WEB - CONSTRUCTOR OF SCALABLE ROBOTIC SYSTEMS FOR SIMULATION OF COMPLEX SURFACES FOR DYNAMIC TESTING

Full Text

Введение. В настоящее время все чаще используются WEB-приложения, так как в отличии от стандартных приложений, данные программы способны полноценно работать без установки на компьютер. WEB - конструктор проектируется с учетом возможности построения динамической системы, позволяющей моделировать сложные поверхности, которые формируются с помощью множества Stewart – платформ (рис. 1). Параметр каждой платформы (базового модуля системы) можно задать через конфигуратор соответствующего устройства. Количество устройств может меняться динамически, конфигурация динамической системы задается в конструкторе.

Рис. 1. Stewart-платформа

Проектируемая роевая система роботов состоит из Stewart – платформ и может использоваться как испытательный стенд. WEB-конструктор с распределенной системой SааS позволяет в режиме онлайн изменять систему (менять количество, расположение и характеристики), для моделирования сложных поверхностей под конкретную задачу с помощью конфигуратора.

SaaS (software as a service - программное обеспечение как услуга) - одна из форм облачных вычислений, модель обслуживания, при которой подписчикам предоставляется готовое прикладное программное обеспечение, полностью обслуживаемое провайдером. Поставщик в этой модели самостоятельно управляет приложением, предоставляя заказчикам доступ к функциям с клиентских устройств через веб-браузер [1].

Конструктор отвечает за хранение, загрузку и выгрузку законов движения – закон, по которому будет изменяться положение в пространстве базового модуля. Каждый базовый модуль изменяет свое положение согласно заданного закона движения. В совокупности базовые модули Stewart – платформ образуют систему Stewart – платформ, а законы движения каждого отдельного модуля вместе – закон движения системы.

Проектирование базы данных проекта. Анализируя предметную область, можно выделить следующие сущности – «Система Stewart платформ», «Stewart платформа» (базовый модуль), «Закон движения платформы». Система и базовый модуль имеют связь «один ко многим», так как в одной системе может быть много базовых модулей, но конкретный базовый модуль может быть только в одной системе. Базовый модуль и закон движения платформы имеют связь один ко многим, так как у закона может быть много базовых модулей, но базовый модуль может работать только по одному закону движения. Разработаем ER – модель базы данных (рис.2).

Рис. 2. ER - модель базы данных

Параметры закона движения хранятся в базе данных в виде JSON поля:

{"time start": 0, "step": 1, "repeat": 5, "coordinates": {"x": {"0": 0, "1": 0, "2": 0, "3": 0, "4": 0, "5": 0}, "y": {"0": 0, "1": 0, "2": 0, "3": 0, "4": 0, "5": 0}, "z": {"0": 0, "1": 0, "2": 0, "3": 0, "4": 0, "5": 0}, "a": {"0": 0, "1": 0, "2": 0, "3": 0, "4": 0, "5": 0}, "b": {"0": 0, "1": 0, "2": 0, "3": 0, "4": 0, "5": 0}, "g": {"0": 0, "1": 0, "2": 0, "3": 0, "4": 0, "5": 0}}}, где

"time start": время начала движения базового модуля,

"step": шаг, частота дискретизации от времени начала движения,

"repeat": количество повторений шага,

"coordinates": {“x”, “y”, “z”, “a”, “b”, “g”,}: координаты относительно осей в пространстве, где каждому моменту времени соответствует координата.

Программная реализация базы данных проекта. На первом этапе необходимо установить PostgreSQL локально на компьютер. Затем создать базу данных в PostgreSQL и учетную запись Admin [2].

Чтобы подключить созданную базу данных к Django необходимо установить модуль psycopg2. В файле settings.py/DATABASE необходимо прописать следующие настройки:

DATABASES = {
'default': {
'ENGINE': 'django.db.backends.postgresql_psycopg2',
'NAME': 'BD_system_stewart_platform',
'USER': 'Admin',
'PASSWORD': 'adminadmin',
'HOST': 'localhost',
'PORT': '',}}

Чтобы создать таблицы в базе данных необходимо прописать следующий код в файле models.py:

from django.db import models

from django.urls import reverse

from django.contrib.auth.models import User

class system_stewart_platform(models.Model):

title_system = models.CharField('Наименование системы', max_length=50)

discription_system = models.CharField('Описание системы', max_length=500)

