KONCEPCJA I UKŁADOWA REALIZACJA SYSTEMU DETEKCJI ZDARZEŃ KRYTYCZNYCH Z UDZIAŁEM MOTOCYKLI

Transkrypt

1 Dr hab. inż. Jan PIETRASIEŃSKI, prof. WAT Dr inż. Witold MILUSKI Dr inż. Dariusz RODZIK Mgr inż. Witold BUŻANTOWICZ Mgr inż. Jakub MIERNIK Wojskowa Akademia Techniczna Mgr inż. Krzysztof PARAMUSZCZAK KERATRONIK SA KONCEPCJA I UKŁADOWA REALIZACJA SYSTEMU DETEKCJI ZDARZEŃ KRYTYCZNYCH Z UDZIAŁEM MOTOCYKLI Streszczenie: Praca zawiera opis koncepcji detektora zdarzeń krytycznych (DZK) z udziałem motocykla, którego zasada działania polega na czasowoczęstotliwościowym przetwarzaniu sygnałów z różnego rodzaju czujników pomiarowych, a następnie programowym porównaniu ze wzorcem zdarzeń krytycznych zaimplementowanych w pamięci komputera DZK. Zaprezentowano także, układową realizację systemu DZK. CONCEPTION AND IMPLEMENTATION OF DETECTION SYSTEM FOR CRITICAL INCIDENTS (DSCI) WITH MOTORCYCLE S PARTICIPATION Abstract: The paper describes the conception of detection system for critical incidents (DSCI) with motorcycle s participation. The principle of DSCI is the timefrequency signal processing of various types of sensors and program comparison to the model of critical events storaged in DSCI computer memory. The hardware implementation of DSCI module is also presented. 1. WPROWADZENIE Automatyczne wykrywanie zdarzeń krytycznych, rozumianych jako nieprzewidziane sytuacje drogowe skutkujące zagrożeniem dla życia (zdrowia) człowieka bądź znacznym uszkodzeniem pojazdów [2], jest zadaniem szczególnie trudnym w przypadku, gdy w zdarzeniu takim bierze udział motocykl. Spowodowane jest to zarówno właściwościami jezdnymi jednośladów, jak i większą w stosunku do samochodów dynamiką poruszania. Opracowanie algorytmów detekcji owych zdarzeń wymaga w pierwszej kolejności precyzyjnego określenia charakteru szerokiego spektrum parametrów towarzyszących poruszaniu się motocyklem, a także zmian tychże, do których dochodzi w trakcie bądź bezpośrednio po zaistnieniu wypadku. W pracach [2-4] przedstawiono możliwości wykorzystania do detekcji zdarzeń krytycznych narzędzi cyfrowego przetwarzania sygnałów w odniesieniu do dźwięków emitowanych przez motocykl, informacji obrazowej (pochodzącej np. z kamery nahełmowej) oraz drgań i przeciążeń, występujących w badanym układzie motocyklista-motor (M M). Dysertacje te stanowią punkt wyjścia do opracowania przedstawionej w niniejszym referacie koncepcji detektora zdarzeń krytycznych (DZK), a także jej realizacji sprzętowej. 749

