Міністерство освіти України
Національний університет "Львівська політехніка"
Кафедра "Електропривод та автоматизація промислових установок"
КОРОТКИЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ
з дисципліни
"Бортові інформаційні та навігаційні системи транспортних засобів"
Для студентів напрямку 7.092201 – "Електричні системи та комплекси транспортних засобів"
Склав: доц. В. Мороз
Львів – 2004
Мета і завдання дисципліни, її місце в навчальному процесі
МЕТА ВИКЛАДАННЯ ДИСЦИПЛІНИ
Курс "Бортові інформаційні та навігаційні системи транспортних засобів" входить у комплекс спеціальних дисциплін, які є основою для інженерного напрямку 7.092201 "Електричні системи та комплекси транспортних засобів". У результаті вивчення даного курсу студенти отримають знання про будову і сучасні підходи до створення бортових комп’ютерних інформаційних і навігаційних систем сучасних транспортних засобів.
ЗАВДАННЯ ВИВЧЕННЯ ДИСЦИПЛІНИ
У результаті вивчення дисципліни фахівець повинен знати:
будову і практичну реалізацію комп’ютерних бортових систем;
будову давачів, пристроїв перетворення сигналів і способи введення інформації в бортові системи;
основи теорії дискретних систем керування;
принципи побудови і технічної реалізації супутникових навігаційних систем;
структуру і принципи побудови приймальних пристроїв навігаційних систем.
Підготований фахівець повинен:
знати будову і практичну реалізацію комп’ютерних бортових систем;
вміти здійснити пошук необхідної інформації в мережі Internet;
знати принципи побудови супутникових навігаційних систем;
знати структуру і принципи побудови приймальних пристроїв навігаційних систем;
знати будову давачів, пристроїв перетворення сигналів і способи введення інформації в бортові системи;
вміти виконати експрес-діагностику бортової системи;
знати основи теорії дискретних систем керування.
(2 год.)
Вступна лекція. Основні відомості про навчальний курс
Питання: Загальна характеристика інформаційних і навігаційних бортових систем транспортних засобів. Сучасні тенденції у розробці та використанні комп’ютерних бортових систем. Бортові системи сучасних транспортних засобів.
Сучасний автомобіль, особливо, відомих західних чи японських фірм, неможливо зараз уявити без електронних засобів керування і контролю. Більшість з них базуються на спеціалізованих процесорах і мікроконтролерах. Як приклад можна навести сигнальні процесори фірми Analog Device, що мають вбудовані АЦП, ЦАП, виходи для керування широтно-імпульсними перетворювачами (ШІП), достатній для більшості застосувань обсяг внутрішньої постійної перепрограмованої та оперативної пам'яті, широке застосування завдяки низькій вартості та широким функціональним можливостям отримали мікроконтролери серії PIC фірми MicroChip.
Однією з тенденцій є застосування у бортових системах портативних персональних комп'ютерів (як приклад можна назвати ПК типу Palm Pilot і Pocket PC). Відповідним чином на таку тенденцію відгукнулися і розробники програмного забезпечення – прикладом є розробка фірмою Microsoft операційної системи для компактних ПК Windows CE.
Застосування компактних ПК дозволило використати нові інтелектуальні закони керування (про них у наступних лекціях), які принципово неможливо реалізувати на старій елементній базі – прикладом може бути бортова супутникова навігаційна система, робота якої неможлива без складних математичних обчислень.
Електроніка продовжує революціонізувати автомобіль. Сьогодні вона застосовується, щоб підвищити безпеку і зробити водіння приємнішим. "Розумна машина" майбутнього допоможе водію краще розуміти навколишнє оточення та орієнтуватися в ньому; вона також братиме участь в ухваленні рішень, не знімаючи з водія всієї повноти відповідальності за автомобіль.
При русі за маршрутом машина завдяки спеціальним сигналам зможе отримувати інформацію про стан поверхні дороги, наявні перешкоди, інтенсивність руху транспорту, погоду, будівельні роботи, що ведуться, рекомендовану швидкість, події, про наближення з'їздів зі шосе, а також інші необхідні відомості.
Обладнані однаковими електронними системами автомобілі передаватимуть один одному дані про зміну швидкості, положення, зміну напрямку та інші наміри водія.
Повністю автономні електронні новинки:
Інтелектуальний контроль швидкості допомагає водію триматися на безпечній відстані від інших машин на дорозі.
Сигнали тривоги при перетині білих ліній. Електронна система попереджає водія про неправильний напрям руху і виправляє курс за відсутності необхідної реакції (наприклад, якщо водій заснув).
Виявлення перешкод. Електроніка попереджає про небезпеки і перешкоди поблизу автомобіля і повідомляє водія про неможливість виконати ті чи інші маневри, наприклад, під час проходженні перехрестя або зміні смуги руху.
Покращення видимості в нічний час. Зображення дороги, яке записане інфрачервоною камерою, проектується на екран і дозволяє водію поліпшити огляд дороги в темний час доби.
