ݺߣ

ݺߣShare a Scribd company logo

Робототехника и встраиваемые системы

•
•
Андрей Антонов
Андрей Антонов

В статье представлены понятия «робототехника», «мехатроника», «встраиваемая система». Рассмотрены исторические аспекты понятий и представлены основные компоненты робототехнических систем. Освещены основные составляющие встраиваемых систем, в том числе операционные системы реального времени (RTOS).

1 of 4
Download to read offline
Робототехника 14 www.soel.ru современная электроника ◆ № 1 2015 В статье представлены понятия «робототехника», «мехатроника», «встраиваемая система». Рассмотрены исторические аспекты понятий и представлены основные компоненты робототехнических систем. Освещены основные составляющие встраиваемых систем, в том числе операционные системы реального времени (RTOS). Андрей Антонов (Волгоград) Специальный проект журнала «Современная электроника» и сайта robotosha.ru Понятия «робототехника» и «мехатроника» В окружающем нас современном мире мы сталкиваемся с применением мехатроники и робототехники в раз- личных областях: машиностроении, авиационной и космических отрас- лях, медицине, фармацевтической промышленности, при производстве спортивного оборудования, бытовой техники, продуктов питания. Так что же стоит за этими понятиями? Термин «робототехника» происходит от двух слов «робот» и «техника». Впер- вые слово «робот» (от чеш. «robota», что переводится как «подневольный труд») употребил чешский писатель Карел Чапек в своей пьесе «Россумские Уни- версальные Роботы» («Р.У.Р»), вышед- шей в 1920 году [1]. Роботами Чапек назвал механических людей. Термин же «робототехника» впервые исполь- зовал американский писатель рус- ского происхождения Айзек Азимов в своём научно-фантастическом рас- сказе «Лжец», впервые опубликован- ном в американском журнале фан- тастики «Astounding Science Fiction» в 1941 году [2]. В современном представлении робо- тотехника – это прикладная научная область, включающая в себя знания в области машиностроения, электро- техники, электроники и вычислитель- ной техники, которая занимается проектированием, строительством и применением роботов, а также ком- пьютерных систем для их управления, реализации сенсорной обратной свя- зи и обработки информации. В Российской Федерации лишь в мар- те 2000 года Министерством образова- ния был утверждён государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению 652000 «Мехатроника и робототехника». Термин «мехатроника» (образован от двух слов: «механика» и «электро- ника») впервые ввёл в 1969 году стар- ший инженер компании Yakasawa Elec- tric японец Тецуро Мория. Изначально это было названием торговой марки, но с течением времени понятие распро- странилось настолько широко, что ста- ло нарицательным. В России термин «мехатроника» заменил словосочетание «электриче- ский привод», которое уже с начала 30-х годов XX века использовалось для обозначения технических систем, кото- рые обеспечивали заданные движения механизмов, используя электричество. Постепенно происходила интегра- ция элементов, которые составляли электропривод. Механика, электри- ческие машины, силовая электрони- ка, микропроцессорная техника и про- граммное обеспечение часто теперь образуют единую систему. В настоя- щее время под мехатроникой пони- мают разнообразные системы элек- тропривода, обеспечивающие пре- цизионные движения и обладающие развитой системой управления. К при- мерам мехатронных систем мож- но отнести промышленные станки с ЧПУ, автономные самоуправляемые транспортные средства и даже быто- вую электронику, например, автома- тические стиральные машины и офис- ные принтеры. Специалист, занимающийся робо- тотехникой и мехатроникой, должен обладать обширным багажом знаний и навыков: ●● уметь программировать, используя различные алгоритмические языки; ●● знать современную элементную базу и тенденции развития электроники; ●● использовать алгоритмы искусствен- ного интеллекта, включая алгоритмы машинного обучения, статистиче- ские и вероятностные методы; ●● быть в состоянии создавать мате- матические модели мехатронных и робототехнических систем и раз- рабатывать управление ими, исполь- зуя математический аппарат кибер- нетики и теории автоматического управления (ТАУ); ●● разрабатывать интеллектуальные интерфейсы и системы технического зрения, а также другие системы робо- тотехнических комплексов; ●● проводить анализ различных техно- логических процессов и вырабаты- вать рекомендации по их возможной автоматизации и роботизации; ●● обеспечивать внедрение и эксплуа- тацию роботизированных устройств с соблюдением требований эргоно- мики и безопасности. Основные компоненты роботов Как правило, любая робототехни- ческая система состоит из механиче- ской, электрической и программной компонент. Механическая часть Роботы имеют различные механиче- ские конструкции, несущие рамы, дета- ли обшивки, которые используются для решения той или иной поставленной задачи. Например, если мы хотим, что- бы мобильный робот мог перемещать- ся по бездорожью, то лучше всего для этого использовать гусеничные траки, поэтому формой робота может быть коробка с гусеницами. Механическая часть целиком зависит от условий окру- жающей среды, в которой планирует- ся применение робота, и от связанных с ней физических процессов: гравита- ции, трения, сопротивления и так далее. Робототехника и встраиваемые системы Р о б о т о ша
