Intelligens navigációs rendszerek

Intelligens navigációs rendszerek A rendszer összetevői:

•Automatikus Jármű Helymeghatározás (Automatic Vehicle Location - AVL)

•Digitális térképek •GPS-DR szenzor-integráció •A rendszer használatához a járművekben szükséges szenzorok (lásd előzőek) •(Szenzorintegrációt támogató matematikai modellek – Kálmán szűrő, térképp illesztés)

Az amerikai Nemzeti Intelligens Közlekedési Rendszer (ITS) infrakstruktúrájának felvázolása

Kutatási irányok Japán: A közúti közlekedés rohamos fejlődésének hatására a 70-es évek végén Japán elindította a CACS (Comprehensive Automobile Control System = Átfogó Autóirányító Rendszer) nevű kutatási projektet, melynek az volt a célja, hogy egy központosított számítógépes rendszer az út mellett felszerelt adó-vevők segítségével vegye a gépkocsikból érkező úti cél kérelmeket és a kérés központosított feldolgozása után továbbítsa az eredményt az úticél eléréséhez szükséges útirányokat - a vezetők felé. •A következő kutatási téma Japánban a 80-as években indult. Az ebben a RACS (Road Automobile Communication System = Úti Auto Kommunikációs Rendszer) nevű projektben kidolgozták azt a Japánban máig érvényben lévő navigációs alapelvet, hogy a gépkocsi navigációt az út melletti távközlési szerelvények (beacons = bóják) felhasználásával egy rendszerközpont segítségével valósítják meg. Ugyanakkor ez a rendszer már feltételezte, hogy a gépkocsi pillanatnyi helyzetét a beépített szenzorok határozzák meg.

Európa: Európában a kezdeményező a gépkocsi gyártó ipar volt. Az első tapogatózó fejlesztési kísérleteket a BOSCH kezdeményezte a korai 80-as években. Szerencsére Európában nem csak a gépkocsiba építendő hardver fejlesztését kezdték meg, hanem már az első időkben rájöttek arra, hogy digitális térképek nélkül a gépkocsi navigáció nem sokat ér. 1986 és 1989 között a BOSCH és a PHILIPS részvételével kidolgozták a GDF (Geographic Data File) nevű digitális úttérkép szabvány és formátum első verzióját. 1989-1992 között a DRIVE I projekt keretében, a GDF felhasználásával megkezdték kísérleti szakaszokon az európai digitális úttérkép elkészítését. A gyakorlati térképkészítés tapasztalatait felhasználva elkészítették a GDF második verzióját a DRIVE II projekt keretében. USA: A jelenleg is aktív, 1986-ban megkezdett Kaliforniai PATH projekt azt a célt tűzte ki, hogy elméletileg megalapozza azoknak a fejlett technológiáknak a széleskörű alkalmazását, melyekkel gyökeresen megjavítható Kalifornia szárazföldi közlekedése. A kutatás 3 fő területre vonatkozik: az ATMIS-re (fejlett közlekedés üzemelési és információs rendszerre), az AVCS-re (fejlett jármű vezérlő rendszerre), illetve a rendszer kutatásra, mely a két alrendszer területén elért eredményeket integrálja

Intelligens közlekedési rendszer - ITS Az ITS architektúra néhány része sajnos a nagyközönség számára nem hozzáférhető, pl.: a forgalom számlálás, a forgalomirányító lámpák optimális ütemezése, a balesetek automatikus jelentése, a követési távolság automatikus betartása, a flotta menedzsment, az automatikus díjfizetés, a turisztikai információk szolgáltatása, a torlódás mentes útvonalak kijelölése,… (ezek a Megvalósítási Stratégián belüli projektek, melyek általában csak az illetékes szerveknek hozzáférhetőek – piaci csomagok.)

