ZÁVĚREČNÁ ZPRÁVA PROJEKTU SPECIFICKÉHO VÝZKUMU ZA ROK 2010

Transkript

1 UNIVERZITA OBRANY Výtisk číslo: 1 Fakulta vojenských technologií Počet listů: 25 ZÁVĚREČNÁ ZPRÁVA PROJEKTU SPECIFICKÉHO VÝZKUMU ZA ROK Název projektu: I. IDENTIFIKACE PROJEKTU SPECIFICKÉHO VÝZKUMU Rozvoj schopností přenosu leteckých dat přes rozhraní CAN s protokolem CANaerospace. 2. Konkrétní výsledky řešení projektu 1 : D, J Termín řešení (rok): 2010 Celkem uznané náklady na řešení (tis. Kč): 250 II. IDENTIFIKACE PŘÍJEMCE INSTITUCIONÁLNÍ PODPORY ZE STÁTNÍHO ROZPOČTU 1. Fakulta, katedra: Fakulta vojenských technologií 2. Hodnost, tituly,jméno, příjmení: Kontaktní osoba - odpovědný řešitel projektu Doc. Ing. Rudolf Jalovecký, CSc. Telefon Fax E mail Rudolf.jalovecky@unob.cz 3. Pověřený vedoucí katedry/složky (hodnost, tituly, jméno, příjmení): doc. Ing. Rudolf Jalovecký, CSc. Datum: Razítko: Podpis: 4. Hodnost, tituly, jméno, příjmení: Odborné zaměření: Složení řešitelského týmu Odpovědný řešitel Doc. Ing. Rudolf Jalovecký, CSc Digitalizace a zpracování dat, databázové systémy, mikroprocesorová technika Členové řešitelského týmu Hodnost, tituly, jméno, příjmení Odborné zaměření Příslušnost plk. doc. Ing. Miloš Andrle, CSc. Letecká družicová navigace Univerzita obrany 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 doc. Ing. Jan Čižmár, CSc. Letecké přístroje Univerzita obrany kpt. Ing Martin Polášek Analýza použití výzbroje Univerzita obrany por. Ing. Josef Bajer Mikroprocesorová technika Univerzita obrany por. Ing. Přemysl Janů Mikroprocesorová technika Univerzita obrany 2

3 Obsah Obsah Úvod 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) 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...22

4 1. Úvod Předložená závěrečná zpráva SV shrnuje devítiměsíční pracovní úsilí tří doktorandů a tří učitelů ve funkci konzultantů s jednoznačným cílem dále rozvíjet schopnosti přenosu a zpracování leteckých dat přes rozhraní CAN s protokolem CAN aerospace. Stručná anotace celého projektu Projekt SV katedry je zaměřen do oblasti zpracování a přenosu naměřených dat na leteckém palubním elektronickém systému s využitím rozhraní CAN a protokolu CANaerospace. Byla provedena analýza sběrnice se zaměřením na přenosovou kapacitu, vytíženost, chybovost zpráv a odolnost přenosového média vzhledem k rychlosti přenosu. K tomu byla zpracována optimalizace komunikačních částí sběrnice s variantním řešením napájení submodulů přímo z komunikační sběrnice CAN a zpracovala se také problematika diskriminace cílů s využitím koordinátorů s plošnými obrazovými snímači s následným přenosem dat po sběrnici CAN. 2. Cíle projektu a jejich eventuální změny Cílem projektu je rozšíření a doplnění v současné době řešený projekt obranného výzkumu. Všichni studenti doktorského studia budou pracovat na experimentech ve prospěch svých disertačních prací. por. Ing. Přemysl Janů Analýza komunikace leteckého palubního elektronického systému po sběrnici CAN s protokolem CANaerospace Oživení komunikace podsystémů palubního leteckého elektronického systému po sběrnici CAN s protokolem CANaerospace. Sestavení programového vybavení v prostředí LabView pro možnou analýzu komunikace. Provedení této analýzy se zaměřením na kapacitu sběrnice, vytíženost, chybovost zpráv, odolnost přenosového média a přenosovou rychlost kpt. Ing. Martin Polášek Diskriminace cílů u koordinátorů s plošnými obrazovými snímači a zpracování dat cílů pro CANaerospace. Výzkumná činnost se bude týkat koordinátorů s plošnými obrazovými snímači a jejich odolností vůči umělému rušení infračervenými klamnými cíli. Cílem řešení bude navržení metody diskriminace cílů u těchto koordinátorů. por. Ing. Josef Bajer Obvodová optimalizace submodulů zapojeních ke sběrnici CAN Výzkumná činnost směřuje k dosažení obvodového zjednodušení komunikační části submodulů a implementace možnosti jejich napájení přímo z komunikační sběrnice CAN. Toto nové řešení bude zároveň řešit nutnost zálohování napájecího zdroje vybraných kritických systémů leteckého palubního elektronického systému. V průběhu řešení nedošlo ke změně cílů. 4

