Навигационная система автомобиля.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт Транспорта

Эксплуатация автомобильного транспорта

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Информационные технологии на автомобильном транспорте»

на тему: «Системы искусственного интеллекта в конструкции автомобиля»

 

 

Выполнил:	Ст. гр. ЭАТ-08-1, Пась Б. С.
Проверил:	К.т.н., доцент, Маняшин А.В.

 

Тюмень 2011

Введение

Реферат посвящен Интеллектуальным Транспортным Системам (ITS — Intelligent Transportation Systems).Подобные разработки разрушают сложившееся представление о том, что создание полноценного автомобиля-робота теоретически невозможно, поскольку эта задача относится к классу AI-complete («совершенный искусственный интеллект»), то есть может быть решена, только если робот будет обладать интеллектом человека во всей его полноте. В случае, если интеллект робота уступает человеческому, всегда может возникнуть какая-то нештатная ситуация, в которой он окажется бессилен. С этой точкой зрения можно было бы согласиться, если бы не реальный интеллектуальный уровень многих современных водителей, и если не знать реальную ситуацию на дорогах— во всяком случае, на отечественных дорогах. Не вызывает сомнения, что если бы живые водители были столь же дисциплинированны, как и роботы, и не употребляли алкоголь и наркотики, а неизбежные несчастные случаи являлись бы только следствием нештатных ситуаций, оказавшимся роботам не под силу, то жертв на дорогах стало бы на порядки меньше. Почти десять лет издается международный журнал IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. Увы, в России, как это обычно бывает, термин «интеллектуальные транспортные системы» используется как-то по-особому однобоко. В основном его относят к практическим приемам организации транспортных потоков, учету передвижения транспортных средств и навигации, а о теоретических исследованиях и серьезных публикациях на тему ITS на русском языке автору ничего неизвестно.

Инициатива ITS стала возможной потому, что современный автомобиль активно роботизируется изнутри и сегодня оснащен целым рядом систем автоматизации. Помимо уже вошедших в обиход автоматических коробок передач, систем автоматической блокировки торможения и систем управления другими агрегатами плюс обычного круиз-контроля, существуют: система информирования о состоянии дорожного покрытия, особенно об оледенении; система адаптивного круиз-контроля, воспринимающая данные от систем обнаружения соседних автомобилей; система взаимного информирования автомобилей, снабженных системами GPS; средства слежения за дорожной разметкой; системы автоматизированной парковки; устройства для просмотра мертвых зон; системы контроля скорости на поворотах.

Но это общие рассуждения уставшего водителя, а пока ITS получившая значительное распространение во всем мире, все же исходит из действующей парадигмы «за рулем водитель». Логичным продолжением этого направления стали системы Internet для автомобилей. Каким бы совершенным ни был робот, он эффективнее работает во взаимодействии с себе подобными. В системах могут использоваться совместно действующие объекты, образующие то, что теперь называют «разумным роем»

Подобную систему Extended Floating Car Data-System (XFCD) представила компания BMW.

Испытание проводилось на специальной тестовой трассе в SBC Park и было призвано продемонстрировать возможности системы. Например, автомобиль попадает на скользкую дорогу. За считанные секунды система обрабатывает информацию и предупреждает в режиме реального времени следующий за ним автомобиль. Та же информация в то же самое время передается стационарным службам движения, которые статистически обрабатывают поступающие данные и рассылают их обратно другим участникам движения.

Система определения дорожной ситуации XFCD станет в будущем усовершенствованным последователем существующей системы Floating Car Data, что переводится как "данные с движущегося автомобиля". Уже сегодня с помощью FCD автомобили посылают свои данные о местонахождении в определенный момент времени на центральный пульт движения, который сопоставляет получаемые сообщения с сообщениями других автомобилей, оснащенных FCD, с целью распознавания дорожных и внештатных ситуаций. Система XFCD способна сама распознавать дорожную ситуацию, анализировать все имеющиеся данные в автомобиле и передавать обработанные данные на центральный пульт движения. Параллельно система способна через систему-коммуникатор "Авто-Авто" предупреждать другие автомобили в зоне действия передатчика.

