Курсовая работа

по дисциплине "Системы и сети связи с подвижными объектами"

Тема работы:

"Радиосистема пошагового управления подвижным объектом"

Выполнил:

студент гр. 519

Карев А.А.

Задание на курсовую работу.

 

Краткое описание темы:

Система предназначается для пошагового радиоуправления движением подвижного объекта. В модуле управления задается программа пошаговых инструкций маршрута движения подвижной платформы. После загрузки программы на объект и ее запуска платформа уведомляет о каждой выполненной инструкции. При достижении объектом определенных точек маршрута модуль управления формирует команду визуальной индикации этого события на платформе. После окончания выполнения программы с модуля управления может быть передана команда возврата объекта в исходную точку. Примером подобной системы может служить игровая платформа для обучения детей элементам программирования.

Исходные данные к проекту:

Радиус зоны обслуживания: 70 м (PR=95% покрытие на границе обслуживания)

Тип местности: помещение

Вероятность ошибки на бит Pb: 10-5

Мощность излучения подвижной станции Ризл: < 0.05 Вт

Диапазон частот, вид модуляции выбирается самостоятельно.


1. Постановка задачи и формулирование технических условий функционирования сети.

1.1. Интерпретация назначения сети в виде произвольного прикладного решения в контексте заданной темы. Формализация телекоммуникационной услуги на основании анализа отношений "пользователь-сеть", схематизация отношений. Задачи служб уровня приложения пользователя.

По заданию курсовой работы необходимо разработать систему для пошагового радиоуправления подвижным объектом.В качестве подвижного объекта будет использоваться роботизированная платформа способная пошагово выполнять в заданной зоне обслуживания команды пользователя и уведомлять в доступной визуальной форме о выполнении этих команд.

По задумке, разрабатываемая система позволит доставлять небольшие грузы из пункта А в пункт Б и станет помощником человека в сферах различных услуг, офисных и складских работ. Для реализации сети, по задумке, потребуется 4 главных составляющих: пользователь, терминальное оборудование (Т), точка доступа (АP-accsess point) и подвижный объект (ПО).

Схематичное пояснение реализации сети представлено на рисунке ниже (Рис. 1).


                               Рис.1 Схематичное пояснение реализации сети

Пользователем может являться любой человек. Для управления подвижным объектом он взаимодействующиет с терминальным оборудованием, через который задает инструкции исполнения команд. Принятые от пользователя инструкции терминал передает на точку доступа, которая собирает эту иформацию и передает последовательно (т.е. пошагово) на подвижный объект, который отчитывается о каждом выполненном шаге обратно на АР. Точка доступа обрабатывает принятую с ПО информацию и передает ее на терминал, с которого пользователь наблюдает за пошаговым исполнением команд.

На Рис. 2 приведена схема отношений «Пользователь-объект управления».


Рис. 2 Схематизация отношений «Пользователь-объект управления».

Пользователь, используя специальное программное обеспечение, установленное в терминале, может взаимодействовать с подвижным объектом – давать инструкции действия. Желаемые команды передаются на точку доступа, с которой Т связан шиной соединения. Т.к. точкой доступа является небольшое устройство, располагающееся на близком расстоянии от терминального оборудования, то разумным будет прямое кабельное соединение. Преимуществами станут простота соединения, надежность передачи данных (беспроводное соединение подвергается более сильному воздействию помех, чем кабельное),  более высокая скорость передачи данных (в сравнении с беспроводным). Задачи АР:

1.       Принимать команды с терминала  и передавать их на подвижный объект;

2.       Принимать данные с подвижного объекта и передавать их на терминал;

3.       Хранить в памяти пошаговые инструкции (маршруты);

4.       Изменять инструкции пошагового движения ПО в тех случаях, когда выполнение текущих инструкций не представляется возможным. 

АР имеет контроллер, являющийся мозгом данного сетевого объекта. В его составе находится специальное программное обеспечение (ПО на данном изображении, в дальнейшем это сокращение относится к подвижному объекту) и запоминающее устройство(ЗУ). Так как объект управления постоянно меняет свое местоположение, то соединять его с АР через кабель бессмысленно. Данные в обе стороны между точкой доступа и оборудованием объекта управления передаются посредством радиотерминалов беспроводным способом. Система управления на оборудовании объекта управления (ООУ) контролирует все датчики установленные на платформе и следит за выполнением действий, которые были заданы с АР. Данные о модуле подлинности (МП) передаются наконтроллер АР. Между программным обеспечением терминала, АР и оборудования объекта управления существует протокол передачи сообщений (ППС). Протокол передачи данных(ППД) проходит по шине соединения и  между радиотерминалами.

