Skripta za usmeni ispit Kolegij: Mehatronika

1. Definirati pojam mehatronika, koje su komponente mehatroničkog sistema? Mehatronika je interdisciplinarna znatnost u kojoj sljedeće tri discipline djeluj zajedno: mehanički sistemi, elektroničkih sistemi i informacijske tehnologije. Za dizajna mehatroničkih sistema koristi se istovremeni inženjering s ciljem integracije navedenih disciplina i kreiranja sinergijskih efekata.

Mehatronički sistemi uključuju percepciju, kognitivne procese i zaključivanje. 2. Kakva je razlika između tradicionalnih i mehatroničkih sistema upravljanja? Razlika između mehatroničkih i tradicionalnih sistema upravljanja

3. Nacrtati arhitekturu mehatroničkog sistema i višerezolucijsku hijerarhiju formiranja ponašanja? Arhitektura mehatroničkog sistema

Proces formiranja ponašanja 6-blokovski dijagram formiranja ponašajna (višerezolucijska hijerarhija)

4. Nabrojati osobine mehatroničkih sistema i njihovih proizvoda?

a) Funkcionalno međudjelovanjeizmeđu mehaničkih, elektroničkih i informatičkih tehnologija.

b) Prostorno povezivanje podsistema u jednu jedinicu; inteligencija vezana uz upravljačkeM funkcije mehatroničkog sistema.

c) Prilagodljivost, pogodnost uz koju je omoguće mehatroničke proizvode prilagoditi promjenljivim zadacima i situacijama.

d) Višefunkcionalnostkoja se odnosi na funkcije mikroprocesora određene kompjuterskim programom.

e) Nevidljive funkcijekoje obavlja mikroelektronika, teško vidljive i razumljive za potrošače.

f) Tehnološka međuovisnost, usko povezana sa dostupnim proizvodnim tehnologijama.

5. Navesti kategorije mehatroničkih sistema?

6. Objasniti funkcije mehatroničkih sistema?

1) Distribucija mehaničkih i elektroničkih funkcija

a) Decentralizirani električki pogoni sa mikroračunarskim upravljanjem (višeosni sistemi, automatski zupčanici, itd.). b)Elastične (lagane) konstrukcije: prigušenje sa elektroničkom povratnom vezom (pogon niza povezanih vozila, elastični roboti, svemirske konstrukcije, itd.). c) Ukupno linearno ponašanje nelinearnih mehanizama pomoću odgovarajuće povratne veze (hidraulički i pneumatski aktuatori, ventili, itd.). d)Adaptacije operatora kroz programibilne karakteristike (pedala gasa, manipulatori, itd.).

2) Operacijska svojstva – proces prilagođavanja ponašanja pomoću sistema upravljanja sa povratnom vezom

a) Povećanje mehaničke preciznosti uvođenjem povratne veze. b) Adaptivna kompenzacija trenja. c) Modelsko i adaptivno upravljanje: omogućuje širok opseg operacija (upravljanje protokom, silom i brzinom, motori, vozila, letjelice, itd.). d) Visoke upravljačke performanse zbog bliskosti postavne (referentne) veličine sa ograničenjima (motori, turbine, strojevi za proizvodnju papira, itd.).

3) Nove funkcije – ove funkcije ne bi bile moguće bez ugradivih (embedded) računara

a) Upravljanje nemjerljivim varijablama (klizanje kotača, unutarnje naprezanje ili temperatura, parametri prigušenja, ugao i brzina proklizavanja vozila, itd.). b) Napredna supervizija i dijagnostika kvara. c)Na kvarove tolerantni sistemi sa hardverskom i analitičkom redudancijom. d)Funkcije pružanja daljinskih usluga za potrebe nadzora, održavanja, popravka, itd. e) Fleksibilna adaptacija za mijenjanje graničnih uvjeta.

f) Programibilne funkcije omogućuju promjene tokom dizajna, te nakon prodaje proizvoda. 7. Opisati integracijske forme mehatroničkih sistema (integracija komponenti i integracija softvera)? Integracija unutar mehatroničkog sistema se obavlja na deva načina: integracija komponenti i integracija informacijskog procesiranja. Integracija komponenti (hardverska integracija) rezultira hardverskim dizajniranjem cjelokupnog mehatroničkog sistema i ugradnjom senzora, aktuatora i mikroračunara u mehanički proces. Prostorna integracija je određena procesom, senzorima i aktuatorima. Integracijom mikroračunara i senzora dobivaju se inteligentni (smart) senzori, a integracijom mikroračunara i aktuatora inteligentni (smart) aktuatori. Integracija korištenjem informacijskog procesiranja (softverska integracija) se temelji na naprednim upravljačkim funkcijama.

Osim standardnog direktnog upravljanja i upravljanja u povratnoj signala) vezi (niža razina obrade signala), dodatna obrada signala se zahtijeva u procesima temeljenim na znanju i online (real-time) procesiranju informacija (više razine obrade signala).On-line obrada podataka uključuje rješavanje problema tipa nadzora sa dijagnosticiranjem kvarova, optimizacije i rukovanja procesom.

Procesi svojstveni bazi znanja su: napredna obrada informacija, metode dizajniranja, matematički modeli procesa i kriteriji performansi. Na temelju ovih procesa omogućuje se ukorporiranje znanja u elektroničke i mehaničke komponente korištenjem softvera.

8. Šta obuhvaća dizajn mehatroničkih sistema i nacrtati V-dizajn? Mehatronički dizajn predstavlja iterativnu proceduru. “V” shema razvoja mehatroničkih sistema se koristi iza dizajn, integraciju, validaciju, testiranje i devoluciju mehatroničkih sistema.Dizajn sistema uključuje distribuciju zadataka

između mehaničkih, hidrauličkih, pneumatskih, električkih bi elektroničkih komponenti, vrste i razmještaj senzora bi aktuatora, elektroničke i softverske arhitekture, dizajna upravljačkoga inženjeringa i kreiranje sinegracije.Modeliranje i simulacije igraju važnu ulogu u realizaciji različitih vrsta prototipova. U ovom stadiju razvoja također je važan i segmenta simulacija softvera u otvorenoj petlji, odnosno stimulacija komponenti i upravljačkih algoritama na odgovarajućemu računaru. - Dizajn komponentikoristi različite CASE alate, kao što su CAD/CAE za mehaniku, CFD za fluide, VHDL za dizajn mikroelektroničkih komponenti, CADCS alati za sintezu automatskog upravljanja, itd. - Nakon dizajna komponenti izrađuju se prototipovi u laboratorijskim uvjetima. - Integracija sistema započinje sa kombiniranjem različitih komponenti. - Zbog različitog razvojnog statusa komponeti tokom simulacijskog dizajna, minimizacije iterativnih razvojnih ciklusa i predviđenog vremenskog trajanja razvoja sistema, potrebno je koristiti različite real-time simulacije. - Jedna od vrsta real-time simulacija je RCP, brzi razvoj upravljačkog prototipa (Rapid Control Prototyping) u kome realni proces operira zajedno sa simulacijskim upravljanjem sa visokobrzinskim hardverom i softverom. - Druga vrsta real-simulacije je HIL hardver vrsta real time HIL, u simulacijskoj petlji (Hardware in the Loop simulation), gdje se real-time simulacijski proces pokreće zajedno sa realnim ECU (Electronic Control Unit) hardverom. Ovo predstavlja zahtjevan zadatak jer proces real-time simulacije mora biti jako precizan i izlazi senzora se moraju izvesti sa specijalnim sučeljskim krugovima. - Integracija sistema obuhvaća prostornu integraciju hardverskih komponenti, ugradnjom senzora, aktuatora, kablova i sabirnica, u mehanički sistem i kreiranje sinergijskih efekata i funkcionalne integracije korištenjem softvera sa algoritmima za upravljanje, nadzor, dijagnosticiranje kvarova, tolerantnost na kvarove i HMI operacije.

9. Objasniti na znanju zasnovanu višerazinsku upravljačku strukturu mehatroničkog sistema bi nacrtati njenu blokovsku arhitekturu? Primjena algoritama upravljanja sa direktnom granom bi granom povratne veze ovisi do pojedinačnim svojstvimaM električkih, mehaničkih, hidrauličkih, pneumatskih i toplotnih sistema. Svi se oni mogu predočiti naznanju utemeljenoj višerazinskoj upravljačkoj strukturi. Ova upravljačka struktura se sastoji od:

- Baze znanja, - Višerazinskog sistema upravljanja sa povratnim vezama.

- Baza znanja obuhvaća: matematičke modele procesa, algoritme identifikacije i estimacije parametara, metodeM sinteze regulatora i kriterija upravljačkih performansi. - Sistem upravljanja se sastoji od regulatora niske i visoke razine, modula generiranjem referentne vrijednosti bi adaptacije parametara regulatora. Sinteza mehatroničkog sistema upravljanja je limitiranjaračunarskom moći, real-time zahtjevima, nelinearnošću procesa, ograničenom brzinom i radnim opsegom aktuatora, robusnošću, transparentnošću rješenja, održavanjem, itd. Najvažnija svojstvo mehatroničkog sistema je istovremeni (paralelni) dizajn mehatroničkog procesa i upravljanja. Ovo znači da statičko i dinamičko ponašanje procesa, tip i pozicija aktuatora i senzora u sistemu, se dizajniraju na odgovarajući način rezultirajući u CDF (Control Dynamic Friendly) ukupnom ponašanju.

- Cilj niske razine upravljanja je omogućiti sigurno dinamičko ponašanje sa kompenzacijom nelinearnosti tipa trenja, smanjenjem osjetljivosti parametara i stabilizacijom istih. Tipični primjeri zadataka na ovoj razini su: prigušenje visokofrekvencijskih oscilacija, kompenzacija nelinearnih statičkih karakteristika, kompenzacija utjecaja trenja, stabilizacija, prekidno upravljanje aktuatorom, itd. Zadatak regulatora više razine je proizvesti dobro ukupno dinamičko ponašanje s obzirom na promjene referentne pozicije i kompenziranje djelovanja vanjskih poremećaja, npr. promjena mase tereta. Visokorazinski regulator se može realizirati kao parametarski optimizirani PID regulator, modelski zasnovan regulator ili regulator u prostoru stanja sa ili bez obzervera stanja. Tipični zadaci visokorazinskog regulatora uključuju: predviđanje/praćenje parametara na temelju mjerenja i parametarsku sinteza adaptivnih sistema upravljanja. Važno je napomenuti da mehatronički sistemi koriste široku paletu regulatora, počevši od jednostavnih proporcionalnih do inteligentnih adaptivnih regulatora. Važne komponente sistema upravljanja su i nadzor i detekcija kvarova.