Как говорится всё гениальное просто, для разработанной автомобильной новинки не требуется установки никаких дополнительных аппаратов. XFCD функционирует на базе имеющейся навигационной системы, и ее ввод в эксплуатацию заключается лишь в загрузке программы. Введение бортовой сети позволяет синхронно задействовать целый спектр возможностей. В устроенном таким образом современном автомобиле система получает доступ и совмещение с множеством других инфо-блоков управления. Это ближний и дальний свет, противотуманное освещение, термометр внешней среды и кондиционер, тормоза и навигационная система, сенсор дождя и омыватель стекла, а также прочие не менее важные мелочи. Все эти механизмы функционируют в зависимости от дорожной ситуации. Так, на понижение температуры окружающей среды, лед или даже неожиданное появление масла на участке дороги автомобиль тут же отреагирует регулированием системы стабилизационного контроля (DSC) и скорости движения.

Еще одно неоспоримое преимущество системы XFCD заключается в возможности передачи сообщений напрямую другим автомобилям. Информация передается посредством Ad-hoc-сети всем автомобилям в ближайших окрестностях. Каждый автомобиль, в зависимости от ситуации, выполняет роль или отправителя, или получателя, или передатчика. Преимущество зарекомендовавшей себя технологии Multi-Hopping неоспоримо: Ad-hoc-сеть организуется автономно, обладает необходимой дальностью радиуса действия и не требует создания специальной инфраструктуры.

Система XFCD создана BMW Group в рамках концепта BMW ConnectedDrive. Основополагающая идея концепта – связывание воедино трех информаторов автомобильного движения "водитель - автомобиль - внешняя среда" посредством телекоммуникационных, онлайн и автомобильных вспомогательных систем ради безопасности движения.

Теперь понятно, что ключевой системой беспилотного автомобиля робота и ITS является интегрированная система, которая является бортовым компьютером, параметров движения и навигационной системой одновременно, постоянно связанным с себе подобными. Именно про датчики такого бортового компьютера пойдет далее речь.

 

Навигационная система автомобиля.

 

Интегрированная навигационная система решает следующие задачи:

1. непрерывное определение координат в районах высотной городской застройки, в тоннелях, под мостами и путепроводами;

2. более точное счисление координат по сравнению с GPS, за счёт дополнительного оборудования;

3. счисление координат и курса транспортного средства без запаздывания;

Что такое GPS?

GPS - это аббревиатура от английского названия Global Positioning System, что означает "система глобального позиционирования", или, в более правильном техническом переводе, - "глобальная система определения координат". Основные ее взаимодействующие элементы - это 24 космических спутника NavStar (запущены и принадлежат США) и миллионы приемников на поверхности Земли.

Работает система так: приемник ловит сигнал от 3 и более спутников, замеряет время задержки прохождения сигнала от каждого из них и автоматически рассчитывает свое местоположение - географические координаты: широту, долготу, а также высоту над уровнем моря. Эти данные процессор устройства соотносит с электронной картой, загруженной в память прибора. Благодаря этому пользователь видит на дисплее изображение географической карты, на которой показывается и двигается "точка" - это он сам со своим GPS-приемником.

В основе работы системы GPS лежит принцип спутниковой трилатерации. Согласно этому принципу, координаты объекта на поверхности Земли могут быть вычислены по измерениям расстояний до спутников. Поскольку положение КА в пространстве известно и расчетные значения параметров своих орбит спутники передают вместе с дальномерным кодом, то для объекта на поверхности Земли спутники являются пунктами с известными в любой момент времени координатами.

Если расстояние от одного спутника известно, тогда можно описать сферу заданного радиуса вокруг него. Например, если до спутника 22 000 километров, то мы находимся где-то на воображаемой сфере радиусом 22 000 километров. Если известно расстояние до двух спутников, то искомая точка местоположения будет находится на окружности, представляющей собой пересечение двух сфер. Следовательно, круг нашего поиска существенно сузился. Получив сигнал от третьего спутника, мы получаем третью сферу, пересечение которой с окружностью дает две точки. Остается только выбрать правильную точку. Обычно одна из точек - это неправдоподобное решение, т.к. она находится или внутри Земли, или слишком высоко над поверхностью, или движется слишком быстро. Вычислители GPS-приемников снабжены различными устройствами, автоматически определяющими истинное местоположение из двух возможных.

