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.

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 потребуется 3 главных составляющих: устройство управления(УУ), точка доступа (АP-access point) и подвижный объект (ПО).

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

­                                                              Схематичное пояснение реализация сети. (Рис. 1)

Для рассмотрения отношений «Пользователь-подвижный объект» необходимо подробнее описать важные вопросы для реализации сети в контексте заданной темы:

1. Пользователь и составляющие сети.

Пользователем разрабатываемой сети является человек, взаимодействующий с устройством управления для контроля над подвижным объектом.

Устройство управлением – устройство, с помощью которого пользователь управляет подвижным объектом. Под устройством управления понимается компьютер, работающий под управлением одной из актуальных операционных систем (в данной курсовой работе – персональный компьютер под управлением Windows OS).

Точка доступа – устройство, необходимое для передачи данных с УУ на ПО. С устройством управления соединяется проводным способом, а с подвижным объектом - беспроводным из-за его постоянной смены местоположения.

Подвижный объект – устройство, которое следует инструкциям пользователя, заданным дистанционно. Главная задача – следование по маршруту из точки А в точку Б для доставки небольшого груза. Максимальная скорость передвижения – 2км/ч. Имеется встроенный аккумулятор, датчики определения местоположения в пространстве, датчики определения состояния внутренних компонентов (текущего заряда батареи, температур компонентов и т.д.)

2. Задачи.

К задачам для реализации отношений «Пользователь-подвижный объект» можно отнести:

А) Работа с маршрутами - инструменты их создания, визуализация, передача координат на подвижный объект, хранение путей в памяти УУ. Важной задачей является безопасность исполнения маршрутов подвижным объектом, исполнение пути без вреда человеку и человеческому имуществу.

Б) Рационализация используемых ресурсов – разрабатываемая сеть должна быть применяема в реальных условиях, потому необходимо продуманное использование энергетических и финансовых затрат, их минимизация там, где это возможно.

В) Следование правилам, сценариям и алгоритмам работы сети – каждый компонент сети должен иметь правила поведения в какой-либо ситуации, знать ответ на вопрос «Что делать, если…?».

3. Объекты управления.

Под объектами управления имеются в виду подвижные объекты. Система позволяет управлять сразу с несколькими подвижными объектами с одного устройства управления, но в ходе курсовой работы рассматривается взаимодействие лишь с одним. В разрабатываемой сети задачами объекта управления являются:

А) Следование по заданным маршрутам.

Б) Отчет о каждом выполненном шаге пользователю, передача телеметрии.

В) Избежание аварийных ситуаций – обнаружение препятствий и опасностей на текущем пути с помощью встроенных датчиков.

Г) Экономия электроэнергии.

4. Контроль исполнения.

Одним из главных составляющих радиосети пошагового управления подвижным объектом является контроль за исполнением каждого шага текущей задачи и возможность повлиять на следующий шаг, т.е. изменить его. Контролировать подвижным объектом пользователь может лишь с устройства управления. На компьютере должно быть установлено программное обеспечения необходимое пользователю для контроля за подвижным объектом.

Рисунок ниже демонстрирует главный экран приложения пользователя (Рис. 2).

                                                      Рис.2 Главный экран приложения пользователя.

Главными требованиями к приложению пользователя являются:

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

2. Отображение в удобной для зрительного восприятия форме всех заданных инструкций, а также информации, приходящей с подвижного объекта.

3. Возможность взаимодействия с модулем памяти ПК для запоминания введенных ранее команд, что ускорит взаимодействие пользователя с интерфейсом программы при последующем использовании.

4. Техническая поддержка специалистами по вопросам работы радиосистемы.

Интерфейс программы позволяет построить маршрут, следить за перемещением подвижного объекта. При необходимости можно прервать текущий маршрут, остановив ПО, задать ему другой путь.

Рис. 3 демонстрирует процесс построения маршрута.

                                                       Рис. 3 Демонстрация построения маршрута

На Рис. 4 и Рис. 5 можно пронаблюдать за пошаговым отображением пути подвижного объекта на экране компьютера.

 

                                       Рис. 4  

                                                                                                        

                                       Рис.5

 

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. Любой из работников кухни с устройства управления прокладывает по внесенной в программу карте помещения маршрут до столика, к которому необходимо доставить заказ. Инструкции маршрута, заданные пользователем, принимаются устройством управления и передаются последовательно на АР. Точка доступа принимает каждую инструкцию и передает дальше на ПО. Для пользователя отчетом подвижного объекта о каждом выполненном шаге служит графическое отображение на экране ПК, приведенное ранее.

ПО прибыл к нужному столику, УУ сообщает подвижному объекту о том, что это была последняя команда, дальнейших следований пока не требуется. ПО завершает путь и останавливается. Он выполнил свою задачу и сообщает о том, что успешно прошел весь маршрут.

