В статье рассматриваются вопросы использования мобильных устройств в тренажерных системах в качестве визуализаторов динамики имитируемых управляемых объектов. Такой подход может дать начало развитию компактных тренажеров, разработка которых основана на идее о том, что мобильное устройство может служить, по сути, интерфейсом, заменяющим существующие громоздкие тренажеры. Общая схема системы, задающей тренажер в предлагаемом виде, включает три основные компоненты. Первая представляет собой компьютерную модель динамики исследуемого объекта управления. Вторая осуществляет передачу и прием данных об изменениях координат и скоростей объекта управления из компьютерной модели на внешнее устройство, обеспечивающее визуализацию динамики упомянутого объекта управления и обратно. Третья компонента непосредственно осуществляет указанную визуализацию, и в данной работе представлен мобильным устройством типа планшет/смартфон. В работе указываются основные применяемые технологии, предлагаемый подход иллюстрируется на примере имитации динамики морского судна. В результате работы реализована система, которая функционирует в двух режимах - автоматический, и режим ручного управления. В первом режиме предоставляется возможным задать необходимые параметры, во втором управлять движением объекта сенсорными кнопками и наклонами устройства, при этом мобильное устройство служит источником управляющих воздействий, реализуемых благодаря точным датчикам, которыми оборудовано мобильное устройство. Визуализация; динамика; объект управления.
Zhirenok D.A., Lepikhin T.A., Zhabko N.A.
ON SOME PROBLEMS OF VISUALIZATION FOR CONTROL OBJECT The article deals with the issues of mobile devices using in simulator systems as visualizers of the dynamics of simulated controlled objects. Such approach can initiate the development of compact simulators, which are based on the main idea that a mobile device can serve, in fact, as an interface that replaces existing cumbersome simulators. The proposed form of general scheme of the simulator system includes three main components. The first is a computer model of the control object dynamics.
The second component transmits and receives data on changes in coordinates and speeds of the control object from the computer model to an external device that provides visualization of the control object dynamics and back. The third component directly implements visualization, and in this work is presented by a mobile device such as a tablet/smartphone. The main used technologies are specified in the paper, the proposed approach is illustrated by the example of simulating of the marine vessel dynamics. As a result of work, the simulator system is implemented, which operates in two modes – automatic and manual control mode. In the first mode, it is possible to set the necessary parameters, and in the second mode it is possible to control the object movements by the touch buttons and slopes of the device, while the mobile device serves as a source of control effects realized by the exact sensors of mobile device.
Visualization; control object; dynamics. Введение
В век информационных технологий все более актуальными становятся переносимые устройства как планшеты, смартфоны и мобильные телефоны. Такие устройства все больше и больше входя жизнь, однако,се в еще есть громоздкие устройства, например, тренажерные системы, применяемые тренировки пилотов самолетов, судов и прочих видов транспорта. Основная идея предлагаемого в похода заключается в применении мобильного устройства в качестветоравизудаилинзаамики исследуемого объекта и, притом, в качестве управляющего воздействия. По сути, мобильное устр может быть интерфейсом, заменяющим громоздкие тренажеры. Такой подход, по мнению авторов, дать начало развитию тренажеров в менеекогмромвоиздде. Постановка задачи
Для лучшего понимания схематично компоненты, из представлена на рис. 1.
исследуемой которых состоит проблематики и предлагаемого тренажерная система. Общая
решения рассмотри схема системы трена Несмотря на то, что на схеме, представленной на рис. 1 всего две части, тем не ме тренажерную систему можно разделить на три составляющие. Первая представляет собоуюй компьюте модель динамики исследуемого объекта управления, в частности судна. Схема компьютерной мо приведена на рис. 1 в левой части. Второй блок осуществляет передачу и прием данных об координат и скоростей объекта управления из компьютерлниой нмаодевнешнее устройство, обеспечивающее визуализацию динамики упомянутого объекта управления и обратно. Третий б непосредственно осуществляет указанную визуализацию, и в данной работе представлен мобильн устройством типа планшет/смартфон. Предполагается, что тренажерная система может функционировать в следующих двух режимах: 1. Динамическая модель объекта управления, представленная компьютерным енэтковми, вал реализованным в пакеMтеATLAB/Simulink [1], показанная на рис. 1 (левая часть), производит необходимые вычисления и находит численные решения задач оптимального перехода объе в заданное состояние. Затем через модуль передачи данных оттпорраывляеитзмевнеекния координат и скоростей в блок визуализации, который с помощью методов компьюте графики представляет динамику исследуемого объекта в виде анимации в режиме ус реального времени. 2. Второй режим условно можно назвать «ручным управПлоеснкиоелмь»к.у в этом режиме роль управления выполняет оператор за пультом, представленным мобильным устройством. В э режиме происходит одновременная передача данных в обе стороны, как показано на рис. Модель судна
В качестве объекта управления рассвмааетрсяи надводное судно. Математическая модель,
описывающая динамику этого объекта управления, приведена системой дифференциальных уравнен
(
a11 a12 b ,
,
u,
(
Наряду с уравнением объекта управления, рассматриваем уравнение регулятора в виде
u k1 k2 0 k3 (
командный сигнал по курсу.