Таким образом, получив сигнал как минимум от трех спутников, мы можем вычислить координаты любой точки вблизи поверхности Земли. Чтобы проводить столь качественные вычисления, необходимо пользоваться очень точными часами, ведь расхождение во времени всего в 1 тысячную долю секунды даст ошибку местоположения около 300 км. На борту спутников установлены атомные часы. Каждый спутник имеет их в количестве 4, чтобы можно было гарантировать, что хотя бы одни работают обязательно. Способ измерения времени основан на атомном стандарте частоты, который обеспечивает ход бортовых часов спутника с наносекундной точностью. А это 0,000000001 секунды!

Большинство GPS-навигаторов способны принять сигнал одновременно от 12 спутников. Этого более чем достаточно для решения большинства задач. Однако в настоящее время в продаже появились 14- и даже 18-канальные приемники. Но одновременно принять сигнал даже от 12 спутников очень сложно. Для этого необходимо находиться на открытом месте, причем само спутниковое созвездие (то есть положение спутников на небосклоне) должно быть благоприятно. Принять же сигнал сразу от 18 спутников в настоящее время просто невозможно, так как часть из них скрыта и находится по другую сторону земного шара.

Система GPS содержит в себе три фундаментальных составляющих.

1. Космический сегмент представляет собой 24 спутника, находящихся на 6 различных круговых орбитах, которые расположены под углом 60 градусов друг к другу. Спутники движутся по орбитам радиусом 22 200 километров со скоростью 11 тысяч километров в час и совершают один оборот вокруг Земли за период, приблизительно равный 12 часам. Все они ежедневно повторяют свою траекторию с "опозданием" в 4 минуты.

Вес каждого спутника около 900 кг, размер более 5 м, включая солнечные батареи. На каждом спутнике установлены атомные часы, обеспечивающие высокую точность (10-9 сек), вычислительно кодирующее устройство и передатчики мощностью 50 Вт и 8 Вт, излучающие на частотах L1 = 1575,42 МГц и L2 = 1227,60 МГц.

В идеале в любой момент времени любая точка Земного шара находится в зоне видимости не менее трех спутников. Спутники можно "увидеть" даже на полюсах, правда они будут находиться низко над горизонтом, что влияет на точность измерений, но несущественно.

Справедливости ради стоит отметить, что есть все же "темные" области в высоких широтах, где одновременно может быть не более 2 спутников, что не позволяет определять координаты и нарушает работу приемника GPS. Однако такое положение дел длится лишь от 15 до 45 минут, в остальном система навигации GPS действительно глобальна.

2. Наземный сегмент контролируется Министерством Обороны США. Он состоит из пяти контрольно-измерительных станций, которые находятся на Гавайях, на Кваджалейне, на острове Вознесения, в Диего-Гарсия и Колорадо-Спрингс, четырех станций связи и центра управления всей системой, расположенного на авиабазе в Шривере, штат Колорадо.

Станции слежения непрерывно контролируют движение космических аппаратов и передают данные в центр управления. В центре вычисляют уточненные элементы спутниковых орбит и коэффициенты поправок шкал времени. Эти данные поступают по каналам станций связи на спутники не реже, чем один раз в сутки.

3. GPS-приемник - третий сегмент системы навигации, который позиционируется и позволяет вычислять географические координаты на основе полученных данных.

Но, к сожалению, несмотря на все высокие технологии, примененные в GPS погрешности этой системы также глобальны и не могут быть использованы компьютером как основные данные для автоводителяя. Сам навигатор, по заявлениям производителей, определяет местоположение с точностью до 3-5 м. Однако очень многое тут зависит от числа спутников, которые "видят" прибор и, опять-таки, от электронных карт. Дело в том, что в России для гражданского использования разрешены карты масштабом не крупнее чем 1:1000, т. е. в 1 см карты - 1 км местности. На практике же это значит, что 100 м будут умещаться в 1 мм на экране.