Az architektúra tartalmazza: •az its funkciókat (pld. forgalmi adat gyűjtést vagy útvonal kijelölési kérelmet); •azokat a fizikai eszközöket vagy alrendszereket, melyek a funkciókat tartalmazzák (pld. gépkocsi vagy út menti szerelvények);

•az információ folyamokat, melyek ezeket az elemeket rendszerré integrálják

Az ITS architektúra legfontosabb elemei:

Felhasználói szolgáltatások:

A rendszer a felhasználóknak nyújtott szolgáltatásokat 7 nagy csoportba sorolja:

1.Utazás és Forgalom Szervezés Az Indulás Előtti Utazási Információk segítik az utazókat, hogy még az utazás megkezdése előtt kiválaszthassák az utazás módját, megbecsülhessék a szükséges utazási időt és dönthessenek a legalkalmasabb útvonalról. A csomag 4 fő funkciója : - Információ a Rendelkezésre álló Szolgáltatásokról; - Információ az Aktuális Helyzetről; - Útvonal Tervező Szolgálat és - Hozzáférés biztosítása a szolgáltatásokhoz. A Menet-közben Nyújtott Információk a Vezetőnek lehetővé teszik az útvonal alternatívák közüli választást. Fő funkciói: - A Vezetői Tanácsadás és - A Gépkocsin Belüli Forgalomirányító Kijelzés. Az Útvonal Irányítás megadja az útvonalat a választott útcélokhoz. Főbb funkciói: - Az útvonal megadás; - A Statikus Üzemmód; - A Jelen-idejű Üzemmód és - A Felhasználói Interfész. Az Úticél Illesztés és Helyfoglalás 3 fő függvénye: - Az Utazó Kérése; - Az Utazást Biztosító Szolgáltatása és - Az Információ Feldolgozása. Az Utazási Szolgáltatások Információja lényegében "Arany Oldalak" jellegű információt biztosít az utazóknak - az Információ Átvétel és - az Információ Elérés, ….. függvények keretében. A Forgalom Irányítás feladata az utak és utcák forgalmának hatékony kezelése. Feladatát 4 funkció segítségével oldja meg: - a forgalom áramlás optimalizálása; - a forgalom felügyelet; - a vezérlési funkció és - az információ szolgáltatás. A Közlekedési események kezelése a következő 6 funkció keretében realizálódik: - a tervezett események; - az események azonosítása; - válasz akciók megfogalmazása; - a válasz akciók koordinált megvalósításának támogatása; - az akciókra adandó válaszok kezdeményezésének támogatása; - a vészhelyzetek előrejelzése. A Közlekedési igények kezelése a - közlekedési rendszer hatékonyságának javítása és - a mobilitási lehetőségek széles skálájának biztosítása, ….. funkciók segítségével valósul meg. Emisszió tesztelés és csökkentés egyetlen azonos nevű funkcióval rendelkezik. Az út-vasút keresztezési szolgáltatás azonos nevű függvénye külön kezeli az alacsony és nagysebességű vasutakkal való találkozást.

Felhasználói szolgáltatások: A felhasználóknak nyújtott szolgáltatások 2-7:

2. Tömegközlekedés Szervezés - Tömegközlekedés Szervezés - Menet közbeni menetrendi és foglaltsági információ a csatlakozásokról - Személyre szabott tömegközlekedés - Tömegközlekedés Biztonsága

3. Elektronikus Fizetés - Elektronikus Fizetési Szolgáltatások

4. Kereskedelmi Gépjármű Műveletek - Kereskedelmi Gépjármű Elektronikus Kezelése - Automatizált Útmelletti Biztonsági Felügyelet - Fedélzeti Biztonsági Monitorozás - Kereskedelmi Gépjármű Adminisztratív Eljárásai - Válasz a Veszélyes Anyaggal Történt Eseményre - Kereskedelmi Flotta Menedzsment

5. Baleset Kezelés - Baleset Közlés és Személyes Biztonság - Mentőautó Menedzsment

6. Fejlett Gépkocsi Biztonsági Rendszerek - Hossz-irányú Ütközés Elkerülés – külön anyag - Oldal-irányú Ütközés Elkerülés – külön anyagban - Kereszteződési Ütközés Elkerülés - Látás Javítás az Összeütközés Elkerülésére - Biztonságra Készültség - Összeütközést Megelőző Automatikus Fékezés – külön anyagban - Automatizált Gépjármű Műveletek

7. Információ Menedzsment - Archivált Adat Funkció.

A fizikai architektúra alrendszereinek összetevői A fizikai alrendszereket és a közöttük fellépő távközlési kapcsolatok. A "mentőautó" alatt minden vészhelyzetben eljáró gépkocsit, tehát rendőr, tűzoltó, autómentő, stb. gépkocsit kell érteni.