5 3. Navrhovaný rozpočet 1. Běžné výdaje Částka v Kč (v tis.) Osobní náklady interních doktorandů 36 RPP Popis RPP Popis výdajů Nákup (materiálu): Knihy, učební pomůcky a tisk - knihy a tisk Literatura, zahraniční knihy Knihy, učební pomůcky a tisk - učební pomůcky Elektromateriál, součástky Nákup materiálu jinde nezařazený - ostatní Postery 5 Celkem nákupy materiálu 48 Nákup (služeb) platby za: Nákup ostatních služeb - výdaje na služby v oblasti výzkumu a vývoje Nákup ostatních služeb - k zabezpečení provozu movitého majetku a materiálu Konzultace k CanBus aktualizace Matlab Celkem nákupy služeb 42 Ostatní nákupy platby za: Programové vybavení MAPLE, Adobe Creative, Corel Cestovné (tuzemské i zahraniční) - vojáků Doprava na konference Účastnické poplatky na konference Vložné na konference 19 Celkem ostatní nákupy 124 CELKEM VÝDAJE Stávající stav v řešené oblasti (na začátku řešení úkolu) Stávající stav řešené oblasti komentují doktorandi pro svou oblast. por. Ing. Přemysl Janů Výchozím bodem pro následující výzkumnou činnost byla oživená základní a nejjednodušší komunikace modulů leteckého palubního elektronického systému, a to vysílání a příjem po sběrnici CAN [J_04] respektující pravidla specifikace protokolu CANaerospace. Pro monitorování této základní komunikace byl používán již dříve vytvořený elementární program ve vývojovém prostředí LabVIEW [J_05]. Tento program byl sestaven pouze pro příjem dat ze sběrnice. Z důvodu, že specifikace CANaerospace využívá všech 8 bytů v CAN zprávě, byl program vybaven procedurou pro rozdělení těchto 8 bytů na 4 byty tzv. hlavičky CANaerospace protokolu a na 4 byty dat [J_03]. Zobrazení veličin z modulů bylo provedeno procedurou větvení podle CAN ID ve formě ergonomicky vhodné pro uživatele. Vytvořený program byl také vybaven jednoduchým hlášením o chybách v komunikaci. Strukturu sestaveného programu ukazuje obr

6 Obr. 4.1: Základní program pro ověření komunikace kpt. Ing. Martin Polášek Obrazový koordinátor tvoří v současné době perspektivní zařízení pro detekci a měření polohy cíle na protizemních a protiletadlových řízených střelách krátkého dosahu. Tyto typy koordinátorů jsou také označovány zkratkou IIR (Imagine InfraRed) a pracovní vlnová délka těchto koordinátoru leží v oblasti infračerveného záření. Přesný rozsah pracovních vlnových délek pak závisí na typu cíle a materiálu fotodetektoru. Obrazový koordinátor (OK) protiletadlových řízených střel krátkého dosahu obsahuje větší počet jednotlivých kryogenně chlazených InSb fotodetektorů. Na každý z těchto detektorů dopadá infračervené záření, které se nachází pouze v jeho okamžitém zorném poli. Při vhodném uspořádání jednotlivých detektorů dostáváme obraz, který je tvořen stejným množstvím obrazových bodů, jaký je počet jednotlivých detektorů. Fotodetektory jsou uspořádány do matice ve tvaru čtverce nebo obdélníka a největší citlivosti mají v pásmu vlnových délek 3 5 µm. Čtvercové uspořádání převažuje u plošných obrazových snímačů (POS) v anglické literatuře označované jako Focal Plane Array (FPA). Detektory jsou u POS umístěny v matici o velikosti nebo bodů a tento typ snímače detekuje snímek bez optickomechanického rozkladu. Obr. 4.2: Pohled na koordinátor ŘS IRIS-T [P_10] 6

7 Fyzická velikost jednoho fotodetektoru u POS s rozlišením bodů, použitá u řízené střely AIM-9X, je µm, přičemž jako rozlišení chápeme fyzický počet jednotlivých fotodetektorů. Obdélníkové uspořádaní je typické pro skenovací obrazové koordinátory (SOK), kdy detektory jsou umístěny např. v matici bodů (řízená střela IRIS-T). K získání jednoho snímku, kdy zorné pole odpovídající snímku (snímkové zorné pole) je větší, než okamžité zorné pole soustavy detektorů prostoru cíle, je nutné, aby byl pomocí optických prvků vytvořen zdánlivý pohyb detektoru nebo se v daných mezích vychylovala optická soustava. Uvedená funkce je u ŘS IRIS-T zajišťována pohyblivými zrcadly. Koordinátor střely IRIS-T je uveden na obr Průběh dynamické scény je rozdělen na jednotlivé snímky představující časové řezy dané snímkovací frekvencí. Každý jednotlivý snímek je upraven a vyhodnocen v době mezi jednotlivými snímky. Úprava jednotlivých snímků spočívá ve zvýraznění kontrastu zájmových objektů vůči pozadí. Nejčastější metodou zvýšení kontrastu bývá tzv. prahování. Znamená to, nalézt takovou prahovou hodnotu jasu, která rozdělí obrázek na oblasti s nulovým jasem odpovídající pozadí a s maximálním jasem odpovídající zájmovým objektům. Z tohoto binárního (dvoustavového) obrázku se pak metodou hledání hran, tzn. oblastí se skokovou změnou jasu, určí obrysy objektů a jejich poloha v rámci obrázku. Na základě několika po sobě jdoucích snímků, lze pak určit úhlovou rychlost pohybu objektů a směr jejich pohybu. Pokud se nachází v zorném poli koordinátoru více objektů, vyhodnocovací algoritmus pak rozhodne, který z objektů je užitečný cíl a který klamný cíl. Naváděcí systém pak navádí střelu na užitečný cíl. a) b) Obr. 4.3: Výstup z obrazových koordinátorů a) Obraz zachycený obrazovým koordinátorem typu FPA řízení střely AIM-9X těsně před zásahem cíle [P_09] b) Obraz cíle zachycený skenovacím koordinátorem IRIS-T [P_10] 7

