Многофункциональное терминальное устройство телематической системы
Полезная модель относится к области систем связи. Многофункциональное терминальное устройство телематической системы (МТУТС) содержит микроконтроллер, электрически взаимосвязанный с шиной электропитания; навигационным приемником, к которому подключена первая антенна; приемопередатчиком, к которому подключены вторая антенна и узел аудио-интерфейса; узлом ввода-вывода; узлом энергонезависимой памяти данных; узлом диагностики; узлом индикации работы устройства; встроенным аккумулятором и узлом контроля зарядки встроенного аккумулятора, электрически связанным со встроенным аккумулятором, а, так же, узел инерциальной навигации, электрически связанный с микроконтроллером, и состоящий из трехосевого интегрального цифрового акселерометра, шины данных и трехосевого интегрального цифрового гироскопа, причем, трехосевой интегральный цифровой акселерометр и трехосевой интегральный цифровой гироскоп электрически связаны с микроконтроллером через шину данных. Полезная модель позволяет расширить возможностей многофункционального терминального устройства телематической системы по определению местоположения ТС без усложнения конструкции МТУТС.
Изобретение относится к системам связи, в частности к терминальному устройству телематической системы, предназначенной для диспетчеризации и мониторинга подвижных объектов, и может быть использовано в системах защиты и поиска транспортных средств (ТС), контроля и управления грузовыми и пассажирскими перевозками, контроля за несанкционированным проникновением в транспортное средство и т.п.
В настоящее время существует большое количество устройств и систем, предназначенных для мониторинга подвижных объектов, имеющие следующий набор основных функций: передача по эфиру в диспетчерский центр (ДЦ) телематической системы по запросу или по событию информации о состоянии объекта, получаемой с помощью внешних датчиков и информацию о параметрах движения подвижного объекта; прием по эфиру из ДЦ и исполнение команд управления системами объекта; обмен информацией с частными абонентами сети связи, используемой телематической системой; установление голосового соединения с оператором ДЦ или другим абонентом, причем одной из основных задач является определение местоположения объекта при помощи встроенного приемника сигналов спутниковых навигационных систем (СНС), таких как GPS (США) или ГЛОНАСС (Россия). Существуют системы коррекции координат местонахождения подвижного объекта, полученных от приемника СНС с использованием инерциальной системы определения местоположения (ИСОМ) (заявка US 
09/965746) и системы корректировки ИСОМ по координатам, полученным от приемника СНС (Патент РФ 2329469, Патент RU 2338160). Не решенной остается проблема "достроения" траектории движения подвижного объекта при экранировании приемника СНС или в случае, когда количество спутников, видимых приемником СНС меньше трех, т.е. когда, координаты местонахождения подвижного объекта, определяемые вышеуказанным приемником не соответствуют заявленной точности их определения или, в худшем случае, - координат вовсе нет.
Известна система сбора и анализа данных о дорожно-транспортном происшествии, содержащая, установленные на ТС блок измерителей параметров движения ТС, содержащий по одному из вариантов измеритель путевой скорости ТС, три измерителя ортогональных составляющих угловой скорости и три измерителя ортогональных составляющих ускорения, и входящий в состав бортового измерительного узла, аналого-цифровой преобразователь, регистр памяти и решающее устройство, причем, указанная система дополнительно содержит навигационный блок, выполненный в виде GPS-приемника, общую шину, к которой подключены вход аналого-цифрового преобразователя и выходы навигационного блока и бортового измерительного узла, блок обработки данных бортовых измерений, блок формирования команд управления и последовательно соединенные блок преобразования формата данных, энергонезависимую память, блок считывания данных и блок беспроводной передачи данных, центр сбора и анализа информации о дорожно-транспортных происшествиях, содержащий последовательно соединенные приемник беспроводной связи, связанный по радио-эфиру с установленным на борту ТС блоком беспроводной передачи данных, блок первичной обработки данных, блок вторичной обработки данных, выполненный с возможностью интеграции различных источников пространственной, в том числе картографической растровой и векторной, а также семантической и математической информации посредством драйверов различных форматов хранения данных и с возможностью оперативного доступа к информации, хранящейся в хранилищах и базах данных внешних источников информации, и блок поддержки принятия решений, выполненный с возможностью информационной поддержки служб экстренной медицинской помощи и спасения, при этом выход аналого-цифрового преобразователя через блок обработки данных бортовых измерений подключен ко входу регистра памяти, выход которого подключен ко входу блока преобразования формата данных, вход управления которого через блок формирования команд управления соединен с выходом решающего устройства, вход которого связан с выходом аналого-цифрового преобразователя (патент РФ 2222830 МПК G07C 5/08, B60R 16/02).
