Стенд-тренажер для изучения узконаправленных низкоэнергетических каналов связи Российский патент 2025 года по МПК G09B9/00 

Изобретение относится к области обучения школьников и студентов принципам беспроводной передачи данных, исследования шума, кодирования, сжатия и декодирования информации, управления системами с обратной связью. Предлагаемое устройство стенда позволяет моделировать сеанс связи между радаром и спутником, парой спутников на близких орбитах или парой автономных глубоководных аппаратов, которые должны наладить обмен данными по заранее составленным программам.

На сегодняшний день в данной области существует несколько разновидностей обучающих стендов. К первому относятся программно-аппаратные стенды, направленные на изучение каналов связи, моделирующие различные виды каналов и шумов. Ко второму – стенды, позволяющие работать с различными видами антенн. Среди первых ближайшим аналогом является Лаборатория спутниковых и навигационных систем компании National Instruments https://adv-techno.ru/radio/sputnikovih_sistem/ - универсальный автоматизированный комплекс, состоящий из генератора, имитирующего сигналы, посылаемые спутниками, и приемника. Лабораторный комплекс позволяет решать следующие задачи: изучение принципов и методов спутниковой навигации, имитация сигналов нескольких спутников одновременно, функциональная диагностика приемников, анализ влияния доплеровских сдвигов сигналов спутников по частоте на качество приема сигнала. Данный комплекс имитирует каналы связи. Среди вторых стендов аналогом является Лабораторный стенд по антеннам компании National Instruments https://adv-techno.ru/radio/laboratornyy-stend-po-antennam/ - предназначен для проведения лабораторных работ по антеннам. С помощью стенда можно исследовать сигналы от антенн в различных частотных диапазонах, а также диаграмм направленности.

Основной технической проблемой в данной области является отсутствие учебных тренажеров, позволяющих осуществлять моделирование связи между автономными устройствами по зашумленным каналам связи одновременно с физическим моделированием кинематики движущихся автономных устройств, с возможностью программного моделирования различных траекторий движения.

Сущность изобретения заключается в создании устройства, физически моделирующего кинематику автономных устройств с системой программно-аппаратного позиционирования приемника и передатчика, осуществляющих процесс связи между автономными устройствами по зашумленным беспроводным ИК-каналам связи.

Техническое решение изобретения представляет собой автоматизированную платформу, в которой реализована система программно-аппаратного относительного перемещения инфракрасных оптоэлектронных приемника и передатчика, а также реализована возможность вращения приемника вокруг вертикальной оси, положение которого задаётся шаговым двигателем и регулируется программно. При этом наличие системы видеонаблюдения за передатчиком позволяет осуществлять моделирование процессов оптического слежения за движущимся объектом и наведением на него антенны, что применимо в наземных, подводных и космических комплексах. С точки зрения освоения программирования, стенд позволяет разрабатывать алгоритмы слежения за передатчиком с использованием машинного зрения (OpenCV) и восстановления траекторной информации, осваивать ряд методов и приемов работы с распознаванием видеоизображений и работу с PID регулятором. ИК-каналы передачи данных в устройстве обладают слабыми собственными помехами, и значительными программно-наведенными. Стенд позволяет изучать способы передачи данных по зашумленным каналам, осваивать методы кодирования/декодирования сообщений для каналов связи с различными типами шумов.

Аппаратно-управляющая платформа стенда - основание, обеспечивающее аппаратное управление стендом, на котором размещены блок приемника и блок передатчика. Верхняя поверхность платформы позволяет устанавливать дополнительные отражающие и поглощающие элементы для повышения вариативности физических помех в канале. Точность позиционирования дополнительных элементов определяется равномерной сеткой отверстий на поверхности платформы, позволяющей дискретно изменять положение дополнительных элементов.

Блок передатчика – устройство, представляющее собой движущуюся вдоль направляющего рельса каретку, с блоком ИК-трансивера и QR-маркером для распознавания видеокамерой приемника. Движение каретки ограничивается концевиками.

Блок приемника – устройство, представляющее собой конструкцию, на которую передается момент вращения с двигателя. При этом блок имеет ход +/- 45 градусов вокруг вертикальной оси. Движение платформы ограничивается концевиками. На приемнике установлен ИК-трансивер и видеокамера, соединенные с микрокомпьютером. Через видеокамеру при помощи средств библиотеки OpenCV можно определить положение передатчика.