Всі ці функції досконально вивчалися в рамках здійснюваної з 1987 по 1994 роки програми "Прометей" (Prometheus), в якій брали участь всі основні автомобілебудівники Європи.
Fotos: BMW, F. Muller-Seewald
Електроніка в автомобілі – справа звична. А втім прогрес не стоїть на місці – можливими стають принципово нові послуги. Чи досить "визріли" подібні технології, щоб називатися інтелектуальними?
Фрази типу "штучний інтелект", "віртуальна реальність", "революційна технологія" все частіше звучать у заголовках преси і на екранах телевізорів. Безліч чуток про "всюдисущі" комп'ютери і мало не штучний інтелект торкаються і найновіших моделей авто. Що ж таке комп'ютер в автомобілі: чергова красива фраза чи неминуча реальність?
Принадні можливості
Ідея інтелектуального автомобіля, звичайно ж, не нова. Проте послуги телематики (об'єднання комунікаційних технологій з технологіями обробки даних) все ще є на етапі зародження. Їх розвитку, з одного боку, перешкоджає прагнення виробників максимально знизити витрати на виробництво самих автомобілів, а з другого – небажання споживача платити (а новинки завжди коштують недешево) за нечітко сформульовані послуги.
Тим часом, прогнози на адресу телематичних систем звучать найоптимістичніше. Згідно дослідженням Telematics Research Group, до 2006 року телематичні системи будуть встановлені майже на третині всіх автомобілів, що продаються. А прогнози аналітичної компанії Forrester Research вражають ще більше: до 2006 року подібними терміналами повинно бути обладнано близько 80% від загального числа всіх нових машин. Такі прогнози не могли залишитися непоміченими і для гігантів автомобілебудування, і для найбільших IT-компаній, що виявляють цікавість до перспективних розробок.
Оновлена концепція
Високі швидкості руху на сучасних автомагістралях вимагають від водія максимальної концентрації уваги, і без допомоги електроніки йому було б просто не впоратися з тією величезною кількістю інформації, що поступає зі всіляких давачів. Необхідність "ручного" керування всіма системами сучасного пасажирського авіалайнера у будь-якого пілота викликала б не те що подив, а навіть жах. І це при тому, що сучасні автомобілі за кількістю різноманітної електронної начинки можуть цілком конкурувати зі сучасними винищувачами. У результаті, зі збільшенням густини машин на дорогах і ускладненням самих авто все більше доводиться покладатися на електронний інтелект, що стежить за станом механізмів, ситуацією на дорозі і, зрештою, безпекою найдорожчого "вузла" – людини.
Від упровадження електроніки виграє не тільки водій. Численні давачі та мікропроцесори вбудовані у величезну кількість вузлів сучасних авто. Під їх владою знаходяться не тільки кондиціонери і охоронна сигналізація. Чіпи керують навіть серцем машини – двигуном. При в'їзді в автомайстерню всі необхідні дані про технічний стан вузлів можуть бути прочитані безпосередньо з пам'яті давачів, що відповідають за той чи інший параметр. Це дозволяє за лічені секунди локалізувати несправність або виконати своєчасну заміну деталі, що зносилася. У майбутньому подібна діагностика зможе здійснюватися і з використанням засобів бездротового зв'язку.
iDrive: нова простота
Ключові елементи концепції автомобіля майбутнього зручно розглянути на прикладі представлених нових автомобілів BMW сьомої серії. Для полегшення процесу взаємодії водія та машини в новому сімействі авто застосована технологія iDrive. В рамках цієї концепції керування майже 700 різними функціями розділене на три рівні, залежно від частоти використовування і важливості під час руху.
За допомогою одного контролера (вгорі справа) в сьомій моделі BMW здійснюється доступ до більш, ніж 700 функцій, серед яких інформація навігаційної системи і Web-додатку
Щиток приладів, в якому домінуюче місце займають спідометр і тахометр, поданий як багатофункціональний інформаційний дисплей. Механічні стрілкові прилади в ньому скомбіновані з рідкокристалічним дисплеєм, що виводить інформацію в чіткому зображенні і високій інформаційній насиченості. При цьому водій може сам вибрати, яку інформацію він хоче отримувати на додаток до індикації швидкості та обертів двигуна. На шкалах приладів залежно від ситуації з'являються різні попередження і, якщо автомобіль укомплектований відповідними системами, елементи графічної індикації навігаційної системи і активного круїз-контролю (АСС). Можливе також виведення індивідуально вибраних повідомлень бортового комп'ютера.
Одна з найважливіших особливостей нової концепції індикації та керування різними системами в 7-й серії BMW – можливість вибору численних функцій за допомогою контролера і контрольного дисплея. Контролер є оригінальним органом керування, який розташований праворуч від водія (див. фото). Керування ним більше нагадує роботу з джойстиком – контролер можна зміщувати вперед, назад, вліво і праворуч, по діагоналях, обертати і натискати, що дозволяє вибирати позиції меню і підтверджувати їх вибір.