10. Navesti primjere mehatroničkih automobilskih sistema?

11. Koji su primjeri robotskih mehatroničkih sistema, nabrojati buduće pravce razvojna mehatronike? Primjena u robotici

- Telemedicina/telehirurgija, - Mikrohirurgija, - Čovjekoliki roboti (humanoids), - Automatizirana proizvodnja, - Bespilotne letjelice i vozila (unmanned vehicles), - Svemirska istraživanja.

Budući pravci razvoja mehatronike

- Biomehatronika - Mikromehatronika - Optomehatronika - Medicinska mehatronika - Vojna mehatronika - Inteligentna mehatronika

12. Čime je danas uvjetovan dizajn mehatroničkih sistema, navesti aktivnosti dizanja mehatroničkog sistema? Dizajn je danas dominantno uvjetovan:

- brzim (rapidnim) promjenama u tehnologiji, - svjetskom konkurencijom.

Proces dizajna je jednako važan kao što su ideje i analiza.

Aktivnosti u ciklusu dizajna mehatroničkih sistema

- Prepoznavanje potreba. - Konceptualni dizajn. - Matematičko modeliranje. - Izbor senzora i aktuatora. - Detaljno matematičko modeliranje. - Dizajn sistema upravljanja. - Optimizacija dizajna. - Hardverski prototip i simulacija. - Razvoj ugradivog softvera. - Ciklus cijeloživotne optimizacije.

13. Objasniti ciklus dizajna mehatroničkog sistema, koje su karakteristike dobrog dizajna?

Karakteristike dobrog dizajna Pet karakteristika se koristi za evaluaciju (ocjenjivanje) performansi projekta razvoja proizvoda:

- Kvalitet proizvoda: koliko dobar proizvod je dobiven iz razvojnih napora? - Proizvodni troškovi: koliki su troškovi proizvodnje proizvoda? - Vrijeme razvoja: koliko brzo razvojni tim može kompletirati razvoj proizvoda? - Razvojni troškovi: koliko novca kompanija mora potrošiti na razvoj proizvoda? - Razvojne mogućnosti: da li su razvojni tim i kompanija u mogućnosti razviti buduće,

kvalitetnije proizvode na temelju njihovog iskustva kojeg su stekli proizvodeći raniji proizvod?

14. Koje su ključne aktivnosti u testiranju dizajna mehatroničkih sistema, objasnite ih? Dva ključna elementa u testiranju dizajna mehatroničkih sistema:

- Validacija specifikacija - Verifikacija dizajna.

Verifikacija daje odgovor na pitanje: “Da li je proizvod ispravno izgrađen?” Potrebno je provjeriti da li proizvod zadovoljava svoje specifikacije. Validacija daje odgovor na pitanje: “Da li je izgrađen ispravan proizvod?” Potrebno je provjeriti da li sistem radi ono šta korisnik od njega očekuje.

Mjesto verifikacije i validacije u dizajnu sistema Verifikacija modela istražuje da li izvršivi model reflektira konceptualni model unutar specificiranih ograničenja tačnosti. Verifikacija prenosi polje aplikacije konceptualnog modela u izvršivi model. Validacija modela treba odgovoriti na to da li je izvršivi model prikladan za ispunjenje traženih zadaća u polju aplikacije. Osnovni ciljevi upotrebe validacije i verifikacije su:

- Otkrivanje (pronalaženje) defekata u sistemu, - Ocjenjivanje da li je sistem (ili nije) upotrebljiv i koristan unutar radnih uvjeta.

15. Objasniti podjelu procesa dizajna s obzirom na smjer toka njegovog odvijanja? Podjela procesa dizajna s obzirom na smjer toka odvijanja dizajna:

- Odozgo prema dole (top-down), - Odozdo prema gore (bootom-up).

Proces dizajna “odozdo prema gore” Predstavlja klasičnu metodu razvoja elektroničkih i mehaničkih komponenti.Početna tačka u ovoj vrsti dizajna je specifikacija, koja obično prirodnog jezika se iskazuje riječima jezika.Osnovne komponente, tranzistori, otpornici, kondenzatori, opruge, mase, zglobovi, itd, se sukcesivno dodaju i kombiniraju kako bi se razvili složeniji sistemi, dok se ne kompletira proces dizajna. Ovo se obavlja na strukturalnoj razini, gdje se podmoduli kombiniraju u kreiranju modula, pri čemu se posebna pažnja posvećuje povezivanju ovih podmodula. Ovaj dizajn se može obaviti korištenjem editora krugova (circuit editor) ili prikladnih alata za višetjelesne (multibody) sisteme.

Osnovna prednost procesa dizajna “odozdo prema gore” je da se utjecaj “neidealne” implementacije može uzeti u obzir u ranom stadiju procesa dizajna. Kod komponenti elektroničkih nezaobilazne su parazitne otpornosti, kapacitivnosti i induktivnosti. U polju mehanike, neizbježni su npr. efekti trenja. Međutim, jedan problematičan aspekt se pojavljuje:specifikacije za dizajn, nakon što imamo diverziju(odbacivanje) od strane podmodula i modula sa stajališta apstraktnih opisa funkcionalnosti. Ovo je rezultat strukturirano-orijentiranog procesamodeliranja, sistem može biti simuliran samo kada je ucijelosti implementiran. Zbog toga pogreške i nedostaci udizajnu sistema nisuprimjetni do kasnijih stadija, što može uzrokovati značajnetroškove i kašnjenja u razvoju. Proces dizajna “odozgo prema dole” Važna karakteristika dizajna “odozgo prema dole” je prevlađavajući pravac dizajna od apstrakcije prema detaljnim opisima (pogledati sliku na sljedećem slajdu). Početna tačka predstavlja čisti bihevioristički model, čija je funkcija već pokrivena dobrim dijelom sa specifikacijama. Model se uspješno dijeli i prečišćava dok se ne postigne implementacija. Bitno je opisati sistem ili module na funkcionalan način. Ovo je moguće načiniti uvođenjem HDL-a (hardware description language) u polju elektronike.Korištenjem ovih jezika dizajn se direktno formulira kao model, tako da većina procesa modeliranja može biti izostavljena.

Sekvenca ovog dizajna ima sljedeće prednosti:

- Pogreške i nedostaci u dizajnu se otkrivaju ranije (u ranim fazama), nasuprot pristupu dizajna “odozdo prema gore”.

- Implementabilni dio specifikacija se može validirati korištenjem simulacija.

- Implementabilni dio specifikacija je raspoloživ, jednako kao i precizno definirane referentne veličine za verifikaciju dizajna.

- Funkcionalni dio specifikacija je nedvosmislen i cjelovit (suprotno specifikacijama prirodnog jezika). U slučaju sumnje, pokreće se simulacija.

- Implementabilne specifikacije i modeli pojedinačnih stadija dizajna znače da je cjelokupna dokumentacija dostupna, koja međutim ostaje da bude nadopunjen sa razumljivim komentarima.

Glavni nedostatak implementabilnih specifikacija je da neki tehnički detalji mogu biti izraženi na jednostavan, više kompaktan i jako nerazumljiv način u prirodnim jezicima u odnosu na jezike fomalnog modeliranja. Problem je također u formalno korektnom opisu željene semantike, što uzrokuje dodatne troškove u vezi specifikacija. I na kraju problemi fizičke realizacije, kao što su prekomjerno vremensko kašnjenje se prepoznaje tek u kasnijim stadijima procesa dizajna. 16. Koji su savjeti (smjernice) za dobar dizajn? Savjeti za dobar dizajn elektroničkih komponenti

- Verificirati performanse svake komponente neovisno, prije procesa integracije. - Korištenje specifikacijskih listova za postizanje pouzdanih performansi. - Opsežno mjerenje veličina el. kruga pomoću voltmetera i osciloskopa. - Voditi računa o dizajnu u smislu robusnosti, tako da el. krugovi rade dobro, čak i

unutar promjena temperature i performansi komponenti. - Razumijevanje temeljnih fizikalnih osobina svake komponente, kako bi se najbolje

razumjele njihove prednosti i ograničenja. 17. Šta obuhvaća fizički dizajn, koje se elektroničke komponente koriste u dizanju mehatroničkih sistema? Fizički dizajn obuhvaća:

- Modeliranje sistema, - Dizajn sistema, - Dizajn mehaničkih komponenti, - Dizajn elektroničkih komponenti, - Dizajn softvera, - Integracija (montaža) sistema, - Analiza materijalnih troškova.

Elektroničke komponente koje se koriste u projektiranju mehatroničkih sistema mogu se podijeliti na:

- Aktivne i pasivne komponente, - Analogne i digitalne, - Komponente velike i male snage, - Standardni (poluvodički) i optički krugovi, - Mikroprocesori i U/I moduli.

18. Koje komponente uključuje BS2 ugradivi sistem? Dizajn mehatroničkih sistema korištenjem BS2(Basic Stamp 2) tehnologije gradnje mikroprocesorskih sistema.BS2 je ugradivi sistem koji uključuje:

- Mikrokontroler (PIC16C57) – “mozak” sistema,osigurava osnovni (BASIC)interpreter, serijskukomunikaciju i U/I.

- Memoriju (EEPROM) – za pohranu korisničkihprograma i dugo čuvanje podataka. - Naponski regulator – generira 5 VDC iz izvoranapajanja od 5.5 VDC do 15 VDC. - Klok (sat) – 20MHz rezonator. - Raznovrsne komponente – tranzistori, otpornici,...

