

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

При проведении работ на производстве нередко встречаются задачи, при решении которых предъявляются повышенные требования к оператору. Например, поддержание необходимой производительности труда и точности выполнения работ. Наиболее успешным средством для этого являются компьютерные тренажёры, которые позволяют с относительно небольшими затратами имитировать окружающую среду с высокой степенью достоверности, что позволяет подготовить оператора к работе в реальных условиях без риска нанести ущерб оборудованию, грузам или находящемуся поблизости персоналу. Таким образом, обучение с использованием тренажёра позволит существенно повысить умения и навыки операторов портальных кранов и уменьшить экономические затраты в долгосрочной перспективе (подробнее в [1]). Однако, на данный момент, вопросы технического обеспечения тренажерных комплексов требуют дополнительных исследований.
Особенность программно-аппаратного тренажёра оператора портального крана заключается в применении современных компьютерных технологий и современных методов вычислительной математики для визуализации и моделирования процесса перегрузки, что позволяет: обучить оператора рациональному управлению краном в процессе перегрузки; обучить безопасным и эффективным приемам работы на кране; обучить организации погрузочных работ на различных кранах; обучить разработке оптимальной стратегии перегрузки; моделировать работу кранов в различных, в том числе и экстремальных режимах (подробно описано в [2-4]). И очень важную роль при этом играют техническое обеспечение тренажерного комплекса, которое включает: персональный компьютер, монитор, клавиатура, мышь, акустические колонки, пульт оператора. Так же для обеспечения корректной работы тренажерного комплекса необходимо подключение к широкополосному интернету.
В настоящее время на кафедре ИТАС ПНИПУ начался финальный этап разработки тренажера оператора портального крана. Уже создана обучающая среда (включающая базу обучающих заданий) с которой взаимодействует оператор, используя специализированные органы управления, соответствующие реальным промышленным джойстикам оператора портального крана, однако, они не удовлетворяют ряду требований (крупные габариты, высокая цена и т.д.) для организации «мобильного» рабочего места оператора. Патентный поиск существующих разработок в этом направлении, с целью найти готовое программно-аппаратные решение не принес положительных результатов, существующие системы не отвечали требованиям предъявляемым тренажерным комплексом. В связи с чем была сформулирована задача: разработать компактные, но в то же время наглядные и реалистичные пульты с беспроводным каналом связи с ПК, на котором установлен тренажерный комплекс.
Первым этапом разработки практически любого электронного устройства, является проработка требований к будущей разработке. Был составлен следующий список требований, которым должен удовлетворять мобильный пульт:
1. Корректное взаимодействие с программой тренажера. Пульт должен с минимальными сложностями подключаться к любому ПК не зависимо от его конфигурации и установленной ОС.
2. Достоверность. Мобильный пульт должен логически соответствовать реальным промышленным джойстикам оператора.
3. Компактность. Мобильный пульт должен обладать минимальным весом и габаритами, поддерживать возможность монтажа на кресло-пульте или рабочем столе.
4. Поддержка как проводного, так и беспроводного канала связи с ПК. Мобильный пульт должен быть по настоящему мобильным, и не связанным проводами с ПК, однако может потребоваться и проводное подключение (например, при подзарядке аккумулятора) которое тоже должно быть предусмотрено.
5. Гибкая конфигурация аппаратной и программной базы. Аппаратная платформа не должна быть жестко привязана к какому-то конкретному тренажеру. Необходимо продумать возможность, позволяющую быстро переконфигурировать пульт под другой тип тренажера.
6. Заложенная аппаратно возможность проводить диагностику, обновлять настройки и микропрограммы. Одним из требований к пульту, было: обеспечить возможность удаленного обновления ПО мобильного пульта, возможность проводить его диагностику и выдавать рекомендации (например, обновление изношенных органов управление или аккумулятора).
7. Минимальная цена. Почти всегда данное требование предъявляется при разработке электронных устройств. Требуется обеспечить минимальную стоимость комплектующих, достаточно высокое качество и запас прочности. При этом не должно возникать сложностей с воспроизводством устройства, все компоненты должны быть в свободном доступе.
Мобильный пульт представляет собой устройство, в составе тренажерного комплекса, подключаемое к ПК для взаимодействия с программой тренажера. В общем виде мобильный пульт (рисунок 1) включает в себя два основных компонента: хост мобильного пульта (далее – хост) и, непосредственно, мобильный пульт (далее – пульт).