 Гость заведения забирает с платформы заказанные блюда и нажимает на кнопку «Обратный путь», расположенную на корпусе ПО. Эта кнопка служит сигналом для УУ, что подвижному объекту необходимо вернуться обратно на кухню. УУ хранит последние 50 успешно завершенных маршрутов в своей памяти, поэтому обратный путь формируется из координат в обратном направлении. Это 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.6)

                                                                        Рис.6

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

Когда подвижный объект вернулся от столика на кухню, в программе на ПК 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 вручную. 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 заданию 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 маршрута), ПО приостанавливается и обращается к УУ, в памяти которого хранятся координаты прошлых маршрутов. Подвижному объекту предлагается альтернативный вариант движения со схожими координатами в объезд препятствия. Также сам пользователь, видя на экране ПК информацию об остановке ПО в целях безопасности, может проложить альтернативный путь.

Если подвижный объект не получает команд движения более 1 минуты, то он погружается в «спящий режим», где экономится заряд батареи. Выход из этого режима происходит при получении инструкций движения. В спящем режиме ПО не передает данные телеметрии.

Теперь можно вспомнить приведенное ранее изображение главного экрана программы (Рис. 7), с помощью которой пользователь управляет подвижным объектом, а также рассказать о содержании.

                                              Рис. 7 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. Если ПО находится в энергосберегающем режиме, то здесь же можно его «разбудить» для получения телеметрии.

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

Кнопка «Вернуть» позволяет прервать маршрут и вернуть устройство на исходное местоположение.

 На ПО не установлено камер или датчиков записи звука, поэтому с УУ на ПО и в обратном направлении передается малоемкий трафик: команды, отчеты, данные телеметрии. Отображение маршрута на экране устройства управления формирует само устройство управления. Передача телеметрии ПО на УУ происходит каждую секунду (в режиме активного состояния), с такой же периодичностью передается информация о текущем местоположении. С УУ на ПО в среднем за 10 минут рабочего дня поступает 5 команд на исполнение различных маршрутов. Если взять за длину среднего маршрута 50 пошаговых координат, то за 10 минут подвижному объекту в среднем передается 250 пошаговых координат, что равно ~25 пошаговым координатам в минуту.

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 того, что топология может быть логической и физической. Под логической топологией сети подразумевается структура логического соединения двух конечных узлов разрабатываемой сети, а именно – устройства управления и подвижного объекта. Очевидным обозначением логической топологии станет «Точка-точка». Если рассматривать возможность управления несколькими подвижными объектами с одного устройства управления, то логической топологией станет «Звезда», т.к. будет несколько подвижных объектов (несколько соединений «точка-точка).

Под физической топологией подразумевается структура непосредственно физической связи между объектами сети, разделения между ними физической среды. Устройство управления и АР, как говорилось ранее, связаны между собой кабельным соединением, ввиду стационарности обоих объектов. Если УУ и АР принять за совокупность, которая беспроводным образом взаимодействует с подвижным объектом, то такое физическое соединение можно назвать «Точка-точка». Как и в случае с логической топологией, при управлении несколькими подвижными объектами с одного УУ, топология изменится на «Звезду» (Рис. 8).

Рис. 8 Топология сети «Звезда» (при использовании нескольких подвижных объектов).

 Для пояснения выполнения телекоммуникационной задачи воспользуюсь трехзвеньевой схемой взаимодействия ключевых элементов сети (Рис.9).

Рис. 9 Схема взаимодействия ключевых элементов сети.

Сначала происходит установление соединения между УУ и АР (1). Оно подразумевает правильное кабельное подключение этих двух объектов (УУ и АР должны быть предварительно включены), о чем будет сигнализировать интерфейс программы на устройстве управления. АР рассылает широковещательное сообщение (2) с информацией о сети для других объектов. ПО обнаруживает широковещательную несущую и отправляет в ответ данные о себе (3), желая стать участником сети.  Далее происходит процесс синхронизации (4). АР принимает информацию об объекте. Если это объект, являющийся одним из видов ПО, с которыми возможна работа данной радиосистемы пошагового управления объектом, то он оповестит об этом УУ (5). С устройства управления пользователь подтверждает готовность работы с данным ПО, соответствующее подтверждение отправляется на АР (6). АР завершает регистрацию с ПО, выделяет ей логический порт для адресной передачи информации (7). На ПО приходит уведомление о том, что он стал участником сети (8), в ответ ПО передает данные телеметрии (9), которые АР примет, проведет радиоизмерения, оценку качества соединения (10). Все эти принятые данные передадутся на УУ (11). Транспортное соединение установлено, поэтому возможно передача команд маршрута. Пользователь задал с УУ маршрут, происходит передача первой команды пути (12,13). ПО выполняет переданный шаг маршрута (14) и отчитывается об этом (15, 16). Вместе с отчетом о выполненном шаге отправляются и данные телеметрии. На экране устройства управления отображается графическое выполнение одного из шагов заданного маршрута (17). Таким образом проходит пошаговое исполнение пути. После того как маршрут завершен, передается последняя команда (18,19) с информацией о том, что текущий путь завершен. ПО прекращает движение (20) и сообщает об этом (21, 22). Последующий алгоритм действий ПО зависит от желаний пользователя.  Как было написано ранее, если подвижный объект не получает никаких команд более 1 минуты, то он погружается в «Спящий режим» (23), где экономится заряд батареи. Данные телеметрии ПО также прекращает передавать.