8 Z principu reprezentace dat na výstupu obrazových koordinátorů vyplývá, že je výhodné rozpoznávat objekty podle jejich tvaru. Pokud ale vezmeme v úvahu nízké rozlišení těchto koordinátorů, které bylo zmíněno výše, a pokud připustíme úzké snímkové zorné pole o velikosti např. 3, tak tvar objektu se stane zřejmý, až se střela přiblíží k cíli na vzdálenost menší než cca 2000 metrů, viz obr Dokud se střela nepřiblíží k cíli na tuto vzdálenost, je nemožné provádět diskriminaci objektů na základě tvaru, viz [Pol_02]. por. Ing. Josef Bajer Výchozí stav řešené problematiky je znázorněn na obr Jedná se o konvenční obvodové zapojení přístroje nebo jiného zařízení komunikujícího po CAN s galvanickým oddělením od palubní části sběrnice. Základním prvkem je řadič sběrnice CAN, který může být buď samostatný, nebo může být integrován jako součást mikrokontroléru. Řadič CAN je napájen z napájecího zdroje a přes budič CAN je připojen ke sběrnici. Pro zajištění galvanického oddělení jsou mezi řadičem a budičem zapojeny optočleny, zpravidla pro každý směr datového toku jeden. Oddělené části optočlenů a budič sběrnice je samozřejmě nutné napájet z galvanicky odděleného napájecího zdroje. K tomuto účelu slouží izolovaný DC/DC měnič. Toto řešení je relativně složité a není imunní vůči výpadku napájení. S použitím moderních elektronických součástek je možné dosáhnout výrazného zjednodušení a úspory součástek nejen aktivních, ale zároveň i pasivních, které tvoří nedílnou součást použitých aktivních prvků. Současné možnosti zároveň dovolují i poměrně snadnou a jednoduchou implementaci funkce aktivní zálohy napájení, která zajistí, aby v případě výpadku primárního zdroje došlo k automatickému přepnutí na zdroj záložní. Obr.4.4: Konvenční obvodové zapojení galvanicky odděleného zařízení komunikujícího po CAN 5. Možné metody řešení V dostupné literatuře je k dispozici velké množství metod řešení vědeckotechnických projektů. Ve velké většině jsou tyto metody definované zcela obecně, proto jednotliví 8

9 doktorandi použili jen metody řešení, které jim umožnily dosáhnout požadovaných výsledků a dále uvádějí. por. Ing. Přemysl Janů V rámci SV jsem použil tyto metody řešení: Metody empirické (pozorování, experimentování, měření). Obecné vědecké metody (analýza, dedukce). Metodika návrhu SW podpory. Modelování na počítači. Týmová práce. kpt. Ing. Martin Polášek V rámci SV jsem použil tyto metody řešení: Modelování na počítači tato metoda umožňuje pomocí počítače navrhnout a otestovat funkci algoritmu pro řešení diskriminace objektů v obraze. Experiment tato metoda umožňuje experimentálně otestovat funkci navrženého algoritmu diskriminace objektů v obraze se skutečným IR detektorem na samostatné hardwarové platformě. por. Ing. Josef Bajer Cílem činnosti bylo dosažení obvodové optimalizace připojení CAN řadiče ke sběrnici a implementace aktivní zálohy napájení systému. Řešení se skládalo z těchto činností a metod: Definice požadovaných parametrů finálního zapojení. Analýza možností realizace jednotlivých funkcí. Analýza trhu a komerčně dostupných součástek. Syntéza finálního obvodového řešení. 6. Výběr a zdůvodnění vybrané metody řešení (metodika řešení) por. Ing. Přemysl Janů Pro vyhodnocení správné komunikace po sběrnici CAN s protokolem CANaerospace je velice důležitý parametr využití sběrnice [J_02]. Tento parametr se skládá z celé řady dílčích parametrů, a proto z něj lze získat spoustu cenných informací. Rozhodl jsem se proto provést matematickou analýzu parametru využití sběrnice. kpt. Ing. Martin Polášek Jako metoda řešení byla zvolena především metoda modelování na počítači. V tomto případě konkrétně modelování v programovém prostředí Matlab. Programové prostředí Matlab bylo zvoleno z důvodu možnosti využití implementovaných funkcí pro práci s obrazovými daty, což umožňuje urychlit realizaci programu diskriminace objektů v obraze. 9

10 Experimentální ověření nebylo realizováno. Důvod spočívá v tom, že pro prvotní ladění algoritmu postačují počítačově generované sekvence pohybu objektů v obraze. Dále samotné testování na reálných systémech by znamenalo velké finanční náklady a spolupráci s letectvem AČR, což přesahuje rozsah specifického výzkumu. por. Ing. Josef Bajer Základním požadavkem na obvodové řešení připojení ke sběrnici CAN bylo zachování kompatibility s normou ISO a adekvátní zredukování počtu aktivních součástek. Toho bylo dosaženo výběrem a použitím takových aktivních prvků, které plní více funkcí zároveň. Požadavky na obvody napájení byly definovány takto: Rozsah napájecího napětí v rozmezí od 12 V do 29 V. Jak primární, tak i záložní zdroj musí být dostatečně výkonově dimenzovány tak, aby bylo možné napájet zařízení do maximálního příkonu 5 W. Funkce aktivní zálohy napájení musí automaticky přepnout na záložní zdroj bez narušení funkce systému. Analýza dostupných součástek ukázala dva ekvivalentní způsoby zjednodušení struktury obvodu připojení ke sběrnici CAN. První způsob spočívá v nahrazení obou optočlenů (viz Obr. 4.4.) a budiče CAN za jediný integrovaný obvod plnící funkci galvanického oddělení a buzení sběrnice zároveň. Druhý způsob se naproti tomu zakládá na spojení funkcí optického oddělení a izolovaného DC/DC měniče do jednoho pouzdra. Oba způsoby znamenají úsporu stejného počtu součástek, a to dva integrované obvody namísto čtyř. Výběr konkrétního řešení, ze dvou jmenovaných, závisí na dané aplikaci. Vodítkem pak mohou být technické normy, které daný typ součástek splňuje a jeho shoda s požadavky na finální produkt. 7. Dosažené výsledky a výstupy práce, stručná technická zpráva (s uvedením, kde byly výsledky publikovány) Různorodé cíle doktorandů generují i různorodé výsledky. Všichni doktorandi jsou zapojeni na katedře i do dalších vědeckých úkolů a řeší si i svou problematiku disertačních prací. Výsledky řešení není tak jednoduché definovat k jedinému projektu. Jde vesměs o výstupy v podobě článků, které vedení univerzity požaduje jednoznačně dedikovat k jedinému projektu. Pokud shlédneme články v řadě sbornících z jiných škol, je zcela běžná dedikace článku k několika projektům (běžně ke 2-3, najdou se i dedikace k 5 či 8 projektům). por. Ing. Přemysl Janů Byla provedena detailní analýza parametru využití sběrnice CAN s protokolem CANaerospace. Jako výchozí parametr byla vyjádřena kapacita sběrnice [J_02]. Následně byly matematickými vztahy vyjádřeny dílčí parametry využití sběrnice pro jednotlivé zprávy respektující jak samotný protokol CAN, tak i protokol CANaerospace. Na základě této matematické analýzy byl rozšířen původní elementární program na softwarový diagnostický prostředek komunikace po sběrnici CAN s protokolem CANaerospace. Program obsahuje kromě původních procedur, operaci, která umožňuje, po zapojení prostředku do systému, automatické vyhledávání přenosové rychlosti obr Po vyhledání přenosové rychlosti sám začne komunikovat. Vypočítá a zobrazí kapacitu sběrnice. Prostředek je možné provozovat při běžné činnosti systému. Neexistuje zde požadavek 10

