Подал: Дорофеев Вадим Сергеевич (очно)
Авторы
Дорофеев В.С.
Организации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»
Секция
Космическое приборостроение и эксперимент
Научный руководитель
Егоров В.В., старший преподаватель кафедры 410 «Радиолокация, радионавигация и бортовое радиоэлектронное оборудование»
Место работы научного руководителя
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»
Текст тезисов
В связи с непрерывным ростом темпов развития промышленности нашей страны и увеличением активности в сфере импортозамещения, что приводит к значительному увеличению загрузки отечественных заводов и промышленных предприятий, вопрос автоматизации и роботизации этих предприятий становится все более актуальным. Что касается роботизации, то эти технологии уже активно используются на различных складах и заводах, включая пищевые, электротехнические, автомобильные и многие другие. Применение таких технологий способствует не только ускорению производственного процесса, но также улучшению качества выпускаемой продукции, увеличению спроса на нее и объема продаж, снижению расходов на рекламации. Кроме того, рентабельность предприятия повышается за счет снижения издержек на оплату труда рабочих, а также уменьшения затрат на обеспечение информационной безопасности - уменьшение количества сотрудников на предприятии снижает риск разглашения коммерческой или государственной тайны и нанесения ущерба предприятию и его сотрудникам. Роботизация включает в себя наличие на территории завода самостоятельных мобильных роботов, которые обеспечивают подвоз необходимых инструментов и деталей, а также выполняют погрузочно-разгрузочные и сортировочные работы на складе.
Предлагаемая система основана на акустическом принципе и работает локально на территории предприятия в требуемых помещениях.
В составе системы имеются следующие элементы:
1. Позиционируемый объект
2. Пользовательский модуль-передатчик, обладающий встроенным звуковым динамиком и интерфейсами связи с другими элементами системы по протоколу RS-485, выбранного как наиболее доступный в использовании, обладающий достаточной скоростью передачи информации и способного качественно передавать информацию на приемлемой дальности между устройствами. Для одного позиционируемого объекта используется один модуль.
3. Множество стационарно-установленный устройств-приёмников, обладающих встроенными звуковыми микрофонами и интерфейсами связи, минимум в количестве четырех штук (для трёхмерного позиционирования объекта)
4. Модуль-концентратор, синхронизирующий работу пользовательских модулей с устройствами-приёмниками, и проводящий компьютерные математические вычисления для определения координат позиционируемого объекта.
Определение месторасположения объекта проводится по следующему алгоритму:
1. Модуль-концентратор отправляет по интерфейсу связи сообщение на модуль-передатчик о начале процесса измерения, подавая команду излучения звукового сигнала.
2. Передатчик принимает сообщение от концентратора и излучает с некоторой задержкой (связанной с чтением из памяти и процессом генерации) записанный в его памяти псевдошумовой звуковой сигнал.
3. Модуль-концентратор отправляет по интерфейсу связи сигнал синхронизации на модули-приёмники.
4. Приёмники синхронизируются и одновременно начинают запись звукового эфира с частотой дискретизации 300 кГц.
5. По окончании записи, под управлением модуля-концентратора каждый их передатчиков отправляет записанный звуковой файл на концентратор.
6. Модуль-концентратор проводит математические операции свёртки и корреляции полученных звуковых файлов от каждого приёмника, содержащих принятый с некоторой задержкой сигнал, с заранее известным эталоном сигнала без временного сдвига. Данный процесс позволяет точно определить время пролёта сигнала от излучателя до передатчика.
7. Получив для каждого из модулей-приёмников данные о времени пролёта сигнала (метод Time Difference of Arrival, TDOA), концентратор псевдодальномерным методом по принципу трилатерации (метод определения координат объекта по опорным точкам) высчитывает координаты объекта. Неточности измерения времени, возникающие на предыдущих этапах (связанных с задержками в электронных элементах системы позиционирования) помогают исправить методы наименьших квадратов и сглаживания данных.
