по
Меню журнала
> Архив номеров > Рубрики > О журнале > Авторы > О журнале > Требования к статьям > Редакция и редакционный совет > Порядок рецензирования статей > Рецензирование за 24 часа – как это возможно? > Политика издания > Ретракция статей > Этические принципы > Политика открытого доступа > Оплата за публикации в открытом доступе > Публикация за 72 часа: что это? > Политика авторских прав и лицензий > Политика цифрового хранения публикации > Политика идентификации статей > Политика проверки на плагиат
Журналы индексируются
Реквизиты журнала

Публикация за 72 часа - теперь это реальность!
При необходимости издательство предоставляет авторам услугу сверхсрочной полноценной публикации. Уже через 72 часа статья появляется в числе опубликованных на сайте издательства с DOI и номерами страниц.
По первому требованию предоставляем все подтверждающие публикацию документы!
ГЛАВНАЯ > Вернуться к содержанию
Кибернетика и программирование
Правильная ссылка на статью:

Микроконтроллеры и изучение теории управления
Морохин Дмитрий Витальевич

кандидат технических наук

доцент кафедры Информационно-вычислительных систем Поволжского государственного технологического университета

424031, Россия, республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, ул. Чехова, 58-А, кв. 31

Morokhin Dmitrii Vital'evich

PhD in Technical Science

Associate Professor, Department of Information and Computer Systems, Volga State Technological University

424031, Russia, respublika Marii El, g. Ioshkar-Ola, ul. Chekhova, 58-A, kv. 31

MorohinDV@volgatech.net
Другие публикации этого автора
 

 

Аннотация.

Объектом исследования является изучение возможности использования микроконтроллерных наборов для организации занятий по дисциплине «Основы теории управления». Приводится обзор существующего положения в данной области и рассматриваются некоторые решения по рассматриваемому вопросу. Подробно рассматривается порядок и содержание практических работ по дисциплине на основе образовательного робототехнического набора «Амперка». Приводятся рекомендации по подготовке и использованию некоторых элементов микропроцессорных наборов и программных продуктов для выполнения различных видов задач, возникающих при изучении теории управления. В качестве метода исследования использовалась апробация предложенного подхода для проведения практических занятий по данной дисциплине. Основными выводами по данной работе является безусловная полезность использования робототехнических конструкторов для формирования практических навыков как по данной дисциплине, так и по другим предметам, изучаемым студентами в рамках направлений, связанных с вычислительной техникой и программированием. Естественно, качество и результативность обучения зависят от множества составляющих, прежде всего от квалификации преподавателя. Однако, при прочих равных, студенты охотнее изучают теорию, когда получают возможность применить ее на интересных практических задачах

Ключевые слова: микроконтроллер, теория управления, робототехника, образовательный набор, ардуино, Амперка, регулятор, ПИД-регулятор, практические работы, Процессинг

УДК:

004.318

DOI:

10.7256/2306-4196.2016.1.17676

Дата направления в редакцию:

22-01-2016


Дата рецензирования:

24-01-2016


Дата публикации:

11-02-2016


Abstract.

The object of the research is a study of the possibility of using the micro-controller kits during the "Fundamentals of the control theory" course. The author describes existing situation in this field and discusses some of the solutions on the issue. The author in detail reviews the procedure and content of the practical works on discipline-based education-enforcement robot kit "Amperka." The article gives recommendations on the preparation and use of certain elements of the microprocessor kits and software for various kinds of tasks for the study of control theory. As a research method author uses testing preposition approach for practical training. The main conclusions of the study are the undisputed usefulness of robot constructors in forming skills on the subject during the courses studied by students under the direction of computer technology and programming. The quality and effectiveness of education depends on a variety of things, and primarily on the qualifications of the instructor. However, if the other conditions are equal, the students are more likely to learn the theory, when they can apply it to the practical problems.

Keywords:

microcontroller, management theory, robotics, educational kit, Arduino, Amperka, regulator, PID controller, practical work, processing

Использование микроконтроллерных наборов, которые выпускаются различными производственными и торговыми организациями может повысить наглядность и увеличить качество получаемых практических навыков при проведении занятий по дисциплинам, связанным с использованием вычислительной техники.

Именно применение подобных инструментов позволяет ответить на часто возникающий в процессе обучения различных дисциплин вопрос: «Для чего нужны получаемые знания?». Это можно отнести и к программированию [5] и к теории управления и к другим дисциплинам.