Miként tudja a gépkocsivezető a gépkocsiban menetközben azonosítani a pillanatnyi helyzetét, e helyzet valamint a rendeltetési hely ismeretében, miként tudja meghatározni a követendő útvonalat, hogyan értesül a teherautó flotta diszpécsere a teherautók pillanatnyi helyzetéről és hogyan tud intézkedni a helyzet dinamikus megváltoztatása érdekében. Az esetleges további funkciók: hogyan biztosíthat az úton lévő magának megfelelő szállást, hogyan talál oda, …., eseteiben a technika a legtöbb esetben hasonló, a különbség csak az elérendő adatbázisokban van.

A mobilrobot technikákban alkalmazott térképek Topológiai:

Geometriai – metrikus:

akadály

 - Markerek

Érzékelők alapján készült (Sensory):

Hibatérkép:

akadály

Ezek mind digitális térképek, csak más-más a funkciójuk. A gépjármű-közlekedés ezek közül a TOPOLÓGIAI térképeket, és a hozzájuk tartozó adatbázisokat használja.

Digitális úttérképek A gépkocsi navigáció céljait szolgáló úttérképek a tárolási kapacitással való takarékosság érdekében újabban a vektoros adatmodellt, azon belül is a topológiai adatmodellt használják. Ezt az adatmodellt csomópontok és az azokat összekötő ívek határozzák meg. A rendszer geometriáját az ívek töréspontjainak valamint a csomópontoknak a koordinátái határozzák meg, míg a modell logikája a ívek csomópontokat összekapcsoló összeköttetési információin nyugszik. A harmadik információ elemet az ív-szakaszok, ívek, csomópontok tulajdonságait leíró táblázatok alkotják. Az adatmodellek kapcsán, a legutolsó időkig leggyakrabban alkalmazott geo-relációs adatmodellben a geometriát (tehát a koordinátákat) és a leíró adatokat külön adatbázisokban tárolták. A korszerű objektum-orientált rendszerekben az összes adat, tehát a geometria, konnektivitás és tulajdonság jellemzők is egy adatbázisban kerülnek tárolásra. Egy klasszikus topológiai (digitális) úttérkép részlet és a belőle készített topológiai GRÁF térkép.

A térképekhez tartozó táblázatok - csomópontok Amint az előző ábrákból kitűnik a gráfban csak azokat a csomópontokat tüntettem fel, melyek az élek (ívek) csatlakozása szempontjából jelentőséggel bírnak. A gráffal reprezentált logikai váz nem csak az adatmodell szervezése szempontjából lényeges hanem azért is, mivel a navigációhoz is szükséges legrövidebb út algoritmusok (mint pl a Dijsktra algoritmus) ezt használják. A gráfot a csomópontok és ívek attribútum táblái segítségével adhatjuk meg. •A baloldali ábrarészben szerepelnek a csomópontok koordinátái, •A jobboldaliban az összekötési információk. (Amint látjuk a hálózat felépítése szempontjából a csomópontok koordinátáira nincs szükségünk)

A térképekhez tartozó táblázatok – ívek 1 Az ívek attribútum táblázatai közül: A bal oldalán található részben redundáns (a gráf szempontjából) részben opcionális, mivel a geometriát a logikai leírástól függetlenül is tároljuk. A jobboldalán található táblázat érdekessége, hogy összetett kulcsokkal rendelkezik, s egyben tartalmazza a legrövidebb út kereséshez általában használt egyetlen minőségi attribútumot az impedanciát. A táblázatokból kitűnik, hogy az ívek irányítottak (irányított gráf), azaz kezdő és végpontjuk nem cserélhető fel. Ha az íven a végponttól a kezdőpont felé haladunk, úgy az ívet negatív előjellel kell figyelembe venni.