11 zvláštního módu sběrnice. Dále umožňuje detailnější hlášení typu chyby a typu CAN zprávy obr.7.2. Obr. 7.1: Procedura pro automatické vyhledávání přenosové rychlosti Obr. 7.2: Vyhodnocení chyb a typu rámce Publikace: [Jan_01] JANŮ, Přemysl; JALOVECKÝ, Rudolf Proposal of Power Supply Monitoring Unit with CANaerospace Protocol. In International Conference on Electrical Systems for Aircraft, Railway and Ship Propulsion. 1. Bologna, Italy: University of Naples Federico II, s ISBN

12 [Jan_02] BAJER, Josef; JANŮ, Přemysl Systém dynamického řízení komunikace po CAN s protokolem CANaerospace. In Sborník příspěvků 10. mezinárodní vědecké konference Měření, diagnostika a spolehlivost palubních soustav letadel. 1. Brno, Česká republika: Univerzita obrany, s ISBN kpt. Ing. Martin Polášek V rámci SV byl odladěn algoritmus pro predikci pohybu objektu v obraze a bylo zahájeno jeho testování v prostředí Matlab. Jako prediktor pohybu byl zvolen upravený Kalmanův filtr, pomocí kterého se odhadne budoucí poloha objektu v obraze. Tento odhad polohy je učiněn s určitou nepřesností (nejistotou) určení polohy. Tato nejistota určení polohy potom vytváří hranice oblasti, ve které by se měl nacházet objekt v následujícím snímku. Z povahy digitálního zpracování obrazu, kdy je snímek uspořádán do pravoúhlé mřížky, je predikce polohy řešena zvlášť pro vodorovnou (x-ovou) osu a zvlášť pro svislou (y-ovou) osu. Velikost nejistoty určení polohy pro každou osu nabývá různých hodnot a proto výsledná oblast nejistoty je obecně elipsa, tzv. elipsa neurčitosti. Tuto elipsu neurčitosti lze pak využít k diskriminaci cílů, kdy předpokládáme, že užitečný cíl se bude nacházet v této elipse a případné klamné cíle budou mimo. Klamné cíle budou následně odfiltrovány a klamný cíl bude dále sledován. Výsledky dosažené testováním tohoto algoritmu byly prezentovány na mezinárodní konferenci ICMT-IDEB 10 v Bratislavě, viz [Pol_01]. Publikace: [Pol_01] [Pol_02] POLÁŠEK, Martin. Using MATLAB for objects tracking in image data. In International Conference on Military Technologies and Special technologies ICMT-IDEB Bratislava (Slovak republic) : Faculty of Special Technologies, Alexander Dubček University of Trenčín, ISBN POLÁŠEK, Martin; NĚMEČEK, Jiří. Zpracování dat z Matlabu pomocí FPGA. In Měření Diagnostika Spolehlivost palubních soustav letadel Brno : Univerzita obrany, 2010, s ISBN por. Ing. Josef Bajer Výsledkem řešení je detailní hardwarový návrh systému komunikujícího po CAN s kompletním galvanickým oddělením od palubní části sběrnice a zálohovaným napájením. Koncepce výsledného obvodu je blokově znázorněna na obr.7.3. Jak je z obr zřejmé, řadič CAN je k budiči sběrnice připojen prostřednictvím digitálního izolátoru s integrovaným DC/DC měničem pro napájení galvanicky oddělené části digitálního izolátoru a budiče sběrnice. Dále je navržený obvod vybaven monitorem napájecího napětí, který zároveň zajišťuje neprodlené přepnutí na záložní napájecí zdroj v případě výpadku primárního napájení. Záložní napájení je vedeno přímo ze sběrnice CAN. K jejímu vedení byly za tímto účelem přidány další dva vodiče. Aby byla stále zachována podmínka galvanického oddělení od sběrnice, je zde použit izolovaný DC/DC měnič. Na rozdíl od 12