Чертежи устройства:

фиг.1 Общий чертеж корпуса устройства

фиг.2 Общий вид стенда

Осуществление изобретения решено в стенде «Узконаправленные низкоэнергетические каналы связи». Стенд представляет собой пару программно-аппаратных блоков ("спутник" и "радар"), допускающих программное управление движением. Пара сконструирована так, что "радар" может определять положение спутника относительно оси своего визирования (посредством видеокамеры) и принимать сигналы от спутника (посредством оптического приемника). Максимум чувствительности оптического приемника совмещен с осью визирования видеокамеры радара, а уровень шумов при приеме оптических сигналов реализован программно и зависит от отклонения спутника от оси визирования. При этом канал разбит на две части - основной подканал данных, в которых пользовательские данные передаются с ошибками, и вспомогательный подканал телеметрии, по которому передается служебная информация о реальных параметрах положения и движения спутника. Особенности диаграмм направленности приемников и передатчиков таковы, что комплекс обладает слепыми зонами, в которых прием радаром сигналов со спутника невозможен. Управление траекториями спутника и радаром программное, при этом с возможностью программирования пользователем движения радара с определением положения спутника в секторе обзора радара. Это позволяет исследовать вопросы передачи данных в мобильных системах, вопросы слежения, вопросы передачи данных в каналах с потерями и в каналах с изменяющимся уровнем шумов, а также вопросы кодирования сигналов в таких системах для обеспечения беспотерьной передачи данных. Таким образом, стенд позволяет в наиболее общем виде моделировать все составные части канала связи: модуль подготовки сигнала для передачи, передатчик, канал связи, приемник, модуль восстановления переданного сообщения.

Материал корпусов платформы и блоков - композит с алюминиевой наружной поверхностью, верхняя поверхности платформы имеет сквозные отверстия, предназначенные для установки на платформу дополнительных отражающих и поглощающих элементов для повышения вариативности физических помех в канале. Поверх верхней поверхности платформы установлена укрепляющая пластина, имеющая отверстия, повторяющие отверстия верхней поверхности платформы. Материал пластины – сталь. Общий вид стенда представлен на фиг. 2.

Изобретение относится к области обучения школьников и студентов принципам беспроводной передачи данных, исследования шума, кодирования, сжатия и декодирования информации, управления системами с обратной связью. Предлагается обучающий стенд-тренажер для изучения узконаправленных низкоэнергетических каналов связи, включающий микрокомпьютер, аппаратно-управляющую платформу с блоком приемника и блоком передатчика с инфракрасными оптоэлектронными приемопередатчиками для моделирования процесса связи между автономными устройствами по зашумленным беспроводным ИК-каналам связи. При этом верхняя поверхность аппаратно-управляющей платформы содержит равномерную сетку отверстий с возможностью установки дополнительных отражающих и поглощающих элементов; блок приемника представляет собой конструкцию с ИК-трансивером и видеокамерой, соединенными с микрокомпьютером аппаратно-управляющей платформы, на которую передается момент вращения с двигателя, обеспечивающего ход ±45 градусов вокруг вертикальной оси. Блок передатчика представляет собой движущуюся вдоль направляющего рельса каретку с блоком ИК-трансивера и QR-маркером для распознавания видеокамерой приемника. Сущность изобретения заключается в создании устройства, физически моделирующего кинематику автономных устройств с системой программно-аппаратного позиционирования приемника и передатчика, осуществляющих процесс связи между автономными устройствами по зашумленным беспроводным ИК-каналам связи. 2 ил.

Обучающий стенд-тренажер для изучения узконаправленных низкоэнергетических каналов связи, включающий микрокомпьютер, аппаратно-управляющую платформу с блоком приемника и блоком передатчика с инфракрасными оптоэлектронными приемопередатчиками для моделирования процесса связи между автономными устройствами по зашумленным беспроводным ИК-каналам связи, отличающийся тем, что верхняя поверхность аппаратно-управляющей платформы содержит равномерную сетку отверстий с возможностью установки дополнительных отражающих и поглощающих элементов; блок приемника представляет собой конструкцию с ИК-трансивером и видеокамерой, соединенными с микрокомпьютером аппаратно-управляющей платформы, на которую передается момент вращения с двигателя, обеспечивающего ход ±45 градусов вокруг вертикальной оси; блок передатчика представляет собой движущуюся вдоль направляющего рельса каретку с блоком ИК-трансивера и QR-маркером для распознавания видеокамерой приемника.