8. По интерфейсу связи данные о месторасположении отправляются концентратором на позиционируемый объект через модуль-передатчик.
Излучаемый передатчиком сигнал лежит в слышимом диапазоне звуковых частот, занимая полосу спектра от 20 Гц до 20 кГц. По форме, сигнал является псевдошумовой последовательностью символов, и равномерно занимает весь занимаемый диапазон. Выбор сигнала такого типа связан с его математическими свойствами. Псевдошумовые последовательности импульсов дают возможность работать системе высокоэффективно при различных мощностях помех в канале звуковой передачи сигналов. Эта возможность сохраняется и для узкополосных и для широкополосных сигналов, в том числе при равном соотношении спектральной плотности мощности шума и сигнала. В прототипе базовой является последовательность длиной в 4095 отсчётов. Данный акустический сигнал в процессе первичной настройки системы записывается в каждый из передатчиков — эта особенность генерации псевдошумовых последовательностей позволяет создавать разные реализации сигналов одной длины, которые будут минимально коррелировать между собой. Благодаря этому становится возможным одновременное измерение координат нескольких объектов.
Детектирование времени пролёта сигналов такой формы производится по корреляционным алгоритмам, благодаря чему нивелируются реверберационные эффекты, неизбежно возникающие в помещениях, особенно при наличии множества предметов, таких как станки, машины, трубы и провода.
Приёмник, где оцифровывается и записывается эфир в момент излучения сигнала, производит запись с частотой дискретизации 300 кГц. Такая частота выбрана не случайна, так как является минимальной, которая позволяет достичь точности измерений ±1мм. Это связанно с тем, что скорость распространения звука в воздушной среде общеизвестно лежит в пределах от 320 до 380 м/с.
В результате работы был сконструирован и протестирован прототип системы, также он подвергался цикличному улучшению. За прошедшее время на приёмном устройстве оптимизировалась скорость измерений и их передачи на модуль-концентратор, так, время записи было снижено с 70 секунд до 6.5. В процессе разработки находится модернизированная версия приёмника, в которой время приёмо-передачи будет снижено на порядок. Изменен и оптимизирован программный код концентратора — помимо перечисленных выше функций и алгоритмов работы, система также улучшается для работы с адаптивными параметрами, которые могут либо в процессе эксплуатации явно настраиваться оператором, либо подстраиваться автоматически. Так, по причине частого изменения параметров шумовых условий среды распространения звукового сигнала появляется необходимость подстройки генерируемого сигнала для более эффективной работы системы. Ведется работа над адаптивностью мощности передаваемых сигналов, их адаптивным изменением, увеличением и уменьшением длительности псевдошумовой последовательности, что позволяет не изменяя мощность излучения поднимать качество детектирования или повышать частоту измерений.
Предлагаемая система основана на акустическом принципе и работает локально на территории предприятия в требуемых помещениях.
В составе системы имеются следующие элементы:
1. Позиционируемый объект
2. Пользовательский модуль-передатчик, обладающий встроенным звуковым динамиком и интерфейсами связи с другими элементами системы по протоколу RS-485, выбранного как наиболее доступный в использовании, обладающий достаточной скоростью передачи информации и способного качественно передавать информацию на приемлемой дальности между устройствами. Для одного позиционируемого объекта используется один модуль.
3. Множество стационарно-установленный устройств-приёмников, обладающих встроенными звуковыми микрофонами и интерфейсами связи, минимум в количестве четырех штук (для трёхмерного позиционирования объекта)
4. Модуль-концентратор, синхронизирующий работу пользовательских модулей с устройствами-приёмниками, и проводящий компьютерные математические вычисления для определения координат позиционируемого объекта.
Определение месторасположения объекта проводится по следующему алгоритму:
1. Модуль-концентратор отправляет по интерфейсу связи сообщение на модуль-передатчик о начале процесса измерения, подавая команду излучения звукового сигнала.