13 DC/DC měniče zmíněného výše, použitého pro napájení budiče CAN, je tento měnič výkonově dimenzovaný tak, aby byl schopen pokrýt energetickou spotřebu celého modulu. Obr.7.3: Obvodové zapojení galvanicky odděleného zařízení komunikujícího po CAN s aktivní zálohou napájení Na obr.7.4. je znázorněno kompletní schéma komunikační části modulu. Obr. 7.4: Schéma komunikační části modulu V navrženém modulu je použit řadič CAN, který je součástí mikrokontroléru Atmel AT90CAN128 [B_01]. Pro buzení sběrnice je využit budič MCP2551 [B_02]. Jedná se o standardní budič sběrnice vyhovující a v mnoha ohledech přesahující požadavky normy ISO Tyto obvody jsou galvanicky odděleny obvodem ADuM5241 [B_03] firmy Analog Devices. Jedná se o dvoukanálový digitální izolátor s integrovaným izolovaným 50mW DC/DC měničem použitelným i pro napájení budiče sběrnice. Svojí rychlostí 1 Mb/s plně vyhovuje použití pro komunikaci po CAN. Schéma napájecí části modulu je znázorněno na obr

14 Obr. 7.5: Schéma napájecí části modulu Zapojení je možné rozdělit na tři části: primární zdroj, záložní zdroj a monitor napájecího napětí, který zároveň zajišťuje automatické přepnutí na napájení ze záložního zdroje. Hlavní částí primárního zdroje je DC/DC měnič Traco TSR [B_04] se stabilizovaným výstupním napětím 5 V a proudem max. 1 A. Vstupní napětí se může pohybovat v rozmezí 6,5 až 36 V. Záložní napájení bude vedeno ze sběrnice CAN, proto zde byl využit 6W izolovaný DC/DC měnič Traco TEN WI [B_05] s výstupním napětím 5 V. Pokud je připojen primární zdroj, je modul napájen z něho. Při jeho výpadku dojde k okamžitému přepnutí na napájení ze záložního zdroje tak, že funkce systému není narušena. Tuto funkci zajišťuje monitor napájecího napětí s integrovaným přepínačem na záložní zdroj ADM8695 [B_06] firmy Analog Devices ve spojení s tranzistory T1 až T3, které proudově posilují obvod ADM8695 a umožňují tak napájení celého modulu [B_07]. Publikace: [Baj_01] BAJER, Josef; JANŮ, Přemysl Systém dynamického řízení komunikace po CAN s protokolem CANaerospace. In Sborník příspěvků 10. mezinárodní vědecké konference Měření, diagnostika a spolehlivost palubních soustav letadel. 1. Brno, Česká republika: Univerzita obrany, s ISBN Diskuse získaných výsledků (srovnání s teoretickými, eventuálně hypotetickými předpoklady, interpretace získaných výsledků) por. Ing. Přemysl Janů Nejdůležitějším výstupem v dosavadní práci bylo na základě teoretické matematické analýzy vytvořit softwarový diagnostický prostředek pro komunikaci palubního leteckého elektronického systému po sběrnici CAN s protokolem CANaerospace. Tento prostředek 14

15 přinesl spoustu nových funkcí ve srovnání s již dříve používaným programem. Významnou jeho výhodou je jeho funkčnost v běžně pracujícím systému, nevyžadující žádný speciální mód sběrnice. Softwarový diagnostický prostředek je nedílnou součástí analýzy jednotlivých subsystémů palubního leteckého elektronického systému. kpt. Ing. Martin Polášek Navržený algoritmus byl otestován v prostředí Matlab. Testování ukázalo, že za určitých podmínek, metoda filtrace objektů v obraze s využitím predikce jejich pohybu je účinná. Jde především o situace, kdy se klamný cíl (objekt určený k odfiltrování) pohybuje výrazně jiným směrem a velkou úhlovou rychlostí než užitečný cíl. Pokud se klamný cíl pohyboval přibližně ve směru pohybu užitečného cíle, bylo nutné zvýšit počet cyklů, kdy se upřednostňuje predikovaná poloha před skutečnou. Toto je výhodné především u užitečných cílů, které málo nebo vůbec nemanévrují a proto je i predikovaná poloha velice blízko té skutečné, oproti poloze klamného cíle, který je brzděn pohybem v atmosféře a případně úplně dohoří. Problematiku sledování manévrujících cílu v podmínkách rušení je třeba dále rozpracovat. Výše zmíněnou filtraci je možné použít i v případě statického rušivého pozadí (např. pozemní objekty), které se vůči užitečnému cíli nepohybují. Toto je důležité v případě sledování pohybu objektů pohybujících se nízko nad terénem. Důležitou podmínkou ale je, aby se v rámci zorného pole detektoru, cíl a rušivé objekty vůči sobě pohybovaly vyšší úhlovou rychlostí. por. Ing. Josef Bajer Dosažené výsledky zcela splňují prvotní předpoklady. Z hlediska optimalizace komunikační části modulu bylo dosaženo úspory aktivních prvků. Z původního počtu čtyř integrovaných obvodů se u nového zapojení snížil počet na dva při plnohodnotném zachování všech funkcí a vlastností systému. Z pohledu napájecí části modulu byly úvodní předpoklady rovněž naplněny. Po obvodové stránce byla vyřešena potřeba zálohy napájení a zároveň možnost napájení modulu z palubní sběrnice CAN. V průběhu řešení bylo dosaženo kompletního detailního návrhu hardwarového zapojení celého modulu. Z důvodu pozdního dodání objednaných elektronických součástek ( ) však již nedošlo k výrobě navrženého systému. Řešení se tedy dostává do fáze realizace až nyní. 9. Využitelnost dosažených výsledků Dosažené výsledky řešení SV K206 nelze odtrhnout od vědeckovýzkumné činnosti katedry. SV není izolovaným projektem a proto se řada výsledků prolíná mezi projekty a disertačními pracemi doktorandů. por. Ing. Přemysl Janů Vyvinutý diagnostický prostředek lze použít v dalších projektech na Katedře leteckých elektrotechnických systémů, které budou zaměřeny na komunikaci po sběrnici CAN 15

