Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Сравнительный анализ эволюции дизайна приборов, предназначенных для навигации в различных сферах человеческой деятельности .
Глава 2. Разработка общей методологии трехмерного моделирования портативных навигационных приборов .
Глава 3. Разработка дизайна отечественного портативного навигатора .
Глава 4. Материалы и технологии изготовления пульта управления портативного навигационного прибора .
Глава 5. Сферы применения и возможные изменения дизайна персонального спутникового навигатора .
Основные выводы
Список литературы
- Сравнительный анализ эволюции дизайна приборов, предназначенных для навигации в различных сферах человеческой деятельности
- Разработка общей методологии трехмерного моделирования портативных навигационных приборов
- Разработка дизайна отечественного портативного навигатора
- Материалы и технологии изготовления пульта управления портативного навигационного прибора
Сравнительный анализ эволюции дизайна приборов, предназначенных для навигации в различных сферах человеческой деятельности
История существования портативных навигационных приборов начинается с 1989 года, когда компанией «Magellan Systems Corp.» (США) был создан GPS-приемник «NAV-1000M» для применения в военных целях.
В это же время компания Trimble Navigation разрабатывает первую портативную навигационную систему Ensign.
Установлено, что первые модели GPS-приемников были мультиплексными (одноканальными), не способными принимать сигналы высокой точности, в один момент они принимали сигналы только от одного спутника, переключаясь между несколькими доступными. Большое число управляющих клавиш (от 8 и более), неудобное их расположение на пульте, большой вес (от 390 гр и более), а также большие габаритные размеры не позволяли управлять прибором одной рукой, что снижало эффективность использования данных навигационных средств. Черно-белый экран без цветоделения позволял выводить только 4 строки информации (16 символов). Вывод картографической базы данных на такой дисплей был невозможен.
На смену мультиплексным пришли параллельные приемники с параллельными каналами, имеющие несколько каналов приема (обычно -12 и более), с помощью которых можно принимать сигналы одновременно от нескольких спутников. Параллельные приемники работают более устойчиво, быстрее и точнее определяют координаты.
Развитие передовых технологий и появлением новейших программных продуктов сделало возможным появление портативных навигационных приборов с картографической поддержкой. Приборы стали комплектоваться встроенной мировой картографической базой. В последних моделях предусмотрена дополнительная память для загрузки и последующего изменения картографических баз данных.
Эти функциональные изменения потребовали изменения дизайна прибора. На смену устаревшим экранам отображения данных пришли жидкокристаллические индикационные панели с градациями цветов, что облегчает восприятие информации за счет увеличения контрастности изображения и отображения различных объектов в цвете.
Появилась возможность изменения масштаба отображаемой на экране навигационной информации от 5 000 000 до 20 000 и полезная функция «прокрутки карты» - автоматическое перемещение картографической подложки относительно центрированного отображения положения объекта.
Эволюция GPS приемников производства фирмы GARMIN берет свое начало с января 1997 года, когда на смену простейшему одноканальному приемнику Garmin 45 XL приходит новый 12-ти канальный GPS приемник Garmin 12.
Персональный навигационный приемник GARMIN GPS 12: удобный ручной прибор, имеющий 12 параллельных каналов, предназначен для тех, кто любит дальние путешествия. Разработанный на основе хорошо известного приемника GPS 12XL, прибор GPS 12 предлагает любителям путешествий получить преимущество в мощности и характеристиках 12-канального приемника, который производит быстрый захват рабочего созвездия спутников в тяжелейших условиях - даже под густой листвой. Прочный, водонепроницаемый корпус приемника GPS 12 имеет надежную конструкцию военного исполнения, а удобное расположение клавиатуры позволяет работать с ним одной рукой, что дает возможность постоянно держать его при себе в рабочем состоянии, днем и ночью и в любую погоду. Он хранит в памяти 500 путевых точек, доступных в любой момент, и графики сегментных траекторий (Track Log) на 1024 точки. Имеется возможность отметить девять путевых точек, имеющих допустимую близость приближения к ним, для точного управления на опасной территории. Имеется также разработанная фирмой Garmin функция TracBack - функция, которая представляет текущий участок траектории и позволяет реверсировать маршрут, чтобы можно было быстро возвратиться домой по тому же пути. Как дополнительное преимущество, GPS 12 обладает функцией осреднения положения, которая снижает влияние режима Ограниченного доступа (в случае его включения) на точность местоопределения и выдает на экран величину, отражающую расчетную точность осредненного положения. Приемник имеет в своем распоряжении улучшенные навигационные функции, такие как подвижной построитель маршрута, данные по средней и максимальной скорости и таймеры пути.