Главными требованиями к приложению пользователя являются:

1. Возможность давать команды объекту управления путем задания инструкций через удобный пользовательский интерфейс.

2. Отображение в удобной для зрительного восприятия форме всех заданных инструкций, а так же  информации, приходящей с объекта управления.

3. Возможность запоминать введенные ранее команды для ускорения взаимодействия пользователя с интерфейсом программы при последующем использовании.

4. Техническая поддержка специалистами по вопросам работы радиосистемы.

Ниже приведена иллюстрация предполагаемого главного экрана приложения пользователя (Рис.3), более подробное описание работы которого описано далее в курсовой работе.


Рис.3 Главный экран приложения пользователя.

1.2. Пояснение сеанса предоставления телекоммуникационной услуги, анализ параметров сеанса, формализация требований к качеству соединения и объему требуемых ресурсов. Характеристика информационного трафика в прямом и обратном направлениях передачи: вид трафика, производительность или предполагаемый объем сообщений и т.п.

Для объяснения сеанса предоставления телекоммуникационной услуги можно представить кафе.  Все блюда готовые к подаче выставляются на подвижный объект, чем является управляемая платформа. Любой из работников кухни с терминального оборудования, на котором установлено необходимое для взаимодействия с ПО программное обеспечение, прокладывает по внесенной в программу карте помещения маршрут до столика, к которому необходимо доставить заказ. (Рис. 4). Инструкции маршрута отпрявляются на АР.


Рис.4

Точка доступа принимает с терминала пользователя заданные инструкции и поэтапно начинает подавать их на подвижный объект. Каждое движение – шаг, о котором платформа обязана отчитаться.

На ПО установлены различные датчики, определяющие его положение в пространстве относительно других объектов как стационарных, так и подвижных.

Рассмотрим некоторую часть маршрута, в которой ПО нужно не просто ехать прямо, а поворачивать. АР посылает подвижному объекту следующий шаг – поворот. Платформа совершает поворот и отправляет отчет об этом на точку доступа, которая, в свою очередь, доносит это до терминала. На терминале видно, что иконка подвижного объекта совершила небольшой поворот относительно предыдущего движения. (Рис. 5)  Следующим отображением на Т будет следующий выполненный шаг (Рис. 6)  и так далее.

 

 Рис.5                                                                                               


Рис. 6

Таким образом, пользователь постоянно может наблюдать за передвижением объекта, знать, где он находится в данный момент.

По прибытии к нужному столику, ПО завершает путь и останавливается. Он выполнил свою задачу, о чем нужно сообщить точке доступа, которая отобразит на терминале сообщение о конце маршрута. Гость заведения забирает с платформы заказанные блюда и нажимает на кнопку обратного пути, расположенную на корпусе. Эта функция позволяет ПО вернуться объекту обратно на кухню. АР хранит последние 50 успешно завершенных маршрутов на своем запоминающем устройстве. Из ЗУ они передаются на программное обеспечение АР, которое формирует обратный путь для платформы. Это и позволяет подвижному объекту добраться обратно.

 Если же изначально на кухне положили заказы для двух разных людей и указали, куда двигаться объекту при завершении первого маршрута, то при нажатии на кнопку обратного пути первым клиентом, ПО отправится далее – к следующему по очереди. (Рис.7)


                                                                        Рис.7

Т.к. столы в кафе не принято постоянно передвигать, то за день платформа от кухни до стола номер N и обратно может проехать много раз, поэтому разумной окажется следующая реализация.

Когда платформа вернулась от столика на кухню, в программе на терминале можно сохранить совершенный маршрут к столику и записать его в профиль. Так, создав профили «Стол  1», «Стол 2», …… « Стол N», можно забыть о постоянном задании маршрута. Все, что требуется – нажимать на «горячие кнопки» в программе, которые теперь выполняют функции быстрого задания маршрута (т.е. теперь нажатие на клавишу «Стол 1» равняется ручному проложению пути до этого стола).

