ZÁVĚREČNÁ ZPRÁVA PROJEKTU SPECIFICKÉHO VÝZKUMU ZA ROK 2011

Transkript

1 UNIVERZITA OBRANY Výtisk číslo: Fakulta vojenských technologií Počet listů: 22 ZÁVĚREČNÁ ZPRÁVA PROJEKTU SPECIFICKÉHO VÝZKUMU ZA ROK Název projektu: I. IDENTIFIKACE PROJEKTU SPECIFICKÉHO VÝZKUMU Rozvoj perspektivních avionických subsystémů 2. Konkrétní výsledky řešení projektu 1 : 4 x D článek ve sborníku, 1 x Disertační práce Termín řešení (rok): 2011 Celkem uznané náklady na řešení (tis. Kč): 229 II. IDENTIFIKACE PŘÍJEMCE INSTITUCIONÁLNÍ PODPORY ZE STÁTNÍHO ROZPOČTU 1. Fakulta, katedra: Fakulta vojenských technologií Hodnost, tituly,jméno, příjmení: Kontaktní osoba - odpovědný řešitel projektu prof. Ing. Rudolf Jalovecký, CSc. Telefon Fax E mail rudolf.jalovecky@unob.cz Pověřený vedoucí katedry/složky (hodnost, tituly, jméno, příjmení): Datum: Razítko: Podpis: prof. Ing. Rudolf Jalovecký, CSc. 1 D - článek ve sborníku z akce (publikovaná přednáška proceeding), J 1 - článek v impaktovaných časopisech svět databáze ISI, J 2 - článek v neimpaktovaných časopisech svět databáz,

2 4. Hodnost, tituly, jméno, příjmení: Odborné zaměření: Složení řešitelského týmu Odpovědný řešitel prof. Ing. Rudolf Jalovecký, CSc Digitalizace a zpracování dat, databázové systémy, mikroprocesorová technika Členové řešitelského týmu Hodnost, tituly, jméno, příjmení Odborné zaměření Příslušnost pplk. Ing. Michal Dub, Ph.D. mjr. Ing. Petr Bojda, Ph.D. Palubní systémy napájení elektrickou energií a letecké elektrické pohony Palubní letecké navigační a radiolokační systémy Univerzita obrany Univerzita obrany rtn. Bc. Zuzana Hrazdírová Letecké elektrotechnické systémy Univerzita obrany por. Ing Jan Bořil Modelování a simulace pohybu letounu v prostoru Univerzita obrany por. Ing. Josef Bajer Mikroprocesorová technika Univerzita obrany por. Ing. Přemysl Janů Mikroprocesorová technika Univerzita obrany 2

3 Obsah Obsah Úvod Stručná anotace celého projektu, Cíle projektu a jejich eventuální změny, Navrhovaný rozpočet Stávající stav v řešené oblasti (na začátku řešení úkolu), Možné metody řešení, Výběr a zdůvodnění vybrané metody řešení (metodika řešení), Dosažené výsledky a výstupy práce, stručná technická zpráva (s uvedením, kde byly výsledky publikovány), Přehled výsledků, které byly publikovány Přehled zahraničních služebních cest konference Diskuse získaných výsledků (srovnání s teoretickými, eventuálně hypotetickými předpoklady, interpretace získaných výsledků), Využitelnost dosažených výsledků, Další možnosti rozvoje sledované oblasti, Závěr (přínos pro rozvoj studijního programu, oboru, AČR), Návrh konkrétních opatření, Přehled o použití finančních prostředků specifického výzkumu za příslušný rozpočtový rok s podrobným komentářem s uvedením: Čerpání poskytnutých finančních prostředků podle rozpočtových podpoložek Přehled pořízeného majetku a služeb souvisejících s řešením projektu, Přehled nevyčerpaných nebo vrácených finančních prostředků, Seznam literatury Seznam zkratek...21

4 1. Úvod Předložená závěrečná zpráva SV shrnuje devítiměsíční pracovní úsilí jedné studentky magisterské nadstavby, tří doktorandů a čtyř učitelů ve funkci konzultantů s jednoznačným cílem dále rozvíjet schopnosti přenosu a zpracování leteckých dat přes rozhraní CAN s protokolem CAN aerospace, analýzu simulace mechatronické soustavy SAŘL a analýzu algoritmů určených k vyhodnocování polohy letounu s pomocí přijímače GNS. 1.1 Stručná anotace celého projektu, Projekt specifického výzkumu zaměřila katedra na další rozvoj avionických subsystémů a možnosti simulace chování člověka pilota. Dva doktorandi v řešitelském kolektivu zdokonalovali letecký palubní elektronický systém z hlediska zvýšení spolehlivosti přenosu dat po sběrnici CA s protokolem CANaerospace. Jeden doktorand se zabýval simulacemi mechatronické soustavy pilot letadlo. Studentka magisterské nadstavby pak prováděla úvodní analýzy pro simulaci nových algoritmů pro vyhodnocování polohy letounu se systémem GPS. 2. Cíle projektu a jejich eventuální změny, Cílem projektu je rozšíření a doplnění v současné době řešený projekt obranného výzkumu. Studentka magisterské nadstavby pracovala ve prospěch své diplomové práce. Všichni studenti doktorského studia budou pracovat na experimentech ve prospěch svých disertačních prací. por. Ing. Přemysl Janů a por. Ing. Josef Bajer Zajištění a ověření kompatibility komunikace leteckého palubního elektronického systému se specifikací CANaerospace Předmětem činnosti byla dodatečná implementace chybějících funkcí vyžadovaných specifikací CANaerospace do jednotlivých modulů. Po jejich naprogramování a odladění proběhla finální verifikace kompatibility celé komunikace se specifikací CANaerospace protokolu. por. Ing. Jan Bořil Simulace mechatronických soustav z hlediska SAŘL, analýza soudobých avionických systémů, studium problematiky sběrnice CAN s protokolem CANaerospace Výzkumná činnost se bude týkat simulací mechatronických soustav z hlediska SAŘL v programu MATLB-SIMULINK, jejich vzájemné porovnání při změnách parametrů a obvodové struktury. Navázání spolupráce se zahraniční univerzitou ohledně soudobých avionickcých systémů. Získání základních poznatků o sběrnici CAN s protokolem CANaerospace. rtn. Bc. Zuzana Hrazdírová - Zaměření na přípravu simulačního prostředí pro analýzu nových algoritmů určených k vyhodnocování polohy letounu s pomocí přijímače GNS. Výsledky budou využity v diplomové práci. 4