16 s protokolem CANaerospace a také pří výuce studentů v laboratořích. Bude představovat jádro mé dizertační práce. kpt. Ing. Martin Polášek Sestavený algoritmus bude dále využit pro návrh samostatně pracujícího zařízení, které bude simulovat funkci obrazového koordinátoru a pomocí kterého bude možno prakticky ověřit funkčnost algoritmu na reálných datech. Dále je možno dosažené výsledky využít ve výukovém procesu, kdy se studenti seznámí s možným řešením problému diskriminace cílů u koordinátorů s obrazovými snímači. por. Ing. Josef Bajer Výsledek řešení je bezprostředně aplikovatelný v podstatě v jakémkoli zařízení s požadavkem na komunikaci po sběrnici CAN a zálohované napájení. Předložené výsledky jsou určeny pro systémy s napájecím napětím 5 V. Nicméně, v návrhu jsou použity moderní elektronické součástky, jejichž výrobci poskytují ve stejných produktových řadách naprosto ekvivalentní prvky pro napětí např. 3,3 V a jiná. Díky tomu může výsledné řešení najít široké uplatnění v mnoha systémech. Jedním ze systémů, kde má být výsledek aplikován je hlavní modul řízení komunikace po CAN v leteckém palubním elektronickém systému vyvíjeném na řešitelském pracovišti. 10. Další možnosti rozvoje sledované oblasti Rozvoj aplikací v komunikačních technologií včetně zpracování obrazu je v současné době trvalým procesem, podpořený řadou vyhlašovaných projektů na různých stupních. V nadcházejícím období bude katedra realizovat projekt na rozvoj pracoviště, kde se předpokládá i další rozvíjení dílčích úkolů SV katedry. Nezanedbatelnou skutečností je i stav rozpracování disertačních prací všech tří studentů. Jednoznačně se počítá s odevzdáním disertačních prací u dvou studentů prezenční formy studia v první polovině roku por. Ing. Přemysl Janů Další možnosti rozvoje spatřuji v odladění některých chyb diagnostického prostředku a provedení možné optimalizace. Dále pomocí tohoto prostředku provést analýzu komunikace konkrétního leteckého palubního elektronického systému se zaměřením na vytížení sběrnice jednotlivými zprávami a na chybovost komunikace po sběrnici. kpt. Ing. Martin Polášek Další rozvoj by mohl být směřován do oblasti ochrany letadel před řízenými střelami, kdy je možno pomocí sledování pohybu řízené střely, která míří na letadlo, určit nejefektivnější způsob ochrany. Jde např. o směr výmetu a počet klamných cílů, které budou použity k rušení střely nebo o druh obranného manévru (zatáčka ke střele, prudké klesání apod.). U tohoto způsobu využití půjde především o filtraci rušivých objektů na pozadí Země. 16

17 por. Ing. Josef Bajer Výsledky řešení přinesly požadovaný stupeň optimalizace a konkrétní způsob realizace zálohovaného napájení. Z tohoto pohledu lze daný úkol považovat za dokončený. V praxi ale mnohdy existují případy, kdy kromě mikrokontroléru a ostatních periferních obvodů je použita i externí paměť RAM, kam se těsně před výpadkem napájení zapíší potřebná data, jako je konfigurace systému apod. V takovém případě je zpravidla kladem požadavek, aby obsah paměti zůstal zachován i v případě, že dojde k výpadku veškerých napájecích zdrojů. Hardwarové a softwarové řešení tohoto problému by mohlo být další možností rozvoje sledované oblasti 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. Jmenovitě se jedná o teoretické a praktické výsledky experimentů se sběrnicí CAN respektující protokol CANaerospace a experimenty ověřující metodu zvýšení účinnosti infračervených pasivních naváděcích systémů leteckých řízených střel za podmínek rušení klamnými cíly. 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 Pro další období řešení nových projektů v rámci SV na FVT lze navrhovat následující opatření: Výrazně zkrátit způsob rozhodovací proces o přidělení finančních prostředků na SV do úrovně katedra. Je obtížné rychle reagovat na přidělené prostředky až v prvním kvartálu teoretického řešení projektu. S předchozím pak souvisí zajištění služeb včetně realizace poplatků na konference (zvláště pak zahraniční). Poslat doktoranda v průběhu první pěti měsíců kalendářního roku na zahraniční konferenci z prostředků SV je prakticky nemožné či velmi obtížné. Návrh na změnu by bylo možné spatřovat ve vytvoření finančního fondu na zahraniční konference již v okamžiku přidělení prostředku na školu. Získání literatury pro doktorandy v daném roce řešení SV je náročné. Ve SV katedry (rok 2010) dostali doktorandi literaturu až v lednu V okamžiku kdy jsou přiděleny 17

18 prostředky na katedru by měla mít katedra možnost provést nákup zcela běžně dostupné literatury formou přímého nákupu v obchodech. Nákup materiálu z prostředků SV se velmi protahuje a ve velké většině jej dostávají v druhé polovině kalendářního roku. To výrazně omezuje možnosti jeho použití v průběhu řešení projektu (SV je definovaný na celý kalendářní rok). 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. Běžné výdaje Číslo rozpočtové položky Druh výdaje + komentář Požadavek (Kč) Čerpáno (Kč) - OOP Naučte se myslet a programovat objektově 408,00 397, Image Recognition and Classification (Optical Science and Engineering) 4 500, , Literatura 17 titulů (viz příloha č.1) 7 917, , vývojový kit STEVAL-MKI062V , , elektrosoučástky (viz příloha č.2) , , adaptér síťový a nářadí 3 555, , držák na DSP PPH ,00 943, polyesterová samolepící potisknutelná fólie 720,00 568, SW Adobe CS5 Design Premium CZ , , SW Total commander 7DDNM 4 950, , SW Maple , , aktualizace SW MATLAB , , aktualizace SW MATLAB , vyhotovení posteru na konferenci 832,00 844, konzultace k obsluze inerciální referenční jednotky 5 000, ,00 Celkem , ,80 18