При обнаружении датчиками ПО на своем маршруте в радиусе 25 см перемещающегося человека, платформа останавливается на 5 секунд во избежание столкновения и нанесения физического вреда. Если через 5 секунд датчики показывают, что подвижного объекта рядом нет, платформа продолжает движение. При возникновении внезапного препятствия на пути (например, кто-то из посетителей стоит и разговаривает с другим посетителем, мешая тем самым исполнению текущего задуманного маршрута), платформа приостанавливается и обращается к точке доступа, в памяти которой хранятся координаты прошлых маршрутов. АP предлагает новые варианты движения пути в объезд препятствия для достижения пункта назначения.

Если подвижный объект не получает команд движения более 2 минут, то он погружается в «спящий режим», где экономится заряд батареи. Выход из этого режима происходит при получении инструкций движения.

Теперь можно вспомнить приведенное ранее изображение главного экрана программы( Рис. 8), с которой пользователь управляет подвижным объектом, а также рассказать о содержании.


                                              Рис. 8 Главный экран программы

В меню «Создать маршрут» пользователю предлагается построить желаемый путь на карте помещения с последующим отправлением платформы по этому пути.

«Мои маршруты» содержит записанные профили (например, «Стол 1», «Стол 2» и т.д.) для автоматического построения маршрута.

«История» содержит информацию о последних 50 маршрутах, каждый можно посмотреть, а при желании сохранить как новый профиль, задав ему свое название.

Меню «Информация об устройстве» позволяет узнавать текущее местоположение устройства на карте, отображает телеметрические данные подвижного объекта – статус текущего состояния, заряд батареи, температуры компонентов системы и др.

«Поддержка» позволяет связываться при активном соединении с сетью Интернет с технической поддержкой подвижного устройства. Здесь можно задать интересующий вопрос по поводу работы программного обеспечения, объекта управления, заказать создание карты помещения.

Кнопка «Вернуть» позволяет прервать маршрут и вернуть устройство на исходное местоположение, если это требуется.

Для того чтобы разобраться, какую пропускную способность необходимо обеспечить разрабатываемой радиосети, вспомним, какие же данные передаются между составляющими? 

Подвижный объект принимает команду пошагового исполнения пути с точки доступа. Кроме того, ПО принимает команду обратного пути, вызываемую кнопкой на своем корпусе, и отправляет сигнал на АР. Также платформа отчитывается о помехах на пути, запрашивая помощь у точки доступа для объезда, принимая позже предложенную новую информацию. Если датчики на ПО заметили передвигающийся объект на расстоянии от себя в 25 см, то платформа остановится и отправит об этом соответствующий отчет. Иные данные телеметрии так же отправляются на АР. По шине соединения как с терминала на АР, так и в обратном направлении передаются небольшие сообщения, которые не содержат в в себе видеотрафика, сложной графической информации. Отображение маршрута на экране терминала, очевидно, формирует сам терминал. 

Информация о местоположении подвижного объекта, его телеметрии, отправляется на терминал каждую секунду. Если учесть, что ни в одну из сторон не передается трафик, требующий высокоскоростного соединения, то обеспечение скорости передачи данных в 128 кбит/с между АР и управляемым объектом, а также 128 кбит/с между терминалом управления и АР будет вполне достаточно. Скорость движения платформы – 2км\ч. Предполагаемая емкость аккумулятора на подвижном объекте – 30 mAh. При полном заряде ПО хватает на полный день в режиме постоянной работы. Аккумулятора заряжается от розетки.

1.3. Обоснование предполагаемой архитектуры радиосети, описание ключевых звеньев доставки сообщений. Пояснение модели выполнения телекоммуникационной (ТК) задачи на примере многозвеньевой схемы взаимодействия элементов сети.

Для обоснования предполагаемой архитектуры сети начнем с описания ключевых звеньев доставки сообщений, а именно:

1.       Терминальное оборудование пользователя;

2.       Точка доступа;

3.       Оборудование объекта управления.

Терминальное оборудование и точка доступа обмениваются сообщениями по кабельному соединению. Если принять эти два звена за совокупность устройств, которая взаимодействует с ООУ уже по беспроводному соединению (с помощью радиотерминалов на АР и подвижном объекте), то получаем два взаимодействующих межу собой узла, что соответствует топологии «точка-точка». Т.к. сообщения между этими двумя узлами выбранной топологии передаются беспроводным способом, то подобную связь можно называть радиомостом (Рис.9).