Залежно від поточної ситуації потрібний вид освітлення вибирається автоматично. Можливе і освітлення поворотів ще до в'їзду на них самого автомобіля
Наявність контрольного дисплея зручна не тільки для візуалізації переміщення в меню. Дисплей дає водію можливість користуватися системою сигналізації аварійного зближення під час паркування (PDC), яка виявляється просто незамінною в умовах сучасних густонаселених міст.
Завдяки вимірюванню відстаней до перешкод за допомогою ультразвуку, система може подавати звукові сигнали за досягнення аварійно небезпечних дистанцій. На контрольному ж дисплеї водію показується вид на автомобіль згори з вказівкою контрольованих зон і знайдених перешкод. З такою "картою місцевості" не важко безпечно припаркувати автомобіль навіть у темний час доби. Відпадає і необхідність в "неприродних" рухах голови, що загрожують ушкодженням шийних хребців.
Застосування візуальної індикації, яка активізується раніше звукової, дозволяє також визначити швидкість зближення, характер перешкоди і передбачувану "зону контакту". Контрольована область складає 1,5 метри спереду і 2 позаду.
Майбутнє – в мережі
Місце водія в BMW 2005 року: один дисплей на всі випадки
Всі електронні системи в автомобілі пов'язані між собою, адже від узгодженості їх роботи залежить і ефективність всієї системи в цілому. Проте в мережі об'єднуються не лише окремі вузли. Виникає і потреба у зв'язку зі зовнішнім світом.
Для сьомої серії автомобілів BMW це питання вже вирішене: разом з нею на ринок виходить і сервісна система BMW Assist. Необхідну інформацію та сервісні послуги водію надає мобільний Internet-портал, що входить в її склад . Система працює на основі мережі мобільного зв'язку і включає такі послуги, як автоматичний екстрений виклик у разі аварії, виклик технічної допомоги, надання дорожньої інформації і різних довідок по руху в масштабі реального часу.
У Німеччині вже існує і зворотна передача даних, у якій необхідні адреси і телефони, наприклад заправних станцій, готелів або театрів, можуть бути передані з центру обробки викликів (Call Center) BMW в навігаційну систему або на телефон рухомого автомобіля. Користувачу також надається поштова скринька для повідомлень електронної пошти з надходженням сповіщення на мобільний телефон, можливість отримання виду місцевості з висоти пташиного польоту, гід містом, світові новини, біржові курси і фінансові послуги ВМW. У найближчому майбутньому вибір інформації і послуг буде можливий і за допомогою голосових команд, що дозволить водію повністю сконцентрувати свою увагу на дорозі.
Активні дослідження у області надання сервісних функцій через мережу ведуться не лише в Європі. Японські компанії NTT DoCoMo і Honda заявили про плани створення до кінця 2002 року наступного покоління навігаційних систем, що підключаються до телекомунікаційних мереж. Вже сьогодні система Honda "Internavi" дозволяє підключатися до Internet і отримувати інформацію з сайту компанії про адреси технічних служб і пунктів харчування, здійснювати вибір оптимального маршруту, який тут же відображається на дисплеї. А спільно з Nissan Motor до 2003 року NTT планує запустити послугу надання водіям інформації про інтенсивність руху, погоду, місцях для паркування і скупченнях.
Обладнувати свої автомобілі системою допомоги постраждалим під час аварії починає і компанія Volvo. Нова система Volvo On Call автоматично включається під час спрацьовування подушок безпеки або аварійного натягу ременів. Використовуючи канали стільникового зв'язку, вона посилає сигнал біди і координати місцеположення автомобіля, зафіксовані вбудованою GPS-системою, на пульт служби безпеки Volvo On Call. Отримавши сигнал біди, оператор служби зв'язується з водієм потерпілого аварію автомобіля для з'ясування ситуації. За відсутності відповіді на місце аварії тут же висилається спеціальна рятувальна група. За аналогією з авіаційними системами сервіс Volvo On Call допускає й існування "чорної скриньки", в якій зберігаються координати автомобіля навіть за пошкодження самої системи навігації.
Під керуванням електроніки
Низка автомобільних компаній сьогодні розробляє і так названу модель інтелектуального автомобіля. Вона включає системи, покликані знизити фізичну втому водіїв, наслідком якої все частіше стають аварії та нещасні випадки. Для забезпечення безпечної їзди виробники автомобілів звертаються до технологій, які подібні до лазерного "радару" і комп'ютерного зору.
Багатофункціональне кермо дозволить завжди мати всі необхідні функції напохваті
Інфрачервоний радарний пристрій, встановлений на бампері автомобіля від Toyota, стежить за дорогою попереду машини і може автоматично знижувати або збільшувати швидкість для збереження необхідної дистанції при русі.
А Subaru представила версію Legacy wagon з додатковою функцією Active Driving Assist. Окрім контролю за швидкістю автомобіля, ця система подає сигнал тривоги у випадку, якщо він виїхав за межі своєї смуги або дуже різко став повертати. На повороті швидкість знижується автоматично, не чекаючи реакції водія.
Інтелектуальний помічник водія Honda Intellegent Driver Support "бачить" дорогу за допомогою невеликої відеокамери, встановленої на передньому склі. Це дає комп'ютеру можливість виявити лінії дорожньої розмітки і в потрібний момент самостійно повернути кермо в потрібному напрямі.