 

Радар

Второй датчик подразумевает использование радара, который работает по эффекту Доплера: устройство высылает радиоимпульсы, они отражаются от объекта и "летят" обратно. Затем компьютер вычисляет моментальную скорость объекта, к сожалению, с некоторой погрешностью. Согласно Закону об измерениях, при измерении скорости до 100 км/ч возможная погрешность составляет до 5 км/ч. Если же скорость объекта больше 100 км/ч, то погрешность измерений может составлять до 3 процентов.

 

Ультразвуковой датчик

Основной элемент активного круиз-контроля - ультразвуковой датчик, установленный в переднем бампере или за радиаторной решеткой автомобиля. Его принцип работы аналогичен датчикам парковочного радара, только радиус действия составляет несколько сотен метров, а угол охвата, наоборот, ограничен несколькими градусами. Посылая ультразвуковой сигнал, датчик ждет ответа. Если луч нашел препятствие в виде автомобиля, движущегося с меньшей скоростью и вернулся - значит, необходимо снизить скорость. Как только дорога вновь освобождается, машина разгоняется до первоначальной скорости.

Видеосистема.

Сущность видеосистемы заключается в контроле «слепых» зон автомобиля. При этом изображение с видеокамер в реальном времени передаётся на монитор установленный в салоне или на место боковых зеркал. Разрабатывается проект, в котором изображение проецируется непосредственно на лобовое стекло при этом, не мешая водителю. Видеокамеры в дорогих системах подкрепляются инфракрасными и ультразвуковыми датчиками, которые в случае опасности заранее предупреждают водителя. Во время поездки по городу камеры наблюдения фиксируют категории автомобилей, дорожную разметку и знаки. Например, автомобиль видит знак "Стоп" и предупреждает водителя о нем. Если же водитель не среагирует, то автомобиль остановится сам.

Автомобили без водителей

Из-за своей зрелищности автомобили-роботы привлекают к себе значительное внимание общественности. Этому обстоятельству способствуют и ставшие регулярными гонки DARPA Grand Challenge, которые уже проводились в 2004-м и 2005 году. Последние же состоялись в ноябре 2007 года.

Впервые о своем намерении организовать соревнования для роботов в DARPA объявили в 2002 году, и DARPA Grand Challenge 2004 состоялись в пустыне Мохаве, где была проложена трасса по пересеченной местности протяженностью более 300 километров. Поставленные условия и новизна задачи вызвали к жизни появление разнообразных монстров, построенных на базе военных внедорожников и тяжелых грузовиков, а также оригинальные конструкции, материалы об этих машинах — просто рай для любителей автоэкзотики. Но результат оказался плачевным; самую большую дистанцию, равную всего 11,78 км, преодолела машина из университета Карнеги-Мелонн, построенная на базе армейского внедорожника Hammer.

Соревнования 2005 года оказались успешнее; пять участников прошли всю трассу. Первое место заняла команда Стэндфордского университета, роботизировавшая стандартный Volkswagen Tuareg, сейчас эта машина после двухлетнего тура в Европу нашла свое место в Смитсоновском музее в Вашингтоне. На пятом месте оказался чудовищный по своим размерам грузовик TerraMax, представленный компанией Oshkosh Truck и лабораторией машинного зрения и интеллектуальных систем из университета Парма (Италия). Эта победа Давида над Голиафом подсказала направление для дальнейшего развития: главным условием ее достижения оказалось качество программного обеспечения. Для обработки данных, поступавших от разных датчиков и систем, команда-победитель написала свыше 100 тыс. строк кодов, были использованы методы машинного обучения. С одной стороны, они позволили компьютеру освоить перенятые от человека приемы вождения, а с другой — в этой системе появились зачатки того, что называют cognitive processing, то есть симуляция процессов познания в аппаратно-программной среде. Успех Стэндфордского университета определил приоритеты для будущих гонок.