В настоящее время недостатка в подобном инструментарии нет. Обзоров также много [2,3]. В основном речь идет об использовании различных робототехнических наборов. Можно отметить исследование университета Иннополис [6], публикации и инструменты известного специалиста по теории управления Ю.К. Полякова [4,5].

Существует множество интересных решений: Fischertechnik, ТРИК, OLLO, LittleBits и другие. Однако, в первую очередь следует отметить различные модификации электронных конструкторов на основе платформ Lego и Ардуино. При этом наборы на основе Lego позиционируются, в основном, для проведения занятий в средней школе. Ардуино, как требующий знания основ физики и электроники, используется на более поздних этапах обучения, начиная со старших классов школы и в ВУЗах.

В данной работе описано использование микроконтроллерных наборов на базе платформы Arduino, предлагаемых компанией «Амперка», при проведении занятий по дисциплине «Основы теории управления» для студентов, обучающихся по программе среднего и высшего профессионального образования.

Практические работы по рассматриваемой дисциплине служат задаче получения практических навыков проектирования и реализации систем управления. Обычно здесь студенты учатся работать с элементарными устройствами и строить на их основе несложные системы.

Перед тем, как непосредственно начать использовать микроконтроллеры для построения систем управления, необходимо получить знания по предшествующим дисциплинам, а именно: «Электроника и электротехника», «Микропроцессорные системы», «Программирование». Отметим, что при изучении этих дисциплин также можно использовать данные обучающие наборы.

Для дисциплины «Основы теории управления» на первый план выходит изучение способов управления внешними по отношению к системе процессами на основе получаемых данных. Работа с микропроцессорными комплектами помогает значительно повысить уровень освоения практических компетенций, необходимых для формирования специалистов в области вычислительной техники.

На рисунке 1 приведен пример реализации простейшей системы управления с получением данных от потенциометра и выводом информации на дисплей.

simple_scheme

Рис 1. Простейшая система управления

В данной работе остановимся на опыте применения образовательного набора «Амперка» №1-РТН [2].

1. Первым этапом работы является изучение основных особенностей микроконтроллера ATmega328p, платы Arduino Uno на его основе и способов подключения платы к ПК. Здесь же рассматривается программная среда Arduino IDE для написания приложений и способы записи программы в контроллер.

2. Рассмотрение языка программирования для среды разработки. Этому вопросу необходимо уделить достаточно большое время, так как несмотря на распространенность основы (язык С++), программирование микроконтроллеров имеет свои особенности. Здесь же следует показать студентам, как использовать возможности получения обратной связи от МК при помощи взаимодействия по последовательному порту.

3. На основе предыдущего этапа переходим непосредственно к изучению особенностей заданной системы управления. Здесь рассматривается особенности основных частей микроконтроллера:

  • Постоянная флэш-память для хранения программы работы системы.
  • Статическое ОЗУ, используемое для хранения данных.
  • ПЗУ, в котором хранятся основные настройки и служебные данные системы.
  • Порты ввода-вывода. Их типы, особенности инициализации и операций чтения-записи информации в различных ситуациях.

4. Изучаются некоторые устройства вывода информации. В зависимости от наличия элементов можно подключить к микроконтроллеру светодиодные индикаторы, пьезоизлучатели, семисегментные индикаторы (с использованием дешифраторов или без них), жидкокристаллические экраны.

5. Устройства ввода. Из набора можно использовать тактовые кнопки, переменные резисторы, а также данные, полученные по последовательному интерфейсу с ПК.

6. Фоторезистор, термистор, датчики линии. Датчики позволяют получать информацию о внешних условиях и могут активно использоваться при построении систем автоматического управления. Для более полного изучения требуется дополнительные датчики.

7. Исполнительные механизмы. Позволяют получить законченную систему управления и приступить непосредственно к созданию алгоритмов и программ управления. В наборе присутствует сервопривод и двухколесное шасси для сборки колесного робота.

8. Разработка схем и конструкторской документации на разрабатываемую систему. Предлагается использование системы Fritzing, в рамках которой можно создать различные виды схем от макетной до печатной платы. Конечно, существуют и другие, не менее интересные программные средства для решения этой задачи.

9. Сборка, настройка и программирование системы управления. Самым распространенным вариантом здесь является колесный робот, анализирующий сигналы с различных датчиков.