Робототехника 15www.soel.ruсовременная электроника ◆ № 1 2015 Электрическая часть Соединительные провода, различные датчики, блоки управления, источни- ки питания и прочее – всё это элек- трическая часть. Упомянутый выше гусеничный робот нуждается в источ- нике энергии для приведения в дви- жение гусениц. Эта энергия поступает в виде электричества, передающегося по проводам от батареи. Даже маши- нам с двигателями внутреннего сгора- ния требуется электрический ток: для запуска двигателя. Поэтому большин- ство таких машин оснащено аккуму- ляторными батареями. Электрическая часть включает в себя и блоки управле- ния двигателями, которые часто явля- ются электромоторами. Для опреде- ления температуры, звука, местопо- ложения и уровня заряда батареи для восприятия роботом окружающей сре- ды и своего состояния используются электрические сигналы. Также робо- там требуется некоторое количество электрической энергии, подаваемой на моторы и/или датчики для того, что- бы включаться и выполнять основные операции. Электрическая часть роботов может включать в себя источники питания, актуаторы (исполнительные элемен- ты), различные датчики, управляющую электронику и прочее. Программная часть Пожалуй, самой важной частью любого робота является его программ- ная составляющая. Используя про- грамму, робот решает, когда и как что- либо делать. Вновь обратимся к приме- ру с гусеничным роботом. Мы хотим, чтобы он передвигался, но даже если он имеет правильную механическую конструкцию и получает достаточное количество энергии от аккумулятор- ных батарей, он не движется. Почему? Что на самом деле заставляет робота двигаться? Это его программа. Даже если у вас есть пульт дистанционного управления (ДУ), и вы нажали кноп- ку, заставляя его двигаться вперёд, то по-прежнему будет нужна программа, относящая нажатую кнопку на пуль- те ДУ к действию движения вперёд. Программы являются ядром робота, он может иметь великолепную меха- нико-электрическую конструкцию, но, если его программа создана некоррек- тно, то выполняемая им работа будет сделана недостаточно хорошо, а то и не сделана вовсе. Есть три различ- ных типа программ для роботов: ДУ, ИИ и гибридная. Аббревиатура «ДУ» расшифровывается как «Дистанцион- ное управление», робот с этим типом программы имеет уже существующий набор команд, которые будут выпол- нены в случае, если он получит сигнал от источника управления. Большую часть времени источником управле- ния является человек с пультом дис- танционного управления. Возможно, рассматривать устройства, управляе- мые напрямую командами человека, более целесообразно в области авто- матизации, а не робототехники. «ИИ» расшифровывается как «Искусствен- ный интеллект». Роботы с программой такого рода взаимодействуют с окру- жающей средой самостоятельно, без источника управления. Роботы с ИИ генерируют решения для объектов/ задач, с которыми они сталкиваются, используя ПО для решения, понима- ния, обучения и/или создания. Гибрид- ные программы включают в себя как функции ИИ, так и ДУ. Например, робот, который может работать авто- номно, сталкивается с проблемой, генерирует два решения, как систе- ма ИИ, а затем полностью полагается на оператора, чтобы решить, что сде- лать, выступая уже в роли дистанци- онно управляемой системы. Встраиваемые системы Понятие «робототехника» в наши дни тесно связано с понятием «встраивае- мая система». Роботы включают в себя целый набор различных встраиваемых систем, используемых для восприятия, реализации перемещений и управ­ ления. Встраиваемая система представляет собой комбинацию компьютерного аппаратного и программного обеспе- чения и может быть дополнена меха- нической или электронной частью для выполнения заданной функции [3]. Хорошим примером является микро- волновая печь. Хотя она есть во многих домах, немногие осознают, что непо- средственное участие в приготовлении обеда или ужина принимают компью- терный процессор и программное обе- спечение. Разработка встраиваемой системы для выполнения заданной функции существенно отличается от разра- ботки программного обеспечения на персональном компьютере. Послед- ний