Отдельно компьютерная модель описывает динамику судна и его стабилизациютакпоой курсу. В модели можно задать необходимые параметры, синтезировать закон управления и посмотр интересующие переходные процессы. В принципе средствамиMAпTаLкAеBт-аSimulink можно с помощью функциональных блоков библиотеки D «A3nimation toolbox» [2] сделатеьще и визуализацию исследуемого объекта управления, однако сложность будет присутствовать в создании обратной с Поскольку управлять этим объектом с помощью-либкоакогуостройства ввода не получится, либо существенно затруднена реализация такой обйратснвяози.
Ввиду того, что в настоящем исследовании предлагается использование внешнего мобильн устройства, то необходимо наладить взаимодействие с таковым.
Кроме того, требуется понять какие сигналы достаточно отправлять во внешнюю сторону и необходимо принимать извне.
Исходя из математической модели объекта управления, в качестве сигналов, идущих вовне, смысл рассматривать изменение курсового уг, ла изменение угловой скорости, рулей и случае же ручного упрасвлемноибяильного устройства должен приходить Для формирования связи с внешним устройством вMATпLаAкBетес подсистемойSimulink предусмотрены специальные блоки, осуществляющие передачу пдоаннвыыхбранной технологии.
Ввиду того, что наиболее удобная технология обмена данными с мобильным устройством яв беспроводная сеть, то в работе остановлен выбор на Wтiе-Fхiн.олДолгяии ускорения передачи и приема данных выбран протокUоDлP [3]. Кромтеого, указанный протокол является еще и наиболее простым реализации.
В пакетеMATLAB, а именно в подсиSсiтmемulеink есть библиотека с блоками для осуществления моделирования сетевых технологий. Соответственно, выбираем UDбPлоsкend«» иUD«P receive» для отправки и приема данных соответственно. Затем настраиваем эти блоки в соответствии с выб настройками сетевого адреса, порта и скорости. После этого для успешного взаимодействия с устройством необходимо настроить еще и прием и анпнерыехдачнуа дэтом устройстве. Внешнее мобильное устройство Функциональную схему устройства визуализации можно представить следующим образом: Рис. 6. Функциональная схема взаимодействия и мобильного устройства Мобильное устройство, сопбечивающее визуализацию динамики объекта управления, функционирует в двух режимах:
• визуализация движения судна согласно динамическим характеристикам, передаваемым в режи условно реального времени с моделирующего блока; • режим ручного управления.
В первомрежиме осуществляется прием данных с моделирующего устройства, распознавание применение этих данных для движения графического объекта в соответствующих плоскостях, показано на рис. 4.
Рис. 7. Графический объект управления Второй режим, а именно режим ручного управления подразумевает использование устройства в качестве источника управляющих воздействий. Управление судном, используя устройство, может быть осуществлено также в двух вариантах: 1) управление сеносрными кнопками; 2) управление посредством наклона мобильного устройства в соответствующих плоскостях, к показано на рис. 5. мобильн мобиль Такое управление представляется возможным в связи с тем,ьночето усмторбоийлство обладает необходимым и достаточным числом датчиков положения, в частности довольно точным гироско акселерометром. В связи с этим можно заявлять, что устройство позволяет измерять не толь наклона в соответствующих плоскостяих, инхо угловые скорости.
Поскольку настоящая работа является первой нашей работой по заявленной тематике, то п решение исключить внешние воздействующие факторы, влияющие на динамику объекта управле Речь идет, в первую очередь, о наличии млноернскиояго и воветра.
Приложение, осуществляющее графическую визуализацию динамики судна, разработано и реализовано на языке программироваjaнvиaяи представлено на рис. 6.
Рис. 9. Общий вид приложения С помощью кнопок на экране и«вве«рвхн»из» можно задать скорость судна. В данном приложен достаточно просто нажимать кнопки для задания скорости и объект постепенно начнет увеличива уменьшать скорость до требуемого значения.
Программная структура приложения состоит из двухПерчваастяейо.тветственна за прием и передачу данных по протокоUлDуP, используя беспроводную Wсеiт-ьFi. Вторая часть реализует визуализацию судна и его движения. Заключение
В данной работе реализован подход, который позволит упростить реализацию тренажеро различных областях, используя мобильное устройство. Такая реализация в перспективе также позв Благодарности Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ пр-о0е7к-т003№61 1.А7
References Об авторах: Жирёнок Дарья Александровна, студентка, кафедра Компьютерных технологий и сист-ем, Петербургский государственный университdеaтs,hazhirenok@yandex.ru Лепихин Тимур Андреевич, кандидат физик-оматематических нау,кглавный специалист, Сан-кт Петербургский государственный универси,тtе.lтepihin@spbu.ru Жабко Наталия Алексеевна, кандидат физик-оматематических нау,кдоцент, кафедра компьютерных технологий и тсеимс , Санк-тПетербургский государственный универси,тnе.тzhabko@spbu.ru Note of the authors: Zhirenok Daria A., student, Department of Computer Applications and Systems, Saint-Petersburg State University, dashazhirenok@yandex.ru Lepikhin Timur A., Candidate of Phys-Micsathematical Sciences,Chief Specialist, Sa-Pinettersburg
University, t.lepihin@spbu.ru Zhabko Nataliia A., Candidate of Physics-Mathematical Sciences, Associate Professor, Department of Computer Applications and Systems, Saint-Petersburg State University, n.zhabko@spbu.ru