UNIVERZITA OBRANY Fakulta vojenských technologií
Výtisk číslo: 1 Počet listů: 22
ZÁVĚREČNÁ ZPRÁVA PROJEKTU SPECIFICKÉHO VÝZKUMU ZA ROK 2012 I. IDENTIFIKACE PROJEKTU SPECIFICKÉHO VÝZKUMU Název projektu: 1.
Implementace moderních technologií v avionických systémech
2.
Termín řešení (rok):
2012
3.
Celkem uznané náklady na řešení (tis. Kč):
382
II. IDENTIFIKACE PŘÍJEMCE INSTITUCIONÁLNÍ PODPORY ZE STÁTNÍHO ROZPOČTU 1.
2.
Fakulta, pracoviště: Hodnost, tituly, jméno, příjmení odpovědného řešitele:
Fakulta vojenských technologií, Katedra leteckých elektrotechnických systémů
prof. Ing. Rudolf Jalovecký, CSc.
Podpis odpovědného řešitele: Hodnost, tituly, jméno, příjmení vedoucího pracoviště:
plk. Doc. Ing. Miloš Andrle, CSc.
Podpis vedoucího pracoviště: Další členové řešitelského týmu *) Hodnost, tituly, jméno, příjmení
3.
Odborné zaměření
mjr. Ing. Petr Bojda, Ph.D
Palubní letecké navigační a radiolokační systémy
npor. Ing. Jan Bořil
Modelování a simulace mechatronických soustav pilot - letadlo
por. Ing. Josef Ševeček
Letecká raketová technika
Bc. Bac Nghia Vu
Palubní letecké navigační a radiolokační systémy
rtn. Bc. Adam Novotný
Palubní letecké navigační a radiolokační systémy
Příslušnost Katedra leteckých elektrotechnických systémů Katedra leteckých elektrotechnických systémů – interní doktorand Katedra leteckých elektrotechnických systémů – externí doktorand Katedra leteckých elektrotechnických systémů – student NMgr Katedra leteckých elektrotechnických systémů – student NMgr
Obsah zprávy A: Úvodní část........................................................................................................................3 1. Stručná anotace celého projektu, cca 6-10 řádků!!...........................................................3 2. Cíle projektu a jejich eventuální změny...........................................................................3 3. Navrhovaný rozpočet. .....................................................................................................4 4. Stávající stav v řešené oblasti (na začátku řešení úkolu). .................................................4 5. Možné metody řešení. .....................................................................................................5 B: Stručná technická zpráva....................................................................................................8 1. Předpokládané výsledky řešení .......................................................................................8 2. Technický popis dílčích výsledků ...................................................................................8 2. 1. Mechatronická soustava z pohledu systému automatického řízení letu....................8 2. 2. Multikonstalační přijímač GNSS...........................................................................12 C: Výsledky projektu............................................................................................................17 1. Diskuze získaných výsledků (srovnání s teoretickými, eventuálně hypotetickými předpoklady, interpretace získaných výsledků). ................................................................17 2. Počty a seznam výsledků, které budou předkládány jako výsledky studentských projektů v RIVu (typ zdroje financování S = specifický vysokoškolský výzkum). .........................18 3. Počty a seznam disertačních (diplomových) prací, které vznikly s podporou prostředků na specifický výzkum. ......................................................................................................19 4. Využitelnost dosažených výsledků................................................................................20 5. Další možnosti rozvoje sledované oblasti. .....................................................................20 6. Závěr - přínos pro rozvoj studijního programu, oboru, AČR..........................................20 7. Návrh konkrétních opatření...........................................................................................20 D: Využití finančních prostředků..........................................................................................21 1. Přehled o použití finančních prostředků specifického výzkumu za příslušný rozpočtový rok s podrobným komentářem s uvedením: .......................................................................21 E. Seznam použité literatury. ................................................................................................22
2
VLASTNÍ PROJEKT
A: Úvodní část 1. Stručná anotace celého projektu, cca 6-10 řádků!! Projekt specifického výzkumu zaměřila katedra na další rozvoj avionických subsystémů a možnosti simulace chování člověka – pilota. Dva studenti magisterského studia v řešitelském kolektivu se zabývali návrhem a realizací multikonstalačního přijímače GNSS. Externí doktorand měl za úkol provést analýzu kinetické soustavy duo i kvadrokopteru. 2. Cíle projektu a jejich eventuální změny. Cíle projektu byly definovány na základě potřeby jednotlivých studentů podle jejich odborného zaměření. Vzniklo tak několik dílčích cílů: por. Ing. Jan Bořil – Výzkumná činnost ve prospěch specifického výzkumu bude směřovat především k simulaci mechatronických soustav z hlediska SAŘL, kde bude provedena analýza naměřených dat z leteckého simulátoru s cílem blíže identifikovat a určovat parametry modelu chování pilota. Nedílnou součástí toho bude příprava na realizaci leteckého simulátoru a vytvoření tak experimentálního pracoviště pro měření letových dat i pro základní si osvojení leteckých návyků. por. Ing. Josef Ševeček – Předmětem výzkumné činnosti bude analýza duokopteru a kvadrokopteru z hlediska mechaniky letu. Výsledky této analýzy budou sloužit pro definici pohybových rovnic a postupné sestavování linearizovaného modelu bezpilotního prostředku včetně vyhodnocení vzájemného vlivu jeho jednotlivých částí. Bc. Bac Nghia Vu – Cílem je vytvořit návrh dílčích částí multikonstalačního přijímače GNSS. Hlavní důraz je kladen na blok synchronizace (nosné a kódu). Podstatou bloku synchronizace je zpětná vazba, která udržuje na výstupu číslicově řízeného oscilátoru (NCO – numerically controlled oscillator) signál o stejném kmitočtu, jaký má vstupní signál nesoucí data. Vypracovaný modul v jazyce VHDL umožní např. analýzy požadovaného minimálního – maximálního kroku ladění NCO vzhledem k požadované dynamice obvodu. rtn. Bc. Adam Novotný – Cílem je vytvořit návrh dílčích částí multikonstalačního přijímače GNSS. Základem přijímače bude obvod MAX 2120 – VF část, jehož výstupem je spojitý signál komplexní obálky. Úkolem studenta bude připravit návrh HW struktury v jazyce VHDL, která bude řídit a obsluhovat obvod MAX 2120 a zpracovávat signál z něj.