Надо заметить, что в DARPA не открыли Америки: проектирование роботизированных автомобилей началось задолго до 2002 года. Попадались и отрывочные сведения об отечественных устройствах, предназначенных для работы в зонах с радиационным загрязнением, но по вполне понятным причинам в открытых источниках они не описаны. Достоверно известно, что в 1977 году механическая лаборатория из Цукубы, академического пригорода Токио, первой создала беспилотный автомобиль. В 80-е годы центром аналогичных работ в Европе стала компания Mercedes-Benz, их возглавлял очень авторитетный специалист в этой области Эрнст Дикманн. В 1986 году под его руководством был построен грузовик VaMoRs, развивший скорость 96 км/час. Команда Дикманна ориентировалась главным образом на создание систем «компьютерного зрения», она использовала транспьютеры британской фирмы INMOS, на которые возлагали большие надежды, и методы параллельного программирования. В 1994-1995 годах наработки перенесли на платформу легкового автомобиля S-класса Daimler-Benz, было построено два экземпляра VITA-2 and UniBwM (VaMP). Эта разработка оказалась наиболее значительным успехом на этом историческом отрезке, автомобиль развивал скорость до 175 км/ч и проезжал по автобану свыше 150 километров без вмешательства человека. В ограниченных масштабах работы продолжаются до сих пор; в 2006 году было даже проведено соревнование European Land-Robot Trial. Два проекта ведутся в Израиле, оба они используют в качестве базы не имеющий аналогов, созданный в этой стране багги Tomcar.

Особого упоминания заслуживает итальянский проект ARGO (1996–2001 годы). В конечном итоге модифицированная и снабженная специальными видеокамерами Lancia Thema прошла свыше 2 тыс. км по дорогам со средней скоростью 90 км/ч, 94% времени она находилась в автоматическом режиме. Руководителем проекта ARGO был профессор Альберто Броджи, он же возглавлял работы по созданию роботизированного автомобиля TerraMax— участника DARPA Grand Challenge 2005.

Беспилотные транспортные средства. В 1987—1995 годах в ходе проекта EUREKA Prometheus, стоившего Европейскому Союзу более 1 млрд. долларов, были выработаны первые практические разработки беспилотных автомобилей. Наиболее известный прототип, VaMP (разработчик — Университет бундесвера в Мюнхене) не использовал лидары из-за недостатка вычислительной мощности тогдашних процессоров. Новейшая их разработка, MuCAR-3 (2006), использует единственный лидар кругового обзора, поднятый высоко над крышей машины, наравне с направленной мультифокальной камерой обзора вперёд и инерциальной навигационной системой. Лидар MuCAR-3 используется подсистемой выбора оптимальной траектории на пересечённой местности, он даёт угловое разрешение в 0.01° при динамическом диапазоне оптического приёмника 1:106, что даёт эффективный радиус обзора 120 м. Для достижения приемлемой скорости сканирования используется пучок из 64 расходящихся лазерных лучей, поэтому один полный «кадр» требует единственного оборота вращающегося зеркала.

С 2003 года правительство США через агентство передовых военных разработок DARPA финансирует разработку и соревнование автомобилей-роботов. Ежегодно проводятся гонки DARPA Grand Challenge; в гонке 2005 года победила машина из Стэнфорда, в основе системы зрения которой — пять лидаров направленного обзора.

Все про автомобили-роботы

Для тех, кто заинтересуется автомобилями-роботами, есть неплохие источники информации. Прежде всего, это специализированный выпуск журнала Computer, выпущенный в декабре 2006 года под девизом «Unmanned Vehicles Come of Age», то есть «Беспилотные автомобили достигли совершеннолетия».

Кроме того, есть два глубоких материала, написанных создателями этих транспортных средств.

Брошюра Джеймса Дьебела Stanley: The Robot That Won The DARPA Grand Challenge (ai.stanford.edu/~diebel/stanley/thrun.stanley05.pdf).

Статья Альберто Броджи The TerraMax Autonomous Vehicle, опубликованная в журнале Journal of Field Robotics и выложенная на сайте автора (www.ce.unipr.it/people/broggi/publications/jfr-terramax.html).