также включает аппаратное, про- граммное обеспечение и механиче- ские компоненты (например, жёсткий диск). Однако персональный компью- тер не разрабатывается для выполне- ния конкретной функции. Правильнее будет сказать, что он является универ- сальным устройством для выполнения множества различных операций. Часто для того, чтобы более точно отразить это различие, используется термин «компьютер общего назначения». Про- изводитель компьютера не знает, как потребитель будет его использовать. Кто-то может использовать его в каче- стве файлового сервера, кто-то – для компьютерных игр, а некоторые будут производить на нём научные вычис- ления. Зачастую встраиваемая система является частью некоторой боль- шой системы. Например, современ- ные автомобили и грузовики содер- жат множество встраиваемых систем. Одна встраиваемая система распозна- ёт и ликвидирует блокировку колёс при торможении, другая отслежива- ет и управляет газораспределением, третья отображает информацию на панели управления. В большинстве случаев автомобильные встраиваемые системы обмениваются данными через информационную сеть. Важно отметить, что интерфей- сы компьютеров общего назначения созвучны встраиваемым системам. Например, обычный персональный компьютер имеет клавиатуру и мышь, являющиеся, в свою очередь, встраи- ваемыми системами. Каждое из этих периферийных устройств содержит процессор и программное обеспече- ние для выполнения специфической функции. Другим примером служит сетевая карта Ethernet, которая необ- ходима для приёма и передачи циф- ровых данных при проводном соеди- нении. И это всё, для чего она предна- значена. Наличие процессора и программ- ного обеспечения во встраиваемой системе может быть незаметным для пользователя устройства. Как в случае с микроволновой печью, MP3-плеером или будильником. В некоторых случаях можно даже построить функциональ- но эквивалентное устройство, которое не будет содержать процессора и про- граммного обеспечения. Это легко реализовать, заменив, например, ком- бинацию процессора и программно- го обеспечения специализированной интегральной схемой, предназначен- ной для выполнения той же самой функции. Однако комбинация про-
Робототехника 16 www.soel.ru современная электроника ◆ № 1 2015 Приложение Приложение Драйверы устройств Операционная система реального времени Стек сети Драйверы устройств Аппаратное обеспечение Аппаратное обеспечение а б Память Входы ВыходыПроцессор Системы не реального времени Мягкое реальное время Жёсткое реальное время Электронный двигатель Потоковое видео Интерфейс пользователя Компьютерное моделирование АвтопилотТелекомму- никации Круиз- контроль цессора и программного обеспече- ния обычно даёт бо′льшую гибкость, чем аппаратная реализация. Исполь- зование процессора и программного обеспечения во встраиваемой систе- ме, как правило, является более про- стым, дешёвым и менее энергозатрат- ным решением. С точки зрения реализации, меж- ду компьютером общего назначения и встраиваемой системой есть суще- ственная разница. Встраиваемым системам часто требуется обеспечить реакцию в реальном времени. Систе- ма реального времени определяется как система, чья работа зависит от своевре- менности ответа. Системы реального времени разли- чаются, и основная особенность каж- дой из них заключается в том, что про- изойдёт, если срок реакции системы не выдержан. Например, если система реального времени является частью системы управления полётом само- лёта, то жизни пассажиров и членов экипажа может угрожать лишь пропу- щенная реакция на какое-нибудь отсле- живаемое событие. Если же речь идёт о системе спутниковой связи, то резуль- тат несвоевременной реакции может быть ограничен одним пропущен- ным пакетом данных (который может иметь или не иметь катастрофических последствий в зависимости от реализа- ции и схемы восстановления ошибок). Чем тяжелее последствия, тем более вероятно, что время реакции являет- ся «жёстким», и такая система являет- ся «жёсткой системой реального вре- мени». Системы реального времени с меньшими требованиями для скоро- сти реакции являются так называемы- ми «мягкими системами реального вре- мени». На рисунке 1 показаны некото- рые примеры жёстких и мягких систем реального времени. Создание системы реального вре- мени – это не просто работа над ско- ростью реакции. Время реакции для систем реального времени различает- ся. В некоторых случаях время реакции может измеряться миллисекундами, в других же – часами. Основной про- блемой для системы реального времени является реализация гарантии того, что жёстко заданное время реакции систе- мы никогда не нарушается. Для того чтобы достичь этого, система должна быть предсказуемой. Архитектура программного обеспе- чения и его взаимодействие