СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АНИМАТРОННЫМИ УСТРОЙСТВАМИ Российский патент 2021 года по МПК G05B19/04 B25J9/18 

Область техники

Изобретение относится к устройствам, которые управляют аниматронными системами. Основными особенностями устройства являются универсализм, модульность, расширяемость и ориентация на конечного пользователя - не являющегося техническим специалистом. Система ориентирована на области, использующие аниматронные системы: Science Art (область современного искусства), реклама и т.п.

Уровень техники

Номенклатура контроллеров, решающих задачи управления движителями и иными электроприборами по заданному алгоритму, крайне широка. К ним относятся прежде всего промышленные контроллеры, применяемые в производстве, управлении ТС, станков с ЧПУ, АСУ ТП и т.д.

Вместе с тем, устройств, которые можно было отнести к аниматронным контроллерам, представлено довольно мало, так как для конечных пользователей, таких как художники или рекламные специалисты, методы управления и настройки этих контроллеров слишком сложны. Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство промышленного контроллера и метода управления им, описанное в заявке US 5493185 A. Представленное устройство включает в себя программную и аппаратную реализацию системы управления куклами. Однако процесс настройки системы происходит вручную через ПК, что для конечных пользователей, которые слабо разбираются в нюансах настройки контроллера, например для художников, является существенным минусом.

В заявке US 20020019891 A1 описано устройство управления модульной системой контроллеров в реальном времени, использующее единый протокол. Данное устройство характеризуется высокой производительностью и обладает свойством унификации.

Зачастую, для достижения поставленной задачи в области аниматроники используют промышленные контроллеры, применяемые в производстве, управлении ТС, станков в ЧПУ и т.д., например, контроллеры серии 1-8000, производителя ICP DAS. Данное устройство представляет собой модульный контроллер на основе DOS-подобной операционной системы MiniOS7, применяемые для решения несложных задач АСУ ТП.

Однако, вышеперечисленные системы контроллеров, не позволяют использовать их в данной предметной области в силу того, что они:

1. Имеют избыточные вычислительные мощности для области Science Art, так как большинство их возможностей не используются в следствии низкой квалификации конечного пользователя и с постановкой большинства задач.

2. Не обладают достаточно простыми методами настройки и работы с ними для конечного пользователя.

3. Требуют высокой квалификации в обращении с ними.

4. Слишком дорогие для широкого применения в аниматронике.

5. Не обладают способностью управлять большим множеством исполняемых устройств.

Раскрытие изобретения

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание модульной системы управления аниматронными устройствами с простыми и понятными методами управления и настройки системы, так как конечные пользователи, например художники или специалисты по рекламе, не обладают достаточной квалификацией для работы с подобного рода устройствами. Кроме того, номенклатура используемых в аниматронных системах эффекторов и датчиков крайне широка, поэтому для каждого конкретного анимируемого изделия требуется своего рода "конструктор" в виде множества интегрируемых в единую систему модулей с унифицированными протоколами. При этом наиболее естественной для пользователя формой задания алгоритма функционирования является т.н. классическая циклограмма - описание развернутых во времени типовых операций.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в создании системы, при настройке которой используется метод построения циклограмм, упрощающий процесс задания алгоритма функционирования аниматронной системы за счет применения модульной структуры, состоящей из главного и подчиненных контроллеров каждый из которых предназначен для конкретной группы движителей и/или датчиков.

Технический результат достигается тем, что предложена система управления аниматронными устройствами, состоящая из главного контроллера, соединенного кабелями связи и электропитания с по меньшей мере, одним подчиненным контроллером и каналом связи с внешним устройством, включающим в себя консольное приложение и устройство ввода, подключенные через терминал персонального компьютера к кабелю связи с главным контролером который содержит микропроцессор, блок питания на 12В, индикатор питания, коннектор и LCD-дисплей, при этом подчиненный контролер содержит микропроцессор, индикатор питания, коннектор, по меньшей мере один модуль управления движителями или иными электронными устройствами, дисплей для настройки датчиков и по меньшей мере один датчик с регуляторами датчика и порогов датчика.

Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:

- значительно упрощаются процессы настройки и управления системой за счет метода построения циклограмм (естественность и прозрачность формы задания алгоритма функционирования);

- значительно снижается нагрузка основных контроллеров за счет создания модульной конструкции и установки собственных контроллеров в каждый модуль (масштабируемость системы без существенного ухудшения временных параметров работы);

- к получаемой информации с устройства добавилась возможность принимать и использовать сигналы с аналоговых и цифровых датчиков, (в большинстве проектов, связанных с аниматронными системами такой возможности не было);

- модульность и масштабируемость, достигающаяся возможностью применять большое количество модулей (до 50 штук) с единым интерфейсом.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется фигурами.