Погляд збоку
Наївно було би вважати, що своє бачення автомобіля майбутнього є виключно у гігантів автомобілебудування. Подібні питання розбурхують уяву і компаній-виробників різного електронного устаткування, що зайнялися розробками систем телематики у сподіванні на отримання колосальних прибутків.
Прототип центрального блоку управління. Концепція подібного поворотного маніпулятора вже включена в сьому модель автомобіля BMW
Так, Microsoft зробила спробу виходу на ринок вбудованого програмного забезпечення для автомобілів. Під управлінням її ОС Windows CE в новітніх автомобілях BMW сьомої серії працює бортовий комп'ютер – навігаційна система Siemens VDO Automotive AG. Спільно з консалтинговою компанією Accenture планується також побудова автомобільних телематичних систем на базі Windows CE і технології Car.Net. Мета проекту – забезпечення взаємодії між різними електронними пристроями, зокрема мобільними телефонами і КПК, і автомобільними комп'ютерами. Нова технологія Microsoft Car.Net повинна бути сумісна з відкритими стандартами, а для зв'язку з різноманітними системами і забезпечення максимальної сумісності передбачається використовувати XML.
Зацікавилися телематичними системами й інші великі компанії. Sun Microsystems, наприклад, вже має домовленості з такими автомобільними гігантами, як General Motors (про впровадження в автомобілях електронних систем з підтримкою Java) і Ford.
Цікавий "джентльменський набір" представила тайванська компанія Hamg Shing Industry. Її інтелектуальна комунікаційна система для автомобіля з використанням персонального автомобільного помічника (PVA, Personal Vehicle Assistant), GSM- і GPS-технологій дозволяє користуватися телефонним зв'язком і записником. Голосові команди відкривають доступ до інформації про положення на дорозі, заголовків новин і прогнозу погоди, дозволяють вибрати маршрут руху. У разі аварії система автоматично сповістить працівників оперативних служб.
Визначити положення будь-якого автомобіля з точністю до кутової хвилини допоможе бездротова система SecuraTrak Pro, робота якої базується на системі GPS. Дані про положення користувача і пройдений маршрут відправляються на мобільний телефон. Щомісячна платня за подібне "задоволення" – близько $10.
А ось проект DriverSMS австралійської компанії WAM Communications Group у протилежність іншим є повністю безкоштовним для водіїв. Він дозволяє всім власникам транспортних засобів відправляти один одному короткі повідомлення на мобільний телефон за реєстраційними номерами автомобіля. Правда, для користування послугою потрібно заздалегідь зареєструвати номер автомобіля та мобільного телефону.
Замок запалювання на ПК: сервісна інформація, записана на ключі, може бути прочитана в автомайстерні
Над проблемою бездротових комунікацій між водіями працює і Nokia. Представлена компанією платформа складається з програмного шлюзу, GSM-пристрою і середовища для розробки додатків і використовуватиме бездротову технологію зв'язку автомобіль-автомобіль (M2M). Розробка подібної системи цілком виправдана. В ході власного дослідження аналітики компанії дійшли висновку, що кількість M2M-соединений до 2005 року повинна перевищити 100 млн.
Вітчизняні розробки
Як же йдуть справи з інтелектуальними автомобілями у нас? Невже Україна у котрий раз очолить список країн, де нові технології впроваджуються в останню чергу?
Досягнення вітчизняних розробників у даній області не такі фантастичні, проте спроби йти "в ногу з часом" все ж таки робляться. Зокрема, представлені і автомобільні навігаційні системи (незважаючи на дефіцит електронної картографічної інформації про територію колишнього СРСР), і інтелектуальні охоронні системи, що здатні за необхідності автоматично сповіщати власника мобільним телефоном (за допомогою SMS), факсу або електронній пошті.
До перших належить навігаційна система від київської компанії "Вектор". Її основою є мобільний ПК, який адаптований до умов підвищеної вібрації і працює в парі з GPS-приймачем.
Що стосується охоронних систем, то в цьому напрямку українські розробники просунулися далі. Так, система виявлення і супроводу мобільних об'єктів "Супутник" забезпечує постановку автомобіля на охорону, сигналізацію про спробу викрадення, визначення координат викраденого автомобіля та відображення його положення на карті. Можливий також супровід автомобіля і забезпечення зв'язку з ним.
А рішення GMS-2000 від компанії "GPS Ukraine" у разі спрацьовування сигналізації здатне відправити відповідне повідомлення разом з координатами автомобіля в диспетчерський пункт GPS Ukraine і на мобільний телефон власника. Після цього можливе дистанційне блокування двигуна (миттєво або поступово) або супровід автомобіля. У плани розробників входить також надання систем для вирішення задач дорожньої навігації – об'їзду скупчень і вибору оптимального маршруту.