Достоинством вышеуказанной системы является возможность восстановления наиболее полной картины дорожно-транспортного происшествия (ДТП) по данным, полученным различными бортовыми измерителями, а также возможность оперативного анализа этих данных с использованием экспертной информации из внешних источников с целью поддержки принятия решений об оказании экстренной медицинской помощи и о спасении водителя и пассажиров, пострадавших в ДТП, причем, навигационный блок, выполненный в виде GPS-приемника, используется для определения географических координат ТС, а ИСОМ, выполненная в виде блока измерителей параметров движения ТС, фиксирует перемещение ТС в момент ДТП. Наряду с перечисленными выше достоинствами указанная система обладает и недостатками, основное из которых - ее узкая специализация на получение детальной информации о перемещении ТС только в момент ДТП, причем устройство реализовано на устаревшей элементной базе. В настоящее время выпускаются цифровые интегральные акселерометры, способные измерять три ортогональные оставляющие ускорения (например, MMA7456L, ), а так же цифровые интегральные трехосевые гироскопы (например, L3G4200D, ), использование которых избавляет от необходимости использования АЦП и существенно упрощает схемотехнику устройства.
Так же известно многофункциональное устройство телематической системы (МТУТС), содержащее микроконтроллер, электрически взаимосвязанный с навигационным приемником, к которому подключена первая антенна, приемопередатчик, к которому подключены вторая антенна, узел аудио-интерфейса, узел ввода-вывода, шину электропитания, узел связи с CAN-шиной автомобиля, узел внешнего приемопередатчика, узел беспроводного интерфейса, к которому подключена третья антенна и узел энергонезависимой памяти, в котором согласно технического решения, узел ввода-вывода разделен на блок ввода, блок силовых выходов и блок аналого-цифрового преобразователя, узел связи с CAN-шиной автомобиля реализован на двух независимых CAN - интерфейсах, и снабжено встроенным аккумулятором и узлом индикации работы контроллера, электрически связанными с шиной питания и микроконтроллером; интерфейсом USB, электрически связанный с микроконтроллером и предназначенный для обновления программного обеспечения и настройки конфигурации, блоком контроля зарядки встроенного аккумулятора, электрически связанный с микроконтроллером, а, так же, встроенным аккумулятором, блоком диагностики, электрически связанными с микроконтроллером и двумя адаптерами SIM-карт, электрически связанными с приемопередатчиком (Патент РФ 95152 МПК G08B 25/08). Это устройство выбрано в качестве прототипа.
Заявленное устройство, помимо всего прочего, реализует большой набор функциональных возможностей, таких как: связь с дополнительными устройствами при помощи различных интерфейсов, увеличение внутренней памяти, обновление программного обеспечения и т.п., что является его достоинством, однако оно не содержит ИСОМ, в связи с чем - лишено возможности определения местоположения ТС при отсутствии сигналов от СНС или в случае, когда сигналы СНС не являются достоверными, что является его недостатком.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в расширении возможностей многофункционального терминального устройства телематической системы по определению местоположения ТС.
Технический эффект от использования заявленного технического решения состоит в определении местоположения ТС в моменты времени, когда приемник сигналов СНС не обеспечивает достаточной точности определения географических координат или вообще не выдает географических координат вследствие не достаточной видимости небосвода.