3
3. Navrhovaný rozpočet. Běžné výdaje (neinvestiční prostředky): Nákup služeb (včetně školení):
64.000,- Kč 0,- Kč
Cestovné a vložné:
278 000,- Kč
Stipendia:
40.000,- Kč
Celková částka:
382.000,- Kč
4. Stávající stav v řešené oblasti (na začátku řešení úkolu). por. Ing. Jan Bořil V návaznosti na Projektu Specifického Výzkumu pro rok 2011 byly k dispozici naměřená data z leteckého simulátoru Cessna 152 Cockpit Simulator. Simulátor je umístěn na University of Hertfordshire v Anglii, kde byl doktorand na studijním pobytu ERASMUS. Naměřená data byly ve formě textové tabulky složené z několika desítek sloupců (parametrů letu) a několika tisíců řádků (v závislosti na vzorkovací frekvenci). Je zapotřebí tyto data roztřídit podle provedeného manévru, podle pilota, který letěl s letounem atd., tak aby byla možnost data použít k následné experimentální identifikaci modelu chování pilota. Pomocí získaných poznatků z programu ERASMUS byl v minulosti sestaven simulační model dynamiky letu vrtulníku v programu MATLAB – Simulink. Na základě znalostí modelu chování člověka je potřeba modelovat a simulovat mechatronickou soustavu pilot – vrtulník, a pokusit se určit teoretické časové konstanty modelu chování pilota za pomocí 3D grafů. Realizace leteckého simulátoru a vytvoření tak experimentálního pracoviště pro měření letových dat i pro základní si osvojení leteckých návyků byla v této fázi úkolu pouze vize v myšlenkové rovině. Je potřeba stanovit si dílčí úkoly a přistoupit ke stavbě a zprovoznění leteckého simulátoru po částech a pracovat (konzultovat) v týmu řešitelů. por. Ing. Josef Ševeček Problematika sil působících na konstrukci duo a kvadrokopteru není příliš rozpracována. Konkrétní problematika spočívá v interakci sil na vrtuli poháněné elektrickým motorem a přenos vyvozené síly na celou konstrukci duo a kvadrokopteru. Bc. Bac Nghia Vu V současné době jsou přijímače signálů družicových navigačních systémů (GNSS) běžnou součástí života a jsou také podstatnou součástí avionických systémů. Základní princip činnosti navigačního přijímače spočívá v určení pseudovzdálenosti za pomocí kódových i fázových měření. Principem kódového měření je změření času zpoždění kopie pseudonáhodné posloupnosti při dosaženém maximu korelační funkce. Časové sesouhlasení přijímané pseudonáhodné posloupnosti a její kopie generované v přijímači, vede potom zároveň k měření pseudovzdálenosti i k demodulaci přijímaného signálu. Součástí přijímače je jedna nebo více sledovacích smyček, jejichž úkolem je udržovat kmitočet nebo fázi nosného signálu a pseudonáhodného kódu generované kopie v souladu s přijímaným signálem z družice.