19. Nabrojati korake u dizajnu mehaničkih komponenti? Koristi se kompjuterski podržani alati (CAD/CAE) Koraci u dizajnu mehaničkih komponenti:

- Specifikacije konstrukcija u inženjerskome razvoju korištenjem CAD i CAE alata. - Gradnja modela za postizanje statičkih bi dinamičkih procesnih modela. - Transformacija u kompjuterski kod za upotrebe simulacije sistema. - Programiranje i implementacija finalnoga mehatroničkog softvera. - Primjena CAD alata (npr. Auto CAD-a) za 2D i 3D modeliranje mehaničkih sistema i

njegova direktan veza sa CAM (computer-aided manufacturing) alatima. 20. Navesti općenito vrste simulacija, kao i vrste real-time simulacija? Implementacija i verifikacija Kosimulacija omogućuje korištenje specijaliziranih simulatora. Vremenski kontinuirani model može biti simuliran sa Simulinkom. • VHDL opis se simulira saModelSim. • Moguće je razviti dvosmjerni link između Simulink-a and ModelSima. Razvoj prototipa HIL Omogućuje integraciju realnog hardvera unutar simulacije. Vremenski kontinuiran model vozila može se simulirati sa Simulinkom. VHDL opis FSM-a se sintetizira za zahtijevanu hardversku platformu.Fraunhofer institut je razvio dvosmjerni link između Simulinka i korištenog hardvera. Link za Hardver Matlab/Simulink je proširensa blokom ( S-function) koji omogućuje pristup vanjskom hardveru. Drajver (WDM) implementira stvarni pristup hardveru i real-time ponašanje.Interakcije se odvija preko apstrakcijskog sloja (API).

21. Šta je real-time simulacija, na čemu se zasniva, definirati vrste vremena kod real-time simulacija? Šta je to real-time simulacija? Simuliranje brzine izvršavanja kao u stvarnom svijetu, niti brže niti sporije od realnosti. Temelji se na integraciji fiksnog vremenskog koraka koji se obično mjeri u mikro ili mili sekundama.

- Fizičko vrijeme: vrijeme u fizičkom sistemu sa kojim sistem radi. - Simulacijsko vrijeme: Simulacijski prikaz stvarnog vremena. - Izmjereno simulacijsko vrijeme: stvarno vrijeme kojim se obavlja simulacija.

22. Objasniti primjenu real-time simulacija? Primjena real-time simulacije

- Postavljanje i razvoj prototipa Prije mrežne komunikacije Validacija algoritama Jednostavna i brza realizacija

- Testiranje kvarova (nedostataka) na opremi

Test sigurnosti sistema Ponovno kreiranje situacije u mreži : “povrat" pohranjenih podataka

Testovi reprodukcije (digitalna simulacija)

- Testiranje industrijske opreme Studije: interakcija, generiranje poremećaja Normalne i kritične situacije Analiza opreme od različitih proizvođača

23. Definirati brzi razvoj upravljačkog prototipa (RCP), navesti prednosti njegovog korištenja?

Za dizajn i testiranje složenih upravljačkih sistema i njihovih algoritama unutar real-time ograničenja, može se koristiti simulacijski real-time regulator (kontroler) sa hardverom – upravljački prototip. Procesi, senzori i aktuatori mogu biti realni (fizički). Prednosti brzog razvoja upravljačkog prototipa:

- Rani razvoj metoda za obradu signala, modela procesa i strukture sistema upravljanja, uključujući algoritme sa visoko razinskim softverom i visoko performansijskim off-the-shelf hardverom.

- Testiranje upravljačkih sistema i sistema za obradu signala, zajedno sa dizajnima aktuatora, procesnim dijelovima i senzorskim tehnologijama, da bi kreirali sinergijske efekte.

- Reduciranje modela i algoritama za postizanje zahtjeva za masovnu jeftiniju proizvodnju hardvera.

- Definiranje specifikacija za finalni hardver i softver. 24. Objasniti koje komponente unutar Matlab/Simulink programskog okruženjaM omogućuju RCP? U MATLAB-u se koristi xPC Target: općeniti alat za brzi razvoj prototipa. xPC target je u cijelosti integriran unutar Simulink-a. Osnažuje (ojačava) PC kao platformu za izvršavanje real-time aplikacija.Prilagođen potrebama sistemskih inženjera. 25. Šta omogućuje ControlDesk i AutomationDesk (dSPACE komponente)? ControlDesk programski paket predstavlja softver za izvođenje eksperimenata, omogućuje izvođenje svih upravljačkih funkcija, praćenje i izvršavanje eksperimenata, što čini razvoj kontrolera mnogo efikasnijim. Najvažniji segmenti ovog paketa su:

- Experimental Manager. - Platform Manager.

Experiment Manager osigurava dosljedno rukovanje i kontrolu svime što je povezano sa eksperimentom nad relevantnim podacima. Platform Manageromogućuje registrovanje real-time ploča i konfiguraciju registrovanih platformi. AutomationDesk program je Univerzalni alat za kreiranje i rukovanje zadacima automatizacije – izvodi automatizirane testove unutar Matlab/Simulink programskog okruženja. 26. Definirati HIL (hardver u simulacijskoj petlji), šta je omogućilo razvoj HIL-a i koje su njegove primjene? Zahtijevaju se real-time performanse – fizički hardver neće čekati kašnjenje simulacije. HIL se široko koristi u razvoju sistema upravljanja:

- Dizajn – brzi razvoj upravljačkog prototipa, - Test – testiranje u petlji.

Omogućuje eksperimentiranje sa fizičkim dijelovima u upravljački sintetiziranoj sredini. Eksperimenti se mogu ponavljati i automatizirati.Omogućuje paralelni razvoj mehaničkih i upravljačkih sistema.Važna tehnika za smanjenje ciklusa dizajn uz istovremeno povećanje kvaliteta proizvoda. HIL je karakteriziran radom realnih komponenti u konekciji sa real-time simuliranim komponentama. Upravljački hardver i njemu pridruženi softver su realne komponente dok ostale komponente, komponente u sistemu mogu biti simulacijske, ili uključivati i realne komponente. HIL predstavlja moćan, fleksibilan alat za verifikaciju i validaciju performansi regulatora.Također, HIL predstavlja alat i procese za verifikaciju logičke i vremenske korektnosti integriranog upravljačkog sistema hardvera/softvera.

- Upravljačke petlje se zatvaraju korištenjem real-time simuliranih procesa (pogona, objekata).

- Sučelja se treniraju da osiguraju ispravnu integraciju sistema. - Testiranje se može automatizirati (dizajn za eksperimente).

HIL sistemi su razvijeni zadnjih godina, što je omogućeno

- Pojavom najnovijih CPU-ova i paralelnom obradom: osigurava računarsku moć za složenije i grupne modele.

- Razvojem novih hardverskih tehnologija: smanjenjem potrebe za razvojem vlastitog hardvera.

- Razvojem novih tehnologija korisničkog sučelja: jednostavnije korištenje. Povećanje korištenja HIL u automobilskom inženjeringu.Međutim, HIL se još ne koristi u svom punom kapacitetu, odnosno ne koriste se svi njegovi raspoloživi potencijali. Iako su HIL sistemi razvijeni daleko od očiju korisnika (one-off dizajni), njihova upotreba nije. Primjene HIL-a:

- Sistem se verificira u realističnoj (real-like) sredini. - Testiranje hardvera i implementacija softvera. - Testiranje u ranim stadijima bez fizičkih efekata prototipa (kvarovi, loši kontakti,

starenje komponenti).

- Testiranje predviđenog ponašanja i mrežnih aspekata. - Kritični testovi bez rizika.

27. Nabrojati prednosti HIL-a?

- Dizajniranje i testiranje upravljačkog hardvera i softvera bez operiranja realnog procesa (“premještanje polja procesa u laboratoriju”).

- Testiranje upravljačkog hardvera i softvera unutar ekstremnih uvjeta okoline u laboratoriji (npr. visoka/niska temperatura, veliko ubrzanje i mehanički udari, agresivni mediji, elektromagnetska kompatibilnost).

- Testiranje efekata pogrešaka i kvarova aktuatora, senzora i računara na ponašanje cjelokupnog sistema.

- Rukovanje i testiranje ekstremnih i opasnih radnih uvjeta. - Ponovljivost eksperimenata. - Jednostavno rukovanje s različitim MM (man-machine)sučeljima. - Ušteda troškova i vremena razvoja. -

28. Objasniti ASM strukturu softverskog dizajna automobilskog modela?

29. Šta uzrokuje složenost elektroničkih sistema unutar mehatroničkog automobilskog sistema? Složenost elektroničkih sistema Složenost arhitekture ECU-a 50/61

- Ukupno 40 do 80 ECU-ova. - Nekoliko ECU podsistema. - ECU-ovi imaju potrebu za razmjenom podataka.

Složenost umrežavanja

- 100s do 1000s signala. - Različiti mrežni protokoli. - Dijagnostički i mrežni menadžment na sabirnici.

Složenost pojedinačnog ECU-a

- 50 do 500 softverskih modula. - Aplikacijski softver i osnovni softver platforme.

30. Navesti podjele sistema automatskog upravljanja? Podjela s obzirom na postojanje povratne veze:

- Otvoreni sistemi upravljanja (bez povratne veze), - Zatvoreni sistemi upravljanja (sa povratnom vezom).

Podjela s obzirom na linearnost regulatora, odnosno procesa: - Linearni sistemi, - Nelinearni sistemi.

Podjela s obzirom na broj upravljačkih kontura (petlji): - Jednokonturni sistemi, - Višekonturni (kaskadna regulacija).

Podjela s obzirom na broj ulaza, odnosno izlaza regulatora: - SISO (single input single output), - SIMO (single input multi output), - MIMO (multi input multi output), - MISO (multi input single output).