Указанная задача решается и технический результат достигается за счет того, что в многофункциональное терминальное устройство телематической системы, содержащее микроконтроллер, электрически взаимосвязанный с шиной электропитания; навигационным приемником, к которому подключена первая антенна; приемопередатчиком, к которому подключены вторая антенна и узел аудио-интерфейса; узлом ввода-вывода; узлом энергонезависимой памяти данных; узлом диагностики; узлом индикации работы устройства; встроенным аккумулятором и узлом контроля зарядки встроенного аккумулятора, электрически связанным со встроенным аккумулятором, дополнительно введен узел инерциальной навигации, электрически связанный с микроконтроллером, и состоящий из трехосевого интегрального цифрового акселерометра, шины данных и трехосевого интегрального цифрового гироскопа, причем, трехосевой интегральный цифровой акселерометр и трехосевой интегральный цифровой гироскоп электрически связаны с микроконтроллером через шину данных.
Сущность технического решения заключается в комбинированной работе ИСОМ и СНС.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства.
На фиг.2 представлен алгоритм работы МТУТС по определению параметров перемещения.
Многофункциональное терминальное устройство телематической системы содержит микроконтроллер 1, шину электропитания (на фиг. не показана); навигационный приемник 2, к которому подключена первая антенна; приемопередатчик 3 системы связи GSM (SMS, DATA, GPRS) к которому подключена вторая антенна; узел аудио-интерфейса 4; модуль беспроводной связи 5, работающий на частоте 2,4 ГГц, к которому подключена третья антенна; узел ввода-вывода 6; узел энергонезависимой памяти данных 7; узел диагностики 8; узел индикации работы устройства 9; встроенный аккумулятор 10; узел контроля зарядки встроенного аккумулятора 11; узел дополнительных интерфейсов 12 и узел инерциальной навигации 13. Узел инерциальной навигации 13 содержит трехосевой интегральный цифровой акселерометр 14 и трех осевой интегральный цифровой гироскоп 15.
Микроконтроллер 1 может быть выполнен, например, на микросхеме однокристального микроконтроллера LPC2478 (компании NXP).
Навигационный приемник 2 обеспечивает определение координат и других навигационных параметров, а так же точного времени по сигналам спутниковой радионавигационной системы GPS или ГЛОНАСС. Навигационный приемник может быть выполнен, например, в виде встраиваемого модуля приемника GPS модели IT500 (компании Fastrax) или А1084 (компании TYCO).
Приемопередатчик 3 обеспечивает прием/передачу данных посредством коротких сообщений (SMS), в режиме прямого соединения, в режиме GPRS и 3G, а так же голосовое соединение в системе сотовой связи стандарта GSM. Приемопередатчик 3 может быть выполнен, например, в виде встраиваемого модема GSM модели SIM300C (компании SIMCOM).
Узел индикации состояния устройства 9 может быть выполнен, например, в виде светодиодных индикаторов.
Значения ускорений в трех ортогональных плоскостях измеряются с помощью трехосевого интегрального цифрового акселерометра, который может быть выполнен, например, на микросхеме MMA7456L (компании Freescale), которая создана на базе современной микромашиной технологии и содержит три чувствительных элемента, позволяющих непосредственно преобразовывать силу, прикладываемую к подвижной части чувствительного элемента, в электрический сигнал. Поскольку вся система измерения и обработки сигналов выполнена на едином кристалле, все погрешности и потери присущие механическим акселерометрам сведены к минимуму, что в свою очередь, позволяет получать данные об ускорении с высокой точностью.
Значение ортогональной составляющей угловой скорости определяют при помощи трехосевого интегрального цифрового гироскопа, который может быть выполнен, например, на базе микросхемы LYPR540AH (компании STMicroelectronics). Принцип работы указанного гироскопического датчика схож с принципом работы упомянутого ранее трехосевого интегрального цифрового акселерометра, поскольку он так же выполнен с помощью микромашиной технологии.
МТУТС работает следующим образом.
Вначале производится конфигурирование устройства, т.е. программная настройка режимов работы различных узлов и настройка выполняемых функций. При конфигурировании также осуществляется настройка на совместную работу с диспетчерским центром (ДЦ) телематической системы и другими абонентами. Конфигурирование может выполняться, например, по эфиру посредством приемопередатчика 3, либо локально по средством USB-интерфейса, входящего в состав узла дополнительных интерфейсов 12. В дальнейшем, изменение параметров конфигурирования может осуществляться в процессе работы МТУТС вышеуказанными способами.