4
Současný výzkum v oblasti navigačních přijímačů se zabývá mimo jiné i novými možnostmi v návrhu sledovacích obvodů. Jsou konstruovány sledovací smyčky založené ne pouze na dynamice vstupního signálu, ale pracující i s dynamikou pohybu družic a pohybu samotného přijímače. Vstupem sledovacích smyček je také signál z dalších navigačních systémů (nejčastěji z inerciálního navigačního systému) a z estimátoru polohy (většinou Kalmanův filtr). Takto jsou koncipovány sledovací smyčky s tzv. těsnou vazbou „tightly coupled systems“ nebo vektrová sledovací smyčka „vector based tracking loop“. Cíl tohoto dílčího úkolu projektu byl stanoven tak, aby výsledný blok synchronizace nosné a kódu signálu byl připraven jako základ těchto komplexních sledovacích smyček. rtn. Bc. Adam Novotný V tuto chvíli není ve vybavení laboratoří k dispozici žádný přijímač s kvadraturním demodulátorem, který by byl schopen příjmu signálů systémů GNSS a jeho přímého zpracování pomocí FPGA. Proto bylo rozhodnuto zkonstruovat HW platformu, která umožní základní experimenty s digitalizovaným GNSS signálem. Obvod MAX2120 je monolitický přímo-zesilující přijímač s dynamickým rozsahem od 75 dBm do 0 dBm a šířkou pásma min. 4 MHz. Svým kmitočtovým rozsahem vyhovuje pro použití v oblasti navigačních signálů. 5. Možné metody řešení. por. Ing. Jan Bořil Zájmové a zkoumané oblasti modelování a simulací v programu MATLAB – Simulink předpokládají výrazné použití simulačních metod a také experimentálních identifikačních algoritmů potřebných ke stanovení přesných parametrů přenosové funkce modelu chování člověka. Při stavbě a zprovoznění leteckého simulátoru byl využit celý řešitelský tým, kde každý z řešitelů měl nápady a připomínky k realizaci leteckého simulátoru. V návaznosti na realizaci započali probíhat testy ve formě experimentálních letů na leteckém simulátoru, kde je nutná spolupráce s piloty jako měřenými objekty. V rámci dílčí části projektu SV byly použity tyto metody řešení: I. Simulace a modelování na počítači. II. Identifikace parametrů přenosových funkcí. III. Týmová práce. IV. Experimentální měření. V. Obecné vědecké metody (analýza, verifikace). por. Ing. Josef Ševeček Student kombinované formy doktorského studia neplnil své úkoly z důvodu pracovního vytížení. Jako technik letounu Casa byl větší část roku mimo republiku. Na základě žádosti mu bylo studium přerušeno. Bc. Bac Nghia Vu Blok synchronizace byl vytvořen ve formě modulu pro obvod FPGA Altera Cyclone III v kombinaci s dvojicí AD a DA převodníků. 5
Synchronizace nosné byla uskutečněna pomocí standardní struktury – Costasovy smyčky. Na ní byly testovány různé nastavení filtrů ve zpětné vazbě a parametry číslicově řízeného oscilátoru(NCO - numerically controlled oscillator). Smyčka byla laděna pro sledování fáze. Blok pro sledování kódu byl vytvořen pomocí korelátoru se třemi kopiemi kódu (E – předbíhající, P – ve fázi, L – zpožděná) a generátoru C/A kódu. Blok korelace používá výpočet korelační funkce v kmitočtové oblasti. Blok generátoru C/A kódu je realizován prostřednictvím posuvných registrů s volitelnými zpětnými vazbami. rtn. Bc. Adam Novotný Blok ovládání přijímače MAX2120 byl vytvořen ve formě modulu pro obvod FPGA Altera Cyclone III v kombinaci s dvojicí AD a DA převodníků. Modul v obvodu FPGA se skládá jednak ze samotného bloku ovládání přijímače využívající sběrnici I2C a dále z číslicového filtru typu FIR. Jedná se o dolní propust s šířkou odpovídající šířce přijímaného signálu. 6. Výběr a zdůvodnění vybrané metody řešení (metodika řešení). por. Ing. Jan Bořil Pro potřeby modelování a simulací bylo využito především simulačních metod spolu s identifikací parametrů přenosových funkcí modelu chování pilota. Vzhledem k již v minulosti získaným zkušenostem s programováním, modelováním a simulacemi v programu MATLAB doktorand pokračoval v práci za pomoci tohoto programového prostředí. Počítačová simulace je efektivní nástroj, jak za pomoci matematických modelů letadel a matematických modelů chování člověka (pilota) lze pozorovat chování celého mechatronického systému, při změně celé řady proměnných a tím tak předpovídat reálné vlastnosti systému. Na realizaci leteckého simulátoru se podílelo více pracovníků Katedry leteckých elektrotechnických systémů, což vyžadovalo aktivní práci v týmu. Proběhlo několik porad, kde každý měl možnost zasahovat do průběhu realizace leteckého simulátoru. Ke konci roku 2012 bylo provedeno pár experimentálních testů v podobě zkušebních letových situací určených ke správnému nastavení a volbě parametrů leteckého simulátoru. por. Ing. Josef Ševeček – přerušené studium Bc. Bac Nghia Vu Použití obvodu FPGA – Obvody FPGA jsou přímo určené pro implementaci algoritmů pro zpracování signálů. Jsou k tomu vhodné jednak díky paralelní struktuře obvodu samotné, dále přímo obsahují HW bloky pro implementaci struktur filtrů (MAC – multiplication, accumulation operace). Synchronizace nosného kmitočtu pomocí Costasovy smyčky – tato zpětnovazební struktura je vhodná k autonomnímu sledování fáze nebo kmitočtu vstupního harmonického signálu a zároveň k demodulaci signálu s BPSK modulací. Costasova smyčka se skládá z kvadraturního detektoru a dvou větví zpětné vazby, které řídí NCO. Na této struktuře je možno jednoduše zkoušet různá nastavení parametrů jak NCO, tak i zpětných vazeb a ověřovat tak optimální řešení vzhledem k předpokládané dynamice signálu. Vyzkoušená nastavení budou vhodná k implementaci do složitějších smyček.
6
rtn. Bc. Adam Novotný Použití obvodu FPGA – K samotnému ovládání přijímače by bylo vhodnější využít levnějšího obvodu typu mikrokontrolér. Nicméně počítá se s využitím obvodu FPGA k dalšímu zpracování signálu. V prvním návrhu, který byl vyvinut v rámci tohoto projektu je signál pouze filtrován. V dalším pokračování budou implementovány pokročilejší metody zpracování a demodulace signálu s rozprostřeným spektrem.