Час нових технологій
Як бачимо, застосування комп'ютерів в автомобілі не просто перспективне. Телематичні системи вже чекають своїх споживачів і здатні надати додаткової надійності та комфорту. Електроніка не просто проникає у всі куточки сучасного автомобіля. Вона вже є його невід'ємною функціональною частиною, від якої на даний час залежить не тільки робота машини, але і, на жаль, людське життя. А може і на щастя: адже, як відомо, комп'ютер – річ ненадійна, проте людина ще ненадійніша.
Що стосується самих систем телематики, то тут всі аналітики сходяться на одному – великому майбутньому цих перспективних систем бути! Питання лише в тому, коли…
(6 год.)
Периферійні пристрої бортових систем
Питання: Пристрої отримання інформації, давачі. Пристрої перетворення аналогової та цифрової інформації. Введення інформації в бортову систему: способи введення інформації через стандартні зовнішні порти комп'ютера.
Для роботи бортової комп'ютерної системи необхідна наявність сигналів про стан як самого транспортного засобу, так і необхідна додаткова інформація про стан дороги, кліматичних умов тощо. Таку інформацію надають відповідні давачі.
Рис. 2.1. Встановлення плати введення/виведення в ПК
Особливістю застосування спеціальної системної шини (наприклад, донедавна стандартної шини ISA) для підмикання периферійних пристроїв є велика швидкість обміну і відносна простота побудови такої системи.
(8 год.)
Теоретичні основи побудови дискретних систем
Питання: Дискретне перетворення сигналів: дискретизація за часом і квантування за рівнем, похибки дискретних систем, математичний опис. Застосування Z-перетворення для опису дискретних систем керування. Основи синтезу цифрових регуляторів: використання різних підходів для побудови регуляторів. Елементарні цифрові регулятори.
Для розуміння процесів, що відбуваються в бортових комп'ютерних системах, слід докладно розібратися в процесах перетворення та обробки сигналів, що відбуваються в таких системах. Їх особливістю є наявність двох процесів квантування (дискретизації):
за часом (або дискретизація в часі);
за рівнем (квантування за рівнем).
Кожен з цих процесів є нелінійною операцією, що призводить до певних наслідків. Часова дискретизація зумовлює обмеження смуги пропускання системи (див. далі теорему відліків) і внесення в систему півперіодного часового запізнення (описано нижче). Квантування за рівнем знижує точність системи і викликає появу незатухаючих автоколивань малої амплітуди у системі, зменшити вплив яких можна збільшенням розрядності квантуючого пристрою.
Рис. 3.1. Часова дискретизація сигналу в цифровій системі
Частота квантування в системі керування з бортовим комп'ютером вибирається згідно з теоремою відліків, яка стверджує: в імпульсній системі для передачі спектру з максимальною частотою fmax частота квантування f0 повинна принаймні вдвічі її перевищувати, тобто, f0 ≥ 2 fmax . У реальних системах частота квантування перевищує не менше, ніж у 6-7 разів найвищу робочу, звичайно ж цей показник складає 10-15 разів.
Рис. 3.2. Амплітудне квантування сигналу в цифровій системі
Наявність амплітудної дискретизації призводить до появи автоколивань у замкненій системі регулювання через наявність зон з релейною характеристикою і зон нечутливості. Амплітуду таких коливань можна зменшити до необхідного рівня збільшенням розрядності системи, зокрема, збільшенням розрядності АЦП і ЦАП.
Однією з основних проблем із застосуванням Z-перетворення є отримання дискретної передатної функції W(z), яка описує систему керування. Вирішення цієї проблеми розглядається далі.
Після отримання дискретної передатної функції постає задача знаходження вихідного сигналу в часовій області y(t). Найзручнішою процедурою для розв’язування такої задачі за допомогою комп’ютерної техніки є отримання рекурентної формули, за допомогою якої можна обчислювати послідовні значення шуканої вихідної функції. Як це зробити, показано нижче.
Нехай для певної неперервної передатної функції W(s) шляхом аналітичних перетворень отримано дискретну передатну функцію W(z):
для n ( m .
З дискретної передатної функції для моменту часу ti отримуємо
;
після чого ділимо почленно на zn
.
Враховуючи теорему зміщення для Z-перетворення отримуємо
,
звідки знаходимо остаточний вираз
.
Наприклад: .
Для моменту часу ti отримуємо ,
далі почленно ділимо на z2:
( ;
звідки .
Великою цінністю Z-перетворення є те, що з його допомогою, як і за допомогою перетворення Лапласа, для відомого вхідного сигналу і для лінійної системи можна отримати аналітично точний розв’язок для вихідного сигналу. На жаль, така ситуація в реальній інженерній практиці трапляється рідко (один з винятків становить, як вже згадувалося вище, знаходження перехідної характеристики лінійної системи – відгуку на одиничний стрибкоподібний імпульс, який має аналітичне відображення для Z-перетворення), тому що в складних системах зі зворотними зв’язками вхідні сигнали внутрішніх блоків часто є сумою сигналів з виходів попередніх блоків та зворотних зв’язків. У такому випадку практично неможливо отримати аналітичний вираз перетворення Лапласа для вхідного сигналу окремого блока чи системи, тому реально доводиться застосовувати процедури перетворення вхідного сигналу – його апроксимації простішими функціями, для яких існує перетворення Лапласа (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Побудова дискретної моделі
Слід зауважити, що розуміння необхідності процесу перетворення (чи апроксимації) вхідного сигналу та фізичного змісту такого процесу в Z-перетворенні є нетривіальною задачею. На допомогу може прийти усвідомлення того, що знаходження вихідного сигналу системи за допомогою Z-перетворення є аналітичним процесом, як і перетворення Лапласа.