с аппа- ратными средствами встраиваемой системы играют ключевую роль в обе- спечении того, чтобы системы реаль- ного времени укладывались в свои временны′ е ограничения. Основные вопросы в разработке программно- го обеспечения состоят в следующем: достаточно ли просто опрашивать пор- ты, или же следует использовать пре- рывания, и какие приоритеты должны быть присвоены различным задачам и прерываниям. Также важно понимать требования к минимальной произво- дительности системы для выполнения конкретных действий. Все встраиваемые системы содержат процессор и программное обеспече- ние. Но что ещё они в себя включают? Конечно, для работы с программным обеспечением необходимо место для хранения исполняемого кода и времен- ное хранилище для обрабатываемых данных. Эти хранилища представляют собой запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устрой- ство (ОЗУ) соответственно. Если тре- буется только небольшой объём памя- ти, то это может быть реализовано на одной с процессором микросхеме. В противном случае, один или оба типа памяти находятся во внешних микро- схемах памяти. Все встраиваемые системы также содержат некоторые типы входов и выходов. Например, в микроволно- вой печи входами являются кнопки на передней панели и датчик температу- ры, а выходами – дисплей и микро- волновое излучение. Выходы встра- иваемой системы практически всег- да зависят от её входов и ряда других факторов (прошедшее время, текущая температура и т.д.). Входы в системе, как правило, выполнены в виде дат- чиков и зондов, сигналов связи или ручек управления и кнопок. Выходами являются, как правило, дисплеи, сиг- налы связи или изменения в физи- ческом мире. На рисунке 2 приведе- на обобщённая схема встраиваемой системы. За исключением этих нескольких общих черт, остальная часть аппарат- ного обеспечения обычно уникальна и, следовательно, требует уникального программного обеспечения. Эти вариа- ции являются результатом комбинации многих проектных критериев. Структура программного обеспече- ния для обобщённой встраиваемой системы, показанной на рисунке 2, изменяется в зависимости от требуе- мых функциональных возможностей. Аппаратное обеспечение является пустым холстом, а программное обе- спечение является краской, которую мы добавляем для того, чтобы появи- лась картина. На рисунке 3 представ- лена только пара из великого множе- ства возможных высокоуровневых схем, которые могут быть реализова- ны для таких обобщённых встраивае- мых систем. Рис. 1. Системы реального времени Рис. 2. Обобщённая встраиваемая система Рис. 3. Примеры высокоуровневых схем а – базовая схема встроенного ПО; б – сложная схема встроенного ПО
Робототехника 17www.soel.ruсовременная электроника ◆ № 1 2015 Драйверы устройств являются встро- енными программными модулями, которые содержат набор функций для работы с отдельными устройствами. Использование программного драй- вера устройства позволяет основно- му приложению не задумываться над тем, как управлять каждым компо- нентом в деталях. Каждому отдельно- му драйверу устройства, как правило, нужно знать только, как управлять сво- им устройством. Например, для микро- волновой печи, отдельные драйверы устройств управляют клавиатурой, дис- плеем, датчиком температуры и микро- волновым излучением. Если же требуется бо′льшая функ- циональность, то во встроенное про- граммное обеспечение необходимо включить дополнительные уровни. Представленная на рисунке 3б схе- ма включает в себя операционную систему реального времени (Real Time Operating System, RTOS) и сетевой стек. RTOS может помочь программисту раз- делить функциональность приложения в различных задачах, что улучшит орга- низацию прикладного программного обеспечения и поможет реализовать более гибкую систему. Сетевой стек также добавляется к функционально- сти базовой встраиваемой системы. Например, микроволновая печь может использовать его, чтобы вывести сооб- щение о готовности обеда на рабочий стол компьютера. Объём используемой памяти и вы- числительная мощность встраиваемых систем, как правило, ограничены. Это делает разработку программного обе- спечения для встраиваемых систем более сложной, по сравнению с раз- работкой приложений для настоль- ных компьютеров. Число встраиваемых систем в бли- жайшие годы будет неизменно расти. Активное внедрение различных авто- матизированных домашних помощни- ков, развитие робототехники, техноло- гий «Умный дом» и Интернета вещей приводят ко всё большему вниманию к встраиваемым системам со стороны разработчиков. Литература 1. Чапек К. Пьесы. Москва. Издательство «Искусство». 1959. Библиотека драматурга. 2. Азимов А. Я, робот. Москва. «Знание». 1964. 3. Programming Embedded Systems: With C and GNU Development Tools. 2nd Edition. O’Reilly. 2007.