31. Navesti razlike otvorenog i zatvorenog sistema upravljanja? Otvoreni sistemi upravljanja koriste se za jednostavne operacije.Glavni problem otvorenog sistema upravljanja je osjetljivost upravljane varijable na promjene ulazne smetnje.Primjer: otvoreni sistem upravljanja temperaturom prostorije. Ako je plinuključen i temperatura prelazi 20 ( referentna temperatura), tada jepotrebno otvoriti vrata da temperatura ne bi prešla referentnu (nemapovratne veze). Drugi način je mijenjanje vanjske temperature.

Zatvoreni sistemi upravljanja (Feedback Control Systems) Kod regulacije temperature prostorije prvi zahtjev je detekcija iliosjećanje promjene temperature.Drugi zahtjev se odnosi na upravljanje ili mijenjanje izlazne energije izplamena gasa.Da bi se sistem mogao dizajnirati za regulaciju, tada on mora imatiminimalno jedansenzor i jedan regulator. U direktnoj grani se nalazi regulator i proces, a u grani povratne veze senzor. Glavni princip u inženjeringu upravljanja. Tipično upravljanje zasnovano na modelu (ali ne mora biti). Generiraju upravljačke signale nakon pojave pogreške.Može smetnji poremećajnih veličinakompenzirati utjecaj svih smetnji, odnosno (negativna povratna veza). Reduciraju efekat promjene parametara procesa (smanjena osjetljivostna promjenu parametara). Može dovesti do pojave nestabilnosti ako sistem nije dobro projektiran(regulirana veličina može oscilirati preko svih granica). Šum mjerenja (sa senzora) možedovesti do degradacije performansi. 32. Opisati servo i regulator probleme u dizajnu regulatora? Regulator naspram servo problemu Regulator problem – povezan sa pojmom povratna veza. Pronaći regulator u zatvorenoj petlji (povratna veza) koji će zadovoljitispecifikacije s obzirom na:

- šum mjerenja, - eliminiranje utjecaja poremećaja, - robusnost s obzirom na neizvjesnosti parametara i modela sistema.

Servo problem – povezan sa pojmom direktna veza. Pronaći regulator u direktnoj grani koji će slijediti referentne (postavne,vodeće) signale u skladu sa zadanim specifikacijama (povratna veza premaprocesu također mora postojati):

- pogreška (tačnost) u stacionarnom stanju, - nadvišenje u odzivu, - slijeđenje pogreške, - vrijeme smirenja.

Regulator problem – stabilizacija (regulacija smetnje, čvrsta regulacija), servo problem – slijedna regulacija (tracking control). 33. Kakve su razlike između jedno i višekonturnih sistema upravljanja?

Sistem s jednom regulacijskom petljom.

Regulacija samo jedne varijable – uključena samo jednavarijabla u upravljački algoritam. - Otežana regulacija – povećana mogućnost oscilacija inadvišenja pogotovo kada

djeluju poremećajinadvišenja, poremećaji. Također izražen problem održavanja stabilnosti. Sistem sa više regulacijskih petlji. Podređeni (glavni) regulacijski krug (petlja) – unutarnja reg.petlja (I. Nadređeni (pomoćni) regulacijski krug (petlja) – vanjska reg. petlja (II) Ideja uvođenja kaskadne regulacije: promatrati proces kroz višeparcijalnih potprocesa.

34. Koji su elementi kaskadnog sistema regulacije, objasniti funkciju nadređenih i podređenihregulacijskih petlji? Glavni regulator Gr2 ne djeluje direktno na izvršni član (aktuator) negogenerira referentnu vrijednost za podređeni regulacijski krug Gr1.Smetnja u podređenom regulacijskom krugu se kompenzira u tom krugu. Ako se mjeri više pomoćnih veličina i regulira u više pomoćnihregulacijskih krugova, tada se dobiva višestruka kaskada. Iz prijenosne funkcije je evidentno da stabilnost sistemaovisi i o podređenom regulacijskom krugu. Zbog toga je prvi korak u sintezi kaskadnog sistemaupravljanja sinteza podređenog reg. kruga. 35. Objasniti tehnički optimum u sintezi regulatora? Pretpostavka za primjenu tehničkog optimuma: Proces bez astatizma. Zasniva se na zahtjevima: • amplitudno-frekvencijskakarakteristika zatvorenogregulacijskog kruga|Gz(jω)|treba imati konstantnuvrijednost u čim širemfrekvencijskom području. • |Gz(jω)| praktički ne smijeimati rezonantno uzdizanje(M=1 za sisteme svedenena jediničnu povratnu vezu) Postiže se brzi, približno aperiodski odziv.

Tehnički optimum Za daljnja razmatranja pretpostavlja se da se sistem možeprikazati pomoću jednog aperiodskog člana sa dominantnomvremenskom konstantom i njemu u seriju spojeno više aperiodskih članova s nedominantnim vremenskim konstantama. 36. Objasniti simetrički optimum u sintezi regulatora? Pretpostavka za primjenu simetričnog optimuma jest da jeproces sa astatizmom 1 reda.

Izborom PI regulatora dobiva se sljedeća prijenosna funkcijaotvorenog kruga:

gdje je TΣ suma vremenskih konstanti procesa.

37. Navesti prednosti i nedostatke kaskadne regulacije? Prednosti: 1. Utjecaji smetnji koje djeluju na unutarnje regulacijske krugove kompenziraju se u samim tim krugovima i praktički su bezdjelovanja na nadređene krugove; podređeni krugovi su brži odnadređenihnadređenih. 2. Svaka regulirana veličina sistema (to je svaka veličina kojoj jepridružen vlastiti regulator) ograničava se na jednostavan načinugradnjom ograničavača vodeće (referentne) vrijednosti regulirane veličine; ovo je zaštitno svojstvo. 3. Puštanje u pogon i podešavanje parametara sistema obavlja sejednostavno, korak po korak, počev od unutarnjih petlji premavanjskim. 4. Djelovanje nelinearnih i nestacionarnih članova sistema znatnoje ograničeno korištenjem kaskadne regulacije (unutarnja petljas jediničnom povratnom vezom uz regulator koji ima integralnukomponentu ima pojačanje jedan, bez obzira da li su nekielementi kruga nelinearni). Nedostaci: 1. Za svaku reguliranu veličinu potreban je regulator spripadnim mjernim članom (važan parametar je cijena). 2. Brzina slijeđenja j j (tačnost slijeđenja) opada sa brojemkaskada što je posebno važno, naprimjer, za slijednesisteme (sistem čije je karakter ulazne i izlazne veličineisti). 38. Nabrojati moguća rješenja implementacije upravljačkih algoritama? Moguća rješenja upravljačkog zadatka:

- Diskretni analogni krugovi. - Diskretni digitalni krugovi. - ASIC (Application Specific IC). - Programirljive logičke jedinice (PLD, PLC ili FPGA).

- Računarske jedinice ili procesorski podržane jedinice (mikrokontroleri, DSP, dSPACE, ...).

- 39. Objasniti svojstva mikrokontrolera i nacrtati njegovu blokovsku strukturu? Svojstva mikrokontrolera:

- Relativno mali radni takt reda 10MHz. 9/64 - Mali broj jednostavnih instrukcija, red veličine oko 100. - Radnamemorija (RAM) reda KB. - Stalna memorija s programskim kodom u PROM ili EPROMizvedbi. - Brojači različitih namjena kao sat, brojač impulsa, BCDbrojač i drugi. - Brojač za nadzor ispravnog rada - WDT (Watch Dog Timer). - Ulazno/Izlazni kanali (port-ovi) za prihvat i slanje podataka. - A/D i D/A pretvornici razlučivosti prema namjeni, uobičajenog 8 bitni. - Širok raspon napona napajanja.

Blokovski dijagram mikrokontrolera 40. Koje načine komunikacije podržava mikrokontroler, objasnite načine njihovoga funkcioniranja? Serijska (Industrijski standard RS485) - sučelje koje nije sadržano u opremi današnjih PC računara, ali je veoma korišten u industriji sistemima za prikupljanje podataka u industriji. Podržava do 32 uređaja na mreži sa maksimalnom dužinom mreže do 1500 m. RS485 podržava dvosmjernu (full duplex) i obosmjernu komunikaciju (half duplex) (najčešće obosmjernu).

- Dvosmjerna – postoje dva para žica, jedan par služi za prijenos podataka od mastera prema slave-u, a drugi od slave-a prema masteru.

- Kod obosmjernog prijenosa postoji jedan par žica kroz koji se komunikacija obavlja u oba smjera.

Serijska (CAN sučelje - predstavlja mrežu kontrolera koja prvenstveno služi za razmenu podataka). CAN mreža predstavlja serijsku sabirnicu za efikasnu podršku distribuiranim računarskim sistemima u stvarnom vremenu. CAN mreža je difuzijskog tipa tj. u toku prenosa podataka svim čvorovima je omogućen uvid u sadržaj svake poruke (poruka ima identifikator umjesto adrese). Kod ovakvog vida komunikacije ne može se poslati poruka samo jednom čvoru, što znači da će svim čvorovima biti ponuđena svaka poruka koja se šalje, a na njima je da li će je prihvatiti. Da li će određeni čvor prihvatiti ili odbiti neku poruku zavisi od toga da li mu je potrebna što se definiše protokolom prijema poruke, tj. podešavanjem filtera u CAN hardveru. 41. Navesti karakteristike i područja primjene DSP kartica? Texas Instruments DSP C6711 Karakteristike:

- radi na 150 MHZ-a, - obavlja 1200 MIPS-a (Mega Instructions Per Second), - 600 MFLOPSa, (broj operacija nad floating-point brojevima po sekundi) - dvorazinska brza (cash) memorija, - koristi paralelni port, - posjeduje 16 MB SDRAM-a, - 128 MB brze memorije – omogućuje sortiranje programa i rad bez računara, - univerzalni izvor napajanja.

Primjene:

- upravljanje sistemima, - bežični LAN, - prepoznavanje govora, - profesionalna obrada zvuka, - umrežene kamere, - CAT skener, - sigurnosna identifikacija, - industrijski skeneri, - napredna enkripcija.

