UNIVERZITA OBRANY Výtisk číslo: 1 Fakulta vojenských technologií Počet listů: 25 ZÁVĚREČNÁ ZPRÁVA PROJEKTU SPECIFICKÉHO VÝZKUMU ZA ROK 2010 I. IDENTIFIKACE PROJEKTU SPECIFICKÉHO VÝZKUMU 1. Název projektu: Rozvoj schopností přenosu leteckých dat přes rozhraní CAN s protokolem CANaerospace. Konkrétní výsledky řešení projektu 1 : D, J 2 2. 3. Termín řešení (rok): 2010 4. Celkem uznané náklady na řešení (tis. Kč): 250 II. IDENTIFIKACE PŘÍJEMCE INSTITUCIONÁLNÍ PODPORY ZE STÁTNÍHO ROZPOČTU 1. Fakulta, katedra: Fakulta vojenských technologií Kontaktní osoba - odpovědný řešitel projektu Hodnost, tituly,jméno, příjmení: Doc. Ing. Rudolf Jalovecký, CSc. Telefon Fax E – mail 2. 973 445 217 973 445 279 [email protected]3. Pověřený vedoucí katedry/složky (hodnost, tituly, jméno, příjmení): doc. Ing. Rudolf Jalovecký, CSc. Datum: Razítko: Podpis: Složení řešitelského týmu Odpovědný řešitel Hodnost, tituly, jméno, příjmení: Doc. Ing. Rudolf Jalovecký, CSc Odborné zaměření: Digitalizace a zpracování dat, databázové systémy, mikroprocesorová technika Členové řešitelského týmu Hodnost, tituly, jméno, příjmení Odborné zaměření Příslušnost 4. plk. doc. Ing. Miloš Andrle, CSc. Letecká družicová navigace Univerzita obrany 1 D - článek ve sborníku z akce (publikovaná přednáška – proceeding), J 1 - článek v impaktovaných časopisech svět databáze ISI, J 2 - článek v neimpaktovaných časopisech svět databáz,
Transcript
UNIVERZITA OBRANY Výtisk číslo: 1 Fakulta vojenských technologií Počet listů: 25
ZÁVĚREČNÁ ZPRÁVA PROJEKTU SPECIFICKÉHO VÝZKUMU ZA ROK 2010
I. IDENTIFIKACE PROJEKTU SPECIFICKÉHO VÝZKUMU
1. Název projektu:
Rozvoj schopností přenosu leteckých dat přes rozhraní CAN s protokolem CANaerospace.
Konkrétní výsledky řešení projektu1: D, J2 2.
3. Termín řešení (rok): 2010
4. Celkem uznané náklady na řešení (tis. Kč): 250
II. IDENTIFIKACE P ŘÍJEMCE INSTITUCIONÁLNÍ PODPORY ZE STÁTNÍHO ROZPOČTU
1. Fakulta, katedra: Fakulta vojenských technologií
Kontaktní osoba - odpovědný řešitel projektu
Hodnost, tituly,jméno, příjmení: Doc. Ing. Rudolf Jalovecký, CSc.
3. Pověřený vedoucí katedry/složky (hodnost, tituly, jméno, příjmení): doc. Ing. Rudolf Jalovecký, CSc.
Datum: Razítko:
Podpis:
Složení řešitelského týmu Odpovědný řešitel
Hodnost, tituly, jméno, příjmení: Doc. Ing. Rudolf Jalovecký, CSc
Odborné zaměření: Digitalizace a zpracování dat, databázové systémy, mikroprocesorová technika
Členové řešitelského týmu
Hodnost, tituly, jméno, příjmení Odborné zaměření Příslušnost
4.
plk. doc. Ing. Miloš Andrle, CSc. Letecká družicová navigace Univerzita obrany
1 D - článek ve sborníku z akce (publikovaná přednáška – proceeding), J1 - článek v impaktovaných časopisech svět databáze ISI, J2 - článek v neimpaktovaných časopisech svět databáz,
2
doc. Ing. Jan Čižmár, CSc. Letecké přístroje Univerzita obrany
kpt. Ing Martin Polášek Analýza použití výzbroje Univerzita obrany
por. Ing. Josef Bajer Mikroprocesorová technika Univerzita obrany
por. Ing. Přemysl Janů Mikroprocesorová technika Univerzita obrany
Obsah
Obsah ......................................................................................................................3
4. Stávající stav v řešené oblasti (na začátku řešení úkolu) .....................................5
5. Možné metody řešení ...........................................................................................8
6. Výběr a zdůvodnění vybrané metody řešení (metodika řešení)............................9
7. Dosažené výsledky a výstupy práce, stručná technická zpráva (s uvedením, kde byly výsledky publikovány)...........................................................................10
10. Další možnosti rozvoje sledované oblasti ...........................................................16
11. Závěr (přínos pro rozvoj studijního programu, oboru, AČR) ...............................17
12. Návrh konkrétních opatření ................................................................................17
13. Přehled o použití finančních prostředků specifického výzkumu za příslušný rozpočtový rok s podrobným komentářem s uvedením: .....................................18
13.1 Čerpání poskytnutých finančních prostředků podle rozpočtových podpoložek ..................................................................................................18
13.2 Přehled pořízeného majetku a služeb souvisejících s řešením projektu, .....19
13.3 Přehled nevyčerpaných nebo vrácených finančních prostředků, .................20
14. Seznam literatury................................................................................................20
15. Seznam zkratek ..................................................................................................22
4
1. Úvod
Předložená závěrečná zpráva SV shrnuje devítiměsíční pracovní úsilí tří doktorandů a tří
učitelů ve funkci konzultantů s jednoznačným cílem dále rozvíjet schopnosti přenosu a
zpracování leteckých dat přes rozhraní CAN s protokolem CAN aerospace.
