Cosa si Dovrebbe Conoscere Utilizzando il GPS nell'Acquisizione Dati

Quest'articolo descrive la tecnologia GPS e la sua modalità d'impiego nella registrazione dati mobile. Esso specifica i diversi tipi di sensori che si possono collegare al QuantumX, come parametrizzarli e come effettuare l'analisi dei dati basata sulla posizione nella post-elaborazione.  

Acquisizione ed Analisi Dati Basata sulla Posizione o sulla Mappa

I dati basati sulla posizione o sulla carta geografica offrono vantaggi significativi per l'analisi dei dati acquisiti in un veicolo in movimento, poiché tramite essi si ottengono relazioni di prova con risultati tracciabili. La  funzione Video rappresenta un altro grande vantaggio, consentendo la vista perfetta dei dati per registrazioni non presidiate. 

Il registratore dati QuantumX è lo strumento ideale sia per le acquisizioni in laboratorio che per quelle mobili. Il registratore legge i sensori GPS e registra con accuratezza i segnali della posizione. Esso combina gli ingressi analogici di alta qualità per le grandezze meccaniche, termiche ed elettriche quali deformazioni, pressioni, accelerazioni, coppie, forze, temperature e spostamenti,  con le ulteriori informazioni provenienti dall'acquisizione del CAN bus.

L'acquisizione dei dati GPS consente agli ingegneri di correlare facilmente i risultati di misura con la posizione e, nel contempo, con la reazione del veicolo. Essa consente anche di estrarre semplicemente i dati acquisiti basati sulla posizione di un certo tratto della pista di prova o del percorso stradale, al fine di correlarli con una rilevazione precedente. 

Cos'è il GPS?

GPS è l'acronimo di Global Positioning System, originariamente fondato sul sistema di satelliti NAVSTAR degli Stati Uniti. Esiste anche un sistema russo chiamato GLONASS. Il sistema dell'Unione Europea è denominato GALILEO (pianificato per il 2014, sarà completato entro il 2019). La Cina sta lavorando su un sistema di nome COMPASS (BeiDu-2 Navigation System, pianificato per il 2015, da completare entro il 2020).

Un sensore GPS riceve le seguenti informazioni dai satelliti orbitanti attorno alla terra:

  • posizione con gli assi x, y et z (longitudine, latitudine ed altitudine),
  • tempo (anche come segnale direttamente codificato PPSl),
  • numero di satelliti visibili. 

Alcuni sensori GPS offrono il calcolo di informazioni ausiliarie quali la velocità. Dato il rapido sviluppo della tecnologia del silicio, risulta ovvio che i sensori GPS offriranno sempre moltissime altre informazioni in futuro. Con la "sintonia fine" o l'interpolazione, le moderne Unità di Misura Inerziale (IMU), forniscono già informazioni GPS addizionali con alta cadenza dei dati mediante ulteriori sensori locali, tipo accelerometri, giroscopi e misuratori di temperatura, oltre ai dati angolari (beccheggio, rollio, imbardata).

Allo scopo di catturare il massimo numero di satelliti, attualmente i sensori GPS necessitano di un visione a 360°del cielo che si ottiene, ad esempio, montandoli sul tetto del veicolo.

Il software del registratore può così calcolare la distanza nella direzione di viaggio, l'accelerazione ed altri parametri, basandosi sui dati della posizione.

Il GPS viene usato per calcolare con precisione la latitudine e longitudine di una specifica posizione. Il sistema GPS si basa su una rete di numerosi satelliti che orbitano attorno alla terra due volte ogni 24 ore. La precisione dell'orbita dei satelliti e l'impiego di orologi di estrema accuratezza consentono la precisa triangolazione della posizione dei veicoli o degli utenti. Ogni satellite trasmette la sua esatta posizione ed un tempo molto preciso. L'accuratezza del tempo richiesta dal GPS viene fornita al sistema di satelliti dagli orologi atomici dello U.S. Naval Observatory, consentendo in tal modo all'intero sistema di operare con la piena sincronizzazione.

Chi Utilizza il GPS?

Il GPS è disponibile in molte forme per la navigazione di qualsiasi tipo di veicolo o per attività ricreative, come le escursioni in montagna sia a piedi che in mountain bike. I moderni telefoni cellulari intelligenti (smart) e le fotocamere digitali vengono sempre più offerti con sensori GPS interni. I meteorologi lo usano per le previsioni del tempo. I geologi lo usano quale metodo di alta precisione per il monitoraggio o la misurazione dei movimenti tettonici nello studio dei terremoti. 

Usandolo insieme al registratore dati QuantumX, lo scopo principale del GPS è l'analisi del movimento dei veicoli quali automobili, autocarri, autobus, motociclette, gestione materiali, macchine forestali, treni, aeroplani, ecc. 

Insieme al GPS esistono sensori inerziali altamente dinamici e sensori interni indirizzati ad applicazioni più specifiche, quali il monitoraggio cinematico o la validazione dei veicoli in conformità alle prove normalizzate come le ISO4138, ISO7401, ISO7975 od ISO3888-2  (conosciuta anche come “elk test” - prova dell'alce).

Il QuantumX è uno strumento ingegneristico per scopi di misurazione e prova, che permette l'acquisizione di tutti i tipi di segnali analogici e digitali, oltre a quelli dei bus mediante CAN, CCP od XCP-on-CAN, ad esempio “wheel speed front left” (velocità ruota anteriore sinistra) e ciò in parallelo ed in correlazione alla posizione del veicolo (GPS) ed i dati video.

