СМО - Техническая спецификация прототипа под F3K

Не то чтобы появилось время для работы по СМО, скорее просто - чтоб не оставлять работу в подвисшей стадии.

Постановка задачи была сделана несколько ранее, и в процессе обсуждения на первых четырех страницах темы решение было найдено.

Ниже - сухая техническая выжимка. Если кому есть что добавить - пишите в названную пухлую тему. Здесь же - исключительно для членов подполья.

Постановка:

В F3K одна из основных проблем это нехватка хронометристов, при трудности самостоятельного хронометража в ряде упражнений. Задача комплекса:

Определить момент схода модели с рук.
Определить в какой зоне произошел сход.
Определить момент возможного прерывания*
Определить момент касания моделью земли, пилота, помощника, зрителя.
Определить в какой зоне (или за ними), произошло это касание.
Определить пойдет ли в зачёт (на в фиксацию в протоколе) время сделанной попытки в заданном упражнении. Если да, то с каким временем и с каким возможным штрафом будет записана попытка.**

Примечания:

* - Имеется ввиду, что может наступить прерывание. Например “Конец рабочего (или 180 для алл-ап) времени” и если спортсмен не успеет вернуть модель в зону в течении 30 секунд, получит ноль. Поэтому важны все три момента. Моментом прерывания может быть и старт ранее, чем началось рабочее время. Тогда также важно поймать момент прерывания, чтобы аннулировать попытку.

** - Измеряемое время зависит от типа упражнения и может измеряться как разница между двумя из трёх названных моментов времени. По российским правилам штрафуется даже просто посадка в зоне безопасности. Т.е. для получения штрафа касаться человека не обязательно. Задача опредления касания “себя” / “не себя” / “предмета” отброшена, как технически неразрешимая.

Техническое решение

Оборудование моделей

Моноблок, весом не более 5-10 грамм, включающий:

Кабель для получения питания (4.8-10V) и сигнала газа в стандартном приемнике
Выходная группа контактов, для выдачи модифицированного PPM сигнала в канал газа *
Барометрический датчик высоты **
G-sensor - одноосевой акселерометр для измерения ускорения по оси X ( т.е. вдоль фюзеляжа) ***
Радиомодуль ****
Передающая антенна в виде провода

Примечания:

* - В F3K не требуется, но зарезервировано для выполнения функции лимиттера высоты взлета в F5J

** - Барометрический датчик для F3K не является строго обязательным, но для выполнения функций лимиттера без него не обойтись.

*** - Комбинация барометрического датчика и акселерометра позволит определить как момент взлета метательного планера, где G-сенсор будет недвусмысленно зашкаливать, так и момент посадки - неизбежного удара / резкого торможения по оси Х. Во время же полета - никаких резких смен ускорений по этой оси нет. Если же осуществляется ловля планера за штырь, с последующим забросом, это также может быть обнаружено алгоритмически (заброс - всегда ускорение).

*** - Радиомодуль должен позволять аппаратно производить выдачу фазокодоманипулированного сигнала (phase-shift keying (PSK) ) на желаемой частоте 433 МГц, где первичным передаваемым сообщением является принадлежность источника сигнала нашему комплексу и, если возможно, код модели. Радиомодуль должен передавать на землю и другие данные, однако способ модуляции может отличаться от первичного PSK. Желательно иметь возможность и третьей - альтернативной модуляции сигнала, предназначенной для звукового вещания на один из стандартных каналов PMR или LPD радиостанции, для автономного использования моноблока при тренировках. Например, в качестве вариометра/высотомера.

Наземное оборудование

Все схемки для работы с программами типа DIA представлены здесь: aerobica.ru/tmp/fling/SMO02. [ dia | jpg | dxf | svg ] , в названных форматах

Точкой A обозначено текущее положение источника сигнала от моноблока с модели, либо заранее выбранное статичное положение источника тестового сигнала. Источником тестового сигнала может быть любой моноблок, аналогичный размещаемому на модели.