В Сети в избытке имеются фото- и видеоматериалы, посвященные DARPA Grand Challenge 2007. Если же кого-то заинтересует автомобильная «антиэстетика», то стоит заглянуть на сайт Oshkosh Truck.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт Транспорта

Эксплуатация автомобильного транспорта

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Информационные технологии на автомобильном транспорте»

на тему: «Системы искусственного интеллекта в конструкции автомобиля»

 

 

Выполнил:	Ст. гр. ЭАТ-08-1, Пась Б. С.
Проверил:	К.т.н., доцент, Маняшин А.В.

 

Тюмень 2011

Введение

Реферат посвящен Интеллектуальным Транспортным Системам (ITS — Intelligent Transportation Systems).Подобные разработки разрушают сложившееся представление о том, что создание полноценного автомобиля-робота теоретически невозможно, поскольку эта задача относится к классу AI-complete («совершенный искусственный интеллект»), то есть может быть решена, только если робот будет обладать интеллектом человека во всей его полноте. В случае, если интеллект робота уступает человеческому, всегда может возникнуть какая-то нештатная ситуация, в которой он окажется бессилен. С этой точкой зрения можно было бы согласиться, если бы не реальный интеллектуальный уровень многих современных водителей, и если не знать реальную ситуацию на дорогах— во всяком случае, на отечественных дорогах. Не вызывает сомнения, что если бы живые водители были столь же дисциплинированны, как и роботы, и не употребляли алкоголь и наркотики, а неизбежные несчастные случаи являлись бы только следствием нештатных ситуаций, оказавшимся роботам не под силу, то жертв на дорогах стало бы на порядки меньше. Почти десять лет издается международный журнал IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. Увы, в России, как это обычно бывает, термин «интеллектуальные транспортные системы» используется как-то по-особому однобоко. В основном его относят к практическим приемам организации транспортных потоков, учету передвижения транспортных средств и навигации, а о теоретических исследованиях и серьезных публикациях на тему ITS на русском языке автору ничего неизвестно.

Инициатива ITS стала возможной потому, что современный автомобиль активно роботизируется изнутри и сегодня оснащен целым рядом систем автоматизации. Помимо уже вошедших в обиход автоматических коробок передач, систем автоматической блокировки торможения и систем управления другими агрегатами плюс обычного круиз-контроля, существуют: система информирования о состоянии дорожного покрытия, особенно об оледенении; система адаптивного круиз-контроля, воспринимающая данные от систем обнаружения соседних автомобилей; система взаимного информирования автомобилей, снабженных системами GPS; средства слежения за дорожной разметкой; системы автоматизированной парковки; устройства для просмотра мертвых зон; системы контроля скорости на поворотах.

Но это общие рассуждения уставшего водителя, а пока ITS получившая значительное распространение во всем мире, все же исходит из действующей парадигмы «за рулем водитель». Логичным продолжением этого направления стали системы Internet для автомобилей. Каким бы совершенным ни был робот, он эффективнее работает во взаимодействии с себе подобными. В системах могут использоваться совместно действующие объекты, образующие то, что теперь называют «разумным роем»

Подобную систему Extended Floating Car Data-System (XFCD) представила компания BMW.

Испытание проводилось на специальной тестовой трассе в SBC Park и было призвано продемонстрировать возможности системы. Например, автомобиль попадает на скользкую дорогу. За считанные секунды система обрабатывает информацию и предупреждает в режиме реального времени следующий за ним автомобиль. Та же информация в то же самое время передается стационарным службам движения, которые статистически обрабатывают поступающие данные и рассылают их обратно другим участникам движения.

Система определения дорожной ситуации XFCD станет в будущем усовершенствованным последователем существующей системы Floating Car Data, что переводится как "данные с движущегося автомобиля". Уже сегодня с помощью FCD автомобили посылают свои данные о местонахождении в определенный момент времени на центральный пульт движения, который сопоставляет получаемые сообщения с сообщениями других автомобилей, оснащенных FCD, с целью распознавания дорожных и внештатных ситуаций. Система XFCD способна сама распознавать дорожную ситуацию, анализировать все имеющиеся данные в автомобиле и передавать обработанные данные на центральный пульт движения. Параллельно система способна через систему-коммуникатор "Авто-Авто" предупреждать другие автомобили в зоне действия передатчика.