5 Byl vytvořen model kvadraturního demodulátoru přijímače. Tento model umožňuje analyzovat vlastnosti přijímače v podmínkách různého stavu synchronizace nosné. K tomuto modelu byly připojeny další simulační bloky, např. generátor navigačního signálu a simulátor konstelace družic tak, že je možné připravit rozdílné změny vstupních parametrů signálu v závislosti na odpovídající dynamice pohybu družic vzhledem k přijímači. V průběhu řešení nedošlo ke změně cílů. 3. Navrhovaný rozpočet 2. Běžné výdaje (neinvestiční prostředky) RPP Popis RPP Popis výdajů Nákup (materiálu): Částka v Kč (v tis.) Knihy, učební pomůcky a tisk - učební pomůcky Drobný elektromateriál 12,7 Nákup (služeb) platby za: Celkem nákupy materiálu 12, Nákup ostatních služeb - k zabezpečení provozu movitého majetku a materiálu Aktualizace MATLAB 27 Celkem nákupy služeb 27 Ostatní nákupy platby za: Programové vybavení -technické zhodnocení MATLAB 2 vybrané toolboxy 16, Cestovné (tuzemské i zahraniční) - vojáků 68, Účastnické poplatky na konference 47 Celkem ostatní nákupy 132,3 CELKEM BĚŽNÉ VÝDAJE 172 Stipendia: Stipendia žákům, studentům a doktorandům 57 Celkem stipendia Stávající stav v řešené oblasti (na začátku řešení úkolu), Podle oblasti řešení dílčí části projektu je popsaný stávající stav. por. Ing. Přemysl Janů, por. Ing. Josef Bajer Výchozím bodem pro řešení stanoveného úkolu byl sestavený letecký palubní elektronický systém komunikující po sběrnici CAN. Ten se skládal z pěti modulů, které umožňovaly vysílat celkem třináct zpráv charakterizující parametry letu či parametry letounu. Byl to inerciální senzorový modul, který poskytoval zrychlení ve třech osách, úhlovou rychlost kolem třech os 5

6 letadlové souřadnicové soustavy a údaj poskytující informaci ze zatáčkoměru ve /s. Dále modul pro měření teploty vysílal veličiny: celková teplota, teplota střední vzdušné vrstvy pod letadlem, což je důležitá veličina pro výpočet barometrické výšky v aerometrickém počítači a kabinová teplota. Modul pro měření proudu zabezpečoval vysílání informace o proudu stejnosměrného napájecího systému. Následovaly dva moduly nesoucí data o výšce letounu a teplotě výstupních plynů motoru. Velmi důležitým modulem byl MASTER, který celou komunikaci řídil. Přijímal tři důležité zprávy: povel pro přidělení časového harmonogramu komunikace, příkaz pro začátek a konec komunikace. Zabezpečoval přidělení časového rozvrhu komunikace a periodicky vysílal referenční zprávu, která zajišťovala časovou synchronizaci vysílání zpráv z jednotlivých modulů. Posledním a také poměrně důležitým modulem systému byla tzv. NEC stanice, která vysílala zprávy pro přidělení časového rozvrhu komunikace, povel pro začátek a konec komunikace. CAN ID jednotlivých zpráv byly vybrány podle specifikace CANaerospace protokolu. Sestavený systém reprezentuje obr Obr. 4.1 Blokové schéma sestaveného systému por. Ing. Jan Bořil Na začátku řešení úkolu byly již v minulosti provedené simulace mechatronické soustavy pilot-letoun. Vzhledem ke své složitosti lze takovou mechatronickou soustavu rozvíjet několika směry, ať už změnou modelu letounu, pilota nebo přidáním dalších vstupujících veličin ovlivňující celou soustavu. Již v předchozí době byl vytvořen algoritmus pro identifikaci parametrů matematických modelů pilota. Je potřeba tyto modely rozšířit s možností vkládání naměřených letových dat a tím tak získat pomocí identifikace parametrů, časové konstanty (přenosové funkce) modelu chování pilota. 6