19 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 , ,93 Celkem , ,69 Kapitálové výdaje Nebyly čerpány žádné prostředky Osobní náklady Číslo rozpočtové položky Druh výdaje Ostatní osobní výdaje vojáků (stipendia studentů doktorandů) Požadavek (Kč) Čerpáno (tis. Kč) , , Přehled pořízeného majetku a služeb souvisejících s řešením projektu, Hmotný majetek vývojový kit STEVAL-MKI062V2 adaptér síťový Elektrosoučástky (viz příloha č. 2) nářadí držák na DSP PPH2 Nehmotný majetek Aktualizace SW MATLAB SW Adobe CS5 Design Premium CZ SW Total commander 7DDNM SW Maple Služby Vyhotovení posteru na konferenci Konzultace k obsluze IRJ Komentář Slouží k tvorbě SW pro vyvíjené moduly Slouží k napájení vyvíjených submodulů Součástky byly použity na realizaci zkušebních zapojení vyvíjených modulů a submodulů Použilo se k práci v laboratoři Slouží k upevnění submodulů při osazování součástkami Komentář Katedra udržuje jednu licenci bez nutnosti připojení do akademické sítě Slouží pro zpracování dizertační práce a publikačních materiálů na konference Slouží pro správu souborů na PC Slouží k realizaci složitých matematických výpočtů včetně propojení s SW MATLAB Komentář Osobní konzultace s výrobcem IRJ s cílem zpřesnění využitelnosti a připojení k submodulů LPES 19

20 13.3 Přehled nevyčerpaných nebo vrácených finančních prostředků, Druh výdaje Pánováno Vyčerpáno Procentem Materiál včetně literatury a služeb , ,80 87,27% Cestovné a účastnické poplatky na konference , ,69 59,59% Osobní náklady , ,00 125,00% Celkem , ,49 87,39% 14. Seznam literatury. Každý doktorand používal jinou literaturu, neboť řešil svůj dílčí úkol. Proto je číslována samostatně. [J_01] VÁŇA, V. MIKROKONTROLÉRY ATMEL AVR Programování v jazyce C: Popis a práce ve vývojovém prostředí CodeVisionAVR C. Redaktorka Iveta Kubicová dotisk vyd. Praha: BEN - Technická, s., 18. Dostupný z WWW: < ISBN [J_02] KOUKOL, Ondřej. Analýza COTS (Commercial/Cost-Off-The-Shelf) datových sběrnic a metodika jejich certifikace pro použití v letectví. Praha, s. Univerzita obrany Brno. Vedoucí dizertační práce doc. Ing. Rudolf Jalovecký, CSc. [J_03] [J_04] [J_05] STOCK, M. CANaerospace - Interface specification for airborne CAN applications V 1.7, Germany, 2006, p. 58. VOSS, W. A Comprehesible Guide to Controller Area Network, 2nd ed., Copperhill Media Corporation, Greenfield: Massachusetts, 2009, pp VLACH, J, HAVLICEK, J, VLACH, M. Začínáme s LabVIEW. 1. Ed. Praha: BEN, p. ISBN [P_01] DOBEŠ, Michal. Zpracování obrazu a algoritmy v C#. 1. vyd. Praha : BEN - technická, s. ISBN [P_02] [P_03] [P_04] HANSELMAN, D. LITTLEFIELD, B. Mastering Matlab 7. Upper Saddle 1. LINKA, Aleš, VOLF, Petr, KOŠEK, Miloslav. Zpracování obrazu a jeho statistická analýza [online] [cit ]. Dostupný z WWW: River (New Jersey): Pearson Education, xi, 852 s. ISBN < Otsu's method [online]. [2009], 25 October 2009 [cit ]. Dostupný z WWW: < 20

21 [P_05] ZAPLATÍLEK, K. - DOŇAR, B. Pracujeme s programem Matlab. Díl 2. tvorba uživatelských aplikací. Brno: VA Brno, 2004, 185 s. [P_06] AN/AAQ-24 Directional Infrared Countermeasures (DIRCM) [online]. c , [cit ]. Dostupné z WWW: 24.htm>. [P_07] FOJTÍK, J., JÍLEK, M. Pro zahraniční mise : Modernizace vrtulníků Mi-171Š Armády ČR. Letectví + Kosmonautika. 2009, roč. 85, č. 2, s [P_08] PINKER, J., POUPA, M. Číslicové systémy a jazyk VHDL. 1. vyd. Praha : BEN-technická, s. ISBN [P_09] KOPP, C. The Sidewinder Story : The Evolution of the AIM-9 Missile [online]. c1994, 2005 [cit ]. Dostupné z WWW: < [P_10] Prezentace firmy Diehl BGT Defence na veletrhu IDET [B_01] ATMEL, AT90CAN128 datasheet [online], Dostupný z WWW: < [B_02] MICROCHIP, MCP2551 datasheet [online], Dostupný z WWW: < [B_03] Analog Devices, ADuM5241 datasheet [online], Dostupný z WWW: [B_04] Tracopower, TSR datasheet [online], Dostupný z WWW: < [B_05] [B_06] [B_07] < < Tracopower, TEN WI datasheet [online], Dostupný z WWW: < n5wi.pdf>. Analog Devices, ADM8695 datasheet [online], Dostupný z WWW: < Dallas Semiconductor - MAXIM, AN3323 Power-Backup Switch [online], Dostupný z WWW: < 21

