ОПОВЕЩАТЕЛЬ ГЕОПОЗИЦИОННЫЙ

Полезная модель относится к области обработки данных для специальных применений и может быть использована для создания малогабаритных навигационных систем со звуковым (голосовым) оповещением пользователей об их приближении к точкам с заранее определенными географическими координатами.
Функциональным аналогом предлагаемого оповещателя является устройство навигации, содержащее модуль обеспечения функционирования, модуль управления, модуль навигации, модуль памяти, модуль питания и устройство отображения /1/. Данное устройство позволяет определять по спутниковым сигналам свою собственную координату и отображать ее для пользователя на встроенном устройстве отображения.
Недостатками рассмотренного устройства являются его относительно узкие функциональные возможности и невозможность определять свою собственную координату в случае отсутствия в прямой видимости необходимого минимального количества спутников систем глобального позиционирования.
Наиболее близким к предложенному является модернизированное устройство, имеющее в своем составе, помимо аппаратуры спутниковой навигации, блока вычисления координат, блока вычисления маршрута и интерфейсного блока, также блок видеокамер, блок построения 3-х мерной карты и бесплатформенную инерциальную навигационную систему /2/.
Наличие в данном устройстве инерциальной навигационной системы позволяет данному типу навигационного комплекса продолжать определять свою координату даже в случае временного пропадания видимости необходимого минимального количества спутников, тогда, когда от аппаратуры спутниковой навигации не приходит на блок вычисления координат достоверных данных о текущей геопозиции устройства.
Однако, наличие в данном устройстве блока видеокамер и блока построения 3-х мерной карты делают его достаточно избыточным с точки зрения функциональности и габаритных характеристик для решения только лишь задачи оповещения пользователей об их приближении к точкам с заранее определенными географическими координатами.
Соответственно, недостатком наиболее близкого технического решения являются его относительно узкие функциональные возможности, заключающиеся в полном отсутствии какого-либо звукового (голосового) оповещения пользователей, а также некоторая аппаратная избыточность применительно к рассматриваемой области назначения.
Задача полезной модели - расширение функциональных возможностей за счет добавления звукового (голосового) оповещения пользователей об их приближении к введенным в устройство точкам с заранее определенными географическими координатами.
Это достигается тем, что, в устройство, содержащее вторичный источник питания, блок вычисления координат и маршрута (реализованный на микроконтроллере), инерциальную навигационную систему (датчик угловых скоростей, вход-выход которого соединен с первым входом-выходом микроконтроллера, а также модуль электронного компаса, вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом микроконтроллера) и аппаратуру спутниковой навигации (модуль приемника спутниковых GPS сигналов, вход-выход которого соединен с третьим входом-выходом микроконтроллера, а вход соединен с выходом внешней керамической антенны), введены энергонезависимая память данных большого объема типа SPI-Flash, вход-выход которой соединен с четвертым входом-выходом микроконтроллера, интерфейс для подключения внешних карт памяти типа SDIO, вход-выход которого соединен с пятым входом-выходом микроконтроллера, энергонезависимая память данных типа EEPROM, вход-выход которой соединен с шестым входом-выходом микроконтроллера, контроллер емкостного датчика прикосновений, вход которого соединен с выходом блока сенсорных кнопок, выход соединен со входом блока светодиодов, а вход-выход соединен с шестым входом-выходом микроконтроллера, формирователь аналогового стереофонического звукового сигнала, первый выход которого соединен со входом динамика левого аудиоканала, второй выход соединен со входом динамика правого аудиоканала, первый вход-выход соединен с седьмым входом-выходом микроконтроллера, а второй вход-выход соединен с шестым входом-выходом микроконтроллера, контроллер радиочастотного интерфейса BlueTooth Low Energy v4.0, вход-выход которого соединен с восьмым входом-выходом микроконтроллера, интерфейс типа USB 2.0 Full Speed Device, вход-выход которого соединен с девятым входом-выходом микроконтроллера, приемопередатчик последовательного интерфейса CAN 2.0B, вход-выход которого соединен с десятым входом-выходом микроконтроллера, шестой вход-выход которого соединен со вторым входом-выходом модифицированного модуля приемника спутниковых сигналов систем GPS/Glonass/Galileo.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства, где:
1 - трехосевой микромеханический датчик угловых скоростей;
2 - модуль электронного компаса e-Compass;
3 - микроконтроллер;
4 - модуль приемника спутниковых сигналов систем GPS/Glonass/Galileo;
5 - керамическая антенна;
6 - энергонезависимая память данных типа EEPROM;
7 - контроллер емкостного датчика прикосновений;
8 - блок сенсорных кнопок;
9 - блок светодиодов;
10 - формирователь аналогового стереофонического звукового сигнала;
11 - динамик левого аудиоканала;
12 - динамик правого аудиоканала;
13 - энергонезависимая память данных типа SPI-Flash;
14 - интерфейс для подключения внешних карт памяти типа SDIO;
15 - контроллер радиочастотного интерфейса BlueTooth Low Energy v4.0;
16 - интерфейс типа USB 2.0 Full Speed Device;
17 - приемо-передатчик последовательного интерфейса CAN 2.0B;
18 - вторичный источник питания.
Устройство содержит трехосевой микромеханический датчик 1 угловых скоростей и модуль 2 электронного компаса e-Compass, а также микроконтроллер 3, модуль 4 приемника спутниковых сигналов систем GPS/Glonass/Galileo и керамическую антенну 5, выход которой соединен с входом модуля приемника спутниковых сигналов 4, первый вход-выход которого соединен с третьим входом-выходом микроконтроллера 3, а второй вход-выход с шестым входом-выходом микроконтроллера 3, второй вход-выход которого соединен с входом-выходом модуля электронного компаса 2, а первый вход-выход с входом-выходом датчика угловых скоростей 1. Устройство содержит, также, энергонезависимую память данных 6 типа EEPROM, вход-выход которой соединен с шестым входом-выходом микроконтроллера 3, контроллер емкостного датчика прикосновений 7, вход которого соединен с выходом блока сенсорных кнопок 8, выход соединен со входом блока светодиодов 9, а вход-выход соединен с шестым входом-выходом микроконтроллера 3, а также формирователь 10 аналогового стереофонического звукового сигнала, первый выход которого соединен со входом динамика 11 левого аудиоканала, второй выход соединен со входом динамика 12 правого аудиоканала, первый вход-выход соединен с седьмым входом-выходом микроконтроллера 3, а второй вход-выход соединен с шестым входом-выходом микроконтроллера 3. Помимо указанного выше, устройство содержит энергонезависимую память данных 13 типа SPI Flash, вход-выход которой соединен с четвертым входом-выходом микроконтроллера 3, интерфейс 14 для подключения внешних карт памяти типа SDIO, вход-выход которого соединен с пятым входом-выходом микроконтроллера 3, контроллер 15 радиочастотного интерфейса BlueTooth Low Energy v4.0, вход-выход которого соединен с восьмым входом-выходом микроконтроллера 3, интерфейс 16 типа USB 2.0 Full Speed Device, вход-выход которого соединен с девятым входом-выходом микроконтроллера 3, а также приемо-передатчик 17 последовательного интерфейса CAN 2.0B, вход-выход которого соединен с десятым входом-выходом микроконтроллера 3. Устройство содержит и вторичный источник питания 18, группа выходов которого соединена с группой входов питания микроконтроллера 3, причем предусмотрено, что отдельные выходы группы выходов вторичного источника питания 18 предназначены для питания прочих микросхем, установленных на плате устройства.
Поскольку устройство содержит элементы, охарактеризованные на функциональном уровне, и описываемая форма их реализации предполагает, как правило, использование многофункционального программируемого (программно-настраиваемого) средства, то ниже представляются сведения, подтверждающие возможность выполнения таким средством конкретной предписываемой ему в составе данного устройства функции, а также примеры их выполнения на существующей элементной базе.
