Мехатронные системы в компьютерах

Введение

Мехатроника – это область науки и техники, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающими проектирование и производство качественно новых модулей, систем и машин с интеллектуальным управлением их функциональными движениями.
Мехатроника - это мультидисциплинарная область техники, которая включает в себя сочетание машиностроения, робототехники, электроники, компьютерной техники, телекоммуникационной техники, системной инженерии и техники управления. По мере развития технологий подполя техники умножаются и адаптируются. Цель мехатроники как научной области – это процесс проектирования, который объединяет эти подполя.
Подчеркнем, что компьютерная наука - самая важная часть в мехатронике. Это не только требуется в программном компоненте механической системы, но также и в аппаратной части системы. Инженеры мехатроники используют компьютеры для проектирования своих машин и объединения их до их сборки. Компьютер не только используется для проектирования машин, но и используется для управления ими.
Первоначально мехатроника включала в себя сочетание механики и электроники, поэтому слово представляет собой комбинацию механики и электроники; однако, поскольку технические системы становятся все более сложными, определение расширилось, включив в него более технические области.
Слово мехатроника возникла на японско-английском языке и была создана Тетсуро Мори, инженером Yaskawa Electric Corporation. Слово «mechatronics» было зарегистрировано как торговая марка компании в Японии с регистрационным номером «46-32714» в 1971 году. Однако впоследствии компания выпустила право использовать это слово для публики, а слово «мехатроника» распространилось на остальную часть мира. В настоящее время слово переводится на каждый язык, и считается важным термином для промышленности. Многие люди рассматривают мехатронику как современное модное слово, синонимом робототехники и электромеханической инженерии. Благодаря сотрудничеству, мехатронные модули выполняют производственные цели и наследуют гибкие и гибкие производственные свойства на схеме производства. Современное производственное оборудование состоит из мехатронных модулей, которые интегрированы в соответствии с архитектурой управления. Мехатронные системы распространились на разные области хозяйственной деятельности человека, поэтому важно будет рассмотреть их с точки зрения мехатронных систем в компьютерах.
Целью работы является рассмотрение аспекта мехатроных систем в компьютерах.
Задачи работы:
1. Изучить и систематизировать научно-методическую литературу по рассматриваемой теме;
2. Представить общую характеристику мехатроники как элемента научного знания;
3. Проанализировать мехатронные системы в области компьютерной техники;
4. Выявить перспективы использования мехатронных систем в компьютерах.
В работе были использованы научные труды таких авторов, как Замятина О.М., Новожилов О.П., а также электронные источники литературы.


1 Мехатроника как элемент научного знания
Термин «мехатроника» был получен при соединении слов «механика» и «электроника». Впервые он был применён в 1969 году. На данный момент времени мехатроника – это наука, которая посвящена созданию и целенаправленной эксплуатации машин и систем, движение которых определяется электронно-вычислительной техникой. Она базируется на знаниях механики, микропроцессорной техники, информатики, электроники и компьютерном управлении движения агрегатов и машин. Изучить основы мехатроники можно при желании, поскольку научно-образовательной литературы по этому направлению достаточно. Для большего придётся приложить значительные усилия, чтобы найти необходимый материал. Хотя можно, теоретически, и самому додуматься, что представляет собой мехатроника [2].

Рис. 1. Функционал мехатроники
Внешней средой для мехатронных устройств является технологическое окружение, с которым будет происходить взаимодействие. Когда мехатронная система выполняет свои функции, то это происходит благодаря рабочим органам. Следует отметить, что данное научное направление является довольно молодым, в нём много неточностей и расплывчатых формулировок даже в научной литературе, поэтому со временем некоторые теоретические принципы могут поменяться.

Рис. 2. Компоненты мехатроной системы
Мехатронные системы формируются из трех компонентов, которые связаны между собой информационными и энергетическими потоками [1]:
1. Электромеханическый. Сюда относят механические звенья, передачи, электродвигатели, сенсоры, рабочий орган, дополнительные электротехнические элементы, сенсоры. Все составляющие применяются для того, чтобы обеспечить необходимые движения. Особую важность для корректного выполнения поставленных задач имеют сенсоры. Они собирают данные про состояние объекта работ и внешней среды, непосредственно мехатронного устройства и его составляющих.
2. Электронный. Сюда относят микроэлектронные устройства, силовые преобразователи и измерительные цепи.
3. Компьютерный. Сюда относятся микроконтроллеры и электронно-вычислительные машины высшего уровня.
На данный момент времени выделяют четыре функции мехатронных систем [2]:
1. Управление процессом механического движения в режиме реального времени с одновременной обработкой информации, что поступают с их сенсоров.
2. Соорганизация своих действий с внешними источниками влияния.
3. Взаимодействие с человеком посредством специального интерфейса в автономном режиме или в реальном времени.
4. Организация обмена данными между сенсорами, периферийными устройствами и другими составляющими элементами системы.
Теперь хотелось бы рассмотреть преимущества мехатронных систем. Сравнение будет проводиться с традиционными средствами автоматизации [1]:
1. Относительно низкая стоимость систем, что достигается благодаря значительной интеграции, стандартизации и унификации всех составляющих интерфейсов и элементов.
2. Возможность реализации точных и сложных движений благодаря методам интеллектуального управления

.
3. Высокий уровень надежности, долговечности и помехозащищенности.
4. Компактность используемых модулей, что позволяет обходиться меньшей площадью.
Также стоит отметить, что мехатронные системы можно относительно легко совмещать для достижения возможности выполнения конкретных задач. Благодаря упрощению кинематических цепей машины обладают хорошими динамическими и массогабаритными характеристиками.