МТУТС устанавливается на подвижном объекте и может подключаться к его бортовой сети, а также имеет встроенный аккумулятор 10.
Навигационный приемник 2 принимает сигналы от навигационных спутников глобальной спутниковой системы позиционирования и ежесекундно вычисляет текущие координаты, скорость, направление движения и высокоточное время. Вычисляемые приемником 2 данные поступают в микроконтроллер 1, который согласно загруженной в ПЗУ программе может записывать эти данные в узел 7 энергонезависимой памяти данных («черный ящик») или использует их при формировании сообщения для передачи в ДЦ или заданному абоненту с периодичностью указанной в конфигурации, или по какому либо событию (под событием понимается срабатывание датчика, начало движения ТС без снятия его с охраны и т.п.). Кроме того, навигационные данные могут быть использованы с целью слежения за перемещением подвижного объекта относительно задаваемых из ДЦ маршрута или географических зон.
Приемопередатчик 3 обеспечивает прием сообщений из ДЦ или от абонента, передачу сообщений в ДЦ или заданному абоненту и голосовую связь с оператором ДЦ или абонентом. Обмен сообщениями может осуществляться по каналам передачи коротких сообщений (SMS), в режиме прямого соединения (Data Transfer) или GPRS. Формат представления сообщений и порядок обмена сообщениями определяется правилами, принятыми для телематической системы.
Управление режимами работы приемопередатчика 3, обработка входящих и формирование исходящих сообщений осуществляются микроконтроллером 1.
Если ТС находится вне зоны действия сети GSM-связи, узел диагностики 8 формирует соответствующее сообщение микроконтроллеру 1 на передачу сообщений и осуществление голосового соединения через внешний приемопередатчик, подключаемый к узлу дополнительных интерфейсов 12, при его наличии. Если внешний приемопередатчик не подключен к узлу дополнительных интерфейсов 12, то соответствующие сообщения накапливаются в узле энергонезависимой памяти 7 до появления возможности отправки накопленного объема сообщений по сети GSM посредством приемопередатчика 3.
Узел индикации состояния устройства 9 в процессе работы МТУТС отображает текущее состояние МТУТС.
При обнаружении срабатывания одного из датчиком, подключенных к узлу ввода-вывода 6, микроконтроллер 1 формирует соответствующее исходящее сообщение и передает его посредством приемопередатчика 3 или дополнительного приемопередатчика, подключенного к узлу дополнительных интерфейсов 12, в ДЦ или заданному абоненту.
Со стороны ДЦ или абонента в МТУТС может поступить команда на активацию или деактивацию определенного исполнительного устройства, подключенного к узлу ввода-вывода 6. В этом случае МТУТС формирует для соответствующего исполнительного устройства сигнал управления, форма и длительность которого определена в конфигурации МТУТС.
Для осуществления голосового обмена к приемопередатчику 3 через узел 4 аудио-интерфейса подключаются микрофон и телефон (динамик).
Узел 7 энергонезависимой памяти данных позволяет сохранять, помимо данных, получаемых от навигационного приемника 2, информацию о текущих состояниях или нарушениях состояний датчиков и цепей питания, о поступивших из ДЦ или от абонента командах и других событиях, т.е. энергонезависимая память обеспечивает функции «черного ящика». Кроме того, в энергонезависимой памяти могут быть размещены описания задаваемых маршрутов или географических зон, с помощью которых можно контролировать перемещение ТС.
Узел контроля зарядки встроенного аккумулятора 11 представляет собой набор программно-аппаратных функций, обеспечивающих контроль состояния и заряд встроенного аккумулятора 10 в соответствии с заложенным в ПЗУ микроконтроллера 1 алгоритмом.