Как говорится всё гениальное просто, для разработанной автомобильной новинки не требуется установки никаких дополнительных аппаратов. XFCD функционирует на базе имеющейся навигационной системы, и ее ввод в эксплуатацию заключается лишь в загрузке программы. Введение бортовой сети позволяет синхронно задействовать целый спектр возможностей. В устроенном таким образом современном автомобиле система получает доступ и совмещение с множеством других инфо-блоков управления. Это ближний и дальний свет, противотуманное освещение, термометр внешней среды и кондиционер, тормоза и навигационная система, сенсор дождя и омыватель стекла, а также прочие не менее важные мелочи. Все эти механизмы функционируют в зависимости от дорожной ситуации. Так, на понижение температуры окружающей среды, лед или даже неожиданное появление масла на участке дороги автомобиль тут же отреагирует регулированием системы стабилизационного контроля (DSC) и скорости движения.

Еще одно неоспоримое преимущество системы XFCD заключается в возможности передачи сообщений напрямую другим автомобилям. Информация передается посредством Ad-hoc-сети всем автомобилям в ближайших окрестностях. Каждый автомобиль, в зависимости от ситуации, выполняет роль или отправителя, или получателя, или передатчика. Преимущество зарекомендовавшей себя технологии Multi-Hopping неоспоримо: Ad-hoc-сеть организуется автономно, обладает необходимой дальностью радиуса действия и не требует создания специальной инфраструктуры.

Система XFCD создана BMW Group в рамках концепта BMW ConnectedDrive. Основополагающая идея концепта – связывание воедино трех информаторов автомобильного движения "водитель - автомобиль - внешняя среда" посредством телекоммуникационных, онлайн и автомобильных вспомогательных систем ради безопасности движения.

Теперь понятно, что ключевой системой беспилотного автомобиля робота и ITS является интегрированная система, которая является бортовым компьютером, параметров движения и навигационной системой одновременно, постоянно связанным с себе подобными. Именно про датчики такого бортового компьютера пойдет далее речь.

 

Навигационная система автомобиля.

 

Интегрированная навигационная система решает следующие задачи:

1. непрерывное определение координат в районах высотной городской застройки, в тоннелях, под мостами и путепроводами;

2. более точное счисление координат по сравнению с GPS, за счёт дополнительного оборудования;

3. счисление координат и курса транспортного средства без запаздывания;

Что такое GPS?

GPS - это аббревиатура от английского названия Global Positioning System, что означает "система глобального позиционирования", или, в более правильном техническом переводе, - "глобальная система определения координат". Основные ее взаимодействующие элементы - это 24 космических спутника NavStar (запущены и принадлежат США) и миллионы приемников на поверхности Земли.

Работает система так: приемник ловит сигнал от 3 и более спутников, замеряет время задержки прохождения сигнала от каждого из них и автоматически рассчитывает свое местоположение - географические координаты: широту, долготу, а также высоту над уровнем моря. Эти данные процессор устройства соотносит с электронной картой, загруженной в память прибора. Благодаря этому пользователь видит на дисплее изображение географической карты, на которой показывается и двигается "точка" - это он сам со своим GPS-приемником.

В основе работы системы GPS лежит принцип спутниковой трилатерации. Согласно этому принципу, координаты объекта на поверхности Земли могут быть вычислены по измерениям расстояний до спутников. Поскольку положение КА в пространстве известно и расчетные значения параметров своих орбит спутники передают вместе с дальномерным кодом, то для объекта на поверхности Земли спутники являются пунктами с известными в любой момент времени координатами.

Если расстояние от одного спутника известно, тогда можно описать сферу заданного радиуса вокруг него. Например, если до спутника 22 000 километров, то мы находимся где-то на воображаемой сфере радиусом 22 000 километров. Если известно расстояние до двух спутников, то искомая точка местоположения будет находится на окружности, представляющей собой пересечение двух сфер. Следовательно, круг нашего поиска существенно сузился. Получив сигнал от третьего спутника, мы получаем третью сферу, пересечение которой с окружностью дает две точки. Остается только выбрать правильную точку. Обычно одна из точек - это неправдоподобное решение, т.к. она находится или внутри Земли, или слишком высоко над поверхностью, или движется слишком быстро. Вычислители GPS-приемников снабжены различными устройствами, автоматически определяющими истинное местоположение из двух возможных.