42. Šta je PLC, nacrtati njegovu arhitekturu i navesti osnovne elemente? Prema DIN EN61131-1 (1994.) programirljivi logički kontroler je digitalni elektronički sistem, koji se koristi u industrijskoj sredini s programirljivom memorijom za internu pohranu s ciljem primjene orijentiranih upravljačkih naredbi kod implementiranja specifičnih funkcija kao što su npr. logičko upravljanje, slijedno upravljanje, funkcije odbrojavanja, funkcije brojanja i aritmetičke funkcije. Osnovna namjena PLC-a je upravljanje, putem digitalnih ili analognih ulaznih i izlaznih signala, različitim vrstama strojeva ili procesa.

Arhitektura PLC-a

- Mikroprocesor s dodatnim električkim sklopovima. - Sklop za opskrbu električnom energijom procesora (napajanje) koji pretvara

upravljački istosmjerni napon od 24V u takozvani logički napon (5V). - Kvarcni oscilator za davanje takta procesoru. - Prekidač za uključivanje i isključivanje rada procesora. - Memorija (sistemska, radna, programska). - Preko sabirničkog priključka spaja se centralna jedinica (mikroprocesor) s ulazno -

izlaznim elementima (modulima - karticama). 43. Koje su funkcije i karakteristike PLC-ova? Funkcije PLC-a Glavni cilj PLC-a je povezivanje ulaznih signala prema zadanom programu. Ukoliko je rezultat ˝true˝ (istina), preklapa ga na odgovarajući izlaz. Boole-ova algebra predočuje matematičku osnovu ovih operacija, a prepoznaje samo dva određena stanja jedne varijable: ˝0˝ i ˝1˝ .Prema tome, izlaz može poprimiti samo ova dva stanja. Naprimjer, povezani motor može biti upravljan putem stanja ˝on˝ ili ˝off˝ (uključeno/isključeno). Funkcija ulaznog modula je pretvaranje ulaznih signala u signale koji se mogu obraditi PLC-om i njihovo daljnje prosljeđivanje do centralne upravljačke jedinice. Povrat se obavlja izlaznim modulom. On pretvara PLC signal u signale koji su podesni za pobuđivače (pokretače). Aktualna obrada signala obavlja se u centralnoj upravljačkoj jedinici u skladu s programom koji je pohranjen u memoriji. Ulazni modul treba osigurati:

- priključke na koje se priključuju senzori, - prilagodbu napona - zaštitu centralne jedinice od napona, - zaštitu centralne jedinice od smetnji, - sigurno razlikovanje signala 1/0. -

Izlazni modul također posreduje između centralne jedinice i automata. Njegove zadaće su :

- povezivanje s izvršnim elementima, - prilagodba napona, - zaštita centralne jedinice, - pojačanje snage, - zaštita od kratkog spoja. -

Karakteristike PLC-a Omogućuje direktan priključak binarnih senzora iaktuatora.Odgovara zahtjevima industrijskog okruženja u odnosuna otpornost na povišenu temperaturu, vibracije i elektromagnetskazračenja.Operacijski sistem je razvijen za optimalnu obraduBooleove logike. Operacijski sistem potpomognut programskim idijagnostičkim alatima dopušta direktan pristup nabinarne ulaze i izlaze kao i na interne binarne i digitalne memorije (flag, registre, brojače, tajmere).Operacijski sistem omogućuje komunikaciju sa uređajemza programiranje-računarom. 44. Navesti načine programiranja PLC-a? Programski jezici za programiranje PLC-ova (IEC 61131-3 standard):

- Ljestvičasti dijagram (Ladder Diagram, LD), najviše se koriste u Americi. - Funkcionalni blok dijagram (FBD). - Instrukcijskalista (IL). - Strukturiranitekst (ST). - Sekvencijalnifunkcijskigrafikon (SFC).

45. Kako se izvodi program u ljestvičastom dijagramu, objasniti na jednostavnom primjeru crtkajući osnovne elemente ljestvičastih dijagrama?

Osnovni entitet programa je mreža. Mreža se sastoji od simbola koji predstavljaju instrukcije i upravljačke komande. Program se izvodi na sljedeći način: 1.Odozgo prema dole, mreža po mreža. 2. Odozgo prema dolje u mreži. 3. Slijeva na desno u mreži.

Osnovni simboli i operacije u ljestvičastom dijagramnu

46. Koji zahtjevi se postavljaju na PLC-ove, navesti izvedbe PLC-ova? Zahtjevi na PLC-ove

Zahtjevi koji se postavljaju na PLC-ove sve više rastu, uz njihovu sve rašireniju upotrebu koja je praćenja razvojem automatizacije. Npr. vizualizacija, predstavljanje statusa stroja, na način izvršavanja upravljačkog programa putem displeja ili monitora.

Također kontroliranje, sposobnost intervencije ču upravljačkim procesima ili alternativno, nemogućnosti (sprječavanje) provedbe takvih intervencija od strane neautoriziranih osoba. Postalo je neophodno međupovezivanje bi harmoniziranje zasebnih sistema upravljanih pomoćnu PLC-a. Mreža nekoliko PLC-a kao i veza PLC-a i glavnog računara odvija se putem komunikacijskih sučelja. Da bi se ovo sproveloM u djelo, mnogi od najnovijih PLC-a su kompatibilni sa otvorenim, standardiziranim sabirničkim sistemom (19245 sistemom, Profibus) DIN 19245. PLC-ovi koji se trenutno nude na tržištu su podešeni oprema zahtjevima kupaca te je moguće naručiti odgovarajući PLC iza bilo koju zamislivu primjenu. Tako, naprimjer, na raspolaganju su sada minijaturni PLC-ovi s minimalnim brojem ulaza/izlaza as početnom cijenom od nekoliko stotina eura. Na raspolaganju su također veći PLC-ovi sa 28 ili 256 ulaza/izlaza. Mnogi PLC-ovi se mogu proširiti u smislu dodatnih uzlazno /izlaznih, analognih, pozicioniranih i komunikacijskih modula.

Nadalje, PLC-ovi su u mogućnosti da obrađuju unekoliko programa istodobno (simultano). Konačno, PLC-ovi se spajaju as drugim automacijskim komponentama, pa se kreiraju šira područja primjene.

Izvedbe PLC-ova

Ovisno o tome kako je centralna upravljačka jedinica povezana na ulazne i izlazne module, mogu se razlikovati:

- Kompaktni PLC-ovi (ulazni modul, centralna upravljačka jedinica i izlazni modul u jednom kućištu)

- Modularni (proširivi) PLC-ovi. Modularni PLC-ovi se mogu zasebno konfigurirati. Moduli koji se traže za praktičnu primjenu neovisno od digitalnih ulazno/izlaznih modula koji mogu npr. uključiti analogne, pozicionirane i komunikacijske module - se ulažu u stalke kućišta, gdje se individulani moduli povezuju putem sabirničkog sistema. Ovaj način oblikovanja je poznat kao serijska tehnologija. Postoji širok spektar varijanti, posebno u slučaju posljednjih PLC-ova. Oni uključuju i modularne i kompakt osobine i značajna svojstva poput štednje prostora, fleksibilnosti i mogućnosti proširenja. Kartični format PLC-a je posebna vrsta modularnog PLC-a, razvijenog tokom posljednjih nekoliko godina. Ova vrsta, bilo pojedinačni ili u vidu tiskanih pločica modulskog sklopa, nalazi se u standardiziranim kućištima Današnji PLCi izvode se u:

- kompaktnoj izvedbi (svi su elementi u jednom kučištu), - modularnoj izvedbi, odnosno sistem se oblikuje iz modula, - kartičnoj izvedbi u 19 inčnom kučištu, - podržavaju modularni upravljački sistem, - različiti modeli imaju različite mogućnosti proširenja modulima, - sabirnički sistem koji podržava module (ugrađen u module), - mogućnost povezivanja u mrežu pomoću:

a) RS komunikacijskog sučelja, b) MODBUS, c) PROFIBUS, d) INDUSTRIJSKI ETHERNET, e) MPI (MULTIPOINT INTERFACE)

- centralna veza sa programibilnim dijelom s mogučnošću pristupa svim modulima. 47. Navesti podjelu senzora za mjerenje pozicije objekata? Postupci određivanja pozicije mogu se svesti u dvije velike skupine:

a) Mjerenje relativne pozicije (dead-reckoning) - Odometrija, - Inercijalna navigacija.

b) Mjerenje apsolutne pozicije (reference-based systems) - Magnetni kompasi, - Aktivni svjetionici (active beackon), - Globalni pozicijski sistemi (GPS-global positioning systems),

- Navigacija na temelju orijentira (landmark navigation), - Slaganje modela (model matching). - Za svaki od navedenih postupaka koriste se različiti senzori, koji će se u nastavku

obraditi. 48. Objasniti princip rada dvofaznog inkrementalnog enkodera, navesti primjere njegove primjene? Jednofazni inkrementalni optički enkoder mjeri kojom brzinom osovina rotira, ali ne može detektirati kada osovina mijenja smjer vrtnje. Problem se rješava kvadraturnim kodiranjem: mjeri seprecizno rotacija osovine i brzina kada osovina mijenja smjer rotacije. Za ovu svrhu se koristi dvofazni enkoder (fotopar).Generiranje pulseva proporcionalno brzini vrtnje osovine.

Par enkodera se koristi na jednoj osovini. Enkoderi se poravnavaju tako da su njihovi podatkovni nizovi na jednoj četvrtini ciklusa (90º) izvan faze. Kada se rapidno brzo uzorkuju podaci sa oba enkodera, samo jedan enkoder će mijenjati stanje u ijednom vremenskom trenutku. Enkoder koji mijenja stanje određuje u koju stranu ćef rotirati osovina.