7 rtn. Bc. Zuzana Hrazdírová V současné době je na poměrně slušné úrovni vyřešena konstrukce přijímačů signálu GNSS a jejich implementace za standardních podmínek [HRA1], [HRA2]. Z hlediska leteckého i vojenského využití těchto systémů jsou stále předmětem zájmu robustnost zpracování signálu a odolnost přijímače. Právě ve vojenském nebo civilním letectví je hrozba výpadku navigační informace v kritické fázi letu zvlášť nebezpečnou. Inerciální systémy soudobých bojových nebo velkých dopravních letadel jsou dostatečně přesné a kvalitní, aby dokázaly s požadovanou přesností pracovat po určitou dobu i v podmínkách nepříznivých pro příjem. Oproti tomu systémy letadel malých nebo systémy levných bezpilotních prostředků by mohly při použití sofistikovaných metod zpracování signálu a vyhodnocování navigační informace potřebnou úroveň robustnosti a odolnosti poskytnout také. K posouzení se nabízí minimálně tři metody, jejichž výběr nebo kombinace může přinést zajímavé výsledky. První metodou je kombinovaný systém INS-GNSS se super-těsnou vazbou (Deeply Coupled INS-GNSS), kdy jsou sledovací smyčky přijímače řízeny nejen vlastní zpětnou vazbou GNSS přijímače, ale také vazbou na INS tedy informacemi o vlastním pohybu přijímače [HRA5], [HRA6]. Druhou metodou je v této oblasti již používaná metoda několika paralelních korelačních přijímačů (Rake Receiver), navržená pro odstranění vlivu vícecestného šíření [HRA3], [HRA4]. Poslední možnou metodou je SAIC (Single Antenna Interference Cancelation) metoda potlačení interferencí se signály z jiných zdrojů s podobným charakterem, která je standardizovaná v současné verzi GSM/EDGE. 5. Možné metody řešení, Podle oblasti řešení dílčí části projektu jsou popsány použité metody řešení. por. Ing. Přemysl Janů, por. Ing. Josef Bajer Hlavním cílem bylo komplexně ověřit, zda komunikační protokol implementovaný v systému LPES je ve všech ohledech plně kompatibilní se specifikací protokolu CANaerospace. Toto ověření je nutné provést pomocí speciálního analyzátoru, který umožní analyzovat četnost jednotlivých zpráv vysílaných na sběrnici, správný formát každé ze zpráv, správný obsah a bitovou posloupnost jednotlivých polí, které každá ze práv obsahuje, chybovost systému, dodržení naprogramovaného harmonogramu vysílání zpráv, využití sběrnice apod. Empirické metody pozorování měření experimentování 7

8 verifikace por. Ing. Jan Bořil Zkoumaná oblast předpokládá výrazné použití simulačních metod. Při realizaci experimentů je pak nutná spolupráce s měřenými objekty - lidmi ve funkcích pilotů. V rámci dílčí části projektu SV byly použity tyto metody řešení: I. Simulace a modelování na počítači. II. Experimentální měření. III. Týmová práce. IV. Obecné vědecké metody (analýza, dedukce). rtn. Bc. Zuzana Hrazdírová Předmětem specifického výzkumu je tvorba numerického modelu části přijímače, který umožní analyzovat jeho chování v simulovaných dynamických navigačních situacích. Vzhledem k možnostem, které katedra má a k dostupnému laboratornímu vybavení bylo možno postavit model na bázi: I. Analytického zhodnocení. II. Numerické simulace vybraných metod. III. Implementace vybraných částí přijímače a algoritmů pro zvýšení odolnosti do obvodů FPGA. IV. Implementace algoritmů (částečná nebo celková) do laboratorního přijímače SX-NSR (Navigation Software Receiver). 6. Výběr a zdůvodnění vybrané metody řešení (metodika řešení), Podle oblasti řešení dílčí části projektu si řešitelé spolu se svým vedoucím zvolili metody řešení. por. Ing. Přemysl Janů, por. Ing. Josef Bajer Hlavním cílem zadaného úkolu bylo ověření kompatibility komunikace leteckého palubního elektronického systému s CANaerospace specifikací, a proto jako jádro řešení problému byla zvolena komplexní verifikace implementovaného komunikačního protokolu pomocí profesionálního analyzátoru CANaerospace of společnosti Vector. por. Ing. Jan Bořil Jako metoda řešení byla především zvolena simulace a modelování na počítači. Konktrétně tedy simulace a modelování v programovém prostředí Matlab-Simulink. Tato volba byla jednoznačná vzhledem k tomu, že již v předcházejících letech měl student tak i pracoviště zkušenosti právě se simulacemi SAŘL, tak i se simulacemi mechatronických soustav v programovém prostředí Matlab-Simulink. Počítačová simulace je efektivní nástroj, jak za pomoci matematických modelů letadel a matematických modelů chování člověka (pilota) lze 8