2 2. OPIS KONCEPCJI UKŁADOWEJ REALIZACJI SYSTEMU DETEKCJI ZDARZEŃ KRYTYCZNYCH Z UDZIAŁEM MOTOCYKLA Na rysunku 1 przedstawiony został uproszczony schemat blokowy detektora zdarzeń krytycznych (DZK). Idea działania DZK zestawionego w pełnej wersji bazuje na pomiarach dźwięków i drgań emitowanych przez motocykl, zarówno podczas ruchu, jak i podczas wypadku. W celu zwiększenia skuteczności detekcji zdarzeń krytycznych, zadania pomiarowe mogą być rozszerzone o inne wielkości, np. parametry ruchu. Głowica pomiarowa zawierać może oprócz czujników ciśnienia również czujniki ruchu, tj. akcelerometry i żyroskopy prędkościowe. Rys. 1. Schemat blokowy detektora zdarzeń krytycznych Podstawowym blokiem detektora jest procesor, zarządzający pracą DZK w zakresie ustawiania trybów i warunków jego pracy. Zasadnicza rola procesora polega na przetwarzaniu danych pomiarowych oraz detekcji zdarzeń krytycznych. W szczególności kluczowym zadaniem w zakresie przetwarzania jest analiza spektralna sygnałów. W rozwiązaniu DZK uwzględnione będą następujące uwarunkowania i metody przetwarzania. W zastosowaniach detekcyjno-diagnostycznych najbardziej rozpowszechnioną metodą analizy sygnałów jest analiza częstotliwościowa oparta na transformacie Fouriera. Daje ona jednak ograniczone możliwości w zakresie wykrywania krótkotrwałych zmian w sygnale, np. pochodzących od procesów związanych z wypadkiem. Ponadto, z uwagi na niestacjonarność badanych zjawisk akustycznych tradycyjna analiza fourierowska jest mało użyteczna. W tym przypadku wymagana jest analiza wykorzystująca łączne czasowoczęstotliwościowe (T-F) reprezentacje sygnałów. Tego rodzaju podejście zapewniają metody krótkoterminowe, w szczególności takie transformacje, jak: krótkoterminowa transformacja Fouriera, transformacja Wignera-Ville a oraz transformacja falkowa. Najprostszą z tych metod jest krótkoterminowa transformata Fouriera STFT: j2ft STFT{ s( t)} S(, f ) s( t) a( t ) e dt (1) Jej użycie wymaga określenia optymalnych parametrów okna selekcyjnego a(t), zapewniającego kompromis pomiędzy rozdzielczością w czasie oraz częstotliwości. Wydłużając okno a(t), uzyskuje się lepszą rozdzielczość w częstotliwości kosztem rozdzielczości w czasie. Aby usunąć skokowe zmiany sygnału na krańcach okna, stosuje się 750

3 okna czasowe wygładzające selekcjonowane przebiegi, m.in.: prostokątne, Hanninga, Hamminga, Blackmana i inne. Wprowadzenie okna selekcyjnego poprawia skuteczność analizy sygnałów niestacjonarnych w porównaniu do tradycyjnej transformaty Fouriera. Istotnym ograniczeniem STFT jest stała szerokość okna, utrudniająca analizę sygnałów o zróżnicowanym widmie. Dyskretna wersja transformaty STFT (dla okresu próbkowania równego 1) dana jest zależnością: X N 1 j 2ki / N n, k x( i) a( i n) e i0 Przekształceniem, które zapewnia dobór rozdzielczości zarówno w dziedzinie czasu, jak i częstotliwości, jest transformacja Wignera-Ville a. Umożliwia ona prowadzenie analiz czasowo-częstotliwościowych sygnałów i jest definiowana następująco: (2) W x (3) 2 2 j2 t f x t x t e f, * d gdzie x*(t) jest sygnałem urojonym, sprzężonym z x(t). Z uwagi na nierealistyczny postulat, odnoszący się do znajomości iloczynu: w przedziale dla ; postaci: x t x * t (4) 2 2, w praktyce stosuje się wersję krótkoterminową (z oknem w) PW x (5) 2 2 j 2 t f x t x t w e f, * d Innym, skutecznym aproksymacyjnie rodzajem analizy czasowo-częstotliwościowej jest transformacja falkowa. Stosowane funkcje falkowe są dobrze zlokalizowane w czasie oraz jednocześnie dobrze odwzorowują sygnał w dziedzinie częstotliwości. Na podkreślenie zasługuje dobre przystosowanie falek do opisu aproksymacji nieciągłości sygnałów. Funkcja falkowa może być w zasadzie dowolną funkcją opisaną w przedziale, w którym przyjmuje ona wartości różne od zera. Umożliwia to dobór funkcji analizującej w taki sposób, aby najlepiej odwzorowywała analizowany sygnał. Dwuwymiarowa transformata falkowa określona jest wzorem: WT 1 t b,, a, b R, a 0 (6) a a a b xt dt gdzie: x(t) analizowany sygnał, a parametr określający skalę częstotliwości, b parametr określający przesunięcie czasowe. Wartości parametrów dobierane są pod kątem wymaganej rozróżnialności w dziedzinie czasu i częstotliwości. W transformacji falkowej rozmiary okna czasowo-częstotliwościowego są funkcją jego położenia na tej płaszczyźnie, inaczej niż w metodzie STFT, w której rozdzielczość czasowo-częstotliwościowa jest stała na całej płaszczyźnie T-F. 751

