02_Радиосистемы (конспект лекций за второй семестр преподаватель Ляхова)

Системы связи, контроля и управления

Мобильная связь

Базовая станция общается с удаленной посредством радиосвязи. Односторонняя связь ненадежна. В возникшие в эфире помехи могут прервать связь, а передающее устройство об этом не будет “знать”. Решением проблемы является использование двусторонней связи, при которой каждое из устройств комплектуется и приемником, и передатчиком (трансивером). В этом режиме возможно использование интерфейса, с обратной связью, проверяющего доставку верных данных. При двусторонней связи возможно два режима. Первый режим – дуплексный, при котором одновременно работают и приемник, и передатчик. Дуплексный режим очень удобен, но его очень сложно реализовать, поэтому его редко используют в радиосвязи. Второй режим – симплексный, при котором передатчик и приемник работают по очереди. Большинство устройств радиосвязи работают в симплексном режиме.

Концепт Nokia Scentsory. Мобильное коммуникационное устройство предполагается оснастить «Электронным носом», способным определить, передать и создать запахи. Наряду с базовыми аудио- и видео-функциями добавить проектор. Устройство также меняет цвета, подсветку и температуру в зависимости от окружающей среды, в которую попало. Экран состоит из двух половинок, на которых находится сенсорная панель, колонки, скрытая камера и сенсоры температуры. В концепте мобильного телефона фирмы Nokia Scentsory предполагается гибкий конструктив изменяющегося цвета. Когда телефон находится в плоском положении, доступна сенсорная панель, два экрана и стереоколонки для видеосвязи. В открытом положении показываются два экрана, скрытая камера, колонки, внутренние детекторы запахов, передатчик и сенсоры температур. В закрытом положении тонкий телефон хорошо исполняет свою главную задачу – совершает обычные звонки.

Рис. Концепт мобильного телефона фирмы Nokia Scentsory.

Системы позиционирования.

G PS (Global Positioning System) - "глобальная система позиционирования для определения с высокой точностью свои координаты, высоту над уровнем моря и другие данные. Технически GPS представляет собой систему из более чем двадцати искусственных спутников земли (для работы системы необходимо 24, реально же спутников больше для увеличения надежности), главной управляющей станции и станций слежения. Спутники непрерывно передают данные на нескольких частотах. Приемник GPS, получив эти данные и вычислив время прохождения сигнала от спутника может определить свои координаты, местное время и т.п. Непрерывно (обычно один раз в секунду) обновляя эти данные, приемник в состоянии определить свою скорость, направление движения и другие показатели. Главная управляющая станция и станции слежения необходимы, главным образом, для корректировки орбит спутников и для мониторинга их состояния.

В СССР была создана система, подобная GPS, которая существует до сих пор - система ГЛОНАСС. Функционально она очень похожа на американскую систему, но на данный момент в ней недостает спутников. GPS-приемники выполняют

• определение прямоугольных (x,y) и геодезических координат (широта, долгота) координат точки стояния и высоты над уровнем моря,

• определение сторон света, дирекционного угла на точку и эмуляция "компаса",

• поддержку нескольких систем координат (datum), что является необходимым условием использования приемников с отечественными картами;

• определение текущей, средней, максимальной скорости;

• занесение в память приемника координат выбранных точек (т.н. waypoints);

• определение направление движения;

• определение расстояния до выбранной точки и ориентировочное время пути, исходя из текущей (или средней за период) скорости;

• запись в память устройства пройденного маршрута с возможностью обратной его прокрутки;

• индикация точного местного времени, времени заката и рассвета;

Почти все устройства имеют влаго- и пылезащищенное исполнение, что неоценимо в полевых условиях. Обычно, устройства питаются от батареек или аккумуляторов, с возможностью питания от бортовой сети автомобиля. Более "продвинутые" приемники имеют возможность загружать в свою память электронные карты местности.

Ограничения и недостатки

• Система GPS принадлежит Министерству обороны США и её гражданский сегмент может быть отключен как полностью так и по регионам при наличии угрозы национальной безопасности США, о чем неоднократно официально заявлялось.

• В каждом руководстве к приемнику GPS имеется предупреждение о том, что, используя приемник для навигации, пользователь должен всегда быть готов ориентироваться без GPS, так что производители снимают с себя ответственность за любые последствия отказов их устройств или системы GPS.

