Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Институт Государственного управления,

Выпуск 2, март - апрель 2014 права и инновационных технологий (ИГУПИТ)

Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

http://naukovedenie.ru 03TVN214

Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Институт Государственного управления,

Выпуск 2, март - апрель 2014 права и инновационных технологий (ИГУПИТ)

Опубликовать статью в журнале - http://publ.naukovedenie.ru Связаться с редакцией: publishing@naukovedenie.ru

1

http://naukovedenie.ru 03TVN214

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный университет путей сообщения»

Технология «общения» дорожного транспорта

Петрусь Иван Павлович Аспирант

Аннотация

В данной статье рассмотрена возможность использования беспроводной технологии оптической передачи данных на базе светодиодов видимого излучения в качестве средства для передачи данных между дорожным транспортом. Актуальность данной темы обусловлена тем, что рассматриваемая технология является инновационной и пока не эксплуатируется, так как требуется раскрытие её потенциалов, а также областей и способов применения.

В работе представлена суть рассматриваемой технологии и принцип её действия. Описаны качественные технические характеристики сетей передачи данных построенных на базе данной технологии. Проведён сравнительный анализ с существующими современными технологиями беспроводной передачи данных и на его основании сделаны выводы о достоинствах и недостатках рассматриваемой технологии.

Показана возможность внедрения технологии беспроводной оптической передачи данных на базе светодиодов видимого излучения в область автомобилестроения. Проведён сравнительный анализ технологий передачи данных в области беспилотного автомобилестроения и изложены перспективы развития, а также пути дальнейших исследований в этой области. оптический светодиод излучение транспорт

Выводы, изложенные в работе, свидетельствует о возможности использования беспроводной технологии оптической передачи данных на базе светодиодов видимого излучения для создания сети сообщения дорожного транспорта между собой.

Ключевые слова: Автомобилестроение; беспилотные автомобили; беспроводные сети передачи данных; дорожные сигналы; дорожный транспорт; коммуникационная линия в видимом свете; общение дорожного транспорта; регулирование дорожного движения; светодиоды; светодиодные лампы.

Abstract

Ivan Petrus «Communication» technology of road transport

This article describes possibility of using wireless optical data transfer technology based on light-emitting diodes visible radiation as a means for transmitting data between road transport. The relevance of this topic due to the fact that the considered technology is innovative and has not exploited because must be disclosed its capabilities, as well as the areas and methods of application.

The paper presents the essence of the considered technology and the principle of its action. Describes the qualitative characteristics of data transmission networks based on the considered technology. Was performed a comparative analysis of the existing modern technologies of wireless data transfer and on the basis of its were made conclusions about the advantages and disadvantages of the considered technology.

Was demonstrated the possibility of the implementation wireless optical data transfer technology based on light-emitting diodes visible radiation in area of the automotive industry. Was performed a comparative analysis of the wireless data transfer technologies in area of autonomous car industry and provide an outlook of development, as well as the way of further research in this area.

The conclusions of the work suggests the possibility of using a wireless optical data transfer technology based on light-emitting diodes visible radiation to create a network of road transport communication between themselves.

Keywords: automotive industry; autonomous car; wireless local area network; traffic signals; road transport; visible light communication; communication of road transport; regulation of road traffic; light-emitting diodes; lamps on light-emitting diodes.

Основная часть

Развитие в области создания и эксплуатации беспилотных автомобилей вышло на новый уровень, в штате Невада (США) уже более полутора лет назад компания Google получила официальное разрешение на использование транспортных средств, оборудованных системой автоматического управления [29].