Таким образом, получив сигнал как минимум от трех спутников, мы можем вычислить координаты любой точки вблизи поверхности Земли. Чтобы проводить столь качественные вычисления, необходимо пользоваться очень точными часами, ведь расхождение во времени всего в 1 тысячную долю секунды даст ошибку местоположения около 300 км. На борту спутников установлены атомные часы. Каждый спутник имеет их в количестве 4, чтобы можно было гарантировать, что хотя бы одни работают обязательно. Способ измерения времени основан на атомном стандарте частоты, который обеспечивает ход бортовых часов спутника с наносекундной точностью. А это 0,000000001 секунды!

Большинство GPS-навигаторов способны принять сигнал одновременно от 12 спутников. Этого более чем достаточно для решения большинства задач. Однако в настоящее время в продаже появились 14- и даже 18-канальные приемники. Но одновременно принять сигнал даже от 12 спутников очень сложно. Для этого необходимо находиться на открытом месте, причем само спутниковое созвездие (то есть положение спутников на небосклоне) должно быть благоприятно. Принять же сигнал сразу от 18 спутников в настоящее время просто невозможно, так как часть из них скрыта и находится по другую сторону земного шара.

Система GPS содержит в себе три фундаментальных составляющих.

1. Космический сегмент представляет собой 24 спутника, находящихся на 6 различных круговых орбитах, которые расположены под углом 60 градусов друг к другу. Спутники движутся по орбитам радиусом 22 200 километров со скоростью 11 тысяч километров в час и совершают один оборот вокруг Земли за период, приблизительно равный 12 часам. Все они ежедневно повторяют свою траекторию с "опозданием" в 4 минуты.

Вес каждого спутника около 900 кг, размер более 5 м, включая солнечные батареи. На каждом спутнике установлены атомные часы, обеспечивающие высокую точность (10-9 сек), вычислительно кодирующее устройство и передатчики мощностью 50 Вт и 8 Вт, излучающие на частотах L1 = 1575,42 МГц и L2 = 1227,60 МГц.

В идеале в любой момент времени любая точка Земного шара находится в зоне видимости не менее трех спутников. Спутники можно "увидеть" даже на полюсах, правда они будут находиться низко над горизонтом, что влияет на точность измерений, но несущественно.

Справедливости ради стоит отметить, что есть все же "темные" области в высоких широтах, где одновременно может быть не более 2 спутников, что не позволяет определять координаты и нарушает работу приемника GPS. Однако такое положение дел длится лишь от 15 до 45 минут, в остальном система навигации GPS действительно глобальна.

2. Наземный сегмент контролируется Министерством Обороны США. Он состоит из пяти контрольно-измерительных станций, которые находятся на Гавайях, на Кваджалейне, на острове Вознесения, в Диего-Гарсия и Колорадо-Спрингс, четырех станций связи и центра управления всей системой, расположенного на авиабазе в Шривере, штат Колорадо.

Станции слежения непрерывно контролируют движение космических аппаратов и передают данные в центр управления. В центре вычисляют уточненные элементы спутниковых орбит и коэффициенты поправок шкал времени. Эти данные поступают по каналам станций связи на спутники не реже, чем один раз в сутки.

3. GPS-приемник - третий сегмент системы навигации, который позиционируется и позволяет вычислять географические координаты на основе полученных данных.

Но, к сожалению, несмотря на все высокие технологии, примененные в GPS погрешности этой системы также глобальны и не могут быть использованы компьютером как основные данные для автоводителяя. Сам навигатор, по заявлениям производителей, определяет местоположение с точностью до 3-5 м. Однако очень многое тут зависит от числа спутников, которые "видят" прибор и, опять-таки, от электронных карт. Дело в том, что в России для гражданского использования разрешены карты масштабом не крупнее чем 1:1000, т. е. в 1 см карты - 1 км местности. На практике же это значит, что 100 м будут умещаться в 1 мм на экране.