Tablica prijelaza stanja Ako je trenutno i prethodno stanje isto, tada nema promjene u poziciji. Bilo koja promjena pojedinačnog bita dogovara povećanju/smanjenju vrijednosti brojača. Ako se promijeni stanje za dva bita to odgovara stanju u kome enkoderi A i B nisu poravnati ili da imamo kretanje koje je prebrzo između dva uzastopna stanja – ilegalni (neispravni) prijelaz. U kojem smjeru će se vrtjeti osovina? Pretpostavimo da je prethodno stanje enkodera označeno crnom trakom (Enkoder A u stanju 1, Enkoder B u stanju 0). Za sljedeći korak provjera se vrši kako slijedi:

- Ako se enkoderi pomiču u stanje AB=00, tada će se povećati iznos brojača pozicije. - Ako je enkoderi pomiču u stanje AB=11, tada će se smanjiti iznos brojača pozicije –

promjena smjera vrtnje. -

- Primjene:

- Upravljanje pozicijom sistema sa hvataljkom, gdje mehanika sistema limitira kretanje između dvije puten tačke, npr. rotacijske robotske ruke, gdje se enkoderi koriste za mjerenje zglobovskih uglova, i Kartezijevih robota, gdje se pomoću pužnog prijenosa smogu izduživati i skupljati segmenti.

- Mjerenje kretanja robotskih kotača, kao dio odometrijskog pozicijskog sistema. - Rezultati kretanja kotača mobilnog robota se akumuliraju i na temelju njih se estimira pređeni

put u određenom vremenskom intervalu. 49. Navesti vrste infracrvenih senzora? Na intenzitetu zasnovani infracrveni senzori

- Refleksijski senzori. - Jednostavni za implementirati. - Osjetljivi na svjetlost ambijenta.

Modulirajući infracrveni senzori - Senzori blizine. - Zahtijevaju modulirajući IR signal. - Neosjetljiv na svjetlost ambijenta.

Infracrveni senzori udaljenosti - Senzori udaljenosti (distance). - Mjerenje malog rastojanja (do 1.5 m). - Nepropustljiv za okolnu svjetlost, boju i reflektivnost objekta.

U nastavku se razmatraju infracrveni senzori udaljenosti.

50. Objasniti princip rada infradrvenog senzora i način određivanja njegove karakteristike?

Princip rada

IR emiter + fokusne leće + pozicijski osjetljiv detektor

Određivanje karakteristike IR senzora Koristi se Sharp GP2Y0A02YK senzora. Može prepoznati objekte na odaljenostima od 20 cm do 150 cm. Testirana su tri IR senzora i dobivena “srednja” karakteristika.

Dobivena je sljedeća aproksimacija eksperimentalne karakteristike:

gdje je: d - udaljenost do objekta, Vo – napon. Iz gornjeg izraza dobiva se izraz za udaljenost do objekta:

51. Objasniti princip rada ultrazvučnog senzora? Ultrazvučni senzori udavljenosti. Princip rada Predajnik emitira brzi, kratkotrajni, ultrazvučni signal (49 kHz). Mjerenje putovanja signala do trenutka kada prijemnik indicira prijem echo signala. Određivanje udaljenosti senzora najbližeg objekta od senzora.

INIT – signal za trigerovanje senzora (+5 V). TRANSMIT – slanje 16 pulseva (impulsa). ECHO – detektiranje povratnog echo signala.

52. Opisati model ultrazvučnog senzora? Specifikacija senzora. Profil amplitude sonara koji pokazuje snagu signala sonara kao funkciju orijentacije u odnosu na centar zrake. Većina snage ograničena je na jediničnu laticu (osa na kojoj se najbolje čuje signal) blizu centra zrake.

Za praktičnu primjenu dovoljno je uzeti u obzir samo prvu laticu ove funkcije, što nam dopušta razmatranje prostiranje vala samo duž 30° emisionog konusa širine 30. Područje čitanja je oblast gdje postoji sigurna informacija o tome da li se jedna, ili više prepreka više, nalazi bilo gdje unutar luka konusa radijusa R i ugla 30°. Jedno očitanje pruža informacije da se jedna ili više prepreka nalazi negdje na luku R obima (π×R)/6. Dok se tačke locirane blizu ovoga luka mogu smatrati okupiranim, tačke unutar kružnog isječka radijusa r mogu se smatrati praznim (razmatranje vršimo u 2D prostoru xy).

Svako mjerenje udaljenosti praćeno je satri osnovna izvora neodređenosti: 1. Senzor ima ograničenu radijalnu rezoluciju. Standardni Polaroid® senzori mogu detektirati 0 12 do 6 5 udaljenosti od 0,12 6,5 m sa pouzdanošću od 1% unutar tog opsega. 2. Ugaona pozicija objekta koji je detektiran unutar emisionog konusa nije određena. Tako npr. na prethodnoj slici obje prepreke daju istu vrijednost mjerenja. 3. U slučaju ugla većeg od kritične vrijednosti φ, mjerenja nisu pouzdana jer su očitana nakon više refleksija ili nikakav odjek uopće nije očitan na prijemniku (slika desno). Ugao φ ovisi o karakteristikama refleksivne površine, i za glatke površine iznosi 7-8° a za veoma hrapave površine može iznositi gotovo 90°.

53. Objasniti princip rada laserskog senzora udaljenosti?

Značajno poboljšava mjerenja u odnosu na ultrazvučne senzore jer koristi svjetlosne signale umjesto zvučnih. Temelji se na mjerenju vremena prostiranja zrake. Sastoji se od predajnika koji osvjetljava cilj sa laserskom svjetlošću i prijemnika koji je sposoban detektirati komponentu svjetlosti koja je koaksijalna sa odaslanom zrakom. Postoje tri načina mjerenja vremena prostiranja svjetlosnog vala do objekta i nazad. - - - ---

- Najjednostavnija i najefikasnija metoda temelji se na mjerenju faznog pomaka između odaslanog i primljenog, odnosno reflektiranog vala.

Mjerenje faze između zraka. Usmjereni snop zraka se odašilje i udara u tačku P. Senzor šalje modulirani signal svjetlosti poznatefrekvencije i mjeri fazni pomjeraj između odaslane iprimljene zrake.

Valna duljina modulirajućeg signala zadovoljavah jednadžbu:

Ukupna udaljenost koju je prešao emitirani signal iznosi:

Zahtjevana udaljenost između lasera i cilja iznosi:

gdje je θ elektronički mjereni fazni pomak između odaslane i reflektirane zrake, a λ je poznata ovalna duljina. Problem: prijenos pojedinačne frekvencije odaslanoga signala može rezultirati u dvosmislenom estimirano području. 54. Na koji način je moguće dobiti trodimenzionalne koordinate slike korištenjem kamera?

Kod vizualnog sistema (kamera) izražen je problem gubitka informacija o dubini. Ako se mogu predvidjeti informacije o dimenzijama objekta, ili pak o njegovoj boji i refleksiji, tada se mogu izvući informacije o dubini. Veza leće d i između udaljenosti do objekta razmaka između leće i žarišta (žiža) e na temelju žarišne duljine leće f dana je sljedećim izrazom:

Udaljenost između leće i ravnine slike je e – tada se nakon refleksije na ravnini slike dobiva tačka. Kada ravnina slike nije na udaljenosti e od leće, tada će se svjetlost od objekta reflektirati na ravnini slike u obliku zamagljenog kruga. Kao prva aproksimacija – svjetlost je homogeno distribuirana duž tog kruga i njegov promjer iznosi:

L – promjer leće, δ – razmak između ravnine slike i žižne ravnine. Različit δ sugerira različite pozicije fokusiranja za istu scenu. Na slikama se zapaža različitost u oštrini rubova teksture (bliži rubovi imaju veću oštrinu) – slike su dobivene za dvije različite vrijednosti δ. Slijedi da se iz niza slika iste scene, dobivenih sa različitim geometrijama kamere, može rekonstruirati dubina slike, tj. izvući treća dimenzija. Postavlja se pitanja: “Kako iz kanoničkih koordinata slike xl, yl , izvući informaciju o koordinatama objekta x,y,z?” Za određivanje udaljenosti do objekta nužno je koristiti više slika i identificirati značajke u njima. U mobilnoj robotici je važno izbjeći objekat, a ne imati informacije o njegovoj boji, ... S tim u vezi je zgodno izdvojiti rubne tačke (piksele) i povezati ih i na taj način dobiti linijski segment. Na ovaj način se smanjuje količina podataka sa kojima je prikazana slika.

Iz prethodne slike slijedi:

odnosno

Iz gornjih izraza dobiva se izraz za disparitet (razlika u koordinatama slike (xr-xl)):

Samo se mjerenjem dispariteta mogu izlučiti informacije do dubini. Na temelju gornjih jednadžbi dobivaju se izrazi za koordinate objekta:

Sva navedena priča vrijedi ako su kamere idealno poravnate, što u praski nije slučaj – tada se koristi kalibracija kamere. 55. Šta su to CMOS i CCD kamere? CCD (Charged Coupled Device) kamera Danas najpopularniji sistem vizije. Osnovni element je CCD čip koji se sastoji od polja svjetlosno osjetljivih elemenata, ili piksela, obično između 20.000 i nekoliko miliona piksela ( trenutno). Svaki piksel je dimenzija od 5μm x 5μm do 25μm x 25μm i ima mogućnost kapacitivnog punjenja, odnosno pražnjenja. Prvo se kondenzatori svih piksela u cijelosti napune, nakon čega započinje proces integracije (generiranja). Fotoni svjetlosti udaraju u svaki piksel, oslobađaju elektrone koji su obuhvaćeni električkim poljem i zaustavljaju se na pikselu (fotoelektrički efekt). Tokom vremena svaki piksel će akumulirati različit iznos energije na temelju ukupnog broja fotona koji su “udarili” u njega. Nakon što se period integracije kompletira, relativan iznos energije piksela se pohranjuje i čita – proces kolekcije.

CCD čip Dolazi u različitim oblicima i dimenzijama:

• Ukupan broj piksela - 4008 x 2672 = 11 Mega Piksela • Veličina piksela – između 5 i 25 μm. • Veličina dijafragme – između 5 i 36 mm po osi.

Fotodiode koje se koriste u CCD čipu nemaju jednaku osjetljivost na sve frekvencije svjetlosnog signala. CMOS kamera CMOS čip se značajno razlikuje od CCD čipa. On također ima polje piksela, ali su oni locirani paralelno i svaki piksel koristi nekoliko tranzistora za svoje lociranje. Proces (akumuliranje energije u pikselima) integracije je istikao kod CCD čipa.U fazi kolekcije

CMOS koristi drukčiji pristup, gdje se svakipiksel mjeri i pojačava se njegovsignal, pri čemu se to odvijaparalelno za svaki piksel u polju.Rezultirajuće vrijednosti piksela se prenose do njihovihdestinacija.