Созданный на базе GPS 12XL, прибор персональный спутниковый приемоиндикатор GPS 12XL (Рис. 2.7) предлагает нечто большее, чем просто красивую картинку. Цветной жидкокристаллический дисплей поднимает портативный навигатор на новый уровень. Объекты, значки, числа и буквы окрашиваются в один из трех ярких цветов: красный, зеленый или синий. Эти цвета четко видны при ярком солнечном свете и помогают ориентироваться в страницах карт, усыпанных путевыми точками и опутанных маршрутами. Благодаря тому, что прибор обладает мощным 12-ти канальным GPS приемником, он способен представлять постоянно обновляемую информацию о месторасположении не зависимо от того, где находится объект. Кроме этого, прибор может похвастаться увеличенной продолжительностью работы батареек (до 36 часов). Приборы Garmin известны простотой в обращении и прибор GPS 12СХ не исключение. Набор кнопок включает отдельные клавиши "Приблизить" и "Удалить" для простого управления картой, а расширенный интерфейс позволяет работать с 1000 путевыми точками, организуя их в удобную файловую систему. В приборе доступны все передовые функции, такие как база данных городов, технология TracBack, а также графический указатель направления.
В GPS 12МАР сочетаются расширенные возможности программного обеспечения популярного GPS III Plus с прочным корпусом GPS 12. Как и в GPS III Plus, базовая карта прибора содержит картографическую информацию о Европе и Азии, включая базу данных по городам, федеральным автомагистралям, озерам, рекам, железным дорогам, а также береговым линиям.
Разработка общей методологии трехмерного моделирования портативных навигационных приборов
Данная методология трехмерного моделирования разработана на основе проектируемого портативного навигационного прибора и актуальна для аналогичных портативных приборов пространственного ориентирования, а также других электронных устройств схожего принципа действия, в том числе и для ручных мобильных средств связи.
Задачей 3D моделирования является создание виртуальной трехмерной модели по эскизам с заданными характеристиками форм и поверхностей её объектов, с учетом функциональных особенностей проектируемого изделия, эргономических и эстетических требований. Трехмерное моделирование может применяться как для образной визуализации изделия с целью получения представления о возможных вариантах решения формы и материалов, так и для точного представления объекта с заданными параметрами его элементов.
При разработке методологии трехмерного моделирования был проведен анализ имеющихся разработок портативных навигационных средств, а также классификация их функциональных элементов, которые являются объектом трехмерного моделирования.
Проведенный анализ показал, что возможна следующая классификация элементов портативных приборов в соответствии с их функциональным предназначением: 1. Основной корпус прибора; 2. Элементы управления прибора (функциональные клавиши и джойстик); 3. Элементы представления (ЖКИ дисплей); 4. Дополнительные функциональные элементы (резиновые вставки и декоративные панели); 5. Подключаемые модули (антенны, элементы питания, элементы установки).
Для реализации разработанной методологии был выбран программный пакет трехмерного моделирования 3D Studio Мах 4.0, в котором реализовано большое количество мощных средств для создания, редактирования и визуального представления проектируемого в нем объекта. Также преимуществом данного программного продукта является возможность редактирования объекта на разных стадиях его создания, мощный алгоритм работы с материалами, их поверхностными характеристиками и средствами визуализации, совместимость с другими программами трехмерного моделирования, например AutoCAD.
Основным алгоритмом, по которому идет процесс трехмерного компьютерного моделирования, является алгоритм - от простого к сложному. Моделирование любой формы объекта в программе 3D Studio Мах 4.0 производится по следующей схеме:
Программа компьютерного трехмерного моделирования 3D Studio Мах 4.0 предоставляет следующие инструменты создания формы будущей модели вкладки Создать (Create): Простые примитивы (Standard Primitives) такие, как параллелепипед, сфера, цилиндр, тор, конус, плоскость и т.п.; Расширенные примитивы (Extended Primitives) такие, как правильный многогранник, скошенный параллелепипед, скошенный цилиндр выдавленный многоугольник и т.п.; Составные объекты (Compound Objects) такие, как опорные сечения, булевые объекты, соединяющиеся объекты и т.п. Сплайны (Splines) такие, как линия, круг, многоугольник и т.п. NURBS - кривые и поверхности.