Якщо неможливо отримати аналітичний вираз для сигналу на вході досліджуваного блоку, на допомогу приходять пристрої, які в теорії автоматичного керування називаються фіксаторами, – на даному проміжку довжиною ( вони виконують апроксимацію (фіксацію) довільного вхідного сигналу шматками поліномів невисокого порядку (зазвичай, не вище першого). У такому разі аналітичним описом вхідного сигналу стає передатна функція відповідного фіксатора. Щоправда, в такому разі цей опис є наближеним, бо поліноміальна апроксимація для довільної кривої виконується лише з певною точністю (наближенням).
Найчастіше для синтезу цифрових регуляторів використовуються два види апроксимації вхідного сигналу (апроксимації вищого порядку є значно складнішими і практично не застосовуються):
за допомогою полінома нульового порядку (апроксимація прямокутниками) – цій апроксимації відповідає фіксатор нульового порядку (рис. 3.4, а), який має передатну функцію ;
за допомогою полінома першого порядку (апроксимація трапеціями) – цій апроксимації відповідає фіксатор першого порядку (рис. 3.4, б), який має передатну функцію .
а) прямокутниками б) трапеціями
Рис. 3.4. Види апроксимації вхідного сигналу
Слід сказати, що апроксимація вхідного сигналу трапеціями є точнішою, тому застосовується частіше в моделюванні. У реальних системах керування фізично реалізувати можна тільки апроксимацію прямокутниками, яка не вимагає інформації про стан системи на наступному, ще не виконаному кроці.
Використання таблиць Z-перетворення
Для великої кількості типових лінійних ланок існує пряма відповідність між неперервною передатною функцією (за Лапласом) і дискретною передатною функцією (Z-перетворення). Такі таблиці відповідності можна знайти у будь-якій книжці з теорії дискретних систем керування, але найповніші містяться у [2, 8], там же подана ґрунтовна теорія Z-перетворення. У додатку посібника подана таблиця найуживаніших неперервних передатних функцій та відповідних їм дискретних.
Різницеві рівняння, що отримані за допомогою табличного Z-перетворення, стійкі для будь-якого кроку.
Приклад: Знайти за допомогою Z-перетворення перехідну характеристику (реакцію на одиничний стрибок) для аперіодичної ланки з передатною функцією і сталою часу T = 0,8 c.
Така задача може бути розв'язана двома способами: за допомогою використання аналітичного опису вхідного сигналу або ввімкненням на вході аперіодичної ланки фіксатора нульового порядку.
Перший спосіб.
Як вже згадувалося раніше, перехідна характеристика системи є її реакцією на вхідний одиничний стрибкоподібний сигнал, що має відображення за Лапласом . Передатна функція аперіодичної ланки має вигляд , в результаті отримуємо зображення перехідної характеристики аперіодичної ланки . Для побудови рекурентного рівняння знаходимо Z-перетворення для знайденої перехідної характеристики: . За таблицею Z-перетворення (див. додаток) знаходимо відповідну до неперервної дискретну передатну функцію:
( .
Підставивши , отримаємо дискретну передатну функцію моделі
,
звідки .
Після розкривання дужок матимемо ,
а з врахуванням теореми зміщення для Z-перетворення () отримуємо:
,
звідси знаходимо рекурентне рівняння для розрахунку перехідної характеристики (x0 = 1, у всіх інших випадках xi = 0 – це пояснюється тим, що в момент часу t0 аналітично заданий вхідний сигнал "активізується") з початковою умовою y0 = 0:
.
Як видно з рекурентної формули, для знаходження наступного значення змінної потрібно мати два її попередніх значення. Виняток становить обчислення значення першої точки y1 , для якого відоме лише початкове значення y0 . Тому y1 розраховується за виразом
.
Другий спосіб.
Передатна функція моделі аперіодичної ланки і фіксатора нульового порядку на її вході матиме вигляд: . Для побудови рекурентного рівняння знаходимо Z-перетворення для отриманого виразу: . За таблицею Z-перетворення (див. додаток) знаходимо відповідну до неперервної дискретну передатну функцію:
( .
Підставивши , отримаємо дискретну передатну функцію системи:
( ,
звідки , звідси знаходимо рекурентне рівняння для розрахунку перехідної характеристики (xi = 1):
.
У даному випадку через наявність на вході фіксатора нульового порядку всі значення вхідного сигналу є одиничними (xi = 1) з нульовими початковими умовами (y0 = 0).