Компоненты наземного оборудования:

Удаленный ретранслятор (B-) осуществляющий прием сигналов от моделей и его ретрансляцию на другой частоте, либо в другом коде, обеспечивающий фиксированную и строго одинаковую задержку (+/- 100 Пс) от момента получения первичного PSK-сигнала до момента ретрансляции сигнала о его получении. Сами данные распознавать и ретранслировать не требуется.
Сдвоенные приемники (C,D,X) в так называемых “вышках”, обеспечивающие прием как сигналов от моделей, так и сигналов от ретранслятора. Приемники должны обеспечивать быструю аппаратную фильтрацию “своего” PSK сигнала и передачу start (прямой сигнал) и stop (сигнал ретранслятора) импульсов на Time to Digital Converter (TDC) схему.
Контроллеры вышек (C,D,Х), выполняющие извлечение кода модели, демодулирующие данные телеметрии (возможная модуляция 2) и извлекающие данные (наносекунды) из TDC-схемы. Агрегированный пакет данных должен содержать код модели, данные о задержке с TDC, текущие показания часов на модели (+/- 0.01 с) и комплексные данные с последней. Комплексные данные являются результатом автономной обработки показаний G-сенсора, барометра и часов на самой модели, и представляют зафиксированные датчиками сведения о фазе полета - взлёт, полет, посадка и времени (+/- 0.01 с) когда была зафиксирована соответствующая фаза. Контроллеры вышек должны предоставлять пакеты агрегированных данных по высокоуровневым протоколам. Например, через стандартный UART. Для вышек С и D контроллеры должны также иметь возможность беспроводной передачи данных. Например, с использованием Bluetooth.
Судейский ПК (X), агрегирующий пакеты со всех трёх вышек. Судейский ПК принимает пакеты с информацией о моделях и тестовом источнике сигналов и, пользуясь информацией о задержках сигналов в TDC, рассчитывает 3D координаты моделей. Данные из пакетов используются для принятия и фиксации решений, зафиксированных в постановке задачи. Т.е. осуществляется вся черновая работа по хронометражу и интеграции с электронными табло, звуковоспроизводящей системой и системой подсчёта очков.

Особенности реализации

Данные с моделей на землю целесообразно передавать на единой для всех моделей несущей частоте, посредством коротких посылок. Такой метод доступа к несущей называется Carrier Sequense Multiple Access (CSMA) Поскольку передающий устройств не так много, коллизии предотвращаются чисто алгоритмически. Например, каждая модель вещает не чаще чем раз в 300-500 миллисекунд. Сигнал с короткой несущей - десяток миллисекунд. В остальное время - радиомолчание. Длительная пауза вызывает необходимость частичной агрегации и обработки данных на самой модели, однако не исключено, что окончательные решения о текущей “фазе полета”, может принимать и судейский ПК. Выбираемая длительность паузы между пакетами разниться для каждой модели. При использовании простых чисел для определения длительности паузы, вероятность коллизий уменьшается настолько, что позволяет эффективно делить частоту.
Длина волны при 433 МГц - 67 см. Выбранная длина волны должна обеспечить точность +/- 1 метр. Делать меньше - не имеет смысла, поскольку например для F3J, и полметра точности будет мало. Но поскольку там нет по 10 взлетов-посадок в одном туре, то один раз расстояние можно и руками измерить. Главное, что на соревнованиях надо организационно решать вопрос о том что первично - “визуально” или “по-прибору”, поскольку без этого никакой точности никогда не хватит.
Важный момент это правильный выбор типа модуляции, чтобы координально не снизить точность системы. Вычислять момент окончания крохотного старт-пакета нужно точно. Именно поэтому необходимо использовать PSK с входными аппаратными фильтрами, которые фиксируют “свой” сигнал в один и тот же (с точностью пикосекунды) момент времени, благодаря фиксации именно изменения фазы (см. пункт 4 особенностей реализации). Для TDC же требования сравнительно ослаблены, поскольку для названной частоты смысла мерять точнее, чем 2 наносекунды (2257 пс).
В общем случае обработка сигнала имеет три стадии

1)-я же стадия - отличить несущую (а их может оказаться и две) и выделить 1-пакет от единственного, возможно пока неизвестного источника.
2)-я стадия - измерение дельт для определения пространственного положения источника сигнала
3)-я стадия - демодулирование 2, 3 и последующих порций/пакетов сигнала, чтобы извлечь данные, передаваемые на низкой скорости, но с хорошим/помехозащищенным кодированием (код Хэмминга и т.п.) . Именно на этой стадии мы гарантированно (если не решилось в 1-й стадии) узнаем, от какого источника пришли данные.