More Related Content

Робототехника и встраиваемые системы

  • 1. Робототехника 14 www.soel.ru современная электроника ◆ № 1 2015 В статье представлены понятия «робототехника», «мехатроника», «встраиваемая система». Рассмотрены исторические аспекты понятий и представлены основные компоненты робототехнических систем. Освещены основные составляющие встраиваемых систем, в том числе операционные системы реального времени (RTOS). Андрей Антонов (Волгоград) Специальный проект журнала «Современная электроника» и сайта robotosha.ru Понятия «робототехника» и «мехатроника» В окружающем нас современном мире мы сталкиваемся с применением мехатроники и робототехники в раз- личных областях: машиностроении, авиационной и космических отрас- лях, медицине, фармацевтической промышленности, при производстве спортивного оборудования, бытовой техники, продуктов питания. Так что же стоит за этими понятиями? Термин «робототехника» происходит от двух слов «робот» и «техника». Впер- вые слово «робот» (от чеш. «robota», что переводится как «подневольный труд») употребил чешский писатель Карел Чапек в своей пьесе «Россумские Уни- версальные Роботы» («Р.У.Р»), вышед- шей в 1920 году [1]. Роботами Чапек назвал механических людей. Термин же «робототехника» впервые исполь- зовал американский писатель рус- ского происхождения Айзек Азимов в своём научно-фантастическом рас- сказе «Лжец», впервые опубликован- ном в американском журнале фан- тастики «Astounding Science Fiction» в 1941 году [2]. В современном представлении робо- тотехника – это прикладная научная область, включающая в себя знания в области машиностроения, электро- техники, электроники и вычислитель- ной техники, которая занимается проектированием, строительством и применением роботов, а также ком- пьютерных систем для их управления, реализации сенсорной обратной свя- зи и обработки информации. В Российской Федерации лишь в мар- те 2000 года Министерством образова- ния был утверждён государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению 652000 «Мехатроника и робототехника». Термин «мехатроника» (образован от двух слов: «механика» и «электро- ника») впервые ввёл в 1969 году стар- ший инженер компании Yakasawa Elec- tric японец Тецуро Мория. Изначально это было названием торговой марки, но с течением времени понятие распро- странилось настолько широко, что ста- ло нарицательным. В России термин «мехатроника» заменил словосочетание «электриче- ский привод», которое уже с начала 30-х годов XX века использовалось для обозначения технических систем, кото- рые обеспечивали заданные движения механизмов, используя электричество. Постепенно происходила интегра- ция элементов, которые составляли электропривод. Механика, электри- ческие машины, силовая электрони- ка, микропроцессорная техника и про- граммное обеспечение часто теперь образуют единую систему. В настоя- щее время под мехатроникой пони- мают разнообразные системы элек- тропривода, обеспечивающие пре- цизионные движения и обладающие развитой системой управления. К при- мерам мехатронных систем мож- но отнести промышленные станки с ЧПУ, автономные самоуправляемые транспортные средства и даже быто- вую электронику, например, автома- тические стиральные машины и офис- ные принтеры. Специалист, занимающийся робо- тотехникой и мехатроникой, должен обладать обширным багажом знаний и навыков: ●● уметь программировать, используя различные алгоритмические языки; ●● знать современную элементную базу и тенденции развития электроники; ●● использовать алгоритмы искусствен- ного интеллекта, включая алгоритмы машинного обучения, статистиче- ские и вероятностные методы; ●● быть в состоянии создавать мате- матические модели мехатронных и робототехнических систем и раз- рабатывать управление ими, исполь- зуя математический аппарат кибер- нетики и теории автоматического управления (ТАУ); ●● разрабатывать интеллектуальные интерфейсы и системы технического зрения, а также другие системы робо- тотехнических комплексов; ●● проводить анализ различных техно- логических процессов и вырабаты- вать рекомендации по их возможной автоматизации и роботизации; ●● обеспечивать внедрение и эксплуа- тацию роботизированных устройств с соблюдением требований эргоно- мики и безопасности. Основные компоненты роботов Как правило, любая робототехни- ческая система состоит из механиче- ской, электрической и программной компонент. Механическая часть Роботы имеют различные механиче- ские конструкции, несущие рамы, дета- ли обшивки, которые используются для решения той или иной поставленной задачи. Например, если мы хотим, что- бы мобильный робот мог перемещать- ся по бездорожью, то лучше всего для этого использовать гусеничные траки, поэтому формой робота может быть коробка с гусеницами. Механическая часть целиком зависит от условий окру- жающей среды, в которой планирует- ся применение робота, и от связанных с ней физических процессов: гравита- ции, трения, сопротивления и так далее. Робототехника и встраиваемые системы Р о б о т о ша