Може скластися враження, що в другому випадку рекурентне рівняння є простішим, хоча результат отримуємо аналогічний. Слід сказати, що це справедливо лише для вхідного стрибкоподібного сигналу, у випадку сигналів іншого типу другий спосіб даватиме нижчу точність внаслідок процесу перетворення сигналу фіксатором нульового порядку.
Від авторів
На жаль, обмежений обсяг конспекту лекцій не дає змоги висвітлити всі сторони як теорії, так і практики Z-перетворення. Цей надзвичайно потужний апарат має багато тонкощів, розкриття яких вимагає значного часу, а використання – глибокого розуміння як фізики процесів керування, так і теорії цифрового перетворення сигналів.
Для додаткового ознайомлення з Z-перетворенням рекомендуються класичні роботи його творців – Е. Джурі та Ю. Ту.
У підсумку нижче показано приклад синтезу рекурентних рівнянь для реалізації цифрової аперіодичної ланки першого порядку зі сталою часу T і коефіцієнтом підсилення K за допомогою апроксимації вхідного сигналу фіксатором нульового порядку і використання таблиць Z-перетворення.
= = = ,
за дискретною передатною функцією отримуємо рекурентне рівняння для моделювання:
.
(4 год.)
Мобільні комп'ютерні системи
Питання: Загальна будова комп'ютерних систем. Особливості реалізації мобільних комп'ютерних систем. Принципи підімкнення периферійних пристроїв до комп'ютерних систем. Специфіка мобільних комп'ютерів: Pocket PC, Palm Pilot та інші.
Широке розповсюдження в бортових системах керування портативні комп’ютери типу Pocket PC чи Palm Pilot (зовнішній вигляд показано на рисунку нижче).
Зовнішній вигляд портативного персонального комп’ютера Pocket PC на рекламі мережі магазинів Aldi.
(2 год.)
Супутникові навігаційні системи
Питання: Загальні відомості про супутникові навігаційні системи. Ознайомлення зі системою GPS. Побудова мобільних навігаційних систем.
На сучасні транспортні засоби все частіше починають встановлювати навігаційні системи, що полегшують керування транспортним засобом, особливо, у незнайомій місцевості. Використання для цієї мети супутників і останніх досягнень радіоелектроніки і комп'ютерної техніки дозволило створити компактні високоточні і при цьому відносно недорогі навігаційні системи. Найвідомішим прикладом такої системи є система GPS.
GPS – початкові букви назви глобальної системи визначення координат – Global Positioning System.
Що це за система?
Це система, що дозволяє з точністю до 10 м визначити положення об'єкту, тобто визначити його широту, довготу і висоту над рівнем моря, а також напрям і швидкість його руху. Крім того, за допомогою GPS можна визначити час з точністю до 1 наносекунди.
З чого складається GPS?
GPS складається з сукупності певної кількості штучних супутників Землі (супутникової системи NAVSTAR) і наземних станцій стеження, що об'єднані у загальну мережу. Як абонентське устаткування застосовуються індивідуальні GPS-приймачі, які здатні приймати сигнали зі супутників і за прийнятою інформацією обчислювати своє положення.
Чим є супутникова система NAVSTAR?
До складу супутникової системи NAVSTAR входять 24 штучні супутники Землі, що знаходяться на 6 різних кругових орбітах, які розташовані під кутом 60º один до одного. Період обертання одного супутника – 12 годин. Вага кожного супутника близько 787 кг, розмір – понад 5 м (включаючи сонячні батареї). На борту кожного супутника встановлений атомний годинник, що забезпечує точність 10-9 с, обчислювальний кодуючий пристрій і передавач потужністю 50 Вт, що випромінює на частоті 1575,42 Мгц.
Народженням NAVSTAR можна вважати лютий 1978 року, коли на орбіту був виведений перший супутник системи. Середній термін служби одного супутника приблизно 10 років, тому в програму входить постійне виробництво і виведення на орбіту нових супутників, на зміну тих, що використали свій ресурс.
Вартість спорудження і запуску 24 супутників – 12 мільярдів доларів.
Яку інформацію супутники передають на Землю ?
Кожну мілісекунду супутники передають на Землю:
свій статус (повідомлення про справність або несправність);
поточну дату;
поточний час;
дані альманаха;
точний час відправлення всієї сукупності повідомлень.
Що таке альманах?
Це інформація про те, в якому місці небесної сфери повинен знаходитися кожен супутник в будь-який момент часу протягом доби, тобто орбітальні дані всіх супутників.
Як відбувається визначення координат?
GPS-приймач на підставі одержаної з супутників інформації визначає відстань до кожного супутника, їх взаємне розташування і обчислює свої координати за законами геометрії. При цьому для визначення двох координат (широта і довгота) достатньо отримати сигнали з трьох супутників, а для визначення висоти над рівнем моря – з чотирьох.
Як GPS-приймач визначає відстань до супутників?
Оскільки швидкість розповсюдження радіосигналів постійна і дорівнює швидкості світла, відстань до супутників визначається за затримкою часу прийому повідомлення GPS-приймачем щодо часу відправлення повідомлення з борту супутника. Звичайно, для точного визначення цієї затримки годинник на супутниках і годинник в GPS-приймачі повинні бути синхронні, що забезпечується синхронізацією годинника приймача за інформацією, що міститься, як вказувалося вище, в сигналах супутників.