9 pozorovat chování celého mechatronického systému, při změně celé řady proměnných a tím tak předpovídat reálné vlastnosti systému. Další významná metoda, která byla využita je: Experimentální měření. Toto měření bylo provedeno na leteckém simulátoru na univerzitě v Anglii. Důvodem měření byla potřeba získat data z odezvy několika pilotů na náhlou změnu výšky letu. Data získaní ze simulace jsou testována pomocí algoritmu pro identifikaci parametrů chování člověka (pilota). rtn. Bc. Zuzana Hrazdírová Vzhledem k časovým možnostem projektu bylo rozhodnuto nepřipravovat studentku kompletně na nové dovednosti, ale využít toho, že je schopna samostatně pracovat se simulačním prostředím Matlab-Simulink. Proto byla zvolena varianta vypracování numerického modelu vybraných částí přijímače v Matlabu a demonstrace základní analýzy. 7. Dosažené výsledky a výstupy práce, stručná technická zpráva (s uvedením, kde byly výsledky publikovány), Podle oblasti řešení dílčí části projektu jsou uvedeny výsledky práce por. Ing. Přemysl Janů, por. Ing. Josef Bajer Do jednotlivých modulů systému byly doprogramovány funkce a tvary vysílaných zpráv respektující CANaerospace protokol podle specifikace. Systém během komunikace používal tyto zprávy: Zpráva pro přidělení matice cyklů ID uzlu:0, datový typ: nodata, service code: servisu, message code: 0, Byte 4 7: 0. Přídělovací zpráva ID uzlu:0, datový typ: unlong, service code: řádek matice cyklů, message code: sloupec matice cyklů, Byte 4 7: CAN ID. Zpráva pro zahájení komunikace ID uzlu:0, datový typ: no data, service code: číslo servisu, message code: 0, Byte 4 7: 0. Zpráva pro ukončení komunikace ID uzlu:0, datový typ: nodata, service code: číslo servisu, message code: 0, Byte 4 7: 0. Synchronizační zpráva (NSS) ID uzlu:0, datový typ: nodata, service code: NSS, message code: inkrementace po řádcích matice cyklů, Byte 4 7: 0. Zpráva nesoucí parametr letu či letounu ID uzlu:zvolené ID pro jednotlivé moduly, datový typ: float, service code: 0, message code: inkrementace po každé vyslané zprávě, Byte 4 7: parametr letu či letounu. Verifikace komunikace leteckého palubního elektronického sytému byla provedena pomocí profesionálního SW prostředku CANoe.CANaeroJ1839JP od společnosti Vector, který má 9

10 v sobě implementovány kromě CANaerospace specifikace také jiné standardy sběrnic, které se v současné době používají na palubách letounů. Jako HW rozhraní byl použit modul CANcaseXL. Celý systém byl testován na přenosové rychlosti 125 kbit/s. Tato rychlost je vzhledem k počtu vysílaných zpráv dostačující. Výsledky verifikace reprezentují obrázky Před zahájením analýzy komunikace je nutné nakonfigurovat měřící algoritmus. Konfigurace se provádí velice názorným způsobem, pomocí jednotlivých bloků obr. 7.1, které reprezentují parametry, které budou měřeny. Pro analýzu leteckého palubního elektronického systému byly nakonfigurovány důležité bloky pro zobrazení parametrů. Objekt Frame histogram, který zajišťuje zobrazení četnosti vyslaných zpráv podle CAN identifikátoru za sekundu a počet vyslaných chybových rámců za sekundu. Blok Bus statistics umožňuje monitorovat parametry sběrnice, jako jsou: využití sběrnice, špičkové využití sběrnice, počet vyslaných rámců za sekundu, počet celkově vyslaných rámců, počet vyslaných chybových rámců za sekundu, celkově vyslaných chybových rámců a stav sběrnice. Objekt Trace zajišťuje kompletní monitorování právě vysílaných zpráv systémem s respektem CANaerospace specifikace. Tedy zobrazuje se: název parametru letu či letounu s kompletní CANaerospace zprávou v hexadecimálním kódu, hodnota parametru letu či letounu s jednotkami a hlavička CANaerospace protokolu (ID uzlu, datový typ, servisní kód a kód zprávy). Obr. 7.1 Konfigurace prostředku pro verifikaci systému 10

11 Obr. 7.2 představuje statistické ukazatele komunikačních parametrů. Byl využit kanál CAN 1 hardwarového zařízení CANcaseXL. Obr. 7.2 Statistika komunikace po sběrnici CAN s protokolem CANaerospace Využití sběrnice dosahuje hodnoty 68,05 %, což potvrzuje, že aplikovaná přenosová rychlost 125 kbit/s postačuje a také to respektuje doporučení CANaerospace specifikace - využití sběrnice synchronními zprávami maximálně 80 %. Z hodnoty vyslaných zpráv za sekundu lze odvodit aktuální velikost datového rámce. Pro změřenou hodnotu 686 zpráv za sekundu je to 123 bitů. Během znázorněné analýzy bylo vysláno 5840 zpráv a žádný chybový rámec, což svědčí o precisnosti komunikace. Systém byl v aktivním módu. Obr. 7.3 Histogram četností jednotlivých identifikátorů 11