Stručná anotace celého projektu
Projekt SV katedry je zaměřen do oblasti zpracování a přenosu naměřených dat na leteckém palubním elektronickém systému s využitím rozhraní CAN a protokolu CANaerospace. Byla
provedena analýza sběrnice se zaměřením na přenosovou kapacitu, vytíženost, chybovost
zpráv a odolnost přenosového média vzhledem k rychlosti přenosu. K tomu byla zpracována optimalizace komunikačních částí sběrnice s variantním řešením napájení submodulů přímo
z komunikační sběrnice CAN a zpracovala se také problematika diskriminace cílů s využitím
koordinátorů s plošnými obrazovými snímači s následným přenosem dat po sběrnici CAN.
2. Cíle projektu a jejich eventuální zm ěny
Cílem projektu je rozšíření a doplnění v současné době řešený projekt obranného výzkumu.
Všichni studenti doktorského studia budou pracovat na experimentech ve prospěch svých disertačních prací.
por. Ing. P řemysl Jan ů – Analýza komunikace leteckého palubního elektronického
systému po sběrnici CAN s protokolem CANaerospace
Oživení komunikace podsystémů palubního leteckého elektronického systému po
sběrnici CAN s protokolem CANaerospace. Sestavení programového vybavení
v prostředí LabView pro možnou analýzu komunikace. Provedení této analýzy se zaměřením na kapacitu sběrnice, vytíženost, chybovost zpráv, odolnost přenosového
média a přenosovou rychlost
kpt. Ing. Martin Polášek – Diskriminace cílů u koordinátorů s plošnými obrazovými
snímači a zpracování dat cílů pro CANaerospace.
Výzkumná činnost se bude týkat koordinátorů s plošnými obrazovými snímači a jejich
odolností vůči umělému rušení infračervenými klamnými cíli. Cílem řešení bude navržení metody diskriminace cílů u těchto koordinátorů.
por. Ing. Josef Bajer – Obvodová optimalizace submodulů zapojeních ke sběrnici
CAN
Výzkumná činnost směřuje k dosažení obvodového zjednodušení komunikační části
submodulů a implementace možnosti jejich napájení přímo z komunikační sběrnice
CAN. Toto nové řešení bude zároveň řešit nutnost zálohování napájecího zdroje vybraných kritických systémů leteckého palubního elektronického systému.
V průběhu řešení nedošlo ke změně cílů.
5
3. Navrhovaný rozpo čet
1. Běžné výdaje Částka v Kč (v tis.)
Osobní náklady interních doktorandů 36
RPP Popis RPP Popis výdajů
Nákup (materiálu):
5136 101 Knihy, učební pomůcky a tisk - knihy a tisk Literatura, zahraniční knihy 13
5139 109 Nákup materiálu jinde nezařazený - ostatní Postery 5
Celkem nákupy materiálu 48
Nákup (služeb) – platby za:
5169 104 Nákup ostatních služeb - výdaje na služby v oblasti výzkumu a vývoje
Konzultace k CanBus 15
5169 105 Nákup ostatních služeb - k zabezpečení provozu movitého majetku a materiálu
aktualizace Matlab 27
Celkem nákupy služeb 42
Ostatní nákupy – platby za:
5172 101 Programové vybavení MAPLE, Adobe Creative, Corel 76
5173 301 Cestovné (tuzemské i zahraniční) - vojáků Doprava na konference 29
5176 301 Účastnické poplatky na konference Vložné na konference 19
Celkem ostatní nákupy 124
CELKEM VÝDAJE 250
4. Stávající stav v řešené oblasti (na za čátku řešení úkolu)
Stávající stav řešené oblasti komentují doktorandi pro svou oblast.
por. Ing. P řemysl Jan ů
Výchozím bodem pro následující výzkumnou činnost byla oživená základní a nejjednodušší
komunikace modulů leteckého palubního elektronického systému, a to vysílání a příjem po
sběrnici CAN [J_04] respektující pravidla specifikace protokolu CANaerospace.
Pro monitorování této základní komunikace byl používán již dříve vytvořený elementární
program ve vývojovém prostředí LabVIEW [J_05]. Tento program byl sestaven pouze pro
příjem dat ze sběrnice. Z důvodu, že specifikace CANaerospace využívá všech 8 bytů v CAN zprávě, byl program vybaven procedurou pro rozdělení těchto 8 bytů na 4 byty tzv. hlavičky
CANaerospace protokolu a na 4 byty dat [J_03]. Zobrazení veličin z modulů bylo provedeno
procedurou větvení podle CAN ID ve formě ergonomicky vhodné pro uživatele. Vytvořený program byl také vybaven jednoduchým hlášením o chybách v komunikaci. Strukturu
sestaveného programu ukazuje obr. 4.1.