На фиг. 1 изображена блок схема системы управления, где:

1 - главный контроллер, включающий в себя микропроцессор 2, блок питания на сервисное напряжения 12-220В 3, индикатор питания 4, плата коннектора главного контроллера 5, LCD-дисплей 6; 7 - подчиненный контроллер, включающий в себя микропроцессор 2, индикатор питания системы 4, коннектор подчиненного контроллера 8, кабель связи и питания контроллеров 9. Подчиненный контроллер 7 может включать в себя опциональные устройства - модули управления сервоприводами или иными исполнительными устройствами 10, датчики 11, регулятор датчиков 12, регулятор порогов датчиков 13, дисплей для настройки датчиков 14 и силовые провода для подачи нестандартного напряжения и повышенного тока 15. Внешние устройства 16 включают в себя консольное приложение 17, устройства ввода 18 (планшет, световое перо) и терминал компьютера 19.

На фиг. 2 изображен общий вид конструкции системы управления аниматронными устройствами, где:

1 - главный контроллер, включающий в себя микропроцессор, блок питания, индикатор питания 4 и плата коннектора главного контроллера 5, LCD-дисплей 6; подчиненный контроллер 7 включает в себя коннектор подчиненного контроллера 8, индикатор питания 4, кабель связи и питания контроллеров 9, дисплей для настройки датчиков 14. Подчиненный контроллер 7 может включать в себя опциональные устройства - модули управления сервоприводами или иными электронными устройствами, датчики, регулятор датчиков, регулятор порогов датчиков и силовые провода для подачи нестандартного напряжения и повышенного тока (на схеме не указано).

Осуществление изобретения

Предлагаемое устройство ориентируется на использование в Science Art, области современного искусства, а так же в целях рекламы, для осуществления которой требуется аниматроника. Устройство обладает модульностью и упрощенным управлением, позволяет осуществлять настройки системы при помощи построения циклограмм вручную через терминал или рисования последних при помощи цифрового пера. Модульная структура, системы состоит из главного и подчиненных контроллеров. Система может обслуживать до 50 подчиненных контроллеров без потери скорости передачи данных. Главный и подчиненные контроллеры построены на базе микропроцессора ATmega 328. Главный контроллер занимается управлением и сбором информации с подчиненных контроллеров, и выводит информацию на экран, а подчиненные контроллеры управляют движителями и системой обратной связи. Управление и настройка устройства осуществляется методом построения циклограмм, что упрощает настройку и работу с системой для неподготовленных пользователей.

Варианты комбинирования датчиков и устройств управления движителями могут быть разные, но каждый отдельный подчиненный контроллер обслуживает только одну группу исполнителей, например, подчиненный контроллер №1 управляет группой электродвигателей, а подчиненный контроллер №2 обслуживает сенсоры.

Основной задачей главного контроллера является управление и сбор информации с подчиненных контроллеров, и вывод информации на экран.

Подчиненные контроллеры укомплектованы системой индикации состояния и адресными переключателями. В зависимости от требований, подчиненные контроллеры могут укомплектовываться дополнительными модулями управления, движителями и иными электронными устройствами, датчиками, регуляторами датчиков и регуляторами порогов датчиков. Система обслуживает до 50 подчиненных контроллеров без потери скорости передачи данных. Управление и настройка устройства осуществляется методом построения циклограмм при помощи как цифрового пера, так и консольного приложения, что значительно упрощает настройку и работу с системой для неподготовленных пользователей. Также система позволяет в режиме отладки управлять движителями, определяя требуемые характеристики движения вручную или с использованием терминала.

Ниже приведен пример конкретного выполнения устройства, который не ограничивает варианты его исполнения.

Предложенная система управления состоит из главного контроллера 1 и подчиненных контроллеров 7. Система может обслуживать до 50 подчиненных контроллеров. Главный контроллер 1 располагается в прямоугольном корпусе из оргстекла, при помощи винтового соединения в котором установлены микропроцессор 2, блок питания 3 на сервисное напряжения 12-220В и плата коннектора 5 главного контроллера 1. В микропроцессорах 2 зашита управляющая программа на языке С++. На верхней крышке главного контроллера 1 при помощи винтового соединения закреплен индикатор питания 4 и LCD-дисплей 6. Подчиненные контроллеры 7 так же располагаются в корпусах из оргстекла, в которых при помощи винтового соединения расположен микропроцессор 2, коннектор 8 подчиненного контроллера 7 и устройство управления двигателями 10. Индикаторы питания 4, регуляторы датчиков 12, регуляторы порогов датчиков 13 и дисплей для настройки датчиков 14 жестко закреплены на винтовом соединении на боковых стенах корпуса. Все модули обмениваются сигналами с главным контроллером при помощи последовательного интерфейса через кабель связи между контроллерами 9. По этому кабелю главный контроллер передает команды подчиненным контроллерам, которые в свою очередь управляют различными сервоприводами.