LAW_TYPE=(

('Волна', 'Волна'),

('Колебания', 'Колебания'),)

law_type_system = models.CharField(verbose_name='Закон движения системы', max_length=50, choices=LAW_TYPE, null=False, blank=True, default='Волна', help_text='Выбрать из списка')

x_max_matrix = models.IntegerField('Размер матрицы по оси x')

y_max_matrix = models.IntegerField('Размер матрицы по оси y')

author = models.ForeignKey(User,related_name='system_stewart_platform_user_created', verbose_name='Пользователь', on_delete=models.CASCADE, null=True,blank=True, default=None)

time_create = models.DateTimeField(auto_now_add=True, verbose_name="Добавлено")

time_update = models.DateTimeField(auto_now=True, verbose_name="Изменено")

def _str_(self):

return self.title_system

def get_absolute_url(self):

return reverse('systemDetailView', args=[str(self.id)])

class Meta:

verbose_name = 'Система Stewart Platform'

verbose_name_plural = 'Системы Stewart Platform'

class law_for_platform(models.Model):

law_type_plat = models.CharField('Наименование типа закона', max_length=50)

amplitude = models.IntegerField('Амплитуда закона от 0 до 100')

coordinates_t = models.JSONField('Координаты и параметры для платформы')

author = models.ForeignKey(User, related_name='law_for_platform_wave_user_created',

verbose_name='Пользователь', on_delete=models.CASCADE, null=True,

blank=True, default=None)

time_create = models.DateTimeField(auto_now_add=True, verbose_name="Добавлено") 

time_update = models.DateTimeField(auto_now=True, verbose_name="Изменено")

def _str_(self):

return self.law_type_plat

def get_absolute_url(self):

return reverse('LawDetailView', args=[str(self.id)])

class Meta:

verbose_name = 'Закон движения для базового модуля'

verbose_name_plural = 'Законы движения для базового модуля'

class stewart_platform(models.Model):

system_stewart_platform = models.ForeignKey(system_stewart_platform, verbose_name='Система', on_delete=models.CASCADE)

law_type = models.ForeignKey(law_for_platform, verbose_name='Закон движения платформы', on_delete=models.CASCADE)

title_platform = models.CharField('Наименование базового модуля', max_length=50)

discription_platform = models.CharField('Описание базового модуля', max_length=500)

ip_adress = models.GenericIPAddressField('IP адрес', protocol='both', unpack_ipv4=False)

port_platform = models.PositiveSmallIntegerField('Порт подключения', default=0)

position_x_in_matrix = models.IntegerField('Позиция базового модуля по оси х')

position_y_in_matrix = models.IntegerField('Позиция базового модуля по оси у')

author = models.ForeignKey(User, related_name='stewart_platform_user_created',

verbose_name=u'Пользователь', on_delete=models.CASCADE, null=True,blank=True, default=None)

time_create = models.DateTimeField(auto_now_add=True, verbose_name="Добавлено")

time_update = models.DateTimeField(auto_now=True, verbose_name="Изменено")

def _str_(self):

return self.title_platform

def get_absolute_url(self):

return reverse('platformDetailView', args=[str(self.id)])

class Meta:

verbose_name = 'Базовый модуль'

verbose_name_plural = 'Базовые модули'

С помощью команды в терминале «python manage.py createsuperuser» создаем учетную запись администратора, назначаем логин и пароль. Проводим миграции с помощью команд в терминале: «python manage.py makemigrations» и «python manage.py migrate» и регистрируем ее в панели администратора в файле admin.py:

from django.contrib import admin
from .models import system_stewart_platform, stewart_platform, law_for_platform

admin.site.register(system_stewart_platform)
admin.site.register(stewart_platform)
admin.site.register(law_for_platform)

Наполним базу данных информацией, заполнив таблицы система Stewart platform, базовый модуль Stewart platform и закон движения, например, через панель администратора или используя команды в терминале. Проверим корректность наполнения базы данных в PostgreSQL, сделав SELECT запрос (рис.3) [3].

Рис. 3. Проверка базы данных в PostgreSQL

Реализация CRUD в проекте. CRUD — акроним, обозначающий четыре базовые функции, используемые при работе с базами данных: создание (create), чтение (read), модификация (update), удаление (delete). В данном проекте реализована возможность добавления, редактирования, удаления и просмотра систем Stewart platform, базового модуля Stewart platform и закона движения Stewart platform. Реализованы формы для добавления и редактирования, а также возможности удаления экземпляров. Пользователь видит на сайте все объекты, а также отдельные страницы каждого экземпляра. Для реализации CRUD в проекте принято решение воспользоваться встроенными в Django модулями ListView, DetailView, CreateView, UpdateView, DeleteView. На первом этапе необходимо импортировать модули в файл views.py. Используем классовый подход создания views, а не функционально – ориентированный. Модуль reverse_lazy нужен для переадресации на нужную нам страницу после добавления экземпляра в базу данных.