Рис. 1 – Общая структурная схема мобильного пульта

Хост подключается к ПК и выполняет три основных функции: приём данных от пульта, используя канал беспроводной или проводной связи; обработка данных и передача их в ПК; обновление микропрограмм мобильного пульта.
Микроконтроллер, управляющий хостом, подключается к ПК используя разъём «USB-mini» с целью обмена данными, UART микроконтроллера подключен к беспроводному модулю и выведен на внешний разъём, на случай, если связь с пультом будет осуществляться по проводу.
Связь хоста с ПК осуществляется по интерфейсу USB с использованием профиля USB HID, не смотря на относительно сложную реализацию, для подключения подобного устройства к ПК не требуется установка дополнительных драйверов, а программы будут воспринимать пульт, как обычную клавиатуру.
USB HID class – класс устройств USB для взаимодействия с человеком. Этот класс включает в себя такие устройства как клавиатура, мышь, игровой контроллер и определен в нескольких документах, предоставляемых USB Implementers Forum (подробнее в  [5]). Любое устройство может принадлежать к USB HID классу, если оно удовлетворяет логическим спецификациям HID.
Непосредственно мобильный пульт представляет собой систему из двух пультов: пульт 1 –master (далее – пульт 1) и пульт 2 – slave (далее – пульт 2). На рисунке 2 показана структурная схема пульта.

Рис. 2 – Структурная схема пульта

Ядром пульта 1 является управляющий микроконтроллер, на который возложены функции:
1. обмен данными с пультом 2, контроллером зарядки аккумулятора и модулем сбора данных;
2. отправка обработанных данных в хост, используя проводной или беспроводной канал связи.
В пульте 1 предусмотрены «служебные» разъемы, предназначенные для подключения адаптеров внешнего питания или  для подключения к хосту, с целью произвести обновление программ МК.
В каждом пульте имеется модуль сбора данных, позволяющий быстро обрабатывать данные с органов управления и отфильтровывать шумы.
После утверждения идеологии устройства последовал этап выбора конкретных компонентов для мобильного пульта (микроконтроллера, модулей беспроводной связи, микросхемы зарядки, типа аккумуляторов и т.д.). При выборе было учтено множество факторов. Основная цель этапа - выбор оптимальных из соотношения цена/качество, но в то же время удовлетворяющих всем системным требованиям компонентов. Проблема усугубляется тем, что не на все подходящие компоненты имеется подробная документация и примеры применения, а так же не всё имеется в свободной продаже и требуется сделать заказ за рубежом, что вносит дополнительные сложности.
Был исследован широкий спектр возможных компонентов для мобильного пульта, часть компонентов была выбрана исходя из успешного опыта использования в предыдущих проектах кафедры, но в ряде спорных случаев были использованы математические методы выбора (метод анализа иерархий [6] и т.д.).
На роль управляющих микроконтроллеров хоста и пульта 1 были выбраны ATmega8, для обеспечения беспроводной связи Bluetooth - модули HC-05, роль контроллера заряда аккумулятора играет микросхема TP4056.
Отдельно стоит упомянуть исследование, посвященное выбору аккумуляторной батареи. В исследовании были использованы несколько десятков Li-ion аккумуляторов 12 различных производителей типоразмера 18650, которые подверглись нескольким циклам зарядки-разрядки с целью исследовать их характеристики. Некоторые из характеристик рассмотренных аккумуляторов вынесены в таблицу. Вполне очевидным лидером оказались аккумуляторы фирмы Sanyo.