Согласно установленной в ПЗУ программе, микроконтроллер 1 обеспечивает контроль за перемещением ТС относительно задаваемых географических зон и временных интервалов их прохождения или относительно задаваемого маршрута движения (в виде последовательности точек или векторов). Микроконтроллер 1 получает от навигационного приемника 2 текущие навигационные данные и точное текущее время и сравнивает их с описаниями географических зон или маршрута, размещаемыми в узле 7 энергонезависимой памяти данных. При обнаружении факта пересечения границы зоны или нарушения графика прохождения зоны (в зависимости от заданного критерия контроля), либо отклонения от маршрута, микроконтроллер формирует соответствующее сообщение и отправляет его через приемопередатчик 3 или внешний приемопередатчик, подключенный к узлу дополнительных интерфейсов 12, в ДЦ или заданному абоненту.
В случае, когда количество спутников "видимых" навигационным приемником 2 меньше трех, узел диагностики 8 формирует команду микроконтроллеру 1 на получение местоположения ТС от узла инерциальной навигации 13, используя при этом в качестве начальной точки отсчета последние достоверные координаты положения ТС, полученные от навигационного приемника 2.
В процессе движения ТС узел инерциальной навигации 13 за заданные интервалы времени измеряет следующие параметры движения ТС, по которым выстраивается трехмерная картина траектории перемещения центра масс и изменения ориентации корпуса ТС относительно указанной траектории в трехмерном пространстве:
- три взаимно ортогональные составляющие ускорения, определяемые с помощью трехосевого интегрального цифрового акселерометра 14, выполненного, например, на базе микросхемы MMA7456L;
- три взаимно ортогональные составляющие угловой скорости, определяемые с помощью трехосевого интегрального цифрового гироскопа 15, выполненного, например, на базе микросхемы LYPR540AH.
Путевую скорость, определяют по алгоритму, заложенному в ПЗУ микроконтроллера 1 используя значение ускорения ТС и заданное значение интервала времени, по истечении которого микропроцессор опрашивает трехосевой интегральный цифровой акселерометра 14, причем одновременно с этим определяют ортогональную составляющую угловой скорости при помощи трехосевого интегрального цифрового гироскопа 15.
Цифровые сигналы, получаемые с помощью вышеуказанных измерителей 14 и 15, циклически с частотой, зависящей от заданной разрешающей способности, подаются через шину данных 16 на входы микроконтроллера 1.
В случае, когда количество спутников "видимых" навигационным приемником 2 составляет три и более, узел диагностики 8 формирует команду микроконтроллеру 1 на прекращение определения местоположения ТС от узла инерциальной навигации 13, и определение координат местоположения ТС от навигационного приемника 2.
Таким образом, построение многофункционального терминального устройства телематической системы вышеописанным образом позволяет расширить его возможности по определению местоположения ТС.
1. Многофункциональное терминальное устройство телематической системы (МТУТС), содержащее микроконтроллер, электрически взаимосвязанный с шиной электропитания; навигационным приемником, к которому подключена первая антенна; приемопередатчиком, к которому подключены вторая антенна и узел аудиоинтерфейса; узлом ввода-вывода; узлом энергонезависимой памяти данных; узлом диагностики; узлом индикации работы устройства; встроенным аккумулятором и узлом контроля зарядки встроенного аккумулятора, электрически связанным со встроенным аккумулятором, отличающееся тем, что дополнительно содержит узел инерциальной навигации, электрически связанный с микроконтроллером и состоящий из трехосевого интегрального цифрового акселерометра, шины данных и трехосевого интегрального цифрового гироскопа, причем трехосевой интегральный цифровой акселерометр и трехосевой интегральный цифровой гироскоп электрически связаны с микроконтроллером через шину данных.
2. Многофункциональное терминальное устройство телематической системы (МТУТС) по п.1, отличающееся тем, что содержит узел беспроводного интерфейса, электрически связанный с микроконтроллером.
3. Многофункциональное терминальное устройство телематической системы (МТУТС) по п.1, отличающееся тем, что содержит узел дополнительных интерфейсов, электрически связанный с микроконтроллером.
4. Многофункциональное терминальное устройство телематической системы (МТУТС) по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что выполнено в герметичном корпусе со степенью защиты не ниже IP54.