7
B: Stručná technická zpráva (Popis hlavních úkolů projektu a jejich technických výsledů) 1. Předpokládané výsledky řešení Podle Návrhu projektu si studenti vytýčili následující výsledky řešení: por. Ing. Jan Bořil – Příprava pro vybudování experimentálního pracoviště (v závislosti na nákupu komponent) sloužícího pro testování a měření odezvy pilotů na neočekávané situace za letu. Mimo jiné by simulátor mohl sloužit i pro potřeby jiných kateder, především katedry letectva a jejich studentů, kteří by si mohli za pomoci leteckého simulátoru osvojit základní letecké návyky. Z naměřených dat po jejich zpracování a identifikaci se předpokládá přiblížení reálným hodnotám časových konstant modelu chování pilota a z toho plynoucí přesnější simulační modely mechatronických soustav z hlediska SAŘL využitelné v doktorské disertační práci. Publikace ve sbornících a na uznávaných zahraničních konferencí. por. Ing. Josef Ševeček – Linearizovaný model duokopteru a kvadrokopteru bude využit v doktorské disertační práci a další vědecké činnosti na katedře. Publikace článku na konferenci. Bc. Bac Nghia Vu – Funkční návrh ve VHDL implementovaný do obvodu FPGA – modul kvadraturního detektoru a modul sledovací smyčky. Publikace výsledků ve sborníku mezinárodní konference. rtn. Bc. Adam Novotný – Funkční návrh ve VHDL implementovaný do obvodu FPGA – modul obsluhy obvodu MAX2120 a modul korelátoru pracující s komlexní obálkou přijímaného signálu. Publikace výsledků ve sborníku mezinárodní konference. 2. Technický popis dílčích výsledků 2. 1. Mechatronická soustava z pohledu systému automatického řízení letu por. Ing. Jan Bořil a.) Vliv modelu chování pilota na stabilitu vrtulníku při poruše autostabilizačního obvodu Podnětem k realizaci simulací mechatronické soustavy pilot – vrtulník byla potřeba získání informací, jakých výsledků je možné dosáhnout při simulacích modelu pilota zpraženého s modelem vrtulníku. Vrtulník se totiž vyznačuje svým sofistikovaným a složitějším řízením než má letoun. Je známo že, vrtulník je obecně aerodynamicky nestabilní. K jeho stabilizaci napomáhají autostabilizační obvody a pilot. Je tedy nutné měřit polohové úhly a jejich derivace, které jsou zpracovány ve zpětnovazebních řídících obvodech, které dále posílají signál na mechanické vazby stabilizující vrtulník do rovnovážných podmínek. Řešitelé se snažili zjistit, co se stane, pokud jeden z kanálů autostabilizačního obvodu přestane správně fungovat. Zda je model chování pilota schopen stabilizovat model vrtulníku bez pomoci zpětnovazebních obvodů. Algoritmus pro vytvoření 3D-grafů byl naprogramován v programu MATLAB® a simulace byly provedeny v simulačním prostředí MATLAB-Simulink®. 8
Obecné blokové schéma celé mechatronické soustavy je zobrazeno na (obr. 1). Výchozím bodem k vytvoření modelu vrtulníku byla znalost pohybových rovnic dynamiky vrtulníku [Boř_01]. Z těchto pohybových rovnic byl sestaven analytický model, blok Helicopter dynamics. Poslední a velice podstatnou částí charakterizující mechatronickou soustavu pilotvrtulník je blok s názvem Human-pilot model [Boř_05]. Řešitelé pracují s přenosovou funkcí druhého řádu s dopravním zpožděním, kde v našem případě jednotlivé časové konstanty charakterizují právě pilotovu schopnost řídit vrtulník [Boř_02, Boř_03, Boř_06].
Obr. 1: Blokové schéma mechatronické soustavy pilot-vrtulník V počáteční fázi řešení úkolu byly provedeny simulace modelu vrtulníku bez autostabilizačních obvodů a potvrdilo se, že vrtulník není chopen se sám stabilizovat z počátečních podmínek a samovolně se rozkmitá. Pokud je do obvodu zařazena záporná zpětná vazba, po provedení simulace dojdeme k výsledku, že autopilot vrtulníku je schopen např. v podélném sklonu se z hodnoty 0,15 rad srovnat do rovnovážného nulového stavu do 6ti sekund. Následujícím krokem bylo vyřazení jednoho zvoleného kanálu zpětné vazby. V našem případě byl vybrán kanál podélného sklonu. V tomto případě se vrtulník opět rozkmitá a stává se nestabilním, což bylo všeobecně očekávané. Prvořadým úkolem bylo zjistit chování systému, ve kterém hraje podstatnou roli model chování pilota. V této souvislosti byla provedena variace časových konstant modelu chování pilota. Vzhledem k zobrazení výsledků ve 3D je možné názorně ukázat, že existují hranice časových konstant (obr. 2).