  • 2. Робототехника 15www.soel.ruсовременная электроника ◆ № 1 2015 Электрическая часть Соединительные провода, различные датчики, блоки управления, источни- ки питания и прочее – всё это элек- трическая часть. Упомянутый выше гусеничный робот нуждается в источ- нике энергии для приведения в дви- жение гусениц. Эта энергия поступает в виде электричества, передающегося по проводам от батареи. Даже маши- нам с двигателями внутреннего сгора- ния требуется электрический ток: для запуска двигателя. Поэтому большин- ство таких машин оснащено аккуму- ляторными батареями. Электрическая часть включает в себя и блоки управле- ния двигателями, которые часто явля- ются электромоторами. Для опреде- ления температуры, звука, местопо- ложения и уровня заряда батареи для восприятия роботом окружающей сре- ды и своего состояния используются электрические сигналы. Также робо- там требуется некоторое количество электрической энергии, подаваемой на моторы и/или датчики для того, что- бы включаться и выполнять основные операции. Электрическая часть роботов может включать в себя источники питания, актуаторы (исполнительные элемен- ты), различные датчики, управляющую электронику и прочее. Программная часть Пожалуй, самой важной частью любого робота является его программ- ная составляющая. Используя про- грамму, робот решает, когда и как что- либо делать. Вновь обратимся к приме- ру с гусеничным роботом. Мы хотим, чтобы он передвигался, но даже если он имеет правильную механическую конструкцию и получает достаточное количество энергии от аккумулятор- ных батарей, он не движется. Почему? Что на самом деле заставляет робота двигаться? Это его программа. Даже если у вас есть пульт дистанционного управления (ДУ), и вы нажали кноп- ку, заставляя его двигаться вперёд, то по-прежнему будет нужна программа, относящая нажатую кнопку на пуль- те ДУ к действию движения вперёд. Программы являются ядром робота, он может иметь великолепную меха- нико-электрическую конструкцию, но, если его программа создана некоррек- тно, то выполняемая им работа будет сделана недостаточно хорошо, а то и не сделана вовсе. Есть три различ- ных типа программ для роботов: ДУ, ИИ и гибридная. Аббревиатура «ДУ» расшифровывается как «Дистанцион- ное управление», робот с этим типом программы имеет уже существующий набор команд, которые будут выпол- нены в случае, если он получит сигнал от источника управления. Большую часть времени источником управле- ния является человек с пультом дис- танционного управления. Возможно, рассматривать устройства, управляе- мые напрямую командами человека, более целесообразно в области авто- матизации, а не робототехники. «ИИ» расшифровывается как «Искусствен- ный интеллект». Роботы с программой такого рода взаимодействуют с окру- жающей средой самостоятельно, без источника управления. Роботы с ИИ генерируют решения для объектов/ задач, с которыми они сталкиваются, используя ПО для решения, понима- ния, обучения и/или создания. Гибрид- ные программы включают в себя как функции ИИ, так и ДУ. Например, робот, который может работать авто- номно, сталкивается с проблемой, генерирует два решения, как систе- ма ИИ, а затем полностью полагается на оператора, чтобы решить, что сде- лать, выступая уже в роли дистанци- онно управляемой системы. Встраиваемые системы Понятие «робототехника» в наши дни тесно связано с понятием «встраивае- мая система». Роботы включают в себя целый набор различных встраиваемых систем, используемых для восприятия, реализации перемещений и управ­ ления. Встраиваемая система представляет собой комбинацию компьютерного аппаратного и программного обеспе- чения и может быть дополнена меха- нической или электронной частью для выполнения заданной функции [3]. Хорошим примером является микро- волновая печь. Хотя она есть во многих домах, немногие осознают, что непо- средственное участие в приготовлении обеда или ужина принимают компью- терный процессор и программное обе- спечение. Разработка встраиваемой системы для выполнения заданной функции существенно отличается от разра- ботки программного обеспечения на персональном компьютере. Послед- ний также включает аппаратное, про- граммное обеспечение и механиче- ские компоненты (например, жёсткий диск). Однако персональный компью- тер не разрабатывается для выполне- ния конкретной