Работает устройство следующим образом.
Геопозиционный оповещатель представляет собой функционально-законченное изделие, основное предназначение которого заключается в воспроизведении заранее запрограммированных звуковых (голосовых) сообщений при приближении устройства к точкам с определенными географическими координатами («точкам интереса»).
Основой устройства является микроконтроллер 3, например, микроконтроллер STM32F205 (ST Microelectronics) с ядром Cortex-М3, работающий на тактовой частоте до 120 МГц, имеющий встроенную энергонезависимую Flash-память программ объемом до 1024 МБайт и встроенную статическую память данных SRAM объемом до 128 кБайт.
К данному микроконтроллеру подключено достаточно большое количество периферийных устройств и интерфейсов, перечень которых определяется наличием соответствующих блоков (контроллеров) и интерфейсов в составе микроконтроллера 3, а также требованиями к функциональному назначению всего устройства.
В частности, информацию о текущих географических координатах (геопозиции) устройства микроконтроллер 3 получает по последовательному асинхронному интерфейсу UART-1 от модуля 4 приемника спутниковых сигналов систем GPS/Glonass/Galileo, например, модуля MAX-7Q (uBlox), к которому подключена керамическая антенна 5, например, антенна А25-АМТ02 (Amotech).
На случай отсутствия видимости минимально необходимого для достоверного определения геопозиции устройства количества спутников систем GPS/Glonass/Galileo, в устройстве предусмотрены следующие типы датчиков и сенсорных модулей:
2
- трехосевой микромеханический датчик угловых скоростей 1, например, L3GD20 (ST Microelectronics), подключенный к микроконтроллеру 3 по асинхронному последовательному интерфейсу IC-2 и позволяющий определять угловые скорости вращения относительно трех взаимно-перпендикулярных осей в диапазоне от -2000°/с до +2000°/с с разрешающей способностью до 0,07°/с;
- модуль электронного компаса e-Compass 2, например, LSM303D (ST Microelectronics), подключенный к микроконтроллеру 3 по синхронному последовательному интерфейсу SPI-1, состоящий из трехосевого датчика линейных ускорений (акселерометра) и трехосевого детектора магнитного поля (магнитометра), и позволяющий определять линейные ускорения по трем взаимно-перпендикулярным осям в диапазоне от -16g до +16g с разрешающей способностью до (1/2048)*g, а также три составляющие вектора индукции магнитного поля в диапазоне от -12Gs до +12Gs с разрешающей способностью до (1/2048) Gs.
Информация, получаемая микроконтроллером 3 от перечисленных выше датчиков, подвергается математической обработке программным обеспечением микроконтроллера для предсказания текущей геопозиции устройства на основании гипотезы о траектории движения изделия. Это позволяет устройству продолжать достоверно определять собственные географические координаты, несмотря на временное отсутствие видимости спутников систем глобального позиционирования.
2
В тот момент, когда микроконтроллер 3 определяет, что устройство приближается или находится в одной из заранее запрограммированных в памяти устройства точке с определенными географическими координатами, выдается соответствующее, также заранее запрограммированное в память устройства, звуковое (голосовое) сообщение. Для обеспечения возможности воспроизведения звуковых (голосовых) сообщений в состав устройства входит формирователь аналогового стереофонического звукового сигнала 10, например, аудио ЦАП TLV320DAC3101 (Texas Instruments), подключенный к микроконтроллеру 3 по синхронному последовательному интерфейсу IS-2. Звуковое сообщение может быть выведено как на встроенные динамики устройства, так и на предусмотренный разъем для подключения внешних динамиков или стереонаушников, что определяется пользовательскими настройками изделия.
Кроме того, в устройство заложена функция передачи звуковых сообщений и данных на различные внешние периферийные устройства, такие, например, как смартфоны и автомобильные бортовые аудиосистемы. Это обеспечивается наличием в устройстве контроллера 15 радиочастотного интерфейса BlueTooth Low Energy v4.0, выполненного, например, на модуле STBLC01 (ST Microelectronics) и подключенного к микроконтроллеру 3 по последовательному асинхронному интерфейсу UART-2. А также наличием в устройстве приемо-передатчика 17 последовательного интерфейса CAN 2.0B, например, микросхемы TJA1051 (NXP), подключенной к встроенному в микроконтроллер 3 периферийному контроллеру интерфейса CAN 2.0B.