А также инструменты изменения формы вкладки Модифицировать (Modify), которые применимы как для отдельного объекта, так и их группы - это многочисленные модификаторы, чье использование зависит от типа редактируемого объекта. Простейшими из которых являются модификаторы формы Bend (Изгиб), Taper (Расширение).
Анализ имеющихся портативных навигационных приборов показал, что данные изделия выполнены по одно-объемной схеме, т.е. корпус представляет собой единую и завершенную геометрическую форму.
Большинство выпускаемых портативных приборов имеют вертикально вытянутую форму, что обусловлено функциональной целесообразностью и эргономическими требованиями. Такая форма корпуса позволяет умещаться прибору на ладони взрослого человека. Отсутствие острых кромок по краям является обязательным эргономическим предписанием для приборов подобного типа.
Корпус может состоять из двух частей - лицевой и тыльной, которые могут различаться как по форме, так и по характеристикам используемых материалов.
Таким образом, при трехмерном моделировании в программе 3d Studio Мах4.0 обе части корпуса создаются при помощи средства ChamferBox (Скошенный параллелепипед), списка Extended Primitives (Расширенные примитивы), категории Geometry (Геометрия), вкладки Create (Создать), как это сделано на примере проектируемого прибора. Использование данного программного средства представляется как наиболее простой способ создания базового объекта корпуса, так как этот примитив уже имеет закругленные края, радиус скруглення которых можно вводить с клавиатуры. От количества сегментов скошенного параллелепипеда зависит сложность дальнейшего редактирования формы на уровне её подобъектов.
Разработка дизайна отечественного портативного навигатора
Одним из видов дизайна (по Н. В. Воронову) является процесс соединения в изделии материально-технической основы с принципом оптимального соответствия осуществляемой функции при одновременном достижении гармоничной целостности формы. Сложность создания портативного навигационного прибора состоит в соединении в одном малогабаритном устройстве навигационно-временного приемника, воспринимающего сигналы спутников и обрабатывающего полученную информацию, и пульта управления (экран, клавиатура, аппаратный интерфейс), обеспечивающего не только управление навигационным прибором, но и удобное визуальное восприятие навигационно-картографической информации. Поскольку навигационный портативный прибор состоит из навигационно-временного устройства, принимающего информационные сигналы спутников и обрабатывающего полученную информацию, и пульта управления (интерфейсных средств), в качестве первого критерия при определении габаритных размеров будущего навигатора были приняты габаритные размеры приемника (электронной платы и микропроцессора). В настоящее время в России существуют несколько вариантов приемных навигационно-временных устройств, разработанных следующими предприятиями: РНИИ Космического приборостроения, Российским институтом радионавигации и времени, КБ «Компас» и др. На основании проведенного анализа в качестве принимающего устройства нами выбран навигационно-временной приемник К-161 спутниковых систем ГЛОНАСС (Российский институт радионавигации и времени), предназначенный для определения текущих координат, скорости и времени. Данный приемник выгодно отличается от аналогичных устройств оптимальным сочетанием цены и качества и может быть легко встраиваем в навигационные комплексы и системы синхронизации различного назначения. I I Следующие функциональные особенности позволили использовать данный приемник в разрабатываемом приборе: - 16 универсальных каналов приема сигналов с произвольным распределением между системами позволяют при решении навигационной задачи выбирать оптимальное созвездие спутников; Одновременное использование сигналов систем ГЛОНАСС/GPS позволяет: а) повысить достоверность и непрерывность навигационных определений, б) избежать «мертвых зон» в сложных условиях пересеченной местности, городских застроек, промышленных инфраструктур и высоких широт. Способность приемника выполнять высокоточные навигационные определения в дифференциальном режиме позволяет использовать его в профессиональной морской, наземной и авиационной навигационной аппаратуре. К данному типу приемников могут быть подключены различные антенны: активные и пассивные (Рисунок 3.2).
Материалы и технологии изготовления пульта управления портативного навигационного прибора
Основные требования, предъявляемые к материалу корпуса прибора -это его практичность и удобство эксплуатации. Основные требования, предъявляемые к материалам пульта управления прибора - это практичность и удобство эксплуатации. Определены следующие принципы оптимизации: минимизация веса прибора, эргономическая целесообразность, четкость восприятия информации, водонепроницаемость, ударостойкость. Была подобрана серия материалов для изготовления корпуса прибора, управляющих клавиш, ЖКИ противоударного экрана. Материал должен быть: а) достаточно прочным, чтобы выдерживать возможные перегрузки при падении прибора на твердую поверхность; б) водонепроницаемым; в идеальном случае при герметизации швов прибор должен обладать плавучестью, что особенно актуально при использовании его в водных походах или морской навигации; в) материал ручного прибора должен вызывать субъективно-приятные тактильные ощущения при работе с ним; г) поскольку при эксплуатации прибора возможно достаточно быстрое загрязнение его поверхности, материал должен обладать высоким коэффициентом адгезии. д) материал должен быть высокотехнологичным, хорошо поддаваться обработке и соответствовать санитарно-техническим нормам ГОСТ.