• Бумажные карты масштаба крупнее 1:50 000 (в одном см 500 м) являются секретными.

Радары безопасности транспортных средств.

Система радаров предназначена для предотвращения столкновения с препятствиями. 5 радаров формируют позади транспортного средства (ТС) зону, при попадании в которую какого-либо объекта синтезируется сигнал тревоги.

Рис. Радарные системы обнаружения противотанковых мин, в том числе в пластиковой оболочке (особо трудных для обнаружения).

Рис. Радарная система анализа грунта под железнодорожными путями.

Рис. Радарная установка для археологии.

Диагностика окружающей среды.

Радарная диагностика погоды. Отраженный сигнал радара несет информацию об исследуемой субстанции:

метеонавигационных радиолокаторов "Гукол",

Беспроводная система контроля и управления.

Рис. Радиоуправление транспортным средством.

Система контроля давления колес включает датчики давления в каждом из колес. Информация датчиков передается с помощью трансивера через бортовые шлюзы на пульт управления автомобиля.

Рис. Структура беспроводной системы контроля давления колес.

Внешнего источника питания трансиверу не требуется. Многослойная (металл – пьезоэлектрик – металл) консоль вибрирует во время вращения колеса. Пьезоэффект преобразует вибрации консоли в переменное напряжение.

Рис. Структура и конструкции консольной пьезоэлектрической батареи.

Система дистанционного радиоуправления позволяет управлять освещением, жалюзи. Если систему радиоуправления интегрировать в систему «Умный Дом», то возможно управление воротами, температурой, шторами, системой безопасности, системой аудио-видео. Благодаря небольшим габаритам трансивер может встраиваться в выключатели

Реконфигурируемые модульные системы.

Модуль M-TRAN. Соединение модулей между собой осуществляется регулируемыми магнитами. Управление простое: да/нет.

Рис. Модуль M-TRAN.

Одним из вариантов является использование пружины из сплава с памятью формы - СПФ (shape memory alloy – SMA). В автономном состоянии нелинейные пружины (Non-linear spring) отталкивают соединительную плату (Connecting plate). При включении лампочки (Light bulb) происходит нагревание СПФ пружины (фазовый переход мартенсит – аустенит). СПФ пружина сжимается и противодействует усилию пружин отталкивания. Соединительные платы соседних модулей притягиваются и остаются в таком положении, пока действует световой сигнал управления нагреванием СПФ пружины (SMA coil).

Рис. Узел соединения модулей.

Информационная система управления включает проводную и беспроводную связь между модулями, а с управляющим компьютером – беспроводную через трансивер (Transceiver). Модуль содержит основной процессор (Main-CPU, Neuron Chip) и несколько контроллеров (PIC-P, PIC-M, PIC-A).

Рис. Информационная система управления роботом.

Рис. Внутренняя структура модуля.

Рис. Алгоритм процедуры причаливания.

функционирования на расстоянии между модулями от 3 до50 мм. Производится идентификация соседнего модуля. Формируется или подтверждается сигнал приводу перемещения

Каждому модулю присваивается идентификационный номер (ID), благодаря которому модуль получает индивидуальное задание.

Рис. Структура локальной сети перестраиваемого модуля.

Концепцию пространственного «небесного» экрана, в котором в качестве точек изображения должны выступать миниатюрные роботы-вертолёты Flyfire (анаграмма английского "firefly" — светлячок), разработали специалисты из Массачуссетского технологического института (MIT). Каждый радиоуправляемый геликоптер будет нести на себе светодиодные источники трёх основных цветов. Благодаря им в недрах прозрачного вертолётика можно будет генерировать практически любой цвет или оттенок для каждого отдельного пикселя. Разумеется, для подобного трёхмерного шоу в небесах понадобится полная темнота, чтобы изменяемый цвет летающих "точек" создал в воздухе чёткое,

объёмное и динамичное изображение. Управление элементами картинки будет осуществляться с помощью системы беспроводной связи и специализированного программного обеспечения, наиболее важной проблемой является разработка такой конструкции миниатюрного вертолёта, которая позволит ему самостабилизироваться и удерживаться без колебаний в одной точке, по меньшей мере, несколько минут кряду.