6
Obr. 4.1: Základní program pro ověření komunikace
kpt. Ing. Martin Polášek
Obrazový koordinátor tvoří v současné době perspektivní zařízení pro detekci a měření polohy cíle na protizemních a protiletadlových řízených střelách krátkého dosahu. Tyto typy
koordinátorů jsou také označovány zkratkou IIR (Imagine InfraRed) a pracovní vlnová délka
těchto koordinátoru leží v oblasti infračerveného záření. Přesný rozsah pracovních vlnových délek pak závisí na typu cíle a materiálu fotodetektoru. Obrazový koordinátor (OK)
protiletadlových řízených střel krátkého dosahu obsahuje větší počet jednotlivých kryogenně
chlazených InSb fotodetektorů. Na každý z těchto detektorů dopadá infračervené záření, které se nachází pouze v jeho okamžitém zorném poli. Při vhodném uspořádání jednotlivých
detektorů dostáváme obraz, který je tvořen stejným množstvím obrazových bodů, jaký je
počet jednotlivých detektorů. Fotodetektory jsou uspořádány do matice ve tvaru čtverce nebo obdélníka a největší citlivosti mají v pásmu vlnových délek 3 – 5 µm. Čtvercové uspořádání
převažuje u plošných obrazových snímačů (POS) v anglické literatuře označované jako Focal
Plane Array (FPA). Detektory jsou u POS umístěny v matici o velikosti 128×128 nebo 256×256 bodů a tento typ snímače detekuje snímek bez optickomechanického rozkladu.
Obr. 4.2: Pohled na koordinátor ŘS IRIS-T [P_10]
7
Fyzická velikost jednoho fotodetektoru u POS s rozlišením 128×128 bodů, použitá u řízené
střely AIM-9X, je 40×40 µm, přičemž jako rozlišení chápeme fyzický počet jednotlivých
fotodetektorů.
Obdélníkové uspořádaní je typické pro skenovací obrazové koordinátory (SOK), kdy
detektory jsou umístěny např. v matici 4×128 bodů (řízená střela IRIS-T). K získání jednoho
snímku, kdy zorné pole odpovídající snímku (snímkové zorné pole) je větší, než okamžité zorné pole soustavy detektorů prostoru cíle, je nutné, aby byl pomocí optických prvků
vytvořen zdánlivý pohyb detektoru nebo se v daných mezích vychylovala optická soustava.
Uvedená funkce je u ŘS IRIS-T zajišťována pohyblivými zrcadly. Koordinátor střely IRIS-T je uveden na obr. 4.2.
Průběh dynamické scény je rozdělen na jednotlivé snímky představující časové řezy dané
snímkovací frekvencí. Každý jednotlivý snímek je upraven a vyhodnocen v době mezi jednotlivými snímky.
Úprava jednotlivých snímků spočívá ve zvýraznění kontrastu zájmových objektů vůči pozadí.
Nejčastější metodou zvýšení kontrastu bývá tzv. prahování. Znamená to, nalézt takovou prahovou hodnotu jasu, která rozdělí obrázek na oblasti s nulovým jasem odpovídající pozadí
a s maximálním jasem odpovídající zájmovým objektům. Z tohoto binárního (dvoustavového)
obrázku se pak metodou hledání hran, tzn. oblastí se skokovou změnou jasu, určí obrysy objektů a jejich poloha v rámci obrázku. Na základě několika po sobě jdoucích snímků, lze
pak určit úhlovou rychlost pohybu objektů a směr jejich pohybu. Pokud se nachází v zorném
poli koordinátoru více objektů, vyhodnocovací algoritmus pak rozhodne, který z objektů je užitečný cíl a který klamný cíl. Naváděcí systém pak navádí střelu na užitečný cíl.
a) b)
Obr. 4.3: Výstup z obrazových koordinátorů
a) Obraz zachycený obrazovým koordinátorem typu FPA řízení střely AIM-9X těsně před zásahem cíle [P_09]
b) Obraz cíle zachycený skenovacím koordinátorem IRIS-T [P_10]
8
Z principu reprezentace dat na výstupu obrazových koordinátorů vyplývá, že je výhodné
rozpoznávat objekty podle jejich tvaru. Pokud ale vezmeme v úvahu nízké rozlišení těchto
koordinátorů, které bylo zmíněno výše, a pokud připustíme úzké snímkové zorné pole o velikosti např. 3°, tak tvar objektu se stane z řejmý, až se střela přiblíží k cíli na vzdálenost
menší než cca 2000 metrů, viz obr. 4.3. Dokud se střela nepřiblíží k cíli na tuto vzdálenost, je
nemožné provádět diskriminaci objektů na základě tvaru, viz [Pol_02].