Для того, чтобы просматривать, добавлять, изменять и удалять данные из базы данных могли только авторизованные пользователи создадим класс LoginRequiredMixin и воспользуемся методом декоратором @method_decorator(login_required). Таким образом код во view.py будет выглядеть следующим образом:

from .models import *

from django.views.generic import ListView, DetailView

from django.views.generic.edit import CreateView, UpdateView, DeleteView

from django.urls import reverse_lazy

from django.contrib.auth.decorators import login_required

from django.utils.decorators import method_decorator

class LoginRequiredMixin(object):

@method_decorator(login_required)

def dispatch(self, *args, **kwargs):

return super(LoginRequiredMixin, self).dispatch(*args, **kwargs)

class systemListView(LoginRequiredMixin, ListView):

model = system_stewart_platform

template_name = "systemStewartPlatform/system/systemListView.html"

class systemDetailView(LoginRequiredMixin, DetailView):

model = system_stewart_platform

template_name = "systemStewartPlatform/system/systemDetailView.html"

class systemCreateView(LoginRequiredMixin, CreateView):

model = system_stewart_platform

template_name = 'systemStewartPlatform/system/systemCreateView.html'

fields = ['title_system', 'discription_system', 'law_type_system', 'x_max_matrix', 'y_max_matrix', 'author']

class systemEditView(LoginRequiredMixin, UpdateView):

model = system_stewart_platform

template_name = 'systemStewartPlatform/system/systemEditView.html'

fields = ['title_system', 'discription_system', 'law_type_system', 'x_max_matrix', 'y_max_matrix', 'author']

class systemDeleteView(LoginRequiredMixin, DeleteView):

model = system_stewart_platform

template_name = 'systemStewartPlatform/system/systemDeleteView.html'

success_url = reverse_lazy('home')

class platformListView(LoginRequiredMixin, ListView):

model = stewart_platform

template_name = "systemStewartPlatform/platform/platformListView.html"

class platformDetailView(LoginRequiredMixin, DetailView):

model = stewart_platform

template_name = "systemStewartPlatform/platform/platformDetailView.html"

class platformCreateView(LoginRequiredMixin, CreateView):

model = stewart_platform

template_name = 'systemStewartPlatform/platform/platformCreateView.html'

fields = ['system_stewart_platform', 'law_type', 'title_platform', 'discription_platform', 'ip_adress', 'port_platform', 'position_x_in_matrix',

'position_y_in_matrix', 'author']

class platformEditView(LoginRequiredMixin, UpdateView):

model = stewart_platform

template_name = 'systemStewartPlatform/platform/platformEditView.html'

fields = ['system_stewart_platform', 'law_type', 'title_platform', 'discription_platform', 'ip_adress', 'port_platform', 'position_x_in_matrix',

'position_y_in_matrix', 'author']

class platformDeleteView(LoginRequiredMixin, DeleteView):

model = stewart_platform

template_name = 'systemStewartPlatform/platform/platformDeleteView.html'

success_url = reverse_lazy('home')

class LawListView(LoginRequiredMixin, ListView):

model = law_for_platform

template_name = "systemStewartPlatform/law/LawListView.html"

class LawDetailView(LoginRequiredMixin, DetailView):

model = law_for_platform

template_name = "systemStewartPlatform/law/LawDetailView.html"

class LawCreateView(LoginRequiredMixin, CreateView):

model = law_for_platform

template_name = 'systemStewartPlatform/law/LawCreateView.html'

fields = ['law_type_plat', 'amplitude', 'coordinates_t', 'author']

class LawEditView(LoginRequiredMixin, UpdateView):

model = law_for_platform

template_name = 'systemStewartPlatform/law/LawEditView.html'

fields = ['law_type_plat', 'amplitude', 'coordinates_t', 'author']

class LawDeleteView(LoginRequiredMixin, DeleteView):

model = law_for_platform

template_name = 'systemStewartPlatform/law/LawDeleteView.html'

success_url = reverse_lazy('home')

Затем для каждого созданного нами нового представления необходимо прописать маршруты в urls.py:

from django.urls import path

from .views import *

urlpatterns = [

path('systemListView', systemListView.as_view(), name='systemListView'),

path('systemDetailView/<int:pk>/', systemDetailView.as_view(), name='systemDetailView'),

path('systemNewView', systemCreateView.as_view(), name='systemCreateView'),

path('systemDetailView/<int:pk>/edit/', systemEditView.as_view(), name='systemEditView'),

path('systemDeleteView/<int:pk>/delete/', systemDeleteView.as_view(), name='systemDeleteView'),

path('platformListView', platformListView.as_view(), name='platformListView'),

path('platformDetailView/<int:pk>/', platformDetailView.as_view(), name='platformDetailView'),

path('platformNewView', platformCreateView.as_view(), name='platformCreateView'),

path('platformDetailView/<int:pk>/edit/', platformEditView.as_view(), name='platformEditView'),

path('platformDeleteView/<int:pk>/delete/', platformDeleteView.as_view(), name='platformDeleteView'),

path('LawListView', LawListView.as_view(), name='LawListView'),

path('LawDetailView/<int:pk>/', LawDetailView.as_view(), name='LawDetailView'),

path('LawNewView', LawCreateView.as_view(), name='LawCreateView'),

path('LawDetailView/<int:pk>/edit/', LawEditView.as_view(), name='LawEditView'),

path('LawDeleteView/<int:pk>/delete/', LawDeleteView.as_view(), name='LawDeleteView'),]

Также для каждого созданного маршрута и представления необходимо создать шаблон html, который будет отображаться на сайте при переходе по адресу страницы.