На сегодняшний день, кроме проекта Google Driverless Car, разрабатываемого Google X подразделением компании Google, известен ряд перспективных разработок в этой области: итальянский исследовательский проект ARGO разрабатываемый The Artificial Vision and Intelligent Systems Laboratory (VisLab) Пармского университета (Италия) [33], нидерландская программа 2getthere, немецкие проекты Leonie Технического университета Брауншвейга (Германия) [23] и MadeInGermany (MIG) разрабатываемый Autonomos labs при Свободном университете Берлина (Германия), способный в радиусе 70 м контролировать окружающую обстановку [9], проект Adaptive und Kooperative Technologien fur den Intelligenten Verkehr (AKTIV) консорциума из 28 автопроизводителей [8], программа SARTRE при поддержке Еврокомиссии [28], соревнование Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) Grand Challenge спонсируемое правительством США [11] и российский проект "35 тысяч" в рамках плана по созданию СПАУА (системы полностью автоматического управления автотранспортом) [1].

Прорыв в области беспроводной оптической передачи данных при помощи светодиодов, излучающих в видимой области спектра электромагнитного излучения, а именно достижение высокой скорости передачи данных, по-моему, мнению, может быть продуктивно использовано в системах беспилотного управления автомобилем, повышая их безопасность. В связи с тем, что только компания Google может официально использовать технологию беспилотного управления автомобилями, то их технологические решения будут взяты за эталон для сравнения [29].

Систему автономного управления автомобилем Google Driverless Car гибридной модели Prius можно разделить на шесть составляющих, четыре из которых показаны на рис. 1, который является инфографики, которая выполнена Кэрри Кокбёрн (Carrie Cockburn) для ежедневной канадской газеты The Globe and Mail [31].

Рис. 1 Google Driverless Car - гибридной модели Prius [31]

Первой составляющей этой системы следует назвать Google Street View [17], которая не отражена на рис. 1, это функция панорамного (угол обзора 360 и 290 градусов по горизонтали и вертикали соответственно) обзора улиц сервисов Google Maps и Google Earth, которая позволяет осматривать панорамные виды дорожной инфраструктуры с высоты около 2,5 м. В ней представлены снимки более чем 3 тыс. городов различных стран мира [21]. Google Street View активно развивается по всему миру, в том числе и в России, зоны которые она покрывает можно отследить на официальном сайте проекта [17]. Следует отметить, что существует альтернативный проект, под названием NORC, для центральной и восточной Европы и российский проект Яндекс.Панорамы [7].

Вторым компонентом системы автономного управления автомобилем Google Driverless Car является навигационная система GPS (Global Positioning System - система глобального позиционирования), которая позволяет определить местоположения автомобиля. В комплексе с приёмником системы GPS устанавливается блок инерциальных измерений. В качестве альтернативы GPS в перспективе может быть использована российская система ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) [3]. Данные получаемые от Google Street View координируются с информацией от навигационной системы автомобиля и позволяют выстроить оптимальный маршрут движения.

Третья часть системы автономного управления автомобилем это датчик положения автомобиля, отмеченный на рис. 1 как «Position estimator», который монтируется на заднем колесе автомобиля для того, чтобы точное определить местоположение транспортного средства.

Четвёртой частью Google Driverless Car, обеспечивающей беспилотное управление, являются внутренние видеокамеры, установленные в салоне автомобиля в верхней части ветрового стекла (в других моделях их иногда располагают ряд с зеркалом заднего вида) и показана на рис. 1 как «Video camera». Их функция состоит в передаче на бортовой компьютер транспортного средства визуальной информации о сигналах светофора и в помощи при определении сближения с препятствиями.

Пятый необходимый элемент данной системы это LIDAR (Light Detection and Ranging - световое обнаружение и определение дальности), обозначенный на рис. 1 как «LIDAR». LIDAR-датчик это светочувствительный полупроводниковый прибор, который выполняет функцию активного дальномера оптического диапазона, то есть он позволяет определить расстояние до цели исходя из времени отклика (отражения) направленного луча от источника излучения. В купе с данными от Google Street View и навигационной системы составляется точный маршрут движения автомобиля.

Компания Optech из Канады разрабатывает и производит системы на базе LIDARдатчиков для автоматической стыковки на орбите [24]. В данном же случае компанией Google используется 64-лучевой лазерный светодальномер производства компании Velodyne [32].