функции. Правильнее будет сказать, что он является универ- сальным устройством для выполнения множества различных операций. Часто для того, чтобы более точно отразить это различие, используется термин «компьютер общего назначения». Про- изводитель компьютера не знает, как потребитель будет его использовать. Кто-то может использовать его в каче- стве файлового сервера, кто-то – для компьютерных игр, а некоторые будут производить на нём научные вычис- ления. Зачастую встраиваемая система является частью некоторой боль- шой системы. Например, современ- ные автомобили и грузовики содер- жат множество встраиваемых систем. Одна встраиваемая система распозна- ёт и ликвидирует блокировку колёс при торможении, другая отслежива- ет и управляет газораспределением, третья отображает информацию на панели управления. В большинстве случаев автомобильные встраиваемые системы обмениваются данными через информационную сеть. Важно отметить, что интерфей- сы компьютеров общего назначения созвучны встраиваемым системам. Например, обычный персональный компьютер имеет клавиатуру и мышь, являющиеся, в свою очередь, встраи- ваемыми системами. Каждое из этих периферийных устройств содержит процессор и программное обеспече- ние для выполнения специфической функции. Другим примером служит сетевая карта Ethernet, которая необ- ходима для приёма и передачи циф- ровых данных при проводном соеди- нении. И это всё, для чего она предна- значена. Наличие процессора и программ- ного обеспечения во встраиваемой системе может быть незаметным для пользователя устройства. Как в случае с микроволновой печью, MP3-плеером или будильником. В некоторых случаях можно даже построить функциональ- но эквивалентное устройство, которое не будет содержать процессора и про- граммного обеспечения. Это легко реализовать, заменив, например, ком- бинацию процессора и программно- го обеспечения специализированной интегральной схемой, предназначен- ной для выполнения той же самой функции. Однако комбинация про-
  • 3. Робототехника 16 www.soel.ru современная электроника ◆ № 1 2015 Приложение Приложение Драйверы устройств Операционная система реального времени Стек сети Драйверы устройств Аппаратное обеспечение Аппаратное обеспечение а б Память Входы ВыходыПроцессор Системы не реального времени Мягкое реальное время Жёсткое реальное время Электронный двигатель Потоковое видео Интерфейс пользователя Компьютерное моделирование АвтопилотТелекомму- никации Круиз- контроль цессора и программного обеспече- ния обычно даёт бо′льшую гибкость, чем аппаратная реализация. Исполь- зование процессора и программного обеспечения во встраиваемой систе- ме, как правило, является более про- стым, дешёвым и менее энергозатрат- ным решением. С точки зрения реализации, меж- ду компьютером общего назначения и встраиваемой системой есть суще- ственная разница. Встраиваемым системам часто требуется обеспечить реакцию в реальном времени. Систе- ма реального времени определяется как система, чья работа зависит от своевре- менности ответа. Системы реального времени разли- чаются, и основная особенность каж- дой из них заключается в том, что про- изойдёт, если срок реакции системы не выдержан. Например, если система реального времени является частью системы управления полётом само- лёта, то жизни пассажиров и членов экипажа может угрожать лишь пропу- щенная реакция на какое-нибудь отсле- живаемое событие. Если же речь идёт о системе спутниковой связи, то резуль- тат несвоевременной реакции может быть ограничен одним пропущен- ным пакетом данных (который может иметь или не иметь катастрофических последствий в зависимости от реализа- ции и схемы восстановления ошибок). Чем тяжелее последствия, тем более вероятно, что время реакции являет- ся «жёстким», и такая система являет- ся «жёсткой системой реального вре- мени». Системы реального времени с меньшими требованиями для скоро- сти реакции являются так называемы- ми «мягкими системами реального вре- мени». На рисунке 1 показаны некото- рые примеры жёстких и мягких систем реального времени. Создание системы реального вре- мени – это не просто работа над ско- ростью реакции. Время реакции для систем реального времени различает- ся. В некоторых случаях время реакции может измеряться миллисекундами, в других же – часами. Основной про- блемой для системы реального времени является реализация гарантии того, что жёстко заданное время реакции систе- мы никогда не нарушается. Для того чтобы достичь этого, система должна быть предсказуемой. Архитектура программного обеспе- чения и его взаимодействие с аппа- ратными средствами встраиваемой системы играют ключевую роль в обе- спечении того, чтобы