4 Dla aproksymacji falkowej iloczyn promieni okien (czasowego i częstotliwościowego) jest stały. Proces aproksymacji falkowej składa się z następujących kroków: 1) ustawienia falki na początku fragmentu sygnału przeznaczonego do analizy; 2) wyznaczenia korelacji między falką i segmentem sygnału; 3) przesunięcia falki o jeden krok czasowy i powtórzenia obliczeń opisanych w kroku 2. przy czym sekwencję kroków 3. i 2. należy powtarzać aż do końca trwania sygnału; 4) rozciągnięcia falki i powtórzenia kroków od 1. do 3.; 5) powtarzania kroków od 1. do 4. aż do wyczerpania wszystkich skal. Wynikiem wstępnego przetwarzania mierzonych sygnałów będą czasowo-częstotliwościowe charakterystyki parametrów ruchu układu motocyklista-motocykl (M M) oraz dźwięków generowanych przez motocykl i otocznie. W standardowych warunkach ruchu otrzymywane wyniki przetwarzania istotnie zależeć będą od typu motocykla, techniki jazdy preferowanej przez motocyklistę, zmian prędkości, przyspieszeń, sposobu hamowania oraz rodzaju nawierzchni. Czynniki te sprawiają, że w normalnych warunkach ruchu wyliczane charakterystyki spektralne mogą się zmieniać w szerokich granicach, co w konsekwencji komplikuje warunki podejmowania decyzji o wystąpieniu zdarzenia krytycznego. Z tego powodu procedury uogólniania danych pomiarowych oraz detekcji zdarzeń krytycznych mieć będą charakter adaptacyjny. Podstawą adaptacji będzie przestrzenna i czasowa estymacja parametrów tła akustycznego oraz sygnałów świadczących o wystąpieniu zdarzenia krytycznego. Parametry zdarzenia krytycznego zostaną zarejestrowane w pamięci nieulotnej detektora i mogą zostać przesłane (poprzez sieć GSM) do centrum akwizycji. Dolnopasmowy charakter zjawisk wykorzystywanych do detekcji zdarzeń krytycznych sprawia, że strumień danych pomiarowych jest relatywnie mały. W konsekwencji wymagania na moc obliczeniową układów przetwarzania danych są stosunkowo niewielkie; proporcjonalnie zredukowana zostaje również moc pobierana przez procesor. Dla przyjętego czasowo-częstotliwościowego sposobu przetwarzania sygnałów oraz zaproponowanej struktury rozwiązania detektora wynika, że szacunkowe zapotrzebowanie na energię podczas pracy nie przekroczy 0,25 W. Zadaniem układu kluczowania zasilania jest oszczędność energii zasilającej obwody detektora w stanach uśpienia oraz czuwania. Detektor będzie zbudowany z nowoczesnych układów o dużej skali integracji, niskim zużyciu energii oraz małych gabarytach. Zastosowane rozwiązania konstrukcyjne dostosowane będą do wymogów środowiskowych. 3. UKŁADOWA REALIZACJA SYSTEMU DETEKCJI ZDARZEŃ KRYTYCZNYCH Z UDZIAŁEM MOTOCYKLA Omówiona idea rozwiązania DZK wykorzystującego zjawiska akustyczne odnosi się również do detektora z czujnikami ruchu i wibracji. W tym zakresie dostępne są fabryczne rozwiązania układowe, integrujące: czujniki ruchu, czasowo-częstotliwościowego przetwarzania danych pomiarowych, programowe definiowanie wyróżnionych stanów oraz detekcji stanów awaryjnych w czasie rzeczywistym. Przykładowe parametry rozwiązania są następujące: w module detekcji występują trzy akcelerometry zorientowane w układzie XYZ; ustawiany programowo zakres pomiarowy zawiera się w przedziale ±70 g; dane są selekcjonowane w oknie o szerokości do 256 próbek; 752