Obr. 2: 3D zobrazení podélného sklonu při poruše kanálu autostabilizačního obvodu – stabilizace pomocí modelu chování pilota (T3=0.2÷1.5, T1=0.1,T2 =0.1) 9
b.) Identifikace parametrů přenosové funkce modelu chování pilota z naměřených dat Výzkumná práce na toto téma se zabývá výsledky a výpočty časových konstant matematického modelu chování pilota při řízení letu letounu s náhlou změnou výšky letu. K výpočtům řešitelé využili dva rozličné způsoby zpracování naměřených dat. Prvním z nich bylo využití System Identification Toolbox™ ze simulačního nástroje MATLAB®. Druhým byl identifikační algoritmus pro výpočet přenosové funkce dynamického systému, který byl již v minulosti řešitely vytvořen [Boř_04]. Rovněž byl zformulován analytický model chování člověka (pilota) ze základních prvků automatické regulace. Experimentální měření proběhlo na simulátoru Cessna 152 na University of Hertfordshire, Hatfield. Studenti pilotních směrů, kteří mají nalétáno několik desítek hodin na skutečných letounech byli podrobeni testům v podobě skokové změny výšky letu. • Obr. 3 zobrazuje vstupní, výstupní průběh a výslednou křivku, která byla identifikačním algoritmem vypočtena po 1201 iteracích. Křivka zobrazující průběh změny výšky v závislosti na čase má modrou barvu. Z důvodu normování signálů pro možnosti porovnání výsledků je měřítko zmenšeno. Ve dvou sekundách instruktor náhle sníží výšku letu o 100ft a pilot na to reaguje co nejrychlejším a nejpřesnějším stoupáním zpět do letové hladiny. V protifázi křivky výšky letu je křivka znázorňující pohyb řídicí páky v podélném směru. Ta je vyobrazena černou čarou. Po uvědomění si pilota, že došlo k náhlé změně výšky, přitáhne řídicí páku do maximální polohy a stoupá tak s letounem zpět na předešlou letovou hladinu. Pilot začne podrovnávat poměrně pozdě a tak vlivem setrvačnosti letounu dojde k jednomu zákmitu. Poté už pilot dokáže letoun stabilizovat na předešlou letovou hladinu. Výsledná, respektive vypočtená křivka je znázorněna červenou čarou. Je zřejmé, že algoritmus je schopen se držet trendu křivky až do doby kdy pilot prudce přitáhne a drží hodnotu výchylky řídicí páky na maximum. V tomto okamžiku dochází k omezení výchylky kormidla, tedy vznik nelinearity, se kterou si výpočetní algoritmus zatím neumí poradit a poté už není schopen se vrátit zpět a kopírovat trend křivky. Algoritmus zajistí alespoň částečné kopírování tvaru křivky výchylky řídicí páky. Parametry vypočtené přenosové funkce jsou uvedeny v tab. 1. •
Obr.3.: Naměřená a vypočtená data (Identifikační algoritmus) • Jako druhý způsob vyhodnocení naměřených dat sloužil System Identification Toolbox jehož grafické výsledky jsou na obr. 4. Do System Identification Toolboxu byly nahrány stejná vstupní a výstupní data, tak abychom mohli porovnat výsledné přenosové funkce pro oba způsoby simulace. Trend výsledné křivky je téměř totožný jako u identifikačního algoritmu. Ovšem i zde se projevuje nelinearita v oblasti náhlé změny výchylky řídicí páky 10
s dosažením krajní polohy. Také v tomto případě System Identification Toolbox si není schopen správně poradit s touto nelinearitou. Výsledné hodnoty přenosové funkce jsou uvedeny v tab. 1.
Obr. 4.: Naměřená a vypočtená data (System Identification Toolbox)
Figure 20 21
Tab. 1. Parametry a časové konstanty přenosových funkcí τ K T3 T1·T2 -1.094 0.690 0.204 0.0212 -1.070 0.683 0.350 0.0162
T1+T2 0.366 0.308
c.) Experimentální pracoviště s leteckým simulátorem Základem experimentálního pracoviště je samotný letecký simulátor, ke kterému je připojena instruktorská stanice, na niž je možné měnit různorodé parametry letu (obr. 5). Samotný simulátor je složen ze čtyř obrazovek, systémů pro řízení letounu, výkonného počítače, softwaru X-Plane od firmy Laminar Research a v neposlední řadě z konstrukce pro zavěšení jednotlivých displejů. Instruktorská stanice má svůj vlastní počítač s příslušenstvím, displej a zmíněný software X-Plane.
Obr. 5.: Experimentální pracoviště s leteckým simulátorem na K-206 11
por. Ing. Josef Ševeček – přerušené studium 2. 2. Multikonstalační přijímač GNSS. Bc. Bac Nghia Vu Byl navržen, implementován a ověřen modul synchronizace podle schématu na obr. 6. Tento modul se skládá z Costasovy smyčky pro sledování fáze nosného signálu a z bloku sledování kódu. Costasova smyčka (viz. obr. 7 ) sama o sobě obsahuje kvadraturní detektor a sledovací smyčku. Costasova smyčka se skládá ze dvou větví. V každé z nich je aritmetický násobič vstupních signálů. Ten je realizován hardwarovým blokem násobiče v obvodu FPGA. Blok NCO je konstruován jako modul přímé digitální syntézy (DDS) s řízením kmitočtu a fáze ve zpětné vazbě. Filtry FIR v jednotlivých větvích smyčky a ve zpětné vazbě jsou konstruovány přímo pomocí paralelní logiky obvodu. Dále je součástí návrhu také obvod sledování kódu (obr. 8). Ten řídí zpoždění generátoru kódu na základě hodnoty korelační funkce na výstupu korelátoru (obr. 9). Korelátor je postaven na blocích rychlé Fourierovy transformace a její inverzní podoby. Korelační funkce se vypočítává v kmitočtové oblasti. Následně je detekováno její maximum pomocí prahového detektoru. Na základě zpoždění změřeného korelátorem je nastaveno zpoždění pro sledování fáze kódu, resp. jeho přesné, zpožděné a předbíhající kopie.
Obr. 6: Blokové schéma modulu synchronizace nosné.
12
Obr. 7: Blokové schéma Costasovy smyčky.
Obr. 8: Blokové schéma modulu synchronizace kódu.
Obr. 9: Blokové schéma korelátoru.