Для проверки работы CRUD запустим тестовый сервер (рис.4).

Рис. 4. Интерфейс WEB-конструктора с реализованными функциями CRUD

Реализация REST API в проекте. В системах, реализующих доступ к базе данных через API в стиле REST, функции CRUD реализуются зачастую через HTTP-методы PUT, POST, GET, PATCH, DELETE.

API (Application Programming Interface) – это программный интерфейс. Он обеспечивает взаимодействие двух программ между собой и позволяет встраивать контент с любого сайта. Основной задачей API является создание связи между двумя приложениями. API позволяет отправлять запросы на передачу или получение информации. Взаимодействие осуществляется через JSON, а данные получаем в приложениях с помощью API - запросов. API - запрос включает в себя 4 компонента: endpoint (точка приема запроса), header (заголовок), method (метод) и data (данные). После вызова всех компонентов мы можем построить API - запрос [4].

Для реализации REST API в проекте необходимо установить модуль djangorestframework. Затем создать новое отдельное приложение в нашем проекте используя команду «python manage.py startapp LawAPI».

В файл setting.py в INSTALLED_APPS необходимо добавить созданное нами новое приложение, а также «rest_framework». Создадим новый словарь в файле настроек для задания необходимых нам параметров djangorestframework:

REST_FRAMEWORK = {

'DEFAULT_PAGINATION_CLASS': 'rest_framework.pagination.LimitOffsetPagination',

'PAGE_SIZE': 2,

'DEFAULT_PERMISSION_CLASSES': ['rest_framework.permissions.IsAuthenticated']}

Создадим файл serialazers.py, в котором создадим сериалайзер для наших моделей:

from rest_framework import serializers

from systemStewartPlatform.models import *

class systemSerializer(serializers.ModelSerializer):

author = serializers.HiddenField(default = serializers.CurrentUserDefault())

class Meta:

model = system_stewart_platform

fields = '__all__'

class platformSerializer(serializers.ModelSerializer):

author = serializers.HiddenField(default = serializers.CurrentUserDefault())

class Meta:

model = stewart_platform

fields = '__all__'

class lawSerializer(serializers.ModelSerializer):

author = serializers.HiddenField(default = serializers.CurrentUserDefault())

class Meta:

model = law_for_platform

fields = '__all__'

Затем создадим представления в файле views.py, где укажем queryset и serializer_class:

from rest_framework.permissions import IsAuthenticated

from rest_framework.viewsets import ModelViewSet

from lawAPI.serializers import *

from systemStewartPlatform.models import *

class systemViewSet(ModelViewSet):

queryset = system_stewart_platform.objects.all()

serializer_class = systemSerializer

class platformViewSet(ModelViewSet):

queryset = stewart_platform.objects.all()

serializer_class = platformSerializer

class lawViewSet(ModelViewSet):

queryset = law_for_platform.objects.all()

serializer_class = lawSerializer

В файле urls.py пропишем маршруты используя модуль djangorestframework routers:

from rest_framework import routers

from lawAPI.views import *

router = routers.SimpleRouter()

router.register(r'system', systemViewSet)

router.register(r'platform', platformViewSet)

router.register(r'law', lawViewSet)

Реализованный функционал REST API продемонстрирован на рисунке 5.

Рис. 5. REST API

Заключение. В работе разработан проект WEB-конструктора для построения динамической системы, позволяющей моделировать сложные поверхности, которые формируются с помощью множества Stewart – платформ. Настроен Фреймворк Django, спроектирована база данных. Для реализации возможности добавления, редактирования, удаления и просмотра базы данных с сайта реализован CRUD с использованием форм и REST API. Экспериментальная проверка, запущенного локально сервера сайта в отладочном режиме демонстрирует правильную работу разработанного функционала.

About the authors

Aleksey Viktorovich Grafkin

Email: lvg_alex@mail.ru

Associate professor, department of information systems security

Evgeniy Nikolaevich Mylnikov

Author for correspondence.
Email: mylnikov.yevgeniy@gmail.com
Russian Federation

Denis Ivanovich Ponamarenko

Email: maestrodark@icloud.com
Russian Federation

References

Supplementary files