Рис. 9

Для пояснения выполнения телекоммуникационной задачи воспользуюсь трехзвеньевой схемой взаимодействия ключевых элементов сети (Рис.10).

 

Рис.10 Трехзвеньевая схема взаимодействия ключевых элементов сети.

Для пояснения воспользуемся ситуацией простейшего применения разрабатываемой сети в кафе.

Для начала работы необходимо установление соединения между тремя узлами. Нужно убедиться, что все объекты включены, а кабель между терминалом пользователя и АР исправен. В установление соединения между точкой доступа и ООУ также входит проверка модуля подлинности подвижного объекта. Проверка совершается только с установлением соединения при включении.

 Если соединение установлено и Т отображает информацию об исправном соединении между всеми компонентами, то заданные пользователем инструкции для подвижного объекта поступают на АР. Инструкции принимаются и подготавливаются для пошаговой подачи на оборудование объекта управления. Как было упомянуто ранее, важным является отчет о каждым выполненном шаге. Поэтому после выполнении каждого шага, отчет об этом отправляется с ООУ на АР, которая докладывает о выполнении шага терминалу пользователя. Последняя команда с точки доступа – завершение заданных инструкций – маршрута следования подвижной платформы, после чего объект управления входит в режим ожидания, который может длиться до 2 минут.

 В режим ожидания погружается и Т, в котором он просто бездействует - ждет либо новых инструкций от пользователя, либо новых отчетов с точки доступа. АР в режиме ожидания также бездействует – ожидает новых возможных инструкций с терминала или же запроса на построение обратного маршрута с объекта управления. 

Посетитель забрал свой заказ, следовательно, рядом стоящая платформа ему теперь не требуется, поэтому нажимает на кнопку обратного пути на корпусе ПО. Нажатие на кнопку – сигнал для оборудования объекта управления запросить у АР помощь на построение маршрута назад – туда, откуда она приехала к посетителю с заказом. На терминал пользователя АР посылает уведомление о том, что ПО сейчас начнет обратный путь, а сама подготавливает пошаговую подачу команд для обратного пути. Подготовив инструкции, начинается передача команд с шагами на ПО, который так же отчитывается о каждом выполненном шаге точке доступа, а АР сообщает об этом уже терминалу. Обратный маршрут завершен – на терминал приходит отчет о том, что ПО вернулся. Терминальное оборудование пользователя, АР и ООУ вновь погружаются в режим ожидания. На этот раз управляемый объект находится в бездействии более двух минут, поэтому его оборудование погружается в «спящий режим», где, как написано ранее,экономится заряд батареи. Выход из этого режима осуществляется с приемом команд от АР.

1.4. Формулирование и пояснение стратегии поведения сетевых объектов, введенных в п.1.3. Обоснование требований к функциональному составу сетевого терминала и командного узла.

Как выяснилось в предыдущем пункте, основных сетевых объектов получилось три: терминальное оборудование пользователя, точка доступа и оборудование объекта управления. Формулировать и пояснять стратегии поведения этих главных узлов стоит по порядку, но нужно обозначить то, что соединение между объектами постоянно, ни один из них не уходит в «тайм-аут», даже в режиме ожидания они находятся на связи и в любой момент готовы взаимодействовать. Постоянные опросы «готов ли ты к работе?» не требуются.

1.        Терминальное оборудование пользователя.

 Самое первое, что делает терминал – обнаруживает соединение с сетью, отображает, все ли сетевые объекты готовы к работе и находятся в исправном состоянии. Далее терминал, находясь в режиме ожидания, готов принимать команды пользователя, отправляя их на точку доступа, а также отображать для пользователя пришедшие с АР инструкции.

2.       Точка доступа.

Как и терминал пользователя, точка доступа первым делом должна быть соединена с основными узлами сети – по шине соединения (кабель) с терминальным оборудованием пользователя и с помощью радиотерминала (беспроводное соединение) с оборудованием объекта управления. В этот этап входит и запрос модуля подлинности ПО, в дальнейшем МП у подвижного объекта не запрашивается. Повторный запрос происходит уже при новом соединении сетевых объектов после прекращения работы сети. Сигнализирует о состоянии соединения световой индикатор на корпусе АР. Готовая к работе точка доступа принимает с Т сообщения, адресованные управляемому объекту, разбивает их на пошаговые действия и поэтапно подает на подвижный объект одно за другим сразу после того, как ПО отчитается ей о выполнении предыдущей команды. В обязанности АР входит отправка отчетов о выполнении инструкций и о состоянии ПО обратно на терминал пользователю. Точка доступа на основе своей памяти подсказывает альтернативные пути движения подвижному объекту, если у последнего возникли препятствия на текущем маршруте; формирует обратный путь для ПО. 