A térképekhez tartozó táblázatok – ívek 2 Az íveknek természetesen számtalan egyéb attribútumuk is van. Ezek közül egyesek (pld. a címek) nem az egész ívre vonatkoznak, hanem csak az ív valamely pontjára vagy szakaszára. Az ilyen attribútumok tárolását az úgy nevezett dinamikus szegmentálással végezhetjük, amikor is a kérdéses pontok helyén (vagy szakaszok esetében a kezdő és végponton) ideiglenes csomópontot iktathat be a GIS szoftver. Azt hogy hova kell ezt a csomópontot helyezni az ívek olyan további attribútum táblázataiból olvassa ki a program, melyek megadják a kérdéses pontok távolságát az ív kezdő csomópontjától. A korai amerikai digitális várostérképek egyszerűbben oldották meg a címek földrajzi - térképi kijelölését. A csomópontok közötti bal- és jobboldali címállományt egyenletesen interpolálták be a két csomópont közötti koordináta különbség által meghatározott távolságra. Ez a módszer természetesen csak akkor szolgáltat helyes eredményt, ha az utcák egyenesek, a címek folyamatosak és minden címhez azonos hosszúságú utcafront tartozik.

Egy hálózat objektum-orientált modelljének főbb összetevői

GDF (Geographic Data Files) úttérkép adatszabvány A GDF szabvány tervezet 3.0 verziója 1995 októberében készült el. A szabvány 12 fejezetből és két mellékletből áll. A bevezetés szerepét játszó 1, 2 és 3 fejezet (hatókör, normatív hivatkozások, definíciók) után a 4. fejezet mutatja be a koncepcionális adatmodellt. Az 5. fejezet tartalmazza a GDF-ben meghatározott objektum osztályok katalógusát. A 6. fejezetben leírt attribútum osztály katalógus részletesen meghatározza az objektum osztályok tulajdonság jellemzőit, egyes attribútumokat konkrét objektum osztályokhoz kapcsol, más attribútumokat ennél általánosabban, több osztályhoz rendelhetően határoz meg. Megkülönböztet egyszerű és összetett attribútumokat is. A 7. fejezet olyan szemantikus kapcsolatokat definiál, melyek lehetővé teszik az információ valósszerűbb közvetítését. Ilyen kapcsolat lehet például az Út Elemek és az Épületek objektum osztályok között, mely kifejezi, hogy az épület valamely út elem "mentén" helyezkedik el. Talán a legérdekesebb a 8. fejezet, mely az objektumok három színtű reprezentálását határozza meg. A 9. fejezet útmutatást ad a GDF adatok minőségi vizsgálatára és hitelesítésére. A 10. fejezetben található globális adat katalógus instrukciókat ad a meta adatok köztük a referencia rendszer, forrás anyagok modellezésére ez a fejezet tartalmazza az adatszótár specifikációkat is, melyek felhasználásával a GDF szükség szerint bővíthető. A 11. fejezet a modell logikai leírását tartalmazza. A 12. fejezet azt a rekord struktúrát írja le, melyet az adathordozón történő átvitelnél alkalmazni kell. Az A mellékletben találjuk meg az alkalmazandó kódokat, a B melléklet pedig példákat mutat be a térképek tartalmára és minőségi ellenőrzésére.

Az objektum orientált hálózati modell UML (univerzális modellező nyelv) osztálydiagramja

A GDF általános adatmodellje A modell középpontjában az objektum található, mely olyan földrajzi entitás, melynek térbeli helyzete van, mint például egy út vagy egy ház. A diagramban található objektum tehát konkrét. Minden objektum tartozik egy bizonyos objektum osztályhoz. Ami azt jelenti, hogy egy objektum nem tartozhat több osztályhoz, illetve, hogy osztályhoz nem tartozó objektum nincs megengedve. Ezt a korlátozást az a fekete pont reprezentálja, mely az objektum körére illeszkedik a "tartozik" szerep állításnál. Ugyan e "tartozik" fölött lévő nyilakban végződő egyenes pedig az egyedülállósági korlátozást reprezentálja, azaz, hogy az objektum csak egy osztályhoz tartozhat.