Файлы воспроизводимых звуковых сообщений, а также географические координаты всех «точек интереса» должны быть предварительно записаны пользователем либо во встроенную энергонезависимую память данных 13 типа SPI Flash, например, S25FLxxx (ST Microelectronics), объемом до 64 МБ и подключенную к микроконтроллеру 3 по интерфейсу SPI-3, либо на внешнюю карту памяти типа SDIO, объемом до 32 ГБ, подсоединяемую к микроконтроллеру 3 посредством соответствующего разъема и интерфейса 14. Запись вышеперечисленных данных на указанные носители может быть осуществлена при помощи интерфейса 16 типа USB 2.0 Full Speed Device и соответствующего стандартного, для интерфейса USB 2.0, подключения изделия к ПЭВМ.
2
Некоторые параметры работы устройства, такие, например, как громкость воспроизводимых звуковых сообщений, радиус зоны определения факта нахождения устройства в одной из «точек интереса» и прочие пользовательские настройки - задаются при помощи имеющегося в изделии блока сенсорных кнопок 8, подсоединенного к контроллеру 7 емкостного датчика прикосновений, например, контроллеру MPR121 (Freescale Semiconductor), подключенному к микроконтроллеру 3 по асинхронному последовательному интерфейсу IC-1. Контроллер датчика прикосновений 7 позволяет, также, отображать некоторые параметры работы устройства на индикаторах подключенного к нему блока светодиодов 9.
2
Последовательный асинхронный интерфейс IC-1 используется, также, для подключения к микроконтроллеру 3 энергонезависимой памяти данных 6 типа EEPROM, например, памяти М24Схх (ST Microelectronics), объемом до 2 Мбит и предназначенной для хранения основных настроек и параметров работы устройства.
2
Кроме того, при помощи интерфейса IC-1 микроконтроллер 3 имеет доступ к настройкам параметров работы модуля 4 приемника спутниковых GPS/Glonass/Galileo сигналов, а также к настройкам параметров работы формирователя 10 аналогового стереофонического звукового сигнала.
Для получения набора напряжений питания, требуемых микросхемам и модулям устройства, в его составе предусмотрен источник 18 вторичного питания, формирующий из входного напряжения питания +12 В постоянного тока следующие номиналы питающих напряжений: +1,8 В (напряжение питания для формирователя 10 аналогового стереофонического сигнала), +3,3 В (напряжение питания для микроконтроллера 3, а также для остальных периферийных контроллеров и микросхем ввода-вывода), +5,0 В (напряжение питания для Class-D аудио-усилителей, встроенных в формирователь 10 аналогового стереофонического сигнала).
Конструктивно, рассматриваемое устройство выполнено в виде одной многослойной печатной платы с двухсторонним расположением элементов.
Одним из отличий данного устройства от прототипа и ближайших функциональных аналогов является то, что рассматриваемое устройство сохраняет свою работоспособность при температурах окружающей среды от -40°C до +85°C, при обеспечении, кроме того, сравнительно меньшего энергопотребления, а также меньшей стоимости.
Техническим результатом геопозиционного оповещателя предложенной конструкции является расширение функциональных возможностей данного устройства относительно прототипа, поскольку обеспечивается (схемотехнически и программно) не только определение собственных географических координат изделия, но также и звуковое (голосовое) оповещение пользователя о его приближении к заранее определенным географическим «точкам интереса».
Источники информации:
1. Патент на полезную модель RU 110478 U1, G01C 21/00, 04.05.2011, «Устройство навигации».
2. Патент на полезную модель RU 115465 U1, G01C 23/00, 14.11.2011, «Комбинированный навигационный комплекс» - прототип.