por. Ing. Josef Bajer
Výchozí stav řešené problematiky je znázorněn na obr. 4.4. Jedná se o konvenční obvodové
zapojení přístroje nebo jiného zařízení komunikujícího po CAN s galvanickým oddělením od palubní části sběrnice. Základním prvkem je řadič sběrnice CAN, který může být buď
samostatný, nebo může být integrován jako součást mikrokontroléru. Řadič CAN je napájen
z napájecího zdroje a přes budič CAN je připojen ke sběrnici. Pro zajištění galvanického oddělení jsou mezi řadičem a budičem zapojeny optočleny, zpravidla pro každý směr
datového toku jeden. Oddělené části optočlenů a budič sběrnice je samozřejmě nutné
napájet z galvanicky odděleného napájecího zdroje. K tomuto účelu slouží izolovaný DC/DC měnič. Toto řešení je relativně složité a není imunní vůči výpadku napájení. S použitím
moderních elektronických součástek je možné dosáhnout výrazného zjednodušení a úspory
součástek nejen aktivních, ale zároveň i pasivních, které tvoří nedílnou součást použitých aktivních prvků. Současné možnosti zároveň dovolují i poměrně snadnou a jednoduchou
implementaci funkce aktivní zálohy napájení, která zajistí, aby v případě výpadku primárního
zdroje došlo k automatickému přepnutí na zdroj záložní.
Obr.4.4: Konvenční obvodové zapojení galvanicky odděleného zařízení
komunikujícího po CAN
5. Možné metody řešení
V dostupné literatuře je k dispozici velké množství metod řešení vědeckotechnických
projektů. Ve velké většině jsou tyto metody definované zcela obecně, proto jednotliví
9
doktorandi použili jen metody řešení, které jim umožnily dosáhnout požadovaných výsledků a
dále uvádějí.
por. Ing. P řemysl Jan ů
V rámci SV jsem použil tyto metody řešení:
• Metody empirické (pozorování, experimentování, měření).
• Obecné vědecké metody (analýza, dedukce). • Metodika návrhu SW podpory.
• Modelování na počítači.
• Týmová práce.
kpt. Ing. Martin Polášek
V rámci SV jsem použil tyto metody řešení:
• Modelování na počítači – tato metoda umožňuje pomocí počítače navrhnout a
otestovat funkci algoritmu pro řešení diskriminace objektů v obraze. • Experiment – tato metoda umožňuje experimentálně otestovat funkci navrženého
algoritmu diskriminace objektů v obraze se skutečným IR detektorem na samostatné
hardwarové platformě.
por. Ing. Josef Bajer
Cílem činnosti bylo dosažení obvodové optimalizace připojení CAN řadiče ke sběrnici a
implementace aktivní zálohy napájení systému. Řešení se skládalo z těchto činností a metod:
• Analýza trhu a komerčně dostupných součástek. • Syntéza finálního obvodového řešení.
6. Výběr a zdůvodn ění vybrané metody řešení (metodika řešení)
por. Ing. P řemysl Jan ů
Pro vyhodnocení správné komunikace po sběrnici CAN s protokolem CANaerospace je velice důležitý parametr využití sběrnice [J_02]. Tento parametr se skládá z celé řady dílčích
parametrů, a proto z něj lze získat spoustu cenných informací. Rozhodl jsem se proto provést
matematickou analýzu parametru využití sběrnice.
kpt. Ing. Martin Polášek
Jako metoda řešení byla zvolena především metoda modelování na počítači. V tomto případě
konkrétně modelování v programovém prostředí Matlab. Programové prostředí Matlab bylo zvoleno z důvodu možnosti využití implementovaných funkcí pro práci s obrazovými daty, což
umožňuje urychlit realizaci programu diskriminace objektů v obraze.
10
Experimentální ověření nebylo realizováno. Důvod spočívá v tom, že pro prvotní ladění
algoritmu postačují počítačově generované sekvence pohybu objektů v obraze. Dále samotné
testování na reálných systémech by znamenalo velké finanční náklady a spolupráci s letectvem AČR, což přesahuje rozsah specifického výzkumu.
por. Ing. Josef Bajer
Základním požadavkem na obvodové řešení připojení ke sběrnici CAN bylo zachování kompatibility s normou ISO-11898 a adekvátní zredukování počtu aktivních součástek. Toho
bylo dosaženo výběrem a použitím takových aktivních prvků, které plní více funkcí zároveň.
Požadavky na obvody napájení byly definovány takto: Rozsah napájecího napětí v rozmezí od 12 V do 29 V. Jak primární, tak i záložní zdroj musí být dostatečně výkonově dimenzovány
tak, aby bylo možné napájet zařízení do maximálního příkonu 5 W. Funkce aktivní zálohy
napájení musí automaticky přepnout na záložní zdroj bez narušení funkce systému.