Az Objektum Katalógus az objektum osztályokat definiálja, de az egyszerűség kedvéért objektum osztályok helyett csak objektumokról beszél

Attribútumok adatmodellje

Az Attribútum Katalógus attribútum típusokat neveiket és kódjaikat határozza meg. Megadja azokat az objektum osztályokat, melyekhez egy bizonyos attribútum típus hozzákapcsolható. Az ábra bemutatja, hogy egy attribútum más attribútumok gyűjteményéből is állhat. Az ilyen attribútumot Összetett Attribútumnak nevezik. Bizonyos attribútum típusok, melyeket az Összetett Attribútumok képzésére használnak közvetlenül nem kapcsolhatók objektumokhoz. Ezt mutatja az ábrán a kizárási korlátozás

(x)

További katalógusok, sémák A Kapcsolat Katalógus olyan jelentős kapcsolatokat tartalmaz, melyek kettő vagy több objektum között realizálódnak. A kapcsolatban résztvevő objektumok nem feltétlenül tartoznak különböző osztályokhoz. Azokat a kapcsolatokat, melyekben mind A mind B egyedenként azonos osztályhoz tartozik és közös jelentésük van kapcsolat típusokba sorolják. Egy konkrét kapcsolat típust egyértelműen meghatároz a neve vagy a kódja A kapcsolatok rendszerint két objektum között jönnek létre, de vannak esetek amikor több objektum is részt vesz a kapcsolatban. Ilyenkor az egyes objektum típusok sorrendje is lényeges. Ezért szerepel az ábrán a PARTNER SZÁM [#], mely meghatározza a kapcsolatban résztvevő típusok sorrendjét.

Végül egy GDF térképrészlet MapInfo programmal megjelenítve

AVL (Atomatic Vehicle Location)= Automatikus jármű meghatározás A feladat - a gépjármű helymeghatározása kétféleképpen is alkalmazható: 1.) vagy csak a gépjárműben kerül kijelzésre, 2.) vagy valamely diszpécser központban jelennek meg a központhoz tartozó gépjárművek pillanatnyi pozíciói (távolsági kapcsolatot igényel a központ és a gépjármű között). A feladat legegyszerűbb formában azt jelenti, hogy a vezető előtt lévő képernyőn, illetve a diszpécser képernyőjén, valós időben megjelenik vagy megjelennek a gépjármű(vek) pillanatnyi helyzetét ábrázoló szimbólum(ok), mely(ek) a képernyőre vetített digitális térképen halad(nak)

Alapvető navigációs technika - a GPS és a Relatív Autonóm Helymeghatározás (Dead Reckonning) összekapcsolása Sajnos, mivel a GPS Jelek nem mindenhol vehetők egyértelműen, így szükség van a különböző szenzorok fúziójára. Ez általában a GPS jel fúziója valamilyen relatív távolságmérő berendezéssel (kilométeróra), és / vagy gyorsulásmérő, illetve fordulásmérővel (giroszkóp). A bal oldali kép egy szenzorfúzió eredménye, míg a jobboldali csak tisztán GPS -szes jelek alapján történt útvonaltervezés eredménye. Szerencsére egyre jobb a GPS -szes vétel, egyre olcsóbbak a GPS vevők, viszont sajnos még mindig drágák az inerciális szenzorok (giroszkópok, gyorsulásmérők, …). Az odométerek általában a hátsó keréken vannak elhelyezve és az ABS rendszer tulajdonságait használják ki.