2 Мехатронные системы в компьютерах
2.1 Стиральные машины
В начале 1990-х годов дорогостоящие стиральные машины содержали в себе микроконтроллеры для процесса синхронизации стирки. Они оказались надежными и экономичными рабочими элементами, поэтому многие более дешевые машины теперь также включают в себя микроконтроллеры, а не электромеханические таймеры. С 2010 года на большинстве стиральных машин есть сенсорные панели, полноцветные или цветные дисплеи, а также сенсорные панели управления, которые регулируются микроконтроллерами, призванными служить в качестве мехатронной системы [9].

Рис. 3. Пример микроконтроллера стиральной машины Indesit
Микроконтроллеры используются для управления как IGBT транзистора для моторного привода, так и системы управления стиральной машинкой. Микроконтроллеры для стиральных машин нуждаются в возможности эффективно контролировать крутящий момент и количество воды, подходящее для количества белья. Компания Toshiba решила модернизировать микроконтроллеры с помощью системы Vector Engine для эффективного и плавного управления несколькими функциями сразу, например, отгрузка порошка и залив воды.
В новейших стиральных машинах используется инверторное управление для стирки и сушки с использованием микроконтроллеров нового поколения. Управление инвертором помогает уменьшить шум и вибрацию стирки/вращения и позволяет стиральной машине регулировать количество воды и крутящего момента двигателя в соответствии с промывочной нагрузкой. IGBT транзисторы используются для двигателя и микроконтроллеров в качестве элемента общего контроля за процессом стирки. Кроме того, интеллектуальный силовой модуль (англ. IPD) используется для управления циркуляционным насосом для воды в сушилке. Коррекция коэффициента мощности (англ. PFC) IC или IGBT транзистора используется в цепи источника питания для поддержания гармоник во входном токе ниже предела IEC [9].
2.2 ABS – антиблокировочная тормозная система
Антиблокировочная тормозная система (англ. ABS) - это противоугонная тормозная система безопасности, используемая на самолетах и ​​наземных транспортных средствах, таких как автомобили, мотоциклы, грузовики и автобусы. ABS функционирует, предотвращая блокировку колес во время торможения, тем самым поддерживая тяговый контакт с дорожной поверхностью [3].

Рис. 4. ABS на мотоцикле BMW
ABS - это автоматизированная система, которая использует принципы порогового торможения, которые когда-то применялись водителями с более устаревшими тормозными системами, отличными от ABS. ABS работает намного быстрее и эффективнее, чем может среагировать большинство водителей. Хотя ABS обычно предлагает улучшенное управление транспортным средством и уменьшает расстояния остановки на сухих и скользких поверхностях, на рыхлых гравийных или заснеженных поверхностях, ABS может значительно увеличить тормозной путь, при этом улучшая управление рулем в критичных ситуациях. Поскольку ABS был введен в производство транспортных средств, такие системы становятся все более изощренными и эффективными. Современные версии мехатронных систем в составе ABS могут не только препятствовать торможению колес, но также изменять параметр смещения переднего тормоза. Эта функция, в зависимости от ее конкретных возможностей и реализации, известна по-разному, как электронное распределение тормозных усилий, система контроля тяги, помощь при экстренном торможении или электронный контроль устойчивости (англ. ESC) [3].
2.3 Лифты
Лифт – это тип вертикальной транспортировки, который перемещает людей или грузы между этажами или уровнями здания, судна или другого сооружения. Лифты, как правило, питаются от электродвигателей, которые либо приводят тяговые кабели, и противовесные системы, такие как подъемник, или с помощью гидравлической жидкости в насосе для подъема цилиндрического поршня, такого как домкрат [7].

Рис. 5. Система управления лифтом УКЛ 16А
Система Otis Autotronic начала 1950-х годов создала прототипы современных лифтов, которые эффективно бы передвигались внутри здания. Реле-управляемые лифтовые системы оставались в эксплуатации до 1980-х годов, и их постепенная замена твердотельными микропроцессорными средствами управления теперь является незаменимым отраслевым стандартом при создании новых лифтовых систем.
2.4 Робот-пылесос
Автоматический пылесос, который часто называют робо-пылесос, представляет собой автономную роботизированную систему, которая содержит в себе параметр интеллектуального программирования и ограниченную систему очистки вакуумным способом. Первоначальная конструкция включала ручное управление с помощью дистанционного управления и режим «самостоятельного привода», который позволял машине автономно чистить без контроля человека. В некоторых конструкциях используются вращающиеся щетки для достижения плотных углов. Другие включают в себя ряд функций очистки (вытирание, УФ-стерилизация и т. д.) [5].

Рис. 6. Робот-пылесос iRobot Roomba
2.5 Робототехнический комплекс
Роботехнический комплекс - это робот, способный передвигаться. Мобильная робототехника обычно считается подполем робототехники и информатики. Компоненты мобильного робототехнического комплекса - это контроллер, программное обеспечение для управления, датчики и исполнительные механизмы. Контроллер обычно представляет собой микропроцессор, встроенный микроконтроллер или персональный компьютер (ПК) [2].

Рис. 7. Роботизированный комплекс МРК
Программное обеспечение для мобильного управления может быть либо языком уровня сборки, либо языками высокого уровня, такими как C, C ++, Pascal, Fortran или специальным программным обеспечением реального времени