LIDAR-датчики являются ключевым элементом системы автономного управления автомобилем Google Driverless Car, сканируя в секунду 1.3 млн. точек координат в радиусе 60 м вокруг автомобиля при помощи отраженного от объектов света технология LIDAR позволяет бортовому компьютеру составить картину виртуального пространства.

Другими словами, LIDAR-датчики составляют систему машинного зрения, которая сканирует окружающее пространство и на основе этих данных формируется двумерная или трёхмерная картина окружающего пространства, как это показано на рис. 2 [27].

Рис. 2 Как Google Driverless Car видит окружающее пространство [18]

Заключительным шестым элементом этой системы являются высокочувствительные лазерные датчики, отраженные на рис. 1 как «Distance sensors». Три из этих радаров расположены в переднем бампере и один в заднем. Их назначение заключается в том, чтобы путём непрерывного сканирования, получать точные данные о расстоянии до препятствий спереди и сзади автомобиля.

Вся эта система может быть усовершенствована интеграцией с технологий беспроводной оптической передачи данных - VLC-технологией (Visible Light Communication - коммуникационная линия в видимом свете), которая использует в качестве передатчика данных светодиоды видимого излучения. Она сравнима и даже превосходит по пропускной способности новейшие технологии беспроводной радиочастотной передачи данных [5, 6, 19, 20] и обладает рядом других преимуществ по сравнению с ними [22].

Принцип действия технологии заключается в том, что светодиоды, излучающие в видимой области спектра электромагнитных волн, одновременно с выполнением функции освещения, включаются и выключаются с высокой скоростью [30], что складывается в массивы бинарных данных, иначе говоря, происходит передача данных в двоичном коде [6, 25].

Способ производства светодиодов ограничивает скорость переключения светодиодов, который определяет их устойчивость к перегоранию, эта же устойчивость не позволяет использовать люминесцентные лампы и лампы накаливания для передачи данных по технологии VLC. Методом оптического мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (O-OFDM - Optical orthogonal frequency-division multiplexing) с квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK - Quadrature Phase Shift Keying), на световой поток излучаемый белыми светодиодами происходит наложение данных при помощи модуляций [13, 16]. Эти модуляции воспринимаются как сплошной поток света и не видны для человеческого глаза, который не способен уловить более 100 мерцаний в секунду [6]. На практике метод O-OFDM реализуется при помощи алгоритма быстрого вычисления преобразования Фурье (FFT - Fast Fourier transform), то есть дискретного преобразования Фурье.

В сети VLC на светодиодах, с использованием одного белого светодиода при бинарном сигнале в канале с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ) и высоком отношении сигнал/шум и использовании QPSK в сочетании с методом кодированного OFDM (COFMD - coded OFDM), который подразумевает канальное кодирование методом прямой коррекции ошибок (FEC - Forward Error Correction), вероятность ошибки на бит (BER - Bit Error Rate) составляет 2•10-⁵ при расстоянии 90 см от передатчика до приёмника [14, 15].

Метод цифровой модуляции OFDM позволил использовать микросветодиоды для передачи миллионов световых пучков разной интенсивности в секунду.

Доктором Харальдом Хаасом (Harald Haas) в июне 2011 года была продемонстрирована возможность того, что светодиодная лампа, оснащенная модулятором для кодирования сигнала, способна качественно передавать на компьютер видеоизображение высокой четкости [6]. Он же и является автором названия технологии VLC на светодиодах - технология Li-Fi (light-fidelity - свет-точность). А в институте телекоммуникаций

Фраунгофера, институте Генриха Герца (Fraunhofer Institute for Telecommunications, Heinrich Hertz Institute) (Берлин, Германия) в 2011 году добились в лабораторных условиях скорости передачи данных в 1 Гбит/сек [25]. Их лампа с массивом светодиодов способна освещать помещение и одновременно с этим передавать данные на неограниченное число устройств находящихся в зоне её покрытия, которая составляет 10 м² [25].

Используя микросветодиодную лампу, удалось достичь скорости передачи данных 3,5 Гбит/сек через каждый из трех цветов - красный, зеленый и синий, - которые вместе составляют белый свет [26]. Это означает, что, сложив спектральные каналы, можно передавать данные с общей скоростью 10 Гбит/сек. Сброс сигнала у использующихся светодиодов и фотодиодов происходит достаточно быстро для того, чтобы не выдерживать паузу для его надёжного затухания.