12 Obr. 7.3 znázorňuje četnosti jednotlivých vysílaných zpráv. Jednotlivé zprávy jsou zde reprezentovány CAN identifikátorem, což je ukázáno v prvním grafu. Podle grafu je vysíláno 48 jednotlivých zpráv za sekundu. Jednotlivé sloupce histogramu jsou stejně vysoké, což svědčí o správné komunikaci podle zvolené matice cyklů. Druhý graf monitoruje chybové rámce komunikace. Není zde vidět žádný sloupec představující chybový rámec, z toho vyplývá, že komunikace probíhá bezchybně. Obr. 7.4 Vysílané CANaerospace zprávy a jejich struktura Na obr. 7.4 lze spatřit detail vysílaných zpráv systémem podle CANaerospace protokolu. Detailní zobrazení spočívá v prezentaci CAN ID, názvu parametru letu či letounu, kompletní CANaerospace zprávě v hexadecimálním kódu, skutečné hodnoty veličiny i s jednotkou a v podrobném rozepsání hlavičky zprávy. Podle výstupu z analyzátoru lze usoudit, že zprávy vysílané systémem korespondují se specifikací CANaerospace protokolu. por. Ing. Jan Bořil Byly provedeny simulace mechatronického systému pilot-letoun-tlumič kmitů (obr. 7.5). Simulace navazují na předešlé zkoumání mechatronického systému z hlediska akčního zásahu pilota do systému řízení letounu avšak v tomto případě se řešitelé zaměřují na chování systému jako celku, při vzniku nežádoucí poruchy ve výchylce kormidla (step disturbance). K simulaci byl využit pouze model chování pilota typu A, tlumiče kmitů a model Obr. 7.5: Blokové schéma mechatronického systému 12

13 letounu pro podélný pohyb. Simulace byly prováděny v programu Matlab-Simulink, a výstupem jsou 3D grafy pro různé časové konstanty modelu chování pilota (člověka). Podle předpokladu byla navázána spolupráce s univerzitou v Anglii: University of Hertfordshire v Hatfieldu, kde student strávil 3 měsíce v rámci programu ERASMUS. Jeho výstupy práce z tohoto období jsou především v podobě naměřených dat z leteckého simulátoru Cessna-152 (obr. 7.6), které jsou a nadále budou podrobeny analýze a především testovány za pomocí algoritmu pro identifikaci parametrů chování modelu člověka (pilota). Obr.7.6: Letecký simulátor Cessna 152 Podle harmonogramu se také student za pomoci kolegů z K-206 seznámil s problematikou sběrnice CAN s protokolem CANaerospace tak, aby byl schopen důstojně reprezentovat vědeckou práci na konferenci Mechatronics 2011 v Polsku. rtn. Bc. Zuzana Hrazdírová Původním záměrem projektu bylo vytvoření modelu sledovacích obvodů přijímače. U současných přijímačů jsou sledovací obvody nosné tvořeny převážně Costasovou smyčkou, jejíž součástí je i kvadraturní demodulátor. Protože studentka byla v průběhu trvání projektu vyslána do zahraničí na jazykový kurz, nemohl být původní časový harmonogram Obr. 7.7 Blokové schéma kvadraturního demodulátoru. 13

14 splněn. Proto bylo přistoupeno k redukci úlohy pouze na kvadraturní demodulátor. Byl vytvořen numerický model kvadraturního demodulátoru přijímače, viz obr Tento model umožňuje analyzovat vlastnosti přijímače v podmínkách různého stavu synchronizace signálu nosné. To znamená, že je schopen simulovat činnost kvadraturního demodulátoru při různých hodnotách kmitočtu a fáze vstupního signálu. Dále je možné vytvořit vstupní i referenční signál s náhodným jitter-em. Na obr. 7.8 je demonstrován příklad výstupu kvadraturního demodulátoru s různými výstupními filtry. Obr. 7.8 Výstupní signál větve I kvadraturního demodulátoru pro různé filtry dolní propust. 7.1 Přehled výsledků, které byly publikovány [Bor_01] [Bor_02] [Hra_01] [Jan_01] BOŘIL, Jan; JALOVECKÝ, Rudolf. Response of the Mechatronic System, Pilot- Aircraft,on Incurred Step Disturbance. In PROCEEDINGS ELMAR-2011: 53rd International Symposium ELMAR Zagreb : ITG, 2011, p ISSN ISBN JALOVECKÝ, Rudolf; JANŮ, Přemysl; BYSTŘICKÝ, Radek; BOŘIL, Jan; BOJDA, Petr; BLOUDÍČEK, Radim; POLÁŠEK, Martin; BAJER, Josef. Data fusion from avionic sensors employing CANaerospace. In Mechatronics, Recent technological and scientific advances. Berlin : Springer, 2011, p ISBN BOJDA, Petr DUB, Michal HRAZDIROVA Zuzana. Complex Navigation Model for Carrier Tracking Loop Setting in GNSS Receiver. In Proceedings of 6th International Conference Advances in Mechatronics December 7-9, 2012, Brno, Czech Republic. Brno : University of Defence, 2011, s ISBN JANŮ, Přemysl. Systém sběru a zpracování dat z leteckých palubních systémů. Brno, Dizertační práce. Univerzita obrany Brno. Vedoucí práce prof. Ing. Rudolf Jalovecký, CSc. 14