56. Navesti segmente GPS sistema i objasniti način određivanja pozicije mobilnog robota korištenjem mjerenja GPS-a? Mjerenje pozicije Princip rada se temelji natriangulaciji područja. Triangulacija određena rasporedom satelita u zemljinoj orbiti. Prijemnici na zemlji primaju signale od satelita. Sateliti odašilju radio signale:

broj korisnika nije ograničen, slobodno korištenje.

Prijemnici mjere udaljenost do satelita. Sateliti prenose vrijednosti njihovih pozicija:

Udaljenost se mjeri na temelju vremena prostiranja radio signala. Osjetljivost je 1 m u 50 000 000 m. Sateliti koriste atomske klokove (cesium atomi oscillators) koji su sinhronizirani as zemljanima stanicama (reda ns). Postoji bias (pomak) između klokova koji uzrokuj pogreške u mjerenju udaljenosti – ove pogreške es nazivaju lažna područja (udaljenosti) (pseudo područja). Budući da su sateliti sinhronizirani, pogreške klokova uzrokuju jednake pogreške u udaljenosti iza sve satelite.

Zemljani segment GPS sistema Pet zemljanih stanica koje pokrivaju cijeli Svijet. Jedna od stanica predstavlja MCS (Master Control Station) koja veoma precizno prati satelite i održava cjelokupni sistem. Sateliti se prepodešavaju na svoje pozicije za kasniju retransmisiju ka prijemnicima. Ovo prepodešavanje (osvježavanje) se obavlja na temelju njihovihM atomskih klokova iz GPS vremenskog sistema za kasniju retransmisiju ka prijemnicima.

Prostorni segment GPS sistema

21 satelit i tri rezervna u 6 orbita. Orbite su pod nagibom 55° u odnosu na ravninu Ekvatora. 64/73 Orbitalni krugovi imaju amplitudu 11.000 milja. Satelit za 12 sati pređe orbitalni krug. Istovremeno su najmanje 4 satelita vidljiva (dostupna).

Četiri parametra su važna iza određivanje pozicije pomoću GPS-a: 1. Vrijeme sinhronizacije izmeđupojedinačnih satelita i GPSprijemnika. 2. Tačna real-time pozicija satelita. 3. Precizno mjerenje vremena prostiranja signala. 4. Određeni omjer signal/šum zaizvodivost operacije u prisustvu interferencije i prigušenija signala. 57. Navesti prednosti i nedostatke korištenja inercijalnog navigacijskog sistema? Osnovni pojmovi Princip rada se temelji nakonceptima zakona inercije (Newton-ovi zakoni). Prednost

1. mnogo su precizniji od standardnih odometrijskih sistema, 2. koriste se za potrebe navigacije u otvorenim, vanjskim prostorima, 3. funkcioniraju svuda gdje je informacija o gravitaciji dostupna, 4. ne zahtijevaju vanjske signale i nisu radioaktivni.

Nedostaci: 1. ne mogu detektirati ubrzanje neenergijskih prostornih signala, 2. pogreške koje se javljaju su vremenski ovisne, 3. zahtijeva početne uvjete (ulaz).

58. Nacrtati i objasniti funkcionalnu shemu upravljanja robotskim manipulatorom? Robot, kao povezani mehanički, energetski i senzorski system nema sposobnost obavljanja određenog zadatka. Da bi robot ostvario željeno kretanje u prostoru neophodan je upravljački sistem koji će preko pogona (aktuatora), smještenih u zglobovima manipulatora, postići ciljno djelovanje. Pogoni manipulatora upravljačke pretvaraju električke signale iz računara u mehaničko kretanje. Kretanje robota, odnosno njegovog vrha manipulatora (koje je najčešće zanimljivo), ostvaruje se kretanjem svake upravljane koordinate posebno. Problem upravljanja industrijskim robotom se sastoji od određivanja vremenskih karakteristika (odziva) generaliziranih sila (sile i momenti), proizvedenih na osovinama pogona zglobova, s ciljem uspješnog izvršavanja

upravljačkih zadataka, zadovoljavajući zadane zahtjeve prijelaznog procesa i stacionarnog stanja.

Zadatak se može sastojati od izvršavanja zadanog kretanja manipulatora u slobodnom prostoru (prostor u kojemu ne postoji dodir vrha manipulatora sa okolinom) ili od izvršavanja zadanog kretanja i djelovanja kontaktnih sila manipulatora čiji vrh dolazi u dodir sa okolinom. S tim u vezi, mogu se odvojeno razmatrati dva aspekta:

upravljanje kretanjem u slobodnom prostoru, interakcijsko upravljanje u ograničenom prostoru.

Izbor strukture upravljanja robotom ovisi od:

Mehaničke strukture manipulatora. Pogonskog sistema.

Specifikacije zadatka (kretanje vrha manipulatora I sile) obično se zadaju u operacijskom prostoru. Upravljačke akcije (generalizirane sile pogona zglobova) obavljaju se u zglobovskom prostoru. Navedeno upućuje na potrebu razmatranja dviju općih shema upravljanja:

Upravljačka struktura zglobovskog prostora. Upravljačka struktura operacijskog prostora.

Kod upravljanja u zglobovskom prostoru prvo se zahtijevano kretanje (operacijski prostor) pomoću inverzne kinematike transformira u zglobovski prostor, pa se tek nakon toga pristupa sintezi upravljačkog algoritma. 59. Objasniti decentralizirane i centralizirane strukture upravljanja robotom, u čemu se razlikuju? Decentralizirano ili neovisno upravljanje zglobom Najjednostavniji postupak upravljanja dobiva se ako se manipulator promatra kao skup n neovisnih nsistema (n zglobova) i upravlja se svakom osi zgloba pomoću upravljačkog sistema sa jednim ulazom i jednim izlazom – decentralizirano upravljanje.

Sprežni efekti između zglobova, usljed promjene konfiguracije tokom kretanja, promatraju se kaoporemećajni ulazi. Upravljanje pojedinim zglobovima obavlja se pomoću pogona (motora) koji predstavljaju sisteme sa jednim ulazom i jednim izlazom (skupina SISO sistema).

Centralizirano upravljanje Robotski manipulator nije skup n razdvojenih sistema nego viševarijabilni sistem sa n ulaza i m izlaza, povezanih nelinearnim relacijama. Zbog toga, neophodno je sistem upravljanja robotskim manipulatorom promatrati u kontekstu nelinearnih, viševarijabilnih sistema. Ovakav pristup uzima u obzir dinamički model manipulatora i usmjeren je ka pronalaženju nelinearnih dentraliziranih upravljačkih zakona s ciljem postizanja visokih dinamičkih performansi manipulatora. Dinamički model manipulatora (jednadžbe kretanja) bez djelovanja vanjskih sila:

60. Koji su zadaci kaskadne regulacije robotskog manipulatora? Kako eliminirati:

Pogrešku u stacionarnom stanju? Nadvišenje oscilacije u odzivu položaja? Ovisnost odziva položaja ne ovisi o promjeni momenta inercije?

Rješenje: kaskadna regulacija:

P regulator položaja – nadređena petlja. PI regulator brzine – podređena petlje.

61. Opisati naponsko i momentno upravljanje robotskim manipulatorom (centralizirana struktura)?

Sistem opisan na prethodni način postaje naponski upravljan.

Momentno-upravljani sistem U slučaju da manipulatori moraju omogućiti raspodjelu momenata, izračunatu na temelju kompletnog ili reduciranog modela manipulatora, sinteza u ovisi o matricama Kt, Kv i Ra motora, koje dalje ovise o radnim uvjetima. Da bi se smanjila osjetljivost na promjene parametara, potrebno je promatrati pogonske sisteme karakterizirane momentnim (strujnim) upravljanjem, a ne naponskim. U tom slučaju motori se ponašaju kao momentnoupravljani generatori.

62. Objasniti višepetljastu strukturu programiranog upravljanja momentom robotskog manipulatora? Višepetljasta struktura - linearizirajuća nelinearna unutarnjapovratna veza i vanjska petlja slijeđenja sa jediničnim pojačanjima. Broj vanjskih petlji jednak je broju zglobova.

63. Koji zahtjevi se postavljaju na kompenzaciju utjecaja gravitacije? Potrebno je pronaći strukturu regulatora koji će osigurati globalnu asimptotsku stabilnost navedenog ravnotežnog stanja. Određivanje upravljačkog ulaza koji stabilizira sistem oko ravnotežnog stanja temelji se na direktnom Lyapunovom postupku. Ovim upravljačkim zakonom se postiže nelinearna kompenzacija gravitacijskog djelovanja sa linearnim proporcionalno-derivacijskim djelovanjem.

Navedeni izvod pokazuje da je bilo koje ravnotežno stanje manipulatora globalno asimptotski stabilno za upravljački zakon sa PD linearnim djelovanjem i nelinearnim gravitacijskim djelovanjem. 64. Šta je mobilni robot i na koje načine je moguće klasificirati mobilne robote? Mobilni robot: “Robot koji posjeduje mobilnost s obzirom na svoju okolinu“. Mobilni roboti posjeduju sljedeća svojstva:

mobilnost – sistem se kreće kroz okolinu, određenu autonomnost – ograničenu ljudskom interakcijom, inteligenciju – opaža i reagira na svoju okolinu.

Postoji više podjela mobilnih robota ovisno o vrsti pogona, lokomocije, terena, oblika, transportnom mediju, stupnju autonomnosti, itd. Ove značajke u velikoj mjeri određuju koji će se sistem upravljanja i navigacije primijeniti. Jedna od najvažnijih podjela mobilnih robota je s obzirom na vrstu lokomocije (kretanja):

Roboti sa kotačima (engl. wheeled). Roboti sa nogama (engl. legged).

Gusjeničari (engl. tracked). Zmijoliki (pužući) roboti (engl. serpentine).

