Разработка программы управления на микроконтроллере для подвижного робота, с автопарковкой

Содержание

Введение

Глава 1. Теоретические аспекты проектирования робототехнических систем управления на отечественной базе

1.1. Развитие российской робототехники и микропроцессорных систем в контексте национальных проектов

1.2. Государственные стандарты и нормативно-правовое регулирование цифровых систем управления

1.3. Математические модели движения и методы навигации мобильных колесных роботов

Глава 2. Системный анализ и проектирование архитектуры автономного мобильного робота

2.1. Техническая характеристика объекта исследования и анализ требований к точности парковки

2.2. Обоснование выбора аппаратной платформы и сенсорной периферии в условиях импортозамещения

2.3. Проектирование алгоритмической схемы системы обнаружения препятствий и позиционирования

Глава 3. Программная реализация и верификация алгоритмов автоматической парковки

3.1. Разработка низкоуровневого программного обеспечения управления драйверами двигателей

3.2. Имплементация логики автоматического маневрирования и обработки данных датчиков

3.3. Тестирование системы в условиях эксплуатации и оценка соответствия целевым показателям

Заключение

Список использованной литературы

КУРСОВАЯ РАБОТА

Тема: Разработка программы управления на микроконтроллере для подвижного робота с автопарковкой

Направление: Информатика и вычислительная техника

Предмет: Компьютерные системы и комплексы

ВВЕДЕНИЕ

Развитие отечественной робототехники выступает приоритетным направлением научно-технической политики Российской Федерации в условиях глобальных вызовов и необходимости обеспечения технологического суверенитета. Национальная программа «Цифровая экономика Российской Федерации» определяет робототехнические комплексы как ключевой элемент цифровой трансформации промышленности, транспортной инфраструктуры и городского хозяйства. Указ Президента РФ № 166 от 30.03.2022 актуализировал задачу перехода на отечественную элементную базу и программно-аппаратные платформы, что требует системного подхода к проектированию автономных мобильных систем на российских микроконтроллерах и периферийных модулях.

Автоматическая парковка представляет собой сложную задачу робототехники, объединяющую методы технического зрения, алгоритмы планирования траекторий и системы реального времени. Точность позиционирования мобильного робота определяется совокупностью факторов – от математической модели кинематики колесной платформы до качества сенсорных данных и быстродействия управляющей программы. Современные российские разработки в области встраиваемых систем, – в частности, отечественные микроконтроллеры серий 1886 и К1879, – демонстрируют достаточные вычислительные ресурсы для реализации сложных алгоритмов управления, однако их применение в робототехнических комплексах требует детальной проработки программной архитектуры и протоколов взаимодействия с периферией.

Степень разработанности проблемы в отечественной научно-технической литературе характеризуется наличием фундаментальных работ ведущих научных школ МГТУ им. Баумана, ИТМО, МГУ ВМК и ИПУ РАН в области теории управления мобильными роботами, однако вопросы практической реализации алгоритмов автопарковки на отечественной элементной базе освещены недостаточно. Исследования Института программных систем РАН фокусируются преимущественно на высокоуровневых методах планирования, тогда как задачи низкоуровневого управления драйверами двигателей и обработки данных датчиков в условиях жестких временных ограничений остаются актуальными для практикующих разработчиков.

Цель курсовой работы – разработка программного обеспечения управления мобильным роботом с функцией автоматической парковки на основе отечественного микроконтроллера.

Задачи исследования:

• проанализировать состояние российской робототехники и нормативно-правовую базу проектирования цифровых систем управления;
• исследовать математические модели движения колесных роботов и методы навигации в условиях ограниченного пространства;
• провести системный анализ требований к точности парковки и выбрать аппаратную платформу с учетом принципов импортозамещения;
• разработать алгоритмическую схему обнаружения препятствий и позиционирования робота;
• реализовать низкоуровневое программное обеспечение управления двигателями и обработки сенсорных данных;
• выполнить тестирование системы и оценить соответствие разработанного решения целевым показателям.

Объект исследования – программно-аппаратный комплекс автономного мобильного робота с дифференциальным приводом на базе отечественного микроконтроллера.

Предмет исследования – алгоритмы и программные методы управления движением робота в режиме автоматической парковки.

Методологическая база исследования включает теоретические основы робототехники, методы цифровой обработки сигналов и теории автоматического управления. Инструментальные средства разработки – кросс-компиляторы для архитектуры ARM Cortex, отладочные комплексы и симуляторы встраиваемых систем. Нормативная база представлена ГОСТ Р 58983-2020 по безопасности роботов, ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207-2010 по процессам жизненного цикла ПО и ГОСТ 34.601-90 по стадиям создания автоматизированных систем.

Научная новизна работы заключается в адаптации классических алгоритмов планирования траекторий к ограничениям вычислительной мощности отечественных микроконтроллеров и разработке гибридного метода локализации, сочетающего одометрию и данные ультразвуковых дальномеров.

Теоретическая значимость определяется систематизацией подходов к проектированию встраиваемых систем управления мобильными роботами с учетом специфики российской элементной базы. Практическая значимость – в создании работоспособного прототипа, применимого в задачах автоматизации складской логистики и сервисной робототехники.

Структура работы включает три главы. Первая глава раскрывает теоретические аспекты российской робототехники, нормативную базу и математические модели движения. Вторая глава посвящена системному анализу требований, обоснованию выбора аппаратной платформы и проектированию архитектуры системы. Третья глава описывает программную реализацию, результаты тестирования и оценку эффективности разработанного решения.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ НА ОТЕЧЕСТВЕННОЙ БАЗЕ

1.1. Развитие российской робототехники и микропроцессорных систем в контексте национальных проектов

Робототехника в Российской Федерации переживает этап интенсивной трансформации, обусловленный как внутренними потребностями цифровизации экономики, так и внешними вызовами, требующими технологической независимости. Национальная программа «Цифровая экономика Российской Федерации», утвержденная протоколом заседания президиума Совета при Президенте РФ по стратегическому развитию и национальным проектам от 04.06.2019 № 7, определяет роботизированные системы в качестве сквозной технологии, пронизывающей все отрасли народного хозяйства [1, c. 23]. Государственная программа «Научно-технологическое развитие Российской Федерации» на период до 2030 года акцентирует внимание на создании отечественных образцов интеллектуальных систем управления, способных функционирова

…