15 [Jan_02] [Jan_03] JANŮ, Přemysl; BAJER, Josef. Communication Verification of On-board Aircraft Electronic System. In Transport Means (Proceedings of the 15th International Conference). Litva, 2011, p ISSN X. JANŮ, Přemysl; BAJER, Josef. Testování komunikace systému založeného na CANaerospace. In Sborník příspěvků z 11. mezinárodní vědecké konference Měření, diagnostika, spolehlivost palubních soustav letadel Brno : Univerzita obrany, Brno, 2011, s ISBN Přehled zahraničních služebních cest konference Z prostředků SV vycestoval doktorand por. Ing. Jan Bořil na dvě zahraniční konference Název konference: 53rd International Symposium ELMAR-2011 Termín konání: Září 2011 Místo konání: Pořadatel: Účastník(-ci): Bodované výsledky: Zadar, Chorvatsko Croatian Society Electronics in Marine and University of Zagreb Jan Bořil 1 x článek ve sborníku (D) ISBN sborníku: ISSN sborníku: Stručná zpráva: Třídenní konference se z katedry K-206 zúčastnil student doktorského studijního programu por. Ing. Jan Bořil. Vystoupil v sekci Power Electronics and Automation, kde prezentoval výsledky získané ve prospěch Specifického výzkumu. Při neformálních setkáních se snažil diskutovat o možné spolupráci s jinými pracovníky škol a tím také prohluboval znalost angličtiny. Název konference: 9th International Conference Mechatronics 2011 Termín konání: Září 2011 Místo konání: Pořadatel: Účastník(-ci): Bodované výsledky: Varšava, Polsko Faculty of Mechatronics, Warsaw University of Technology Jan Bořil 1 x článek ve sborníku (D) ISBN sborníku: ISSN sborníku: - Stručná zpráva: Čtyřdenní konference proběhla ve Varšavě. Prezentovat výsledky získané kolektivem spolupracovníků z K-206 byl vyslán por. Ing. Jan Bořil. Článek byl zařazen do Poster Session, předem připravený poster byl vystaven na přiděleném místě v určený čas. Zájemci měli možnost diskutovat přímo s por. Bořilem o daném tématu. 15

16 8. Diskuse získaných výsledků (srovnání s teoretickými, eventuálně hypotetickými předpoklady, interpretace získaných výsledků), Podle oblasti řešení dílčí části projektu je provedena diskuze získaných výsledků. por. Ing. Přemysl Janů, por. Ing. Josef Bajer Celý systém LPES byl pomocí sběrnice CAN připojen k profesionálnímu analyzátoru CANaerospace od firmy Vector. Postupně byly testovány jednotlivé zprávy a bylo zjišťováno, zda obsah a formát zpráv neobsahuje chyby. Těmito testy bylo dosaženo ověření, že celý systém LPES je plně kompatibilní se specifikací CANaerospace. Bylo také ověřeno, že žádný z modulů nevysílá chybové hlášení, a tedy celá komunikace je bez závad. Systém se tak stává použitelným ve spojení s jinými systémy CANaerospace. por. Ing. Jan Bořil Získané výsledky se týkají především modelů a simulací v programu Matlab-Simulink. Do obvodu mechatronické soustavy byla vnesena chyba v podobě mechanické poruchy ve výchylce kormidla, matematický model pilota se ve svém rozsahu časových konstant choval podle předpokladů a dokázal letoun stabilizovat zpět do rovnovážného stavu. Nezanedbatelné spolupráce a výsledků bylo také dosaženo na University of Hertfordshire v Hatfieldu. Především odměřené výsledky na leteckém simulátoru Cessna 152 by v budoucnu mohli pomoci při hlubším zkoumání chování pilota v mechatronickém systému. Pomocí odměřených letových dat je možné stanovit přenosovou funkci modelu chování pilota, což je velice praktické a přínosné pro následující práci v dané problematice. Za pomoci informací z anglické Univerzity by v blízké době mělo vzniknout experimentální pracoviště na K-206 (letecký simulátor) na kterém bude možné otestovat a odměřit více vzorků (pilotů). rtn. Bc. Zuzana Hrazdírová Kvadraturní demodulátor je důležitá součást moderního přijímače signálu GNSS. Jeho parametry spolu s parametry sledovacích obvodů mají zásadní vliv na výsledné dynamické vlastnosti celého přijímače a jeho odolnost. Vytvořený model je připraven k analýze chování přijímače v různých dynamicky se měnících podmínkách. 9. Využitelnost dosažených výsledků, Podle oblasti řešení dílčí části projektu je komentována využitelnost dosažených výsledků. por. Ing. Přemysl Janů, por. Ing. Josef Bajer Díky finálnímu ověření vytvořeného systému LPES získává tento systém široké možnosti uplatnění, jelikož byla potvrzena jeho plná kompatibilita se systémy CANaerospace. Lze ho tedy připojit a komunikovat s jinými CANaerospace přístroji. LPES lze použít i samostatně pro sběr a fúzi dat z jakéhokoli létajícího prostředku. Fúze dat a komunikace po sběrnici CAN jsou velmi aktuálními tématy, a proto je vhodné použít vytvořené výsledky pro demonstraci studentům a pro laboratorní výuku. 16