Druga važna podjela mobilnih robota je prema tipu pogona koji koristi za kretanja:

Diferencijalni pogon. Sinhroni pogon. Automobilski ili Ackermanov pogon. Bicikl pogon, Svesmjerni pogon (omnidirectional).

Treća važna podjela je s obzirom na medij:

Zemlja. Voda. Gorivo. Cijev. Zrak. Svemir. Podvodno.

Postoje još i podjele s obzirom na: 10/65 Vrstu terena koju savlađuju (unutarnji ili vanjski prostori).

Fleksibilnost tijela robota (jedno i višetjelesni roboti, roboti s elastičnim ili krutim tijelom).

Oblik tijela robota (roboti s jednostavnom ili složenom strukturom, roboti u obliku insekata, itd.).

Primjenu (roboti za edukaciju, istraživački roboti, roboti za pružanje usluga, roboti za zabavu, itd.).

Način nastanka (modernizirana stara vozila, nova vozila) Razinu autonomije (Kreću se od teleoperatora do robota sa punom autonomijom).

65. Koji su motivi razvoja mobilnih robota? Motivi razvoja i opravdanost korištenja mobilnih robota Omogućuju pristup sredinama koje su:

opasne za čovjeka, npr. eksplozivne i zapaljive sredine, minska polja, bez zraka, sa prevelikim atmosferskim pritiskom, itd, jako udaljene i zahtijevaju dosta vremena za savladavanje razdaljine (npr. Mars), nedostupne, npr. mikroskopski prostori.

Smanjenje troškova:

proizvodnje, zbog niske cijene zaposlenih robota, općih, zbog smanjenja administracije, potrebnog prostora, itd. održavanja, usljed jednoličnog i umjerenog tretmana opreme i samog robota.

Povećanje produktivnosti:

veća raspoloživost robota, budući da nemaju propisano radno vrijeme,

manipuliranje većim teretima i brži rad u odnosu na čovjeka (rezanje, farbanje, brže kretanje),

smanjenje upotrebe skupih resursa. Povećanje kvalitete proizvoda Obavljanje poslova koji su za čovjeka zamorni, dosadni, itd.

66. Definirati osnovne zadatke unutar navigacijske strukture mobilnog robota?

Gradnja mape je proces koji uključuje konstrukciju mape na temelju mjerenja senzora dobivenih sa različitih robotskih lokacija. Ispravan tretman senzorskih informacija i lokalizacija robota su ključne tačke u procesu gradnje mape.

Lokalizacija je proces dobivanja znanja o stvarnoj poziciji robota ili lokaciji na temelju mjerenja senzora i trenutne mape. Tačna mapa i precizni senzori su bitni za postizanje dobre lokalizacije. Planiranje kretanja zahtijeva generiranje izvodivih i sigurnih trajektorija na temelju važeće trenutne mape iz trenutne u ciljnu lokaciju robota. Za ovo je potrebna precizna mapa i dobra lokalizacija.

Upravljanje kretanjem generira upravljačke signale na aktuatore koji omogućuju izvršavanje zahtijevanih kretanja (trajektorija).

67. Objasniti lokomociju robota s diferencijalnim pogonom?

68. Objasniti odometrijsku i lokalizaciju zasnovanu na orijentirima? Odometrijska lokalizacija U tipičnoj zatvorenoj sredini (engl. indoor) sa ravnom podlogom, lokalizacija podrazumijeva određivanje pozicije (x,y) i orijentacije θ robota u dvodimenzionalnom prostoru (ravnini). Odometrija mjeri rotaciju kotača kao funkciju vremena. Ako su oba kotača mobilnog robota spojena preko zajedničke osovine, tada se pozicija i orijentacija osovine u odnosu na prethodnu poziciju i orijentaciju može odrediti odometrijskim mjerenjima provedenim na oba kotača. U praksi, optički enkoderi, ugrađeni na oba pogonska kotača, daju diskretizirane inkrementalne informacije centralnom procesoru koji po ustaljenom redoslijedu kontinuirano prepodešava stanje robota, korištenjem geometrijskih jednadžbi. Međutim, s vremenom, odometrijska lokalizacija akumulira pogreške na neograničen način zbog klizanja kotača, hrapavosti podloge i diskretiziranog uzorkovanja pomaka kotača. U jednoj od prethodnoj lekcija, u dijelu koji objašnjava inkrementalne optičke enkodere, detaljno je opisan postupak odometrijske lokalizacija. Lokalizacija na temelju orijentira

Orijentiri predstavljaju posebno istaknute znakove koje robot, na temelju mjerenja senzora, može prepoznati. Orijentiri mogu biti geometrijskog oblika (pravokutnici, linije uključivati dodatne npr linije, krugovi) i mogu informacije (npr.u obliku bar kodova).

Općenito, orijentiri imaju fiksnu i poznatu poziciju u odnosu na robota, kako bi se on mogao lokalizirati. Oni se pažljivo odabiru kako bi se mogli lahko identificirati, npr. moraju biti u dovoljnom kontrastu sa podlogom.

Prije nego što robot može koristiti orijentire za navigaciju, karakteristike orijentira moraju biti poznate i pohranjene u memoriju robota. Glavni zadatak lokalizacije je pouzdano prepoznavanje orijentira i na temelju toga računanje pozicije robota.

69. Opisati postupak gradnje mape prostora i navesti podjelu mapa robotskih sredina?

Postupak gradnje mape modela robotske okoline temelji se na mjerenjima senzora. Sposobnost gradnje mape okoline mobilnog robota predstavlja važan zahtjev u mnogim primjenama robota. Glavne prednosti upotrebe mapa za navigaciju mobilnih robota su:

Koriste prirodne strukture tipične unutrašnje okoline za dobivanje informacija o poziciji ne mijenjajući okolinu.

Vremensko ponovno generiranje mape okoline. Mape okoline su važne za druge zadaće mobilnih robota, kao što su globalno planiranje putanje ili izbjegavanje zamki tipa lokalni minimum u nekim postupcima lokalnog zaobilaženja prepreka.

Mape omogućuju robotu da uči nove okoline i poboljšava tačnost pozicioniranja tijekom istraživanja.

Podjela mapa:

Metričke mape, mape koje se temelje na apsolutnom koordinatnom sistemu i numeričkoj estimaciji položaja objekata u prostoru,

Topološko ili relacijske mape, odnosno mape koje eksplicitno prikazuju informacije povezivanja, izražene u obliku grafova.

69. Opisati postupak gradnje mape prostora i navesti podjelu mapa robotskih sredina? Odrediti koja ćelija u mrežastoj mapi je zauzeta, a koja prazna.

Topološke mape Čvorovi povezani linijama – grafovi. Povezuju se geometrijske značajke prostora Teško ih je skalirati. Zahtijevaju poznavanje pozicije robota

70. Definirati proces planiranja kretanja mobilnog robota i općenitu podjelu postupaka planiranja? Kada se izvršava neka misija cilj je iz početne tačke doći do ciljne, izbjegavajući pri tome sve prepreke koje mu se mogu naći na putu – planiranje kretanja.

Postoje dvije fundamentalne paradigme za planiranje putanje s izbjegavanjem prepreka:

Globalni pristup koji generira putanju off-line korištenjem poznatih informacija o okolini. On zahtijeva precizno specificiran model okoline i znatan iznos vremena računanja.Ovim pristupom nije moguće reagirati na nepredviđene promjene u okolini.

Lokalni pristup se obavlja on-line korištenjem malog broja poznatih informacija o prostoru. Moguće je reagirati na nepredviđene promjene i ne zahtijeva se velik iznos računarskog vremena. Na ovaj način nije moguće dobiti optimalnu putanju.

71. Koji zahtjevi se postavljaju pri procesu planiranja putanje kretanja? Zahtjevi pri procesu planiranja trajektorije mogu biti:

Minimalna duljina staze. Sredina pokretnim preprekama s preprekama, što predstavlja dodatni izazov. Sredina sa pokretnim ciljem. Minimalan iznos vremena za prijelaz putanje. Utrošak energije. Izbor staza koje zadovoljavaju neka drugaograničenja.

Planirnje kretanja zahtijeva razmatranje svojstava robota i strukture okoline. 72. Koje roadmap algoritme planiranja kretanja poznajete, ukratko ih opisati? Roadmap – mapa putanja/puteva Spada u globalno planiranje putanje. Svojstva:

Pristupnost: postoji slobodna putanja od startne pozicije robota do mape putanja. Odstupnost: postoji slobodna putanja od mape putanje do ciljne pozicije robota. Povezanost: postoji slobodna putanja od uzlazne do silazne tačke na mapi putanja.

Primjeri roadmap algoritama: Voronoi graf. Grafovi vidljivih vrhova (Visibility graph). Voronoi graf Mreža putanja jednako udaljenih od susjednih prepreka.

Voronoi graf Planiranje putanje na temelju topološke mape.

Grafovi vidljivih vrhova Dobivaju se međusobnim spajanjem svih vidljivih vrhova prepreka, te početne i ciljne pozicije. Dvije tačke su vidljive ako između njih nema prepreka. Postoje putanje oko rubova prepreka ako su dva susjedna vrha iste prepreke međusobnovidljiva. Ako je dobiveni graf putanja unutar mape prostora, tada je svaka spojna linija potencijalni dio putanje mobilnog robota od početne do ciljne pozicije. Metod potencijalnih polja Spada u lokalne postupke planiranja.

73. Definirati modelske, reaktivne, ponašajne i hibridne strukture upravljanja mobilnim robotom?

Modelske strukture upravljanja (delibrativo upravljanje) (horizontalna dekompozicija upravljačkog sistema).Sve isplaniraj (razmišljaj), pa tek zatim djeluj.

Reaktivno upravljanje (vertikalna dekompozicija upravljačkog sistema). Ne razmišlja, odmah djeluj.

Ponašajno (biheviorističko) upravljanje Razmišljaj o načinu na koji djeluješ. Hibridno upravljanje (kombinacija delibrativnog i reaktivnog upravljanja).

Razmišljaj i djeluj odvojeno i istovremeno