По тому же каналу связи подчиненные контроллеры передают значения датчиков главному контроллеру. Логическая часть драйвера двигателей 10 питается от общей шины питания 9, а его силовая часть имеет отдельное силовое питание 15. С внешнего устройства 16 подаются команды, которыми можно настраивать работу системы управления аниматронными устройствами. Для того что бы настроить программы контроллерам, необходимо подключиться к ним через терминал ПК 19 с помощью консольного приложения 17 или при помощи устройства ввода (планшета или цифрового пера).

Устройство может иметь различные реализации, например следующие.

Подчиненные контроллеры включают в себя различные модули управления движителями или иными электрическими приборами, а также могут обслуживать датчики.

Для управления высоковольтными приборами на модуль подчиненного контроллера проводится высоковольтное питание, а на борту устанавливается модуль управления прибором.

Для управления электроприборами, потребляющими большую мощность, к подчиненному контроллеру проводится дополнительное силовое питание, передающееся на устройство управления прибором.

Примеры реализации

Принцип работы данного комплекса устроен следующим образом. Напряжение с блока питания 3 подается на процессор 2 и на коннектор главного контроллера 5. Силовые провода 15, подключенные к коннектору главного контроллера, подают напряжение на модули управления движителями 10. Индикаторы питания 4 показывают напряжение на главном и подчиненных контроллерах. Кабель связи и питания контроллеров соединяет главный и подчиненные контроллеры при помощи коннекторов главного 5 и подчиненных контроллеров 8 соответственно. В микроконтроллерах 2 зашита программа, управляющая системой. На контроллерах 1 и 7 выставляются адреса устройств, определяющие какой контроллер главный, а какой подчиненный. Все подчиненные контроллеры получают индивидуальный номер. Далее идет настройка алгоритма работы модулей пользователем при помощи построения циклограммы с внешних устройств 16 - вручную через терминал ПК с помощью консольного приложения 17, выставляя значения для каждого устройства каждого модуля, либо при помощи устройства ввода (планшета или цифрового пера) 18, рисуя циклограмму. Эти настройки передаются при помощи терминала компьютера 19 на контроллер 1. Пороги значений датчиков настраиваются вручную при помощи регулятора датчиков 12, регулятора порогов датчиков 13 и дисплея для настройки датчиков 14. Сигналы от регулятора датчиков 12 и регулятора порогов датчиков 13 передаются на контроллеры 2. Сигнал от контроллера 2 идет на дисплей для настройки датчиков 14. Затем конечный алгоритм прошивается в главный контроллер. Далее, по кабелю связи и питания 9, команды от главного контроллера рассылаются на подчиненные контроллеры, которые, в свою очередь, отдают команды устройствам, которые управляют движителями 10. Обратная связь осуществляется по тому же кабелю 9. По обратной связи передается состояние подчиненных контроллеров 7 и значения датчиков 11. Микроконтроллер главного контроллера отображает информацию о работе системы на LCD-дисплее 6.

Изобретение относится к устройствам, которые управляют аниматронными системами. Техническим результатом является упрощение процесса задания алгоритма функционирования аниматронной системы за счет применения модульной структуры. Система содержит главный и подчиненный контроллеры, каждый из которых предназначен для конкретной группы движителей и/или датчиков. Главный контроллер содержит процессор, индикатор питания, LCD-дисплей, блок питания и плату коннектора, осуществляющую соединение через кабели связи и управления с коннекторами подчиненных контроллеров, подчиненные контроллеры содержат процессор, индикатор питания, модуль управления движителями или сенсорами, датчики, пороги значений которых настраиваются при помощи регулятора датчиков и регулятора порогов датчиков. 2 ил.

Система управления аниматронными устройствами, включающая главный контроллер, соединенный кабелями связи и электропитания с подчиненными контроллерами и каналом связи с внешним устройством, состоящим из консольного приложения и устройства ввода, подключенные к терминалу компьютера, при этом главный контроллер состоит из процессора, соединенного с индикатором питания, показывающим напряжение на главном контроллере, и LCD-дисплем, отображающим информацию о работе системы, блока питания, питающего процессор и плату коннектора главного контроллера, осуществляющую соединение через кабели связи и управления с коннекторами подчиненных контроллеров, при этом подчиненные контроллеры состоят из процессора, соединенного с индикатором питания, показывающим напряжение на подчиненном контроллере, модуля управления движителями или сенсорами, датчиков, пороги значений которых настраиваются при помощи регулятора датчиков и регулятора порогов датчиков, сигналы с которых передаются через процессор на дисплей для настройки датчиков.