Пропускная способность технологии Li-Fi, согласно вышедшему в декабре 2012 года стандарту IEEE 802.15.7 для VLC-технологий, регламентирована в пределах 96 Мбит/с [20]. Для организации обратной передачи данных сеть на базе технологии Li-Fi требует комбинированного использования с другими технологиями передачи данных, такими как PowerLAN (она же dLan - direct Lan, или PLC - Power Line Сommunication, коммуникации по линии электропередач), суть которой заключается в передаче данных по силовым проводам, или высокоскоростная инфракрасная передача данных (VFIR или UFIR - Very Fast Infrared и Ultra Fast Infrared соответственно, что в переводе с английского означает «очень быстрое инфракрасное излучение» и «ультрабыстрое инфракрасное излучение») [10] как это принято в проекте PureLi-Fi [26].

В отличие от технологии Li-Fi, радиочастотные технологии передачи данных могут оказывать негативное влияние на человеческий организм [10], и, несмотря на то, что влияние сетей Li-Fi подробно не изучено, существуют исследования, которые показывают, что влияние светодиодного света для человеческих глаз является наиболее комфортным [2].

Отсутствие у технологии Li-Fi проблемы электромагнитной совместимости с электрооборудованием позволяет применять её для создания локальных сетей в сферах чувствительных к радиоволнам: на борту самолётов [12], в космических шаттлах и станциях, в медицинских учреждениях и предприятиях, на которых производственные процессы связаны с радиопередачами.

Внедрение технологии Li-Fi в сферу автомобилестроения и в системы беспилотного управления автомобилем, в частности, может позволить транспортным средствам получать данные о скорости движения, маршруте и расстоянии до других участников дорожного движения. Эти данные могут поступать как непосредственно от других автомобилей, так и от светофоров и средств уличного освещения, если их также оборудовать приемо-передающим оборудованием Li-Fi.

Приемопередающие устройства Li-Fi могут позволить отказаться от использования четырех лазерных датчиков в Google Driverless Car. Светодиодная фара автомобиля или светодиодная лампочка рядом с фарой могут использоваться как устройства передачи данных. На рис. 3 схематично показаны возможные места размещения на автомобиле устройств технологии Li-Fi принимающих (жёлтым цветом) и передающих (зелёным цветом) данные. Принимающим оборудованием является фотодиодный приёмник и декодер, а передающим светодиодная лампа с подключенным к ней модулятором сигнала.

Рис. 3 Схема размещения на автомобиле принимающих (жёлтым цветом) и передающих (зелёным цветом) данные устройств технологии Li-Fi

Фотодиодные датчики можно установить сплошной линией по всему периметру автомобиля, такое расположение повысит гарантию принятия сигналов и создаст резерв фотоприемников для повышения надежности передачи данных.

Нет необходимости каждому автомобилю знать местоположение и маршрут движения всех остальных его участников, необходимо и достаточно знать лишь информацию лишь об окружающих его транспортных средствах. Ведь, когда нам приходится пробираться через толпу людей на оживленном пешеходном перекрестке, то мы планируем свой маршрут исходя из данных лишь о тех людях, которые двигаются в непосредственной близости от нас в каждый конкретный момент времени, а не исходя из данных о направлении и скорости движения каждого человека на этом перекрестке и нам этого вполне достаточно, чтобы не происходили столкновения.

Использование технологии Li-Fi в дорожно-транспортной области способно обеспечить более высокий уровень безопасности движения беспилотных автомобилей, сокращая влияние существующих недостатков системы автономного управления транспортными средствами: подстраховывая LIDAR-датчики, которые могут давать погрешность до 10 см из-за метеоусловий, навигационную систему GPS, погрешность которой может составить до нескольких метров и функцию Google Street View сервисов Google Maps и Google Earth, которая не обеспечивает панорамными видами при проезде по пересечённой местности.