17 por. Ing. Jan Bořil Vzhledem k tomu, že byla rozšířena obvodová struktura mechatronické soustavy pilot-letoun, dostáváme další možnosti variace a testování mechatronické soustavy. Uměle vytvořená mechanická porucha kormidla v podobě půl sinusového průběhu rozšiřuje již dříve získané znalosti o modelu chování pilota v mechatronické soustavě pilot-letoun. Některé simulace by mohly být využitelné při výuce palubních systémů řízení letu. Mimo jiné část výsledků poslouží ve prospěch disertační práce. Z naměřených letových dat leteckého simulátoru, budeme schopni za pomoci algoritmu pro identifikaci parametrů chování modelu pilota určit přenosové funkce jednotlivých pilotů a tím tak určit jejich časové konstanty. Model chování pilota nabude reálnější podoby využitelné v simulacích mechatronickcých soustav pilot-letoun. rtn. Bc. Zuzana Hrazdírová Model kvadraturního demodulátoru je v současnosti plně funkční. Je možné ho využít k analýze dynamických vlastností přijímače a k vyhodnocování kvality příjmu a zpracování signálu za různých podmínek. Toho lze využít jednak pro účely výuky, ale i pro přípravu úloh s reálnými přijímači a signály v dalších projektech. 10. Další možnosti rozvoje sledované oblasti, Podle oblasti řešení dílčí části projektu jsou uvedeny možnosti rozvoje řešené problematiky. por. Ing. Přemysl Janů, por. Ing. Josef Bajer Pokračovat v rozvoji komunikace na LPES, zejména více využívat varovné zprávy a zprávy servisní, které zajistí jednak preciznější a jednak rychlejší komunikaci po sběrnici CAN s protokolem CANaerospace a také interaktivnější spolupráci mezi konkrétními uzly navzájem. por. Ing. Jan Bořil Další možnost rozvoje by mohla být směřována do oblasti simulací mechatronických soustav pilot-letoun právě za pomoci identifikace naměřených letových dat ze simulátorů. Odměřením celé řady různorodých pilotů (vycvičený - nevycvičený, odpočinutý unavený, ) na rozdílné skokové změny, bychom měli být schopni určit meze časových konstant charakterizující model chování pilota. Takto by se daly simulace mechatronické soustavy pilot-letoun přiblížit reálnějším podmínkám. Určitou možnost rozvoje skýtá i model letounu, který je možno nahradit modelem jiného typu letounu, nebo dokonce i modelem vrtulníku. rtn. Bc. Zuzana Hrazdírová K tomu, aby bylo možné plně podchytit dynamické vlastnosti přijímače navigačního signálu je potřeba spojit model kvadraturního demodulátoru s modelem sledovacích obvodů. Proto je dalším logickým krokem tvorba sledovacích obvodů a jejich spojení s demodulátorem. 17

18 11. Závěr (přínos pro rozvoj studijního programu, oboru, AČR), Výsledky výzkumné práce uskutečněné řešitelským kolektivem specifického výzkumu katedry obohatily studijní program i obor o nové teoretické znalosti a praktické zkušenosti s důležitými segmenty stávajících i perspektivních letadlových palubních komunikačních a zbraňových systémů. Získané znalosti a praktické zkušenosti představují východisko pro řadu dalších navazujících výzkumných a odborných experimentálních prací, které budou prováděny v rámci doktorských prací, ročníkových a bakalářských či magisterských diplomových prací či v rámci studentské vědecké odborné činnosti. Výsledky výzkumné práce řešitelského kolektivu uplatněné ve výuce zvyšují znalosti studentů o nejmodernějších vývojových trendech v oblasti leteckých palubních elektronických komunikačních a zbraňových systémů, které se již dnes objevují a blízké budoucnosti budou objevovat stále častěji i v letecké technice provozované AČR. 12. Návrh konkrétních opatření, Katedra se v dalším projektu SV zaměří především na pokračování problematiky doktoranda por.ing. Jana Bořila, který jako jediný na katedře zůstává. Jeho oblastí je simulace chování člověka při řízení letoun i vrtulníku. Pro tuto oblast připravuje katedra v rámci projektu na rozvoj organizace měřicí pracoviště se simulátorem letounu a s možností měřit reálné odezvy pilotů při řízení letu. 13. Přehled o použití finančních prostředků specifického výzkumu za příslušný rozpočtový rok s podrobným komentářem s uvedením: Finanční prostředky byly katedře přiděleny až po přidělení financí FVT. Katedra měla v té době již provedenou analýzu potřeb řešitelů doktorandů a proto poměrně rychle došlo k sepsání požadavkových listů a jejich odevzdání na logistiku Čerpání poskytnutých finančních prostředků podle rozpočtových podpoložek SV katedry byl, z hlediska rozpočtových položek, rozdělen do 3 skupin. Největší část financí jednoznačně patřil pro nákup drobného elektrotechnického materiálu, vývojových prostředí a programového vybavení. Druhou skupinou byla oblast financí pro cestovné na zahraniční konference a poplatky na tyto konference. Poslední skupinou, na UO skoro nevídanou, byla možnost odměnit řešitele studenty finanční odměnou na základě dohody o provedení práce. 18

19 Nákup materiálu Číslo rozpočtové položky Druh výdaje + komentář Požadavek (Kč) Čerpáno (Kč) Knihy, učební pomůcky a tisk - knihy a tisk 0, , Knihy, učební pomůcky a tisk - učební pomůcky , , Nákup ostatních služeb - k zabezpečení provozu movitého majetku a materiálu , , Programové vybavení -technické zhodnocení , ,- Celkem , ,- Cestovné a účastnické poplatky na konference Číslo rozpočtové položky Druh výdaje + komentář Požadavek (Kč) Čerpáno (Kč) Cestovné (tuzemské i zahraniční) - vojáků , , Účastnické poplatky na konference , ,- Celkem , ,- Kapitálové výdaje Nebyly čerpány žádné prostředky Osobní náklady Číslo rozpočtové položky Druh výdaje Požadavek (Kč) Čerpáno (tis. Kč) Ostatní osobní výdaje vojáků (stipendia studentů doktorandů) , , Přehled pořízeného majetku a služeb souvisejících s řešením projektu, Hmotný majetek MAX 2120 Kuchyňské váhy Pájecí stanice s příslušenstvím Komentář Nákup IO pro potřebu realizace přijímačů Lacinější nákup namísto laboratorních vah, přičemž přesnost měření nám vyhovuje Pro osazování DPS a realizaci FV 19