Analýza dostupných součástek ukázala dva ekvivalentní způsoby zjednodušení struktury
obvodu připojení ke sběrnici CAN. První způsob spočívá v nahrazení obou optočlenů (viz
Obr. 4.4.) a budiče CAN za jediný integrovaný obvod plnící funkci galvanického oddělení a buzení sběrnice zároveň. Druhý způsob se naproti tomu zakládá na spojení funkcí optického
oddělení a izolovaného DC/DC měniče do jednoho pouzdra. Oba způsoby znamenají úsporu
stejného počtu součástek, a to dva integrované obvody namísto čtyř. Výběr konkrétního řešení, ze dvou jmenovaných, závisí na dané aplikaci. Vodítkem pak mohou být technické
normy, které daný typ součástek splňuje a jeho shoda s požadavky na finální produkt.
7. Dosažené výsledky a výstupy práce, stru čná technická zpráva (s uvedením, kde byly výsledky publikovány)
Různorodé cíle doktorandů generují i různorodé výsledky. Všichni doktorandi jsou zapojeni
na katedře i do dalších vědeckých úkolů a řeší si i svou problematiku disertačních prací.
Výsledky řešení není tak jednoduché definovat k jedinému projektu. Jde vesměs o výstupy v podobě článků, které vedení univerzity požaduje jednoznačně dedikovat k jedinému
projektu. Pokud shlédneme články v řadě sbornících z jiných škol, je zcela běžná dedikace
článku k několika projektům (běžně ke 2-3, najdou se i dedikace k 5 či 8 projektům).
por. Ing. P řemysl Jan ů
Byla provedena detailní analýza parametru využití sběrnice CAN s protokolem
CANaerospace. Jako výchozí parametr byla vyjádřena kapacita sběrnice [J_02]. Následně
byly matematickými vztahy vyjádřeny dílčí parametry využití sběrnice pro jednotlivé zprávy respektující jak samotný protokol CAN, tak i protokol CANaerospace.
Na základě této matematické analýzy byl rozšířen původní elementární program na
softwarový diagnostický prostředek komunikace po sběrnici CAN s protokolem CANaerospace. Program obsahuje kromě původních procedur, operaci, která umožňuje, po
zapojení prostředku do systému, automatické vyhledávání přenosové rychlosti obr. 7.1. Po
vyhledání přenosové rychlosti sám začne komunikovat. Vypočítá a zobrazí kapacitu sběrnice. Prostředek je možné provozovat při běžné činnosti systému. Neexistuje zde požadavek
11
zvláštního módu sběrnice. Dále umožňuje detailnější hlášení typu chyby a typu CAN zprávy
obr.7.2.
Obr. 7.1: Procedura pro automatické vyhledávání přenosové rychlosti
Obr. 7.2: Vyhodnocení chyb a typu rámce
Publikace:
[Jan_01] JANŮ, Přemysl; JALOVECKÝ, Rudolf Proposal of Power Supply Monitoring Unit
with CANaerospace Protocol. In International Conference on Electrical Systems
for Aircraft, Railway and Ship Propulsion. 1. Bologna, Italy: University of Naples Federico II, 19. -21. 10. 2010. s. 1-5. ISBN 978-1-4244-9093-6.
12
[Jan_02] BAJER, Josef; JANŮ, Přemysl Systém dynamického řízení komunikace po CAN
s protokolem CANaerospace. In Sborník příspěvků 10. mezinárodní vědecké
konference Měření, diagnostika a spolehlivost palubních soustav letadel. 1. Brno, Česká republika: Univerzita obrany, 20. -21. 10. 2010. s. 41-45. ISBN 978-80-
7231-741-7.
kpt. Ing. Martin Polášek
V rámci SV byl odladěn algoritmus pro predikci pohybu objektu v obraze a bylo zahájeno jeho
testování v prostředí Matlab. Jako prediktor pohybu byl zvolen upravený Kalmanův filtr,
pomocí kterého se odhadne budoucí poloha objektu v obraze. Tento odhad polohy je učiněn s určitou nepřesností (nejistotou) určení polohy. Tato nejistota určení polohy potom vytváří
hranice oblasti, ve které by se měl nacházet objekt v následujícím snímku. Z povahy
digitálního zpracování obrazu, kdy je snímek uspořádán do pravoúhlé mřížky, je predikce polohy řešena zvlášť pro vodorovnou (x-ovou) osu a zvlášť pro svislou (y-ovou) osu. Velikost
nejistoty určení polohy pro každou osu nabývá různých hodnot a proto výsledná oblast
nejistoty je obecně elipsa, tzv. elipsa neurčitosti. Tuto elipsu neurčitosti lze pak využít k diskriminaci cílů, kdy předpokládáme, že užitečný cíl se bude nacházet v této elipse a
případné klamné cíle budou mimo. Klamné cíle budou následně odfiltrovány a klamný cíl
bude dále sledován. Výsledky dosažené testováním tohoto algoritmu byly prezentovány na mezinárodní konferenci ICMT-IDEB´10 v Bratislavě, viz [Pol_01].
Publikace:
[Pol_01] POLÁŠEK, Martin. Using MATLAB for objects tracking in image data.
In International Conference on Military Technologies and Special technologies ICMT-IDEB 2010. Bratislava (Slovak republic) : Faculty of Special Technologies,
Alexander Dubček University of Trenčín, 2010. ISBN 978-80-8075-454-9.