(phase-shift keying (PSK)) — один из видов фазовой модуляции ) в котором фаза НЕСУЩЕЙ СИНУСОИДЫ меняется скачкообразно, так, чтобы в виде кода Грея закодировать фиксированную последовательность из нескольких бит. Ровно столько (4-7 бит) нам и надо, чтобы отличить свой сигнал с модели, от шумов. Увеличение длины кода до 12-16 бит - позволяет передать не только код “свой”, но код самой модели, однако использование разных кодов может вызывать существенное удорожание приемного оборудования. Именноь поэтому вопрос о том когда передавать код модели - сразу или в пакете данных, остается открытым.

Иллюстрация

Скачкообразное изменение несущей доходит до приемников НЕ с разницей во времени, определяемой длиной сообщения (наши несколько бит), а с разницей во времени, определяемой расстоянием. Если два приемника находятся в одной точке, то входные фильтры (не программные, а аппаратные) на нашу последовательность бит PSK, дадут сигнал с разницей в единицы пикосекунд. Ибо иначе (см. рисунок выше) манипулированная фаза проскочит и сигнал не распознается. Таким образом разница во времени обнаружения “своего” кода, не зависит от длины посылки (в битах). В статье о PSK есть графики с вероятностью ошибки на бит (BER) к соотношению несущая/шум для различных видов PSK модуляции.

график

Точный вид модуляции и точное конечное приемное (как пример чип MC92303 ) или модулирующее ( пример ) устройство, пусть выбирают специалисты по радио. Именно им виднее как обойти известные проблемы самостоятельно сделанного высокочастотного модуля:

Цена
Габариты - вес
Шум в свой и соседние диапазоны
Сложность сертификации.

Возможно, что даже придется уйти из диапазона 433 МГц в 2.4 ГГц, где с PSK должно быть проще, и предложить/разработать другой тип радиостанции для автономного использования передающего моноблока.

Подзадачи

Многие задачи можно, а иногда и нужно решать одновременно.

1a - Создание образца тестового устройства посылки пеленгуемого сигнала
1b - Доработка алгоритма для модуляции посылок с данными телеметрии, первичной из которых является код модели.

2a - Работы по созданию промежуточного автономного устройства для сбора данных от G-сенсора (можно сразу и G и барометр)
2b - Эксперименты по определению моментов взлёта/посадки по данным G-sensora (и возможно барометра)
2c - Формализация алгоритма, для определения взлета/посадки с точностью +/- 0.5 секунды

3a - Создание радиомодуля для размещения на модели (с передачей телеметрии)
3b - Дальнейшие работы по развитию радиомодуля как автономного устройства. Т.е. все работы в направлении автономного использования пары маяк + бытовая радиостанция.

4a - Создание приемника первичного сигнала с выводом отфильтрованного начала/конца импульса на TDC схему.
4б - Создание передатчика и приемника для ретранслируемого сигнала с выходом на TDС схему.
4c - Программирование контроллера “вышки” для измерения времени и выдачи данных о задержке на отладочный ПК-ноутбук
4d - Программирование контроллера “вышки” в части демодулятора кода модели и данных телеметрии, с выдачей информации по UART на отладочный ПК-ноутбук

5a - Программирование решения задачи калибровки и определения 3D координат на судейском ПК по данным, собираемым с вышек.
5b - Развитие судейской программы (определение зон, допусков, интеграция с F3KScore, электронным табло/телевизором и т.п.)

6a - Решение подзадачи по организации надежной связи “вышка” - судейский ПК. Если Bluetooth не потянет по скорости либо дальности.