При этом не отменяются, а сохраняются существующие достоинства этой системы, а именно: сокращение числа дорожно-транспортных аварий и человеческих жертв в них; полное или частичное избавление от заторов на дороге; предоставление возможности самостоятельного перемещения в личном автотранспортном средстве людям с ограниченными физическими возможностями; снижение транспортных расходов, за счет экономии денежных средств затрачиваемых на оплату труда водителей; экономия времени, затрачиваемого на управление транспортным средством; предоставление возможности транспортировки грузов в зонах, нахождение в которых может угрожать жизни и здоровью человека.

Внедрение технологии Li-Fi в системы автономного управления транспортными средствами позволит получать большие объемы данных от других участников движения и дорожной инфраструктуры, что в свою очередь открывает возможности для быстрого реагирования на нестандартные ситуации во время нахождения в пути следования во избежание аварийных ситуаций. Кроме повышения уровня безопасности на дороге, транспортные средства, снабженные оборудованием технологии Li-Fi, могут быть организованы в беспилотные сети транспортного сообщения и решить проблему регулирования дорожного движения.

Тем самым использование технологии Li-Fi в этой области способствует продвижению использования безопасного и комфортного беспилотного гражданского транспорта в мире. А также, открывает перспективы использования в военной отрасли.

Литература

1. 35 тысяч. URL: http://35th.ru/ (дата обращения: 10.02.2014).

2. Никифоров С. Д. Физические аспекты восприятия полупроводникового света человеческим глазом // Компоненты и технологии. 2008. № 89. С. 84-94. ISSN 2079-6811.

3. Перов А. И., Харисов В. Н. ГЛОНАСС: принципы построения и функционирования. М.: Радиотехника, 2005. 688 с. ISBN 5-93108-076-7.

4. Петрусь И.П. Возможности технологии беспроводной оптической передачи данных на Ж/Д транспорте // Технические науки - от теории к практике. № 10 (23). Часть I: сборник статей по материалам XXVII международн. науч.-практ. конф., Новосибирск: Изд. «СибАК», 2013. C. 30-34. ISSN 2308-5991.

5. Петрусь И.П. Перспективы развития беспроводных технологий передачи данных // Перспективы развития научных исследований в 21 веке: м-лы 3-й Международн. науч.-практ. конф., Махачкала, 31 октября, 2013 г. Махачкала: ООО «Апробация». 2013. С. 70-72. ISSN 2305-4484.

6. Хаас Х. Беспроводная информация из каждой лампочки. URL: http://www.ted.com/talks/harald_haas_wireless_data_from_every_light_bulb.htm. (дата обращения: 10.02.2014).

7. Яндекс.Панорамы. URL: http://company.yandex.ru/technologies/panoramas/ (дата обращения: 10.02.2014).

8. ACTIV. URL: http://www.aktiv-online.org/index.html (дата обращения: 10.02.2014).

9. Autonomos labs. URL: http://autonomos.inf.fu-berlin.de/made-in-germany/ (дата обращения: 10.02.2014).

10. Avendaсo C., Mata A., Sarmiento С., Doncel G. Use of laptop computers connected to internet through Wi-Fi decreases human sperm motility and increases sperm DNA fragmentation // Fertility and Sterility. 2012. Vol. 97, Issue 1. P. 39-45.e2. ISSN 00150282.

11. DARPA. URL: http://www.darpa.mil/default.aspx (дата обращения: 10.02.2014).

12. Dimitrov, S., Mesleh, R., Haas, H., Cappitelli, M., Olbert, M., Bassow, E. On the SIR of a cellular infrared optical wireless system for an aircraft // IEEE Journal on Selected Areas in Communications (IEEE JSAC). 2009. Vol. 27 (9). pp. 1623-1638. ISSN 0733-8716. doi:10.1109/JSAC.2009.091212

13. Elgala, H., Mesleh, R., Haas, H. Non-linearity Effects and Predistortion in Optical OFDM Wireless Transmission Using LEDs // Inderscience International Journal of Ultra Wideband Communications and Systems (IJUWBCS). 2009. Vol. 1 (2), P. 143150. ISSN 1550-2252.