[Pol_02] POLÁŠEK, Martin; NĚMEČEK, Jiří. Zpracování dat z Matlabu pomocí FPGA. In Měření Diagnostika Spolehlivost palubních soustav letadel 2010. Brno :
Univerzita obrany, 2010, s. 128-132. ISBN 978-80-7231-741-7.
por. Ing. Josef Bajer
Výsledkem řešení je detailní hardwarový návrh systému komunikujícího po CAN
s kompletním galvanickým oddělením od palubní části sběrnice a zálohovaným napájením.
Koncepce výsledného obvodu je blokově znázorněna na obr.7.3.
Jak je z obr. 7.3. zřejmé, řadič CAN je k budiči sběrnice připojen prostřednictvím digitálního
izolátoru s integrovaným DC/DC měničem pro napájení galvanicky oddělené části digitálního
izolátoru a budiče sběrnice. Dále je navržený obvod vybaven monitorem napájecího napětí, který zároveň zajišťuje neprodlené přepnutí na záložní napájecí zdroj v případě výpadku
primárního napájení. Záložní napájení je vedeno přímo ze sběrnice CAN. K jejímu vedení
byly za tímto účelem přidány další dva vodiče. Aby byla stále zachována podmínka galvanického oddělení od sběrnice, je zde použit izolovaný DC/DC měnič. Na rozdíl od
13
DC/DC měniče zmíněného výše, použitého pro napájení budiče CAN, je tento měnič
výkonově dimenzovaný tak, aby byl schopen pokrýt energetickou spotřebu celého modulu.
Obr.7.3: Obvodové zapojení galvanicky odděleného zařízení komunikujícího po CAN
s aktivní zálohou napájení
Na obr.7.4. je znázorněno kompletní schéma komunikační části modulu.
Obr. 7.4: Schéma komunikační části modulu
V navrženém modulu je použit řadič CAN, který je součástí mikrokontroléru Atmel AT90CAN128 [B_01]. Pro buzení sběrnice je využit budič MCP2551 [B_02]. Jedná se o
standardní budič sběrnice vyhovující a v mnoha ohledech přesahující požadavky normy ISO-
11898. Tyto obvody jsou galvanicky odděleny obvodem ADuM5241 [B_03] firmy Analog Devices. Jedná se o dvoukanálový digitální izolátor s integrovaným izolovaným 50mW
DC/DC měničem použitelným i pro napájení budiče sběrnice. Svojí rychlostí 1 Mb/s plně
vyhovuje použití pro komunikaci po CAN.
Schéma napájecí části modulu je znázorněno na obr.7.5.
14
Obr. 7.5: Schéma napájecí části modulu
Zapojení je možné rozdělit na tři části: primární zdroj, záložní zdroj a monitor napájecího
napětí, který zároveň zajišťuje automatické přepnutí na napájení ze záložního zdroje. Hlavní
částí primárního zdroje je DC/DC měnič Traco TSR 1-2450 [B_04] se stabilizovaným výstupním napětím 5 V a proudem max. 1 A. Vstupní napětí se může pohybovat v rozmezí
6,5 až 36 V. Záložní napájení bude vedeno ze sběrnice CAN, proto zde byl využit 6W
izolovaný DC/DC měnič Traco TEN 5-2411WI [B_05] s výstupním napětím 5 V. Pokud je připojen primární zdroj, je modul napájen z něho. Při jeho výpadku dojde k okamžitému
přepnutí na napájení ze záložního zdroje tak, že funkce systému není narušena. Tuto funkci
zajišťuje monitor napájecího napětí s integrovaným přepínačem na záložní zdroj ADM8695 [B_06] firmy Analog Devices ve spojení s tranzistory T1 až T3, které proudově posilují obvod
ADM8695 a umožňují tak napájení celého modulu [B_07].
Publikace:
[Baj_01] BAJER, Josef; JANŮ, Přemysl Systém dynamického řízení komunikace po CAN s protokolem CANaerospace. In Sborník příspěvků 10. mezinárodní vědecké
konference Měření, diagnostika a spolehlivost palubních soustav letadel. 1. Brno,
Česká republika: Univerzita obrany, 20. -21. 10. 2010. s. 41-45. ISBN 978-80-7231-741-7.
8. Diskuse získaných výsledk ů (srovnání s teoretickými, eventuáln ě hypotetickými p ředpoklady, interpretace získaných výsledk ů)
por. Ing. P řemysl Jan ů
Nejdůležitějším výstupem v dosavadní práci bylo na základě teoretické matematické analýzy
vytvořit softwarový diagnostický prostředek pro komunikaci palubního leteckého
elektronického systému po sběrnici CAN s protokolem CANaerospace. Tento prostředek
15
přinesl spoustu nových funkcí ve srovnání s již dříve používaným programem. Významnou
jeho výhodou je jeho funkčnost v běžně pracujícím systému, nevyžadující žádný speciální
mód sběrnice. Softwarový diagnostický prostředek je nedílnou součástí analýzy jednotlivých subsystémů palubního leteckého elektronického systému.