Таблица № 1
Параметры аккумуляторных батарей

Исходя из выбранной аппаратной базы, а также общей идеологии были разработаны и изготовлены печатные платы пультов и хоста, после чего они были вмонтированы в выбранные заранее корпуса G1037 и G1200. На верхних панелях корпусов были установлены требуемые органы управления, размещенные исходя из удобства и принципов эргономики.
Исходя из списка предъявленных требований и формата данных для общения с программой тренажера, были написаны программы для управляющих микроконтроллеров хоста и пульта 1.
Важным аспектом при разработке мобильного устройства является время автономной работы. Был проведен ряд тестов и замеров, на основании которых было выявлено энергопотребление как отдельных узлов (модуль беспроводной связи, микроконтроллер, прочие пассивные компоненты), так и  мобильного пульта в целом (таблица 2). На основании данных о потребляемой мощности и емкости аккумуляторной батареи было вычислено время автономной работы, которое составило более 33 часов, этот результат подтвержден экспериментально.

Таблица № 2
Результаты замеров потребления мобильного пульта

Одной из отличительных особенностей данной разработки является наличие возможности обновления настроек и микропрограмм без применения стороннего оборудования (программаторов). Сам программатор интегрирован в хост и  подключается к ПО используя интерфейс USB. В основе программатора лежит микросхема FT232, являющаяся конвертером интерфейсов USB-UART. Процедура обновления максимально упрощена, достаточно подключить соответствующий кабель, нажать кнопку на хосте, тем самым подтвердив готовность, и запустить на ПК скрипт.
В результате, был получен опытный образец мобильного пульта, который прошел ряд тестов, проверок на работоспособность и корректность взаимодействия с программой тренажера. Все выявленные недостатки были учтены. После внесения корректировок был получен серийный образец мобильного пульта, представленный на рисунке 3.

Рис. 3 – Внешний вид пультов

По итогам проделанной работы получены следующие результаты, обладающие элементами научной новизны:
1. Сформулирован список требований, предъявляемый элементам технического обеспечения (мобильный пульт) тренажерного комплекса.
2. Предложена концепция взаимодействия мобильного пульта с ПК и программой тренажера.
3. Проведены теоретические, практические и экспериментальные исследования, связанные с выбором компонентов для мобильного пульта (микроконтроллер, модуль беспроводной связи, автономное питание и т.д.).
4. Предложено универсальное конструктивное решение мобильного пульта для тренажера оператора погрузочных машин.
Разработанный мобильный пульт, благодаря универсальности и гибкости аппаратной базы, может с успехом работать в составе практически любого тренажерного комплекса оператора. В качестве примера, можно привести успешную работу мобильного пульта в составе тренажерного комплекса оператора портального крана. Также пульты являются наглядной и логически достоверной (хоть и уменьшенной) копией «оригинальных» органов управления в составе кресло-пульта оператора, что позволит организовать полноценное рабочее место и повысить качество обучения операторов (по сравнению с обучением без специализированого рабочего места). Конечным результатом проделанной работы является повышение показателей профессионального уровня операторов и эффективности их работы с реальным оборудованием.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (договор № 13.G25.31.0093) в рамках реализации Постановления Правительства РФ № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства»

Список  литературы:
1. Тер-Мхитаров М. Оператор перегрузочных машин. – Пермь: Пермское книж. изд-во, 1982. – 140с.
2. Файзрахманов Р.А., Курушин Д.С., Рустамханова Г.И., Слаутин Ю.А., Полевщиков И.С. Разработка требований к составлению тестовых вопросов для курсантов, обучающихся на тренажерном комплексе // Вестник ПГТУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2011. - №5. - С. 161-167.
3. Файзрахманов Р.А., Федоров А.Б. Разработка аппаратной части тренажера оператора портального крана // Вестник ПГТУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2010. - №4. - С. 119-123.
4. Скрипкина М.А. Применение методологических подходов при разработке модели формирования графической компетенции курсантов военного вуза [Электронный ресурс] // «Инженерный Вестник Дона», 2010, №4. - Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n4y2010/257 (Доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз.рус
5. Спецификация профиля HID [Электронный ресурс]  //  Материал с сайта  USB Implementers Forum URL: http://www.usb.org/developers/hidpage/ (дата обращения: 10.10.2012).
6. Гольдштейн А.Л. Теория принятия решений. Задачи и методы исследования операций и принятия решений: учебное пособие для вузов – Пермь: ПГТУ, 2009. – 360с.