13
rtn. Bc. Adam Novotný – Byl navržen, vyvinut a implementován modul pro ovládání přijímače MAX2120 (obr. 10). Komunikace mezi obvody FPGA a MAX2120 je zprostředkována sběrnicí I2C. Tok dat na sběrnici je řízen stavovým automatem typu Mealy. V posuvném registru je vždy dopředu připraveno konfigurační slovo a to je s příchodem patřičného stavu automatu vysláno. Přijímač MAX 2120 je konfigurován pro příjem signálu na kmitočtu L1, demodulaci BPSK a je nastavena šířka pásma na nejnižší možnou hodnotu 40 MHz. Výstupem je signál komplexní obálky, tedy v základním pásmu. Na obr. 11 je kmitočtová charakteristika filtru navrženého pro předzpracování signálu L1 systému GPS. Filtr má mezní kmitočet 1 MHz, je taktován 50 MHz. Jeho úlohou je předzpracovat signál komplexní obálky vstupující do obvodu FPGA a zbavit jej parazitních zákmitů. Je zřejmé, že mimo pásmo propustnosti filtr potlačuje signály až o 40 dB. Dále na obr. 12, obr. 13, obr. 14 jsou zobrazeny signály na vstupu FPGA a jeho výstupu. Dále jsou obvodem FPGA řízeny AD převodníky. Ty jsou taktovány kmitočtem 25 MHz. Je synchronizován přenos 14-ti bitových slov z AD převodníku na vstup FPGA. V tomo zapojení se využívá paralelního přenosu, tzn. AD převodník je s FPGA propojen 14-ti bitovou sběrnicí.
Obr. 10: Blokové schéma vyvinutého modulu ovládání přijímače a zpracování signálu.
14
Obr. 11: Kmitočtová charakteristika implementovaného filtru, fcut=1MHz, fsampl=50MHz
Obr. 12: Komplexní obálka přijímaného signálu, L1, PRN9, -45dBm, zelený – před filtrací, žlutý – po filtraci.
15
Obr. 13 Komplexní obálka přijímaného signálu, L1, PRN9, -45dBm, fDopp=5kHz, zelený – před filtrací, žlutý – po filtraci. .
Obr. 14: Komplexní obálka přijímaného signálu, L1, PRN9, -45dBm, fDopp=10kHz, zelený – před filtrací, žlutý – po filtraci
16
C: Výsledky projektu 1. Diskuze získaných výsledků (srovnání s teoretickými, eventuálně hypotetickými předpoklady, interpretace získaných výsledků). por. Ing. Jan Bořil Teoretické výsledky simulace mechatronické soustavy pilot – vrtulník ukazují na rozsáhlé možnosti simulačních nástrojů sloužící pro zpřesňování údajů o chování člověka při řízení stroje. Vysílá-li gyroskop nulovou hodnotu podélného sklonu a je-li do obvodu zařazen model chování pilota s definovanými časovými konstantami je tento model chování pilota schopen stabilizovat vrtulník. Fyzicky se tato stabilizace děje za pomoci smyslových vjemů pilota. Teoreticky dle grafu (obr. 2.) by se hodnota časové konstanty T3 (Lead Time Constant) měla pohybovat v rozmezí 0,4-1 sec. Ovšem tohle je jen čistá teorie. Vzhledem k tomu, že bylo přijato několik zjednodušujících podmínek dovolující simulovat model vrtulníku a pilota, nemuselo by toto rozmezí odpovídat skutečným (reálným) hodnotám chování pilota. Proto katedra sestavila experimentální pracoviště leteckého simulátoru, na kterém se pokouší odměřit data testovaných pilotů a pomocí identifikace parametrů matematických modelů chování pilota určit tyto hranice přesněji. Tím by mohl model chování pilota nabýt reálnější podoby využitelné v pozdějších simulacích. Dosažené výsledky identifikace parametrů přenosové funkce budou nadále analyzovány s cílem dosáhnout maximální věrohodnosti modelu chování člověka. Použití identifikačního algoritmu nebo System Identification Toolboxu, k určení parametrů navrženého modelu chování člověka při řízení letu letounu prezentuje nespočet možnosti programového prostředí MATLAB. Poměrně dobrá shoda vypočtených a teoretických časových konstant ukazuje, že i simulací je možné se přiblížit reálnému modelu chování pilota [BOR_03]. por. Ing. Josef Ševeček – přerušené studium – žádné výsledky. Bc. Bac Nghia Vu Student se zúčastnil soutěže studentské tvůrčí činnosti STČ na fakultě FVT UO a obsadil 3. místo ve své sekci s prací: „Blok číslicového zpracování signálu sytému GNSS implementovaný do FPGA“, [BAC_02]. V této práci byl rozpracován blok korelátoru, byl implementován do obvodu FPGA a byly ověřeny jeho parametry. Dále byly zpracovány další bloky modulu synchronizace, a sice generátor kódu, blok synchronizace kódu a blok synchronizace nosné. Všechny tyto výsledky byly publikovány na prestižní konferenci DASC 2012 v článku: VU, B., N., BOJDA, P. „Implementation of the GPS-C/A tracking loops in FPGA“ – [BAC_01]. rtn. Bc. Adam Novotný Student se zúčastnil soutěže studentské tvůrčí činnosti STČ na fakultě FVT UO a obsadil 1. místo ve své sekci a zároveň 1. místo na celé fakultě s prací: „VF část GNSS přijímače pro zpracování signálu pomocí FPGA“, [NOV_02]. V této práci byl rozpracován blok ovládání přijímače MAX 2120 a zpracování jeho výstupního signálu v FPGA. Výsledky tohoto dílčího úkolu byly v plném rozsahu publikovány na prestižní konferenci DASC 2012 v článku: NOVOTNÝ, A., BOJDA, P.: „The Hardware platform for the test and evaluation of the airborne GNSS receiver algorithms“ – [NOV_01]. 17
2. Počty a seznam výsledků, které budou předkládány jako výsledky studentských projektů v RIVu (typ zdroje financování S = specifický vysokoškolský výzkum). A. Tab.: Počty výsledků, které budou předkládány jako výsledky studentských projektů
P.č.