5 wybierany jest kształt okna (prostokątne, Hanninga, itd.); przetwarzanie danych realizowane jest z wykorzystywaniem algorytmu FFT; w pełni ustawiane pasmo i poziom amplitudowy alarmu; ustawiane opóźnienie alarmu; przetworzone dane są decymowane i rejestrowane; pobór mocy rzędu 150 mw; wymiary geometryczne: sześcian o objętości około 3 cm3. Dostępne na rynku mikrofony, akcelerometry, żyroskopy oraz rejestratory VIDEO pokrywają zakresy pomiarowe sygnałów charakteryzujących zdarzenia krytyczne z udziałem motocykli i są dostosowane do wymogów środowiskowych. Przetwarzanie strumienia danych pomiarowych jest możliwe w procesorach sygnałowych o małej przepustowości, a tym samym o niskim zużyciu energii. Rys. 2. Umiejscowienie prototypowego układu detektora zdarzeń krytycznych (DZK) na ramie motocykla podczas prób na torze wyścigowym w Poznaniu 4. PODSUMOWANIE W referacie przedstawiono koncepcję oraz zarys realizacji sprzętowej układu DZK przeznaczonego do wykrywania zdarzeń krytycznych z udziałem motocykli. Zbudowanie detektorów skutecznie wykrywających krytyczne zdarzenia drogowe, a charakteryzujących się jednocześnie niskim poziomem fałszywych alarmów, jest możliwe. Wykorzystanie do ich konstrukcji nowoczesnych układów o dużej skali integracji radykalnie ograniczy wymiary geometryczne urządzeń oraz zminimalizuje pobór energii. Doświadczenia pozyskane podczas badań opisane szerzej w pracach [2-4] wskazują, że głównym problemem występującym podczas przetwarzania danych przez omawiane systemy detekcji jest poprawne oddzielanie sygnałów związanych z ruchem motocykla od zakłóceń. Jest to zadanie złożone, bowiem wartości sygnałów rejestrowanych przez czujniki pomiarowe zależą nie tylko od bieżących wartości parametrów kinematycznych motocykla i przestrzeni, w której się on porusza (nawierzchni, warunków atmosferycznych, itp.), ale przede wszystkim od drgań własnych konstrukcji (ramy), silnika i skrzyni biegów. 753

6 Należy zatem spodziewać się, że każdy typ (model) motocykla będzie charakteryzowany poprzez własny, niepowtarzalny zbiór zakłóceń, zależny od konstrukcji pojazdu, mocy i parametrów układu napędowego, a także wielu innych czynników (np. ogumienia, ilości paliwa itp.), które uwzględnić należy na etapie konstruowania, testowania i wdrażania urządzeń DZK do eksploatacji. LITERATURA [1] Pietrasieński J. (kier.): Opracowanie koncepcji detekcji zdarzeń krytycznych z udziałem motocykli, sprawozdanie z pracy PBU /WAT/2010, WAT, Warszawa [2] Pietrasieński J., Rodzik D., Bużantowicz W., Miernik J., Paramuszczak K.: Analiza możliwości detekcji zdarzeń krytycznych z udziałem motocykla, Cz. I. Wykorzystanie drgań i wibracji motocykla, materiały konferencyjne, XVI Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji, t. 2, Jurata 2012, s [3] Pietrasieński J., Rodzik D., Bużantowicz W., Miernik J., Paramuszczak K.: Analiza możliwości detekcji zdarzeń krytycznych z udziałem motocykla, Cz. II. Wykorzystanie emisji dźwięku motocykla, materiały konferencyjne, XVI Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji, t. 2, Jurata 2012, s [4] Pietrasieński J., Miluski W., Rodzik D., Bużantowicz W., Miernik J., Paramuszczak K.: Analiza możliwości detekcji zdarzeń krytycznych z udziałem motocykla, Cz. III. Wykorzystanie metod analizy obrazu, materiały konferencyjne, XVI Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji, t. 2, Jurata 2012, s