Gépkocsi odometria Ha gépkocsi helyzetét differenciális odometriával akarjuk meghatározni legegyszerűbb, az optikai vagy mágneses fordulatszámlálókat a két hátsó kerékre helyezzük el. Ha ugyanis az első kormányzott kerekekkel akarjuk végezni a pozicionálást, úgy a két fordulatszámlálón kívül még kormány elfordulás mérő szögadóra is szükség van. Bármelyik műszaki megoldást is alkalmazzuk a hátsó kerekek fordulatmérésére mérési eredményként NJ és NB jobboldali és baloldali impulzus növekményt nyerünk I időintervallum alatt. Feltételezve hogy az impulzusokat lineáris kerék elmozdulásokká konvertáló tényező cm = pDn / nCe, ahol Dn - a nominális kerékátmérő milliméterben, Ce - az egy körülfordulásra eső impulzusok száma, n - az áttételi arány a motor és a kerék között (ha a fordulatszám mérő a motorhoz van kapcsolva) kiszámíthatjuk a baloldali kerék D UB,i illetve a jobboldali kerék D UJ,i útnövekményét: D UB/J,i = cmNB/J, valamint a hátsó tengely középpontjának elmozdulását D Ui-t az I intervallumban: D Ui = (D UB,i + D UJ,i) / 2 Számítsuk ki ez után az I intervallumra eső irányszög változást: Dqi = (D UJ,i - D UB,i) / b, ahol b a két kerék talaj-érintési pontjának távolsága. A jármű új relatív( kiinduló irányhoz képesti) irányszöge ezután: qi = qi-1 + Dqi. Végül kiszámítjuk a kezdőhelyzethez viszonyított koordináta különbségeket is az alábbi jól ismert képletekkel: xi = xi-1 + D Uicosqi yi = yi-1 + D Uisinqi. A fentiekből világos, hogy elvileg a különbségi kerék-fordulatszám mérésből minden egyéb szenzor nélkül meg tudjuk állapítani a gépkocsi pillanatnyi helyzetét. A módszer eredendő pontossága attól függ, hogy milyen nagy az egy körülfordulásra eső impulzusok száma, és hogy milyen kicsi az idő intervallum. Az eredendő pontosság azonban számtalan hiba következtében erősen lecsökken. A fő hibaforrás a kerekek méretváltozásából és esetenkénti csúszásából adódik. A legnagyobb probléma az, hogy a hibák a haladás során rohamos növekedésnek indulnak (összeadódnak). E hibák csökkentése érdekében a relatív helymeghatározásban a fordulatszám mérést gyakran csak a távolság mérésére használják az irányszög változásokat pedig száloptikás giroszkóppal mérik.

Mikro-gépészeti vibrációs giroszkóp A vibrációs giroszkópok a Coriolis erő hatását érzékelik. A "leszíjazott" forgó mechanikus pörgettyű a forgás okozta Coriolis erő hatására kitér, e kitérés mértékéből lehet következtetni a fellépett szögsebességre. Coriolis erő hatását azonban nem csak a forgó rotor érzékeli, hanem a rezgő (transzlácionális) mozgást végző tömeg is. Ha tehát rugós felfüggesztéssel az x tengely irányú rezgésbe hozzuk a minta tömeget, úgy az válaszként a z tengely körüli forgás hatására fellépő Coriolis gyorsulásra kitér az y tengely irányába. Az y tengely irányában létrejövő Coriolis elmozdulás amplitúdója arányos az alaplap elfordulásával. A rendszer dinamikáját a következő egyenlettel írhatjuk le: aC = 2·vm·w aC - a Coriolis gyorsulás; vm - a minta-tömeg sebessége; w - a szögsebesség.

Mivel a minta-tömeg mozgása olyan x irányú rezgés, mely megfelel a tömeg rezonáns frekvenciájának a fenti kifejezés értelmében az y irányú mozgás is ugyanilyen rezgés lesz, melyet a szögsebesség amplitúdóban modulál. A kapott rezgés hasonlítható a rádióhullámokhoz, ha a vivő hullámnak a rezonáns frekvenciát, a hangnak pedig a Coriolis gyorsulást feleltetjük meg. A rendszer kiegészítő elektronikája demodulálja a rendszerint kapacitás változásból kapott jelet a rezonáns frekvencián és megfelelő jelfeldolgozási technikával a kimeneten az eredeti szögsebességgel arányos feszültséget indukál