Druh výsledku
1. 2. 3.
Audiovizuální dokument, prezentace [A] Odborná kniha [B] Kapitola v knize [C]
4.
Článek ve sborníku [D]
5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.
Výsledky s právní ochranou – užitný vzor, průmyslový vzor [F] Prototyp / funkční vzorek [G] Poskytovatelem realizované výsledky - předpis, směrnice [H] Článek v periodiku [J] Zorganizování konference [M] Certifikovaná metodika, specializovaná mapa s odborným výkladem… [N] Patent [P] Software[R] Výzkumná zpráva, obsahující utajované informace [V] Aplikovaný výsledek – poloprovoz, ověřená technologie [Z] Zorganizování workshopu [W]
16.
Ostatní [O]
Počet 3 – Bořil 1 – Bac 1 - Novotný 1 - Bořil 1 – Bac 1 - Novotný
B. Seznam výsledků, které budou předkládány jako výsledky studentských projektů por. Ing. Jan Bořil [BO_01]
BOŘIL, Jan; JALOVECKÝ, Rudolf. Effect of the Pilot Behavior Model on the Helicopter Stability in the Auto-Stabilization System Failure. In: ESTEL 2012 Proceedings. Italy: Neuveden, 2012, p. 1-4. ISBN 978-1-4673-4688-7.
[BO_02]
BOŘIL, Jan; JALOVECKÝ, Rudolf. Experimental Identification of Pilot Response Using Measured Data from a Flight Simulator. In: Artificial Intelligence Applications and Innovations. Heidelberg: Springer, 2012, p. 126-135. ISSN 1868-4238. ISBN 978-3-642-33408-5.
[BO_03]
JALOVECKÝ, Rudolf; BOŘIL, Jan. Parameter Estimation of Transfer Function of Pilot Behavior Model from Measured Data. In: Recent Researches in Automatic Control, Systems Science and Communications.. Porto: WSEAS Press, 2012, p. 144-148. ISSN 1790-5117. ISBN 978-1-61804-103-6.
por. Ing. Josef Ševeček – přerušené studium, žádné výsledky
18
Bc. Bac Nghia Vu [BAC_01] BOJDA, Petr; VU, Bac Nghia. Implementation of the GPS-C/A tracking loops in FPGA. In: 31st Digital Avionics Systems Conference. Orlando, FL,USA: ALR International, 2012, p. 1-6. ISBN 978-1-4673-1698-9. [BAC_02] VU, Bac Nghia. Blok číslicového zpracování signálu sytému GNSS implementovaný do FPGA, 9. Vědecká konference studentů FVT UO, Univerzita obrany, Brno, 2012. rtn. Bc. Adam Novotný [NOV_01] BOJDA, Petr; NOVOTNÝ, Adam. The hardware platform for the tests and evaluation of the airborne GNSS receiver algorithms. In: 31st Digital Avionics Systems Conference. Orlando, FL, USA: ALR International, 2012, p. 1-7. ISBN 978-1-4673-1698-9. [NOV_02] NOVOTNY, Adam. VF část GNSS přijímače pro zpracování signálu pomocí FPGA, 9. Vědecká konference studentů FVT UO, Univerzita obrany, Brno, 2012.
Počet Sazba
Druh výsledku
Body
D
Článek ve sborníku
5
8
40
O
Nebodovaná publikační aktivita
2
0
0
M
Konference
1
0
0
CELKEM
8
Odkaz
Vědecká konference studentů FVT
40
3. Počty a seznam disertačních (diplomových) prací, které vznikly s podporou prostředků na specifický výzkum. A. Tab.: Počty disertačních (diplomových) prací, které vznikly s podporou prostředků na specifický výzkum
Počet
Druh práce Disertační práce Diplomová práce
0 0
B: Seznam disertačních (diplomových) prací, které vznikly s podporou prostředků na specifický výzkum 1) Disertační práce (Název, autor, školitel) žádná por. Ing. Jan Bořil – má v plánu odevzdat disertační práci do konce května 2013 2) Diplomové práce (Název, autor, vedoucí) žádná
19
4. Využitelnost dosažených výsledků por. Ing. Jan Bořil Byla podstatně rozšířena obvodová struktura mechatronické soustavy pilot-letoun. Tím je otevřené cesta k další možnosti variaci a testování mechatronické soustavy. Částečné zprovoznění leteckého simulátoru umožňuje provádět rozsáhlá měření reakcí pilota na uměle vytvořené poruchy v letu letoun. Tím se rozšiřují již dříve získané znalosti o modelu chování pilota v mechatronické soustavě pilot-letoun. Řada simulací bude využitelná při výuce palubních systémů řízení letu a především v experimentální části disertační práce. Bc. Bac Nghia Vu + rtn. Bc. Adam Novotný Rozvoj problematicky GNNS přijímačů umožňuje především obohatit výuku v magisterském studiu. Použití FPGA na tuto problematiku přináší katedře universálnost jejich použití v řadě dalších aplikací zaměřených na zpracování leteckých dat včetně možnosti zpracování a rozpoznání obrazu. 5. Další možnosti rozvoje sledované oblasti. Realizací leteckého simulátoru (nebylo cíle SV) je možné dále rozvíjet problematiku lidského činitele při řízení letu letounu. Realizací přijímače signálů družicových navigačních systémů s využitím FPGA umožňuje další rozvoj této problematiky na katedře. 6. Závěr - přínos pro rozvoj studijního programu, oboru, AČR. V oblasti leteckého simulátoru jde o využitelnost výsledků identifikace parametrů chování člověka v dlouhodobém testování rozvoje osobnosti pilota. V oblasti zpracování signálů v leteckých systémech jde o aplikaci nových technologií v letectví. 7. Návrh konkrétních opatření. Katedra se v dalším roce projektu SV zaměří především na dokončení řešeného téma disertační práce doktoranda por. Ing. Jana Bořila. Jeho oblastí je simulace chování člověka při řízení letoun i vrtulníku. Pro tuto oblast bylo již v rámci projektu na rozvoj organizace realizováno měřicí pracoviště se simulátorem letounu a s možností měřit reálné odezvy pilotů při řízení letu.