системы реаль- ного времени укладывались в свои временны′ е ограничения. Основные вопросы в разработке программно- го обеспечения состоят в следующем: достаточно ли просто опрашивать пор- ты, или же следует использовать пре- рывания, и какие приоритеты должны быть присвоены различным задачам и прерываниям. Также важно понимать требования к минимальной произво- дительности системы для выполнения конкретных действий. Все встраиваемые системы содержат процессор и программное обеспече- ние. Но что ещё они в себя включают? Конечно, для работы с программным обеспечением необходимо место для хранения исполняемого кода и времен- ное хранилище для обрабатываемых данных. Эти хранилища представляют собой запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устрой- ство (ОЗУ) соответственно. Если тре- буется только небольшой объём памя- ти, то это может быть реализовано на одной с процессором микросхеме. В противном случае, один или оба типа памяти находятся во внешних микро- схемах памяти. Все встраиваемые системы также содержат некоторые типы входов и выходов. Например, в микроволно- вой печи входами являются кнопки на передней панели и датчик температу- ры, а выходами – дисплей и микро- волновое излучение. Выходы встра- иваемой системы практически всег- да зависят от её входов и ряда других факторов (прошедшее время, текущая температура и т.д.). Входы в системе, как правило, выполнены в виде дат- чиков и зондов, сигналов связи или ручек управления и кнопок. Выходами являются, как правило, дисплеи, сиг- налы связи или изменения в физи- ческом мире. На рисунке 2 приведе- на обобщённая схема встраиваемой системы. За исключением этих нескольких общих черт, остальная часть аппарат- ного обеспечения обычно уникальна и, следовательно, требует уникального программного обеспечения. Эти вариа- ции являются результатом комбинации многих проектных критериев. Структура программного обеспече- ния для обобщённой встраиваемой системы, показанной на рисунке 2, изменяется в зависимости от требуе- мых функциональных возможностей. Аппаратное обеспечение является пустым холстом, а программное обе- спечение является краской, которую мы добавляем для того, чтобы появи- лась картина. На рисунке 3 представ- лена только пара из великого множе- ства возможных высокоуровневых схем, которые могут быть реализова- ны для таких обобщённых встраивае- мых систем. Рис. 1. Системы реального времени Рис. 2. Обобщённая встраиваемая система Рис. 3. Примеры высокоуровневых схем а – базовая схема встроенного ПО; б – сложная схема встроенного ПО
  • 4. Робототехника 17www.soel.ruсовременная электроника ◆ № 1 2015 Драйверы устройств являются встро- енными программными модулями, которые содержат набор функций для работы с отдельными устройствами. Использование программного драй- вера устройства позволяет основно- му приложению не задумываться над тем, как управлять каждым компо- нентом в деталях. Каждому отдельно- му драйверу устройства, как правило, нужно знать только, как управлять сво- им устройством. Например, для микро- волновой печи, отдельные драйверы устройств управляют клавиатурой, дис- плеем, датчиком температуры и микро- волновым излучением. Если же требуется бо′льшая функ- циональность, то во встроенное про- граммное обеспечение необходимо включить дополнительные уровни. Представленная на рисунке 3б схе- ма включает в себя операционную систему реального времени (Real Time Operating System, RTOS) и сетевой стек. RTOS может помочь программисту раз- делить функциональность приложения в различных задачах, что улучшит орга- низацию прикладного программного обеспечения и поможет реализовать более гибкую систему. Сетевой стек также добавляется к функционально- сти базовой встраиваемой системы. Например, микроволновая печь может использовать его, чтобы вывести сооб- щение о готовности обеда на рабочий стол компьютера. Объём используемой памяти и вы- числительная мощность встраиваемых систем, как правило, ограничены. Это делает разработку программного обе- спечения для встраиваемых систем более сложной, по сравнению с раз- работкой приложений для настоль- ных компьютеров. Число встраиваемых систем в бли- жайшие годы будет неизменно расти. Активное внедрение различных авто- матизированных домашних помощни- ков, развитие робототехники, техноло- гий «Умный дом» и Интернета вещей приводят ко всё большему вниманию к встраиваемым системам со стороны разработчиков. Литература 1. Чапек К. Пьесы. Москва. Издательство «Искусство». 1959. Библиотека драматурга. 2. Азимов А. Я, робот. Москва. «Знание». 1964. 3. Programming Embedded Systems: With C and GNU Development Tools. 2nd Edition. O’Reilly. 2007.