14. Elgala H., Mesleh R., Haas H., Pricope B. OFDM visible light wireless communication based on white LEDs // Proc. 64th IEEE Veh. Technol. Conf., 2007. P. 2185-2189. ISSN 1550-2252. doi:10.1109/VETECS.2007.451

15. Gonzalez O., Rodriguez S., Perez-Jimenez R., Mendoza B. R., Ayala A. Error Analysis of the Simulated Impulse Response on Indoor Wireless Optical Channels Using a Monte Carlo-based Ray-tracing Algorithm // IEEE Trans. Commun.. 2005. Vol. 53, no. 1. P. 124-130. ISSN 0090-6778. doi:10.1109/TCOMM.2004.840625.

16. Gonzalez O., Perez-Jimenez R., Rodriguez S., Rabadan J., Ayala A. Multi User OFDM System for Communications over the Indoor Wireless Optical Channels // IET Optoelectronics. 2004. Vol. 1, no. 2. P. 68-76. ISSN 1751-8768. doi:10.1049/IETOPT:20060020.

17. Google Street View. URL: http://www.google.com/maps/about/behind-thescenes/streetview/ (дата обращения: 10.02.2014).

18. Guizzo E. How Google's Self-Driving Car Works // IEEE Spectrum. October 18. 2011. ISSN: 0018-9235.

19. IEEE 802.11. URL: http://standards.ieee.org/about/get/802/802.11.html (дата обращения: 10.02.2014).

20. IEEE 802.15.7. URL: http://standards.ieee.org/findstds/standard/802.15.7-2011.html (дата обращения: 10.02.2014).

21. King R. Google Maps now covers 75% of global pop, 26 million miles of directions. ZDNet. URL: http://www.zdnet.com/blog/btl/google-maps-now-covers-75-of-globalpop-26-million-miles-of-directions/73057/ (дата обращения: 10.02.2014).

22. Komine T., Nakagawa M. Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights // IEEE Transactions on Consumer Electronics. 2004. Vol. 50, no. 1. P. 100-107. doi:10.1109/TCE.2004.1277847.

23. Leonie. URL: http://stadtpilot.tu-bs.de/ (дата обращения: 10.02.2014).

24. Optech. URL: http://www.optech.com/index.php/application/s-landing-docking/ (дата обращения: 10.02.2014).

25. Paraskevopoulos, A. Data are traveling by light. URL: http://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2011/august/data-traveling.html. (дата обращения: 10.02.2014).

26. Povey, G. What is Visible Light Communication? URL: http://visiblelightcomm.com/what-is-visible-light-communication-vlc/ (дата обращения: 10.02.2014).

27. Rueger J. Electronic Distance Measurement: An Introduction. Springer, 1996. ISBN 978-3-540-61159-2.

28. SARTRE. URL: http://www.sartre-project.eu/en/Sidor/default.aspx (дата обращения: 10.02.2014).

29. Slosson M. Google gets first self-driven car license in Nevada. URL: http://www.reuters.com/article/2012/05/08/uk-usa-nevada-googleidUSLNE84701320120508/ (дата обращения: 10.02.2014).

30. Tanaka Y., Komine T., Haruyama S., Nakagawa M. Indoor Visible Communication Utilizing Plural White LEDs as Lighting // Proc. the 12th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications. 2001. Vol. 2, San Diego. P. 81-85. ISBN 0-7803-7244-1. doi:10.1109/PIMRC.2001.965300.

31. The Google driverless car. URL: http://www.theglobeandmail.com/news/national/time-to-lead/the-google-driverlesscar/article653453/ (дата обращения: 10.02.2014).

32. Velodyne. URL: http://velodynelidar.com/lidar/hdlproducts/hdl64e.aspx (дата обращения: 10.02.2014).

33. VisLab. URL: http://vislab.it/automotive/ (дата обращения: 10.02.2014).

Размещено на Allbest.ru