20
D: Využití finančních prostředků 1. Přehled o použití finančních prostředků specifického výzkumu za příslušný rozpočtový rok s podrobným komentářem s uvedením: • • •
čerpání poskytnutých finančních prostředků podle rozpočtových podpoložek, přehledu pořízeného majetku a služeb souvisejících s řešením projektu, přehledu nevyčerpaných nebo vrácených finančních prostředků,
Finanční zabezpečení se stručným zdůvodněním: Číslo rozpočtové položky 516900105 517200102 513900101 517600301 517300302 517300301 517300301 517300309 517300309 502100201
Druh výdaje + komentář Aktualizace MATLAB Toolbox Aerospace (SW) Drobný elektrotechn. materiál Účastnické poplatky na konference Cestovné (tuzemské i zahraniční) státních a občanských zaměstnanců Cestovné (tuzemské i zahraniční) vojáků Cestovné (tuzemské i zahraniční) – vojáků - letenky Cestovné (tuzemské i zahraniční) ostatní Cestovné (tuzemské i zahraniční) ostatní - letenky Výzkumná stipendia studentů Celkem
21
Přiděleno (tis. Kč)
Čerpáno (tis. Kč)
33 000,00 18 000,00 13 000,00 66 000,00
32 112,00 16 752,00 0,00 168 563,54
45 000,00
0,00 338 535,14
167 000,00 87 506,50 13 942,80 18 300,00 40 000,00
40 000,00
382 000,00
715 711,98
E. Seznam použité literatury. [Boř_01]
ALI R., Effect of sensor failure in automatic flying control system. Loughborough University, Department of Transport Technology, 1982, 61 p.
[Boř_02]
CAMERON, N., THOMSON, D.G., MURRAY-SMITH, D. J., Pilot Modelling and Inverse Simulation for Initial Handling Qualities Assessment, In: The Aeronautical Journal, Vol. 107, No. 1744, pp. 511-520 (2003)
[Boř_03]
HAVLÍKOVÁ M., Diagnostika systémů s lidským operátorem, Doktorská práce, Vysoké Učení Technické v Brně, 2008, 153 p.
[Boř_04]
JALOVECKÝ, Rudolf. Identifikace parametrů matematických modelů chování člověka. In: Měření, diagnostika, spolehlivost palubních soustav letadel. Brno: Univerzita obrany, 2010, s. 65-69. ISBN 978-80-7231-741-7.
[Boř_05]
LONE M. M., COOKE A. K., Development of a pilot model suitable for the simulation of large aircraft, 27th International Congress of Aeronautical Sciences 2010, 19 - 24 September 2010, Paper ICAS 2010-6.7.2, Nice, France
[Boř_06]
McRUER, D.T., KRENDEL, E.S., Mathematical Models of Human Pilot Behavior, AGARD AG-188, (1974)
[Boř_07]
SZABOLCSI, R., Pilot-in-the-Loop Problem and its Solution, Review of the Air Force Academy, No1, 2009, pp. 12--22, Brasov, Romania
[Bac_01]
Matthew Lashley, December 15, 2006, Kalman Filter Based Tracking Algorithms For Software GPS Receivers, Auburn, Alabama.
[Bac_02]
Tsui, J, 2000, Fundamentals of Global Positioning System Receivers: A Software Approach, John Wiley & Sons, Inc.
[Bac_03]
Feigin J, January 2002, Pratical Costas Loop, (http://www.rfdesign.com).
[Bac_04]
Bojda, Petr, Radim Bloudicek, 2010, Multiple Source Navigation Signal Receiver, In 29th Digital Avionics Systems Conference (DASC), Salt Lake City, UT, USA, ISBN 978-1-4244-6617-7.
[Bac_05]
Bojda, Petr, 2010, Multiple Source Navigation Signal Generator, In Conference on Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments, Wilga, Poland, ISSN 0277-786X.
[Nov_01]
KAI, Borre et al. A Software-Defined GPS and Galileo Receiver: A SingleFrequency Approach. Boston, USA: Birkhauser, 2007, 176 s. ISBN 08176-4390-7.
[Nov_02]
HOLMES, Jack K. Spread Spectrum Systems for GNSS and Wireless Communications. USA: Artech House, INC., 2007, 864 s. ISBN 978-159693-083-4.
22