3.       Оборудование объекта управления.

Как и предыдущие два сетевых объекта, оборудование объекта управления должно быть участником сети – иметь исправное соединение с АР. В операцию соединения входит отправление данных о своем модуле подлинности по запросу АР. Таким образом, объект управления доказывает, что имеет право быть участником сети. Как и у точки доступа, состояние соединения отображает индикатор на корпусе ПО. Далее оборудование объекта управления готово обрабатывать команды пришедшие с АР и выполнять их. При обнаружении преграды и желании ее преодолеть по другому пути, обнаружении подвижного объекта в радиусе действия соответствующих приборов или переходе в спящий режим – отправляется оповещение АР об этом.

Далее затронем функциональный состав рассмотренных объектов. Направление стрелок говорит о том, в какую сторону идет отправка какой-либо информации.

На Рис. 11 приведен функциональный состав терминального оборудования пользователя.


Рис.11 Функциональный состав терминального оборудования пользователя.

 

Пользователь взаимодействует с устройствами ввода и вывода информации (клавиатура, мышь, монитор). Они являются необходимыми компонентами для взаимодействия с интерфейсом программы. Интерфейс программы приведен на рисунках в предыдущих пунктах. Все введенные данные передаются в мозг терминального оборудования. Для того, чтобы не углубляться в сложное строение любого компьютера, обозначим все его важные внутренние составляющие (память, процессор и т.д.) словом контроллер. Он является обработчиком всей принятой от пользователя информации для передачи на АР, так же, как и всей принятой от АР информации, адресованной для отображения пользователю. Контроллер  хранит и все маршруты, занесенные пользователем в память (профили). Обработанная информация направляется к порту для шины соединения, который предусматривает подключенный к нему кабель, переносящий информацию дальше на АР и приносящий ее же с АР.

Рис.12 демонстрирует функциональный состав точки доступа.


Рис.12 Функциональный состав точки доступа.

 

Точка доступа также имеет порт для шины соединения. Задачи у него схожи с портом на стороне терминала. Кабель является переносчиком информации в обе стороны: от АР к Т, от Т к контроллеру АР. Контроллер в данном случае является также совокупностью внутренних комплектующих, среди которых запоминающее устройство (ЗУ), процессор, программное обеспечение. Все составляющие работают как одно сложное целое устройство. Вывод информации о состоянии соединения с сетью осуществляет индикатор активности на корпусе АР. Все данные поступают с контроллера. Очевидно, что в обратную сторону индикатор никакие данные не отправляет. Подготовленная для передачи на ООУ информация поступает на радиотерминал. Радиотерминалом является устройство, необходимое в создании беспроводного соединения с другим объектом для последующей передачи данных. Он принимает информацию с радиотерминала на другой стороне и передает на контроллер АР, так же как принимает данные с контроллера и передает на другой РТ. 

Рис.13 отображает функциональный состав последнего важного звена в разрабатываемой сети – оборудования объекта управления.


Рис.13 Функциональный состав оборудования объекта управления.

Радиотерминал здесь выполняет похожие функции, что и радиотерминал на АР. Он посылает данные, пришедшие с АР, на сложную систему правления, отправляя так же данные обратно на сторону АР. Через систему управления проходят запросы на МП, с ней же взаимодействует программное обеспечение объекта управления, различные датчики (приборы измерения температуры внутренних комплектующих, заряда батареи, местоположения относительно других объектов, текущего состояния подвижной платформы). Отображает текущее состояние соединения с сетью световой индикатор активности на корпусе устройства, информация на который приходит также с системы управления. Кнопка обратного пути на корпусе ПО является инициатором запроса другого маршрута у АР. Обращение вновь приходит к системе управления, обратного отклика не требуется.

 

Список используемой литературы:

1. Бакке А.В. -  лекции по курсу «Системы и сети связи с подвижными объектами».