kpt. Ing. Martin Polášek
Navržený algoritmus byl otestován v prostředí Matlab. Testování ukázalo, že za určitých podmínek, metoda filtrace objektů v obraze s využitím predikce jejich pohybu je účinná. Jde
především o situace, kdy se klamný cíl (objekt určený k odfiltrování) pohybuje výrazně jiným
směrem a velkou úhlovou rychlostí než užitečný cíl. Pokud se klamný cíl pohyboval přibližně ve směru pohybu užitečného cíle, bylo nutné zvýšit počet cyklů, kdy se upřednostňuje
predikovaná poloha před skutečnou. Toto je výhodné především u užitečných cílů, které málo
nebo vůbec nemanévrují a proto je i predikovaná poloha velice blízko té skutečné, oproti poloze klamného cíle, který je brzděn pohybem v atmosféře a případně úplně dohoří.
Problematiku sledování manévrujících cílu v podmínkách rušení je třeba dále rozpracovat.
Výše zmíněnou filtraci je možné použít i v případě statického rušivého pozadí (např. pozemní objekty), které se vůči užitečnému cíli nepohybují. Toto je důležité v případě sledování
pohybu objektů pohybujících se nízko nad terénem. Důležitou podmínkou ale je, aby se
v rámci zorného pole detektoru, cíl a rušivé objekty vůči sobě pohybovaly vyšší úhlovou rychlostí.
por. Ing. Josef Bajer
Dosažené výsledky zcela splňují prvotní předpoklady. Z hlediska optimalizace komunikační
části modulu bylo dosaženo úspory aktivních prvků. Z původního počtu čtyř integrovaných obvodů se u nového zapojení snížil počet na dva při plnohodnotném zachování všech funkcí
a vlastností systému. Z pohledu napájecí části modulu byly úvodní předpoklady rovněž
naplněny. Po obvodové stránce byla vyřešena potřeba zálohy napájení a zároveň možnost napájení modulu z palubní sběrnice CAN.
V průběhu řešení bylo dosaženo kompletního detailního návrhu hardwarového zapojení
celého modulu. Z důvodu pozdního dodání objednaných elektronických součástek (15. 12. 2010) však již nedošlo k výrobě navrženého systému. Řešení se tedy dostává do
fáze realizace až nyní.
9. Využitelnost dosažených výsledk ů
Dosažené výsledky řešení SV K206 nelze odtrhnout od vědeckovýzkumné činnosti katedry.
SV není izolovaným projektem a proto se řada výsledků prolíná mezi projekty a disertačními
pracemi doktorandů.
por. Ing. P řemysl Jan ů
Vyvinutý diagnostický prostředek lze použít v dalších projektech na Katedře leteckých
elektrotechnických systémů, které budou zaměřeny na komunikaci po sběrnici CAN
16
s protokolem CANaerospace a také pří výuce studentů v laboratořích. Bude představovat
jádro mé dizertační práce.
kpt. Ing. Martin Polášek
Sestavený algoritmus bude dále využit pro návrh samostatně pracujícího zařízení, které bude
simulovat funkci obrazového koordinátoru a pomocí kterého bude možno prakticky ověřit
funkčnost algoritmu na reálných datech. Dále je možno dosažené výsledky využít ve výukovém procesu, kdy se studenti seznámí s možným řešením problému diskriminace cílů u
koordinátorů s obrazovými snímači.
por. Ing. Josef Bajer
Výsledek řešení je bezprostředně aplikovatelný v podstatě v jakémkoli zařízení s požadavkem na komunikaci po sběrnici CAN a zálohované napájení. Předložené výsledky
jsou určeny pro systémy s napájecím napětím 5 V. Nicméně, v návrhu jsou použity moderní
elektronické součástky, jejichž výrobci poskytují ve stejných produktových řadách naprosto ekvivalentní prvky pro napětí např. 3,3 V a jiná. Díky tomu může výsledné řešení najít široké
uplatnění v mnoha systémech. Jedním ze systémů, kde má být výsledek aplikován je hlavní
modul řízení komunikace po CAN v leteckém palubním elektronickém systému vyvíjeném na řešitelském pracovišti.
10. Další možnosti rozvoje sledované oblasti
Rozvoj aplikací v komunikačních technologií včetně zpracování obrazu je v současné době trvalým procesem, podpořený řadou vyhlašovaných projektů na různých stupních.
V nadcházejícím období bude katedra realizovat projekt na rozvoj pracoviště, kde se
předpokládá i další rozvíjení dílčích úkolů SV katedry. Nezanedbatelnou skutečností je i stav rozpracování disertačních prací všech tří studentů. Jednoznačně se počítá s odevzdáním
disertačních prací u dvou studentů prezenční formy studia v první polovině roku 2011.
por. Ing. P řemysl Jan ů
Další možnosti rozvoje spatřuji v odladění některých chyb diagnostického prostředku a
provedení možné optimalizace. Dále pomocí tohoto prostředku provést analýzu komunikace
konkrétního leteckého palubního elektronického systému se zaměřením na vytížení sběrnice jednotlivými zprávami a na chybovost komunikace po sběrnici.
kpt. Ing. Martin Polášek
Další rozvoj by mohl být směřován do oblasti ochrany letadel před řízenými střelami, kdy je
možno pomocí sledování pohybu řízené střely, která míří na letadlo, určit nejefektivnější způsob ochrany. Jde např. o směr výmetu a počet klamných cílů, které budou použity
k rušení střely nebo o druh obranného manévru (zatáčka ke střele, prudké klesání apod.). U
tohoto způsobu využití půjde především o filtraci rušivých objektů na pozadí Země.