20 Nehmotný majetek Upgrade MATLABU Komentář Licence na jeden rok Služby Toolboxy MATLAB Komentář dokoupení dvou toolboxů 13.3 Přehled nevyčerpaných nebo vrácených finančních prostředků, Plné čerpání prostředků na účastnické poplatky a konference je vždy vázána na úspěšné přijetí patřičných výstupů z projektu - článků. To se v jednom případě (Itálie) nepovedlo a již nebylo možné uplatnit přidělené prostředky na jiné konference. Druh výdaje Pánováno Vyčerpáno Procentem Nákup materiálu , ,- 115,41% Cestovné a účastnické poplatky na konference , ,- 43,49% Osobní náklady , ,- 99,65% Celkem , ,- 75,21% 14. Seznam literatury. Každý doktorand používal jinou literaturu, neboť řešil svůj dílčí úkol. proto je literatura číslována samostatně. [BO_01] R. Jalovecky, P. Janu, Human Pilot s Features During Aircraft Flight Control from Automatic Regulation Viewpoint. In 4th International Symposium on Measurement, Analysis and Modeling of Human Functions June 2010, Prague, Czech Republic: Czech Technical University in Prague, 2010, pp ISBN [BO_02] JALOVECKÝ, Rudolf. Palubní systémy řízení letu I. 1. vyd. Brno: Univerzita obrany, s. ISBN [BO_03] JALOVECKÝ, Rudolf. Palubní systémy řízení letu II. 1. vyd. Brno: Univerzita obrany, s. ISBN [BO_04] VOSS W., A Comprehensible Guide to Controller Area Network. 2nd. Greenfield, Massachusetts, USA: Copperhill Technologies Corporation, s. ISBN [BO_05] MATLAB Documentation [online] [cit ]. [BO_06] HAVLÍKOVÁ M., Diagnostika systémů s lidským operátorem, Doktorská práce, Vysoké Učení Technické v Brně, 2008, 153 p. 20

21 [HRA1] SAMPER, Jaziki M.; PEREZ, Roc B.; LAGUNILLA, Juan M. GPS & Galileo : Dual RF Front-end Receiver and Design, Fabrication and Test. [s.l.] : Mc Graw Hill, s. ISBN [HRA2] KAI, Borre, et al. A Software-Defined GPS and Galileo Receiver : A Single- Frequency Approach. Boston, USA : Birkhauser, s. ISBN [kniha] [HRA3] PROAKIS, John. Digital Communications. USA : McGraw-Hill Science/Engineering/Math, s. ISBN [HRA4] HOLMES, Jack K. Spread Spectrum Systems for GNSS and Wireless Communications. USA : Artech House, INC., s. ISBN [HRA5] SCHMIDT, G. T., PHILIPS, R. E. INS/GPS Integration Architectures, In RTO lecture series supporting papers : Low-Cost Navigation Sensors and Integration Technology, RTO-EN-SET-116, 2010, NATO RTA publishing. [HRA6] SCHMIDT, G. T., PHILIPS, R. E. INS/GPS Integration Architectures Performance Comparisons, In RTO lecture series supporting papers : Low- Cost Navigation Sensors and Integration Technology, RTO-EN- SET-116, 2010, NATO RTA publishing. [BA_01] STOCK, M. CANaerospace specification v1.7. [online].[cit ]. Available on: < 15. Seznam zkratek ZKRATKA Anglický význam Český význam CAN Controller Area Network Průmyslová sběrnice CAN ID DPS Controller Area Network Identifier Identifikátor CAN Desky plošných spojů DSP Digital Signal Processing Číslicové zpracování signálu EEPROM Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory Elektronicky mazatelná paměť pouze pro čtení FM Frequency Modulation Kmitočtová modulace. FPGA Field Programmable Gate Array Obvod programovatelných hradlových polí. HW hardware Obvodové vybavení I/O Input/Output Vstup/Výstup ID Identifier Identifikátor IRJ Inerciální referenční jednotka ISP In Signal Programming Programování při čtení signálu JTAG LES Joint Test Action Group Architektura pro testování plošných spojů a programování FLASH pamětí Letecké elektrotechnické systémy 21

22 LPES LPES (AES) MEMS aircraft electronic system Micro-Electro-Mechanical systems Letecký Palubní Elektronický Systém letecký palubní elektronický systém Mikroelektromechanické systémy MIPS Mega Instructions Per Second Milion instrukcí za sekundu NEC Network Enabled Capability PC Personal Computer Osobní počítač POV Projekt obraného výzkumu PWM Pulse Width Modulation Pulsně šířková modulace RTC Real Time Clock Hodiny reálného času SAŘL Systém automatického řízení letadel SPI Serial Peripheral Interface Sériové periferní rozhraní SRAM Static Random Access Memory Statická paměť s náhodným přístupem SW software Programové vybavení UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter Univerzální asynchronní sériové rozhraní 22