22 15. Seznam zkratek ZKRATKA Anglický význam Český význam CAN Controller Area Network Průmyslová sběrnice CAN ID Controller Area Network IDentifier Identifikátor zprávy CAN DC Direct Current Stejnosměrný proud DPS Desky plošných spojů DSP Digital Signal Processing Číslicové zpracování signálu Electronically Erasable Elektronicky mazatelná paměť pouze EEPROM Programmable Read-Only pro čtení Memory FM Frequency Modulation Kmitočtová modulace. FPA (POS) FPGA Focal Plane Array Field Programmable Gate Array Plošný obrazový snímač Obvod programovatelných hradlových polí. HW hardware Obvodové vybavení I/O Input/Output Vstup/Výstup IIR Imagine InfraRed Infračervené zobrazení IR (IČ) InfraRed Infračervený IRJ Inerciální referenční jednotka ISP In Signal Programming Programování při čtení signálu JTAG Joint Test Action Group Architektura pro testování plošných spojů a programování FLASH pamětí LES Letecké elektrotechnické systémy LPES (AES) aircraft electronic system letecký palubní elektronický systém MEMS Micro-Electro-Mechanical systems Mikroelektromechanické systémy MIPS Mega Instructions Per Second Milion instrukcí za sekundu NEC OK Network Enabled Capability Obrazový koordinátor PC Personal Computer Osobní počítač POV Projekt obraného výzkumu PWM Pulse Width Modulation Pulsně šířková modulace RAM Random Access Memory Paměť s náhodným přístupem RTC Real Time Clock Hodiny reálného času ŘS Řízená střela SPI Serial Peripheral Interface Sériové periferní rozhraní SRAM Static Random Access Memory Statická paměť s náhodným přístupem SV Specifický výzkum SW software Programové vybavení Universal Asynchronous Univerzální asynchronní sériové UART Receiver Transmitter rozhraní 22

23 Příloha č.1 Seznam pořízené literatury k řešení SV (třetí položka běžné výdaje) P.č. název autor ISBN nakladatelství počet kusů 1. ARM pro začátečníky Vladimír Váňa Zpracování signálů získaných z mechanických systémů užitím FFT 3. Moderní učebnice elektroniky komplet Jaroslav Doleček 4. Elektronika komplet Jan Kesl Jiří Tůma , , , , , , X, cena včetně DPH 1 231,00 Kč 1 290,00 Kč ,00 Kč 1 390,00 Kč 5. Vliv polovodičových měničů na napájecí soustavu Václav Kůs ,00 Kč 6. Zpracování signálů získaných z mechanických systémů užitím FFT Jiří Tůma ,00 Kč 7. Elektrotechnická schémata a zapojení 2 Štěpán Berka, Martin Formánek, Libor Kubica ,00 Kč 8. Transformátory a tlumivky pro spínané napájecí zdroje Zdeněk Faktor ,00 Kč 9. Simulační programy pro elektroniku Robert Láníček Spínané napájecí zdroje s obvody TOPSwitch Alexandr Krejčiřík ,00 Kč 1 499,00 Kč

24 P.č. název autor ISBN nakladatelství počet kusů , 80- Zajímavá zapojení inspirace , Jan Humlhans konstruktérům 1. až 4. díl , Operační zesilovače Josef Punčocháč cena včetně DPH 1 840,00 Kč 1 88,00 Kč 13. Hledání a odstraňování poruch Matthes Wolfgang ,00 Kč 14. Číslicové systémy a jazyk VHDL Jiří Pinker, Martin Pouva Master Book on Sensors Pavel Ripka, Alois Tipek Zdroje proudu Alexandr Krejčiřík EMC z hlediska teorie a aplikace Jan Kaňuch, Dobroslav Kováč, Irena Kováčová ,00 Kč 1 999,00 Kč 1 149,00 Kč 1 199,00 Kč Celkem plánováno ,00 Kč Skutečná cena nákupu byla nižší než plánována. Na katedru byly dodány poslední týden v lednu 2011!!! 24

25 Příloha č.2 Seznam pořízených elektrosoučástek k řešení SV Poř. č. Požadovaný materiál přesná specifikace Katalogové číslo dodací firmy Jednotka množství (ks,kg ) Požadované množství (ks,kg ) Předpokládaná cena vč. DPH 1 Operační zesilovač LMH6550MA ks 4 560,06 Kč 2 Operační zesilovač OPA2690IDG ks 4 852,53 Kč 3 Integrovaný obvod OPA860ID ks ,44 Kč 4 Digitální izolátor ADUM5241ARZ ks ,53 Kč 5 Budič sběrnice CAN, MCP2551-I/SN ks ,40 Kč 6 Izolovaný DC/DC měnič murata NCS6S1205C ks 1 777,84 Kč 7 Izolovaný DC/DC měnič Traco TEN WI ks 1 812,64 Kč 8 9 STMICROELECTRONICS - STM3210C-SK/IAR - KIT, STARTER, FOR STM32, IAR VERSION - vývojový kit pro vývoj aplikací s procesory ARM XP POWER - JTC0624S05 - CONVERTER, DC/DC, 1O/P, 6W, 5V - DC/DC měnič ks ,97 Kč ks 1 929,64 Kč rezerva - zaokrouhlení 0,96 Kč Doprava 96,00 Kč Celkem plánováno ,00 Kč Skutečná cena nákupu byla vyšší než plánována 25