Исходя из вышесказанного, для изготовления корпуса прибора был предложен поликарбонат, который относится к классу синтетических полимеров и является сложным линейным полиэфиром угольной кислоты и фенолов. В состав помимо полимера - основного компонента будут входить наполнители и пластификаторы, понижающие температуру текучести и вязкость полимера, стабилизаторы, замедляющие его старение и красители. Основные свойства поликарбоната представлены в таблице №4.1 Поликарбонаты широко применяются в электротехнической промышленности и перерабатываются всеми обычными для термопластов методами (например, литьем под давлением, экструзией, прессованием). Для изготовления корпуса прибора использован метод литья под давлением. Пресс-форма, изготовленная из термостойкой стали 40Х, выдерживает нагревание до 200 С и количество теплосмен - до 100 000 без ремонта. Процесс изготовления можно условно разделить на три операции: - сушка прозрачных гранул исходного сырья; - процесс литья под давлением 120 Мпа на термопластавтомате; - отрезка летника. Поликарбонат не имеет аналогов по механическим свойствам среди применяемых в настоящее время полимерных материалов и необычен сочетанием высокой термостойкости, уникальной ударопрочности и, одновременно с этим, высокой прозрачности. Его свойства мало изменяются с ростом температуры, а критические низкие температуры, ведущие к охрупчиванию (переходу в стеклообразное состояние), находятся за пределами возможных отрицательных температур эксплуатации. Поликарбонат по европейской классификации относится к классу В1 -трудно воспламеняемых материалов. Поликарбонат безопасен для здоровья человека и широко применяется в пищевой промышленности (изготовление посуды).
С помощью различных модификаторов можно получать различные цвета корпуса прибора, изготовленного из поликарбоната. Например, в соответствии с существующими тенденциями моды, возможно изготовить прозрачный корпус, или, для лучшего восприятия в темное время суток, можно предложить ярко-желтый или ярко-зеленый цвет корпуса прибора. Для особых сфер применения может быть востребован прибор со светящимся корпусом, например, в работе спасательных служб. Во всем мире для плоских малогабаритных индикаторных панелей в более чем 90% случаях используются дисплеи на жидких кристаллах. Далее рассмотрены существующие технологии и варианты исполнения ЖКИ. Технология жидких кристаллов: STN: Super Twisted Nematic с высоким контрастом и широким утлом обзора. WTSTN: Технология STN с расширенным температурным диапазоном от -20 до +70С. FSTN: Пленочная STN с компенсацией цветовых искажений (только для графических дисплеев). Варианты исполнения ЖКИ: Reflective: Работает на отражение при внешнем освещении, используется для недорогих обычных применений. Transmissive: Работает на просвет с фоновой подсветкой, для использования при недостаточном внешнем освещении. TransFlective: Работает с внешним освещением и/или с фоновой подсветкой. Фоновая подсветка: EL: Электролюминесцентная - равномерный свет разных цветов, малое потребление (напряжение питания около 100 В), очень малый занимаемый объем, наработка на отказ свыше 3000 часов. CFL: Лампы с холодным катодом - очень яркий белый свет, малое потребление (напряжение питания около 300 В), наработка на отказ свыше 15000 часов. LED: Светодиодная - высокая яркость, любой цвет, питание напрямую от +5 В, наработка на отказ свыше 50000 часов. Строковые модули Новые комбинации строк и знакомест от 1 х 16 до 4 х 40. Встроенный контроллер HD 44780 с 4-х или 8-разрядным интерфейсом, прошитый знакогенератор на 192 символа, загружаемый пользователем знакогенератор на 8 символов. Предложено использовать FSTN - технологию, TransFlective -вариант исполнения, и светодиодную фоновую подсветку. Для повышения устойчивости к абразивному истиранию (защиты от возможных царапин) и защиты от механических повреждений предложена жидкокристаллическая индикационная панель с защитным покрытием экрана и повышенными механическими свойствами.