17
por. Ing. Josef Bajer
Výsledky řešení přinesly požadovaný stupeň optimalizace a konkrétní způsob realizace
zálohovaného napájení. Z tohoto pohledu lze daný úkol považovat za dokončený. V praxi ale mnohdy existují případy, kdy kromě mikrokontroléru a ostatních periferních obvodů je použita
i externí paměť RAM, kam se těsně před výpadkem napájení zapíší potřebná data, jako je
konfigurace systému apod. V takovém případě je zpravidla kladem požadavek, aby obsah paměti zůstal zachován i v případě, že dojde k výpadku veškerých napájecích zdrojů.
Hardwarové a softwarové řešení tohoto problému by mohlo být další možností rozvoje
sledované oblasti
11. Závěr (přínos pro rozvoj studijního programu, oboru, A ČR)
Výsledky výzkumné práce uskutečněné řešitelským kolektivem specifického výzkumu katedry
obohatily studijní program i obor o nové teoretické znalosti a praktické zkušenosti s důležitými segmenty stávajících i perspektivních letadlových palubních komunikačních a zbraňových
systémů.
Jmenovitě se jedná o teoretické a praktické výsledky experimentů se sběrnicí CAN respektující protokol CANaerospace a experimenty ověřující metodu zvýšení účinnosti
infračervených pasivních naváděcích systémů leteckých řízených střel za podmínek rušení
klamnými cíly.
Získané znalosti a praktické zkušenosti představují východisko pro řadu dalších navazujících
výzkumných a odborných experimentálních prací, které budou prováděny v rámci
doktorských prací, ročníkových a bakalářských či magisterských diplomových prací či v rámci studentské vědecké odborné činnosti.
Výsledky výzkumné práce řešitelského kolektivu uplatněné ve výuce zvyšují znalosti studentů
o nejmodernějších vývojových trendech v oblasti leteckých palubních elektronických komunikačních a zbraňových systémů, které se již dnes objevují a blízké budoucnosti budou
objevovat stále častěji i v letecké technice provozované AČR.
12. Návrh konkrétních opat ření
Pro další období řešení nových projektů v rámci SV na FVT lze navrhovat následující
opatření:
• Výrazně zkrátit způsob rozhodovací proces o přidělení finančních prostředků na SV do úrovně katedra. Je obtížné rychle reagovat na přidělené prostředky až v prvním
kvartálu teoretického řešení projektu.
• S předchozím pak souvisí zajištění služeb včetně realizace poplatků na konference (zvláště pak zahraniční). Poslat doktoranda v průběhu první pěti měsíců kalendářního
roku na zahraniční konferenci z prostředků SV je prakticky nemožné či velmi obtížné.
Návrh na změnu by bylo možné spatřovat ve vytvoření finančního fondu na zahraniční konference již v okamžiku přidělení prostředku na školu.
• Získání literatury pro doktorandy v daném roce řešení SV je náročné. Ve SV katedry
(rok 2010) dostali doktorandi literaturu až v lednu 2011. V okamžiku kdy jsou přiděleny
18
prostředky na katedru by měla mít katedra možnost provést nákup zcela běžně
dostupné literatury formou přímého nákupu v obchodech.
• Nákup materiálu z prostředků SV se velmi protahuje a ve velké většině jej dostávají v druhé polovině kalendářního roku. To výrazně omezuje možnosti jeho použití
v průběhu řešení projektu (SV je definovaný na celý kalendářní rok).
13. Přehled o použití finan čních prost ředků specifického výzkumu za příslušný rozpo čtový rok s podrobným komentá řem s uvedením:
Finanční prostředky byly katedře přiděleny až po přidělení financí FVT. Katedra měla v té
době již provedenou analýzu potřeb řešitelů – doktorandů a proto poměrně rychle došlo
k sepsání požadavkových listů a jejich odevzdání na logistiku.
SV katedry byl, z hlediska rozpočtových položek, rozdělen do 3 skupin. Největší část financí jednoznačně patřil pro nákup drobného elektrotechnického materiálu, vývojových prostředí a
programového vybavení. Druhou skupinou byla oblast financí pro cestovné na zahraniční konference a poplatky na tyto konference. Poslední skupinou, na UO skoro nevídanou, byla
možnost odměnit řešitele – studenty finanční odměnou na základě dohody o provedení
práce. Běžné výdaje Číslo
rozpočtové položky
Druh výdaje + komentář Požadavek (Kč)
Čerpáno (Kč)
5136 101 literatura - OOP Naučte se myslet a programovat objektově
408,00 397,00
5136 101 literatura - Image Recognition and Classification (Optical Science and Engineering)