2. Передатчик принимает сообщение от концентратора и излучает с некоторой задержкой (связанной с чтением из памяти и процессом генерации) записанный в его памяти псевдошумовой звуковой сигнал.
3. Модуль-концентратор отправляет по интерфейсу связи сигнал синхронизации на модули-приёмники.
4. Приёмники синхронизируются и одновременно начинают запись звукового эфира с частотой дискретизации 300 кГц.
5. По окончании записи, под управлением модуля-концентратора каждый их передатчиков отправляет записанный звуковой файл на концентратор.
6. Модуль-концентратор проводит математические операции свёртки и корреляции полученных звуковых файлов от каждого приёмника, содержащих принятый с некоторой задержкой сигнал, с заранее известным эталоном сигнала без временного сдвига. Данный процесс позволяет точно определить время пролёта сигнала от излучателя до передатчика.
7. Получив для каждого из модулей-приёмников данные о времени пролёта сигнала (метод Time Difference of Arrival, TDOA), концентратор псевдодальномерным методом по принципу трилатерации (метод определения координат объекта по опорным точкам) высчитывает координаты объекта. Неточности измерения времени, возникающие на предыдущих этапах (связанных с задержками в электронных элементах системы позиционирования) помогают исправить методы наименьших квадратов и сглаживания данных.
8. По интерфейсу связи данные о месторасположении отправляются концентратором на позиционируемый объект через модуль-передатчик.
Излучаемый передатчиком сигнал лежит в слышимом диапазоне звуковых частот, занимая полосу спектра от 20 Гц до 20 кГц. По форме, сигнал является псевдошумовой последовательностью символов, и равномерно занимает весь занимаемый диапазон. Выбор сигнала такого типа связан с его математическими свойствами. Псевдошумовые последовательности импульсов дают возможность работать системе высокоэффективно при различных мощностях помех в канале звуковой передачи сигналов. Эта возможность сохраняется и для узкополосных и для широкополосных сигналов, в том числе при равном соотношении спектральной плотности мощности шума и сигнала. В прототипе базовой является последовательность длиной в 4095 отсчётов. Данный акустический сигнал в процессе первичной настройки системы записывается в каждый из передатчиков — эта особенность генерации псевдошумовых последовательностей позволяет создавать разные реализации сигналов одной длины, которые будут минимально коррелировать между собой. Благодаря этому становится возможным одновременное измерение координат нескольких объектов.
Детектирование времени пролёта сигналов такой формы производится по корреляционным алгоритмам, благодаря чему нивелируются реверберационные эффекты, неизбежно возникающие в помещениях, особенно при наличии множества предметов, таких как станки, машины, трубы и провода.
Приёмник, где оцифровывается и записывается эфир в момент излучения сигнала, производит запись с частотой дискретизации 300 кГц. Такая частота выбрана не случайна, так как является минимальной, которая позволяет достичь точности измерений ±1мм. Это связанно с тем, что скорость распространения звука в воздушной среде общеизвестно лежит в пределах от 320 до 380 м/с.
В результате работы был сконструирован и протестирован прототип системы, также он подвергался цикличному улучшению. За прошедшее время на приёмном устройстве оптимизировалась скорость измерений и их передачи на модуль-концентратор, так, время записи было снижено с 70 секунд до 6.5. В процессе разработки находится модернизированная версия приёмника, в которой время приёмо-передачи будет снижено на порядок. Изменен и оптимизирован программный код концентратора — помимо перечисленных выше функций и алгоритмов работы, система также улучшается для работы с адаптивными параметрами, которые могут либо в процессе эксплуатации явно настраиваться оператором, либо подстраиваться автоматически. Так, по причине частого изменения параметров шумовых условий среды распространения звукового сигнала появляется необходимость подстройки генерируемого сигнала для более эффективной работы системы. Ведется работа над адаптивностью мощности передаваемых сигналов, их адаптивным изменением, увеличением и уменьшением длительности псевдошумовой последовательности, что позволяет не изменяя мощность излучения поднимать качество детектирования или повышать частоту измерений.