10. Для расширения возможностей системы управления и изучения расширенного набора инструментария, используется удаленное управление и отображение информации с устройства. Для этого могут применятся проводные и беспроводные средства связи, интернет технологии (отображение данных системы на сайте), инструменты визуализации (Processing) и т.д.

Например, на рисунке 2 приведена визуальная схема сборки и представление изображения на экране для простейшего радара на основе ультразвукового дальномера и Ардуино в связке с Processing [1].

radarРис 2. Визуализация данных с дальномера.

11. На основе собранной системы возможно проведение экспериментов по изучению работы спроектированной системы управления в реальных условиях. Например, для задачи следования по линии, возможно программирование поведения колесного робота по релейному, пропорциональному, пропорционально-дифференциальному и другим видам регуляторов.

Таким образом, микроконтроллерный набор «Амперка» №1-РТН оказался весьма полезным при проведении занятий по рассматриваемой дисциплине.

В дальнейшем, для расширения круга решаемых задач требуется расширение набора датчиков и исполнительных механизмов.

Библиография
1.
Nedelkovski D., Arduino Radar Project [Электронный ресурс].-URL: http://howtomechatronics.com/projects/arduino-radar-project/.
2.
Мясников, В.И. Проектирование встраиваемых микропроцессорных си-стем [Текст].-Йошкар-Ола : МарГТУ, 2010.-399 с.
3.
Образовательный набор «Амперка» [Электронный ресурс].-URL: http://teacher.amperka.ru/.
4.
Поляков К.Ю., Основы теории цифровых систем управления: учеб. посо-бие; СПбГМТУ. – СПб.: 2006. 161 с.
5.
Поляков К.Ю., Робототехника [Электронный ресурс].-URL: http://kpolyakov.spb.ru/school/robotics/robotics.htm.
6.
Справка-обзор популярных робототехнических комплектов. [Электронный ресурс].-URL: http://www.slideshare.net/AlexanderKolotov/ss-43601075.
7.
Урванов Г.А., Даньшин В.В., Дюмин А.А., Чепин Е.В. Система взаимодействия с человеком, как агентом мобильного робототехнического комплекса // Программные системы и вычислительные методы. - 2015. - 1. - C. 45 - 51. DOI: 10.7256/2305-6061.2015.1.13986.
8.
Николаева А.В., Бархатова И.А., Ульянов С.В. Интеллектуальное робастное управление автономным роботом манипулятором // Программные системы и вычислительные методы. - 2014. - 1. - C. 34 - 62. DOI: 10.7256/2305-6061.2014.1.11466.
References (transliterated)
1.
Nedelkovski D., Arduino Radar Project [Elektronnyi resurs].-URL: http://howtomechatronics.com/projects/arduino-radar-project/.
2.
Myasnikov, V.I. Proektirovanie vstraivaemykh mikroprotsessornykh si-stem [Tekst].-Ioshkar-Ola : MarGTU, 2010.-399 s.
3.
Obrazovatel'nyi nabor «Amperka» [Elektronnyi resurs].-URL: http://teacher.amperka.ru/.
4.
Polyakov K.Yu., Osnovy teorii tsifrovykh sistem upravleniya: ucheb. poso-bie; SPbGMTU. – SPb.: 2006. 161 s.
5.
Polyakov K.Yu., Robototekhnika [Elektronnyi resurs].-URL: http://kpolyakov.spb.ru/school/robotics/robotics.htm.
6.
Spravka-obzor populyarnykh robototekhnicheskikh komplektov. [Elektronnyi resurs].-URL: http://www.slideshare.net/AlexanderKolotov/ss-43601075.
7.
Urvanov G.A., Dan'shin V.V., Dyumin A.A., Chepin E.V. Sistema vzaimodeistviya s chelovekom, kak agentom mobil'nogo robototekhnicheskogo kompleksa // Programmnye sistemy i vychislitel'nye metody. - 2015. - 1. - C. 45 - 51. DOI: 10.7256/2305-6061.2015.1.13986.
8.
Nikolaeva A.V., Barkhatova I.A., Ul'yanov S.V. Intellektual'noe robastnoe upravlenie avtonomnym robotom manipulyatorom // Programmnye sistemy i vychislitel'nye metody. - 2014. - 1. - C. 34 - 62. DOI: 10.7256/2305-6061.2014.1.11466.
Ссылка на эту статью

Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также попробовать найти похожие статьи


Другие сайты издательства:
Официальный сайт издательства NotaBene / Aurora Group s.r.o.
Сайт исторического журнала "History Illustrated"