Які джерела похибки при визначенні положення?
Основним джерелом була наявність, так званого режиму "обмеженого доступу". У цьому режимі в сигнали супутників Міністерством оборони США апріорно вводилася похибка, що дозволяє визначати положення з точністю 30-100 м, хоча принципово точність GPS-системи може досягати декількох сантиметрів. З 1 травня 2000 року режим "обмеженого доступу" був відімкнений.
Іншими джерелами похибки є невдала геометрія взаємного розташування супутників, багатопроменеве розповсюдження радіосигналів (вплив відбитих радіохвиль на приймач), іоносферні та атмосферні затримки сигналів тощо.
Що є GPS-приймачем?
Система GPS дозволяє визначити положення в будь-якій точці на суші, на морі і в навколоземному просторі. Залежно від області застосування, діапазон якої досить широкий, а також від вартості, яка може коливатися від сотень до декількох тисяч доларів, виконання GPS-приймачів також вельми різноманітне. У цілому весь спектр моделей можна розділити на чотири великі групи:
Персональні GPS-приймачі індивідуального застосування. Ці моделі відрізняються малими габаритами і широким набором сервісних функцій: від базових навігаційних, включаючи можливість формування і розрахунку маршрутів проходження, до функції прийому і передачі електронної пошти.
Автомобільні GPS-приймачі, які призначені для встановлення в будь-якому наземному транспортному засобі та мають нагоду під’єднання зовнішньої приймально-передавальної апаратури для автоматичної передачі параметрів руху на диспетчерські пункти.
Морські GPS-приймачі, що обладнані ультразвуковим ехолотом, а також додатковими змінними картриджами з картографічною та гідрографією інформацією для конкретних берегових районів.
Авіаційні GPS-приймачі, що використовуються для пілотування літальних апаратів, включаючи комерційну авіацію.
Чи існують інші системи визначення місцеположення?
Так. Російською військово-космічною промисловістю створена альтернативна супутникова система ГЛОНАСС. Проте, незважаючи на вищу точність визначення положення, її надійність і споживацькі характеристики істотно нижчі, ніж у NAVSTAR, і на сьогоднішній день широкого розповсюдження ця система не отримала.
Зовнішній вигляд додаткового обладнання для бортової навігаційної системи на базі портативного персонального комп’ютера Pocket PC у рекламі мережі магазинів Aldi.
Вигляд робочого екрану бортової системи на базі портативного персонального комп’ютера Pocket PC (середовище Windows CE, німецька версія)
Варіант діалогу бортової навігаційної системи з водієм
Варіанти діалогу з водієм у бортовій навігаційній системі з використанням GPS
П'ять ідей, що лежать в основі GPS
У всіх сегментах і елементах GPS використовується устаткування, яке побудоване на найсучасніших "високих технологіях", але ідеї в її основі на диво прості. Давайте розглянемо з них п'ять найважливіших.
1. Визначення місця за відстанями до супутників2. Вимірювання відстаней до супутників3. Забезпечення точної прив'язки за часом4. Визначення положення супутника в просторі5. Компенсація похибок
Ідея перша: Визначення місця за відстанями до супутників.
GPS базується на визначенні координат положення за відстанями до супутників. Це означає, що наші координати на землі обчислюються на основі зміряних системою відстаней до групи супутників у космосі. Супутники виконують роль точно координованих точок відліку.
Наприклад, якщо ми знаємо, що від нас до супутника А, скажімо, 11000 км, то це означає, що ми знаходимося десь на уявній сфері радіусом в 11000 км з центром, який співпадає зі супутником А.
Якщо одночасно відстань до супутника В складає 12000 км, то це ще більше скоротить простір, де ми можемо знаходитися. Єдина область, де ми будемо на відстані 11000 км від супутника А і 12000 км від супутника В, є лінія перетину двох сфер, тобто коло.
Потім, якщо ми виконаємо вимірювання відстані ще й до третього супутника, то зможемо звести можливе місцеположення до двох крапок. Ці дві крапки знаходяться там, де сфера радіусом в 13000 км перетинається з колом, що вийшло від перетину сфер з радіусами 11000 км і 12000 км.
Звичайно, одна з двох крапок – це неправдоподібне рішення. Обчислювачі GPS-приймачів забезпечені різними пристроями, що автоматично визначають істинне положення з двох можливих.
Разом з тим, якщо Ви точно знаєте свою висоту, як, наприклад, моряки, що знаходяться на рівні моря, Ви можете виключити з розгляду одне зі супутникових вимірювань. Одна з сфер на малюнках може бути замінена на сферу з центром у центрі Землі і радіусом, що дорівнює радіусу Землі плюс висота.
Таким чином:
Координати місцеположення обчислюються на основі зміряних дальностей до супутників.
Для визначення місцеположення необхідно провести чотири вимірювання.
Трьох вимі...