 

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, есть три сетевых объекта: устройство управления, точка доступа и подвижный объект. Формулировать и пояснять стратегии поведения этих главных узлов стоит по порядку. Необходимо добавить то, что при разрыве соединения между УУ и АР или между АР и ПО, нужно пройти повторный процесс соединения, синхронизации и подтверждения готовности работы. Когда ПО погружается в «Спящий режим», разбудить его можно любой командой или соответствующим запросом на передачу телеметрии с приложения на УУ. При погружении в «Сон» не проходит никакого разрыва соединения, ПО всегда готов откликнуться.

              1. Устройство управления.

 Самое первое, что делает устройство управления– отображает соединение с АР -  в активном ли состоянии она находится. В дальнейшем, после синхронизации АР с ПО, устройство управления отображает для пользователя информацию о подвижном объекте. С устройства управления можно либо «принять» ПО в сеть и взаимодействовать с ним далее, либо отвергнуть и запретить быть участником сети. Далее с устройства управления пользователь взаимодействует с подвижным объектом – отправляет команды и принимает отчеты.

             2. Точка доступа.

 При синхронизации с УУ, АР рассылает широковещательное сообщения для того чтобы предоставить всем информацию о существовании радиосети. Если АР получает от кого-либо данные, то происходит проверка – является ли это устройство подвижным объектом, который мог бы принять участие в данной сети. Если данная проверка показывает, что подключиться желает ПО, который имеет все полномочия для того, чтоб стать участником сети, то происходит синхронизация между АР и ПО. Дальнейшим действием АР станет уведомление УУ «Я нашел ПО, который мог бы стать участником сети. Посмотри, желаешь с ним работать?».

Далее АР выполняет прием\передачу информации в обе стороны, а также периодично отправляет ШВС для того чтоб другие объекты имели шанс стать участниками сети.

       3. Подвижный объект.

       При включении ПО начинается поиск нужного ШВС т.к. единственное назначение            подвижного объекта – быть участником конкретной сети. Найдя BCCH, ПО отправляет ей данные о себе и ожидает синхронизации. После подтверждения с УУ пользователем того, что он готов взаимодействовать с данным ПО, объект становится участником радиосети, готовым принимать команды. ПО готов как принимать, так и постоянно отправлять на УУ данные – данные с различных датчиков, отчеты о действиях, запрос на обратный путь.

 

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

На Рис. 10 приведен функциональный состав устройства управления.

Рис.10 Функциональный состав устройства управления.

Пользователь взаимодействует с устройствами ввода и вывода информации (клавиатура, мышь, монитор). Они являются необходимыми компонентами для взаимодействия с интерфейсом программы (программным обеспечением). Интерфейс программы приведен на рисунках в предыдущих пунктах. За обработку всех данных, которые отправляются или принимаются отвечает процессор, который обращается к памяти, если это необходимо (например, когда используются сохраненные профили). Обработанная и подготовленная информация (перед дальнейшей передачей на АР) направляется к порту для шины соединения, который предусматривает подключенный к нему кабель.  Кабель – переносчик информации в обе стороны. Пришедшая с АР информация так же поступает на процессор для обработки и дальнейшего вывода информации для пользователя. 

Рис.11 демонстрирует функциональный состав точки доступа.

Рис.11 Функциональный состав точки доступа.

Точка доступа также имеет порт для шины соединения. Задачи у него схожи с портом на стороне терминала.  Контроллер в данном случае является совокупностью внутренних комплектующих, среди которых запоминающее устройство, процессор, программное обеспечение.  Все составляющие работают как одно целое устройство, необходимое для идентификации объектов, приема и передачи информации и др. 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 ПО информация поступает на радиотерминал. Радиотерминалом является устройство, необходимое для беспроводного соединения с ПО для последующего приема и передачи данных. С помощью радиотерминала АР рассылает ШВС.

Рис.12 отображает функциональный состав последнего важного звена в разрабатываемой сети – подвижного объекта.

Рис.12 Функциональный состав подвижного объекта.

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 ДП (данные подлинности). Данными подлинности являются данные с информацией о ПО, которые дадут ему право стать участником сети после синхронизации с АР. С системой управления 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 у УУ координат на обратный путь, либо координат на следующий по очереди путь. Вновь приходит обращение к системе управления, обратного отклика не требуется.