Come Funziona il GPS?

Il GPS è un sistema di navigazione satellitare che utilizza 29 satelliti (minimo 24 satelliti attivi). Il nome completo del sistema è “Navigational Satellite Timing and Ranging – Global Positioning System – NAVSTAR-GPS. Originariamente, il sistema fu sviluppato dallo US Department of Defense (Dipartimento della Difesa USA) e lanciato ufficialmente nel 1995. Tutti i satelliti si muovono in orbite esatte in modo da ricevere i segnali da almeno 6-10 satelliti da qualsiasi posizione nel mondo e da almeno 4 di essi contemporaneamente. Ogni satellite GPS invia i dati codificati C/A con frequenza di 1575,42 MHz nella banda civile L1. Oltre alla posizione ed il tempo, viene inviato anche uno speciale codice per distinguere univocamente un satellite dall'altro. Il ricevitore GPS decodifica questi segnali (CDMA). Il codice militare di alta precisione P/Y non è pubblico. 

Il sensore GPS che riceve i segnali da almeno 3  satelliti può analizzare con precisione la posizione: latitudine e longitudine.  4 satelliti consentono di calcolare anche l'altitudine (= altezza  sul livello del mare). In aviazione, l'“altitudine” viene generalmente utilizzata per misurare la distanza fra il sensore ed il suolo. Più numerosi sono i satelliti, tanto maggiore è l'accuratezza. Accendendo per la prima volta il sistema QuantumX ed il sensore GPS, comincia la localizzazione dei satelliti. Questo processo può durare fino a 5 minuti. Dopo l'inizializzazione, il GPS impiega solitamente meno di un minuto per rilevare tutti i segnali. Tutto il processo viene controllato dal software.

Che Precisione ha il GPS?

La precisione della posizione dipende da molti fattori. Normalmente, più segnali il ricevitore GPS acquisisce dai satelliti, migliore è il segnale stesso. La posizione del satellite ed il conseguente livello di energia ricevuto, sono fattori determinanti in termini di accuratezza. Un oggetto situato fra il satellite ed il sensore, quale un edificio alto, può causare imprecisione poiché non viene ricevuto o riflesso il segnale. In genere, la qualità dei sensori GPS consente un'accuratezza migliore di 10 cm / m. 

Collegamento del Sensore GPS al QuantumX

Per collegare un sensore GPS al QuantumX si possono usare due tipi d'interfaccia:

  • RS232 / DSub-9
    • Interfaccia QuantumX: RS232 direttamente al registratore dati CX22 / CX22B-W
    • Sensore che trasmette i dati secondo la norma NMEA 0183
    • Cadenza di aggiornamento: 1 … 5 Hz
  • CAN bus
    • Interfaccia QuantumX: MX840 / MX840A (canale no. 1) od MX471 (canali no. 1 - 4)
    • Sensore che trasmette i dati mediante CAN bus
    • Cadenza di aggiornamento: 20 ... 200 Hz

Sensori GPS Basati su RS232 (Protocollo NMEA 0183)

Scelta:

  • NAVILOCK NL-403P con piedino magnetico     
  • GARMIN GPS18-5 Hz
  • GARMIN GPS35 tracpak
  • VBSS 5/10/20/100 Hz

I sensori GPS di questo tipo hanno l'antenna incorporata ed offrono la cadenza di aggiornamento di 1-5 Hz e basso assorbimento di potenza. L'interfaccia RS232 (femmina) con connettore seriale DSub a 9 poli può essere inserita direttamente nel registratore dati  QuantumX. Il ricevitore può localizzare fino a 12 satelliti. Questi tipi di sensore sono ideali per veicoli a movimento lento o meno agile quali i  treni o le navi.

Un cavo di alimentazione extra può essere terminato con una spina delle dimensioni di un accendisigari (6 … 40 V=).
Il sensore possiede una custodia resistente all'acqua ed opera nel campo di temperatura  -30 … 80 °C

NOTA: L'EGPS-5HZ del Somat HBM dispone di un connettore M8 maschio. 

RS232 / cablaggio di uscita NMEA (DSub-9)

 

 

DSub-9

Racelogic

VBSS

GARMIN
GPS18-5 Hz

GARMIN

GPS35 tracpak

Polo / Segnale

Segnale

Segnale

Segnale

1

-

rosso

rosso

2 / RX

8 / TX

bianco

bianco

3 / TX

1 / RX

verde

blu

4

-

-

-

5

9

-

-

6, 7, 8, 9

-

-

-

Sensori GPS basati su USB

Esistono anche sensori basati su USB supportati da catman EASY – si prega di ordinarli di conseguenza.

Parametrizzazione Passo per Passo dei Sensori GPS Basati su RS232

  1. Collegare il sensore GPS alla RS232 del proprio CX22 / CX22B-W
  2. Lanciare il software del registratore dati ed aprire il dialogo “Configure device scan”

  1. Attivare la linguetta (tab) "Manual devices” ed aggiungere “New device”

  1. Se non indicato altrimenti nel prospetto dati GPS, configurare la porta nel seguente modo

  1. Evidenziare “Consider manual devices"

  1. Lanciare un “New DAQ project”
  1. Tutti gli strumenti vengono interrogati (scan) automaticamente. La seguente schermata mostra l'elenco canali con un modulo QuantumX ed i segnali GPS di latitudine, longitudine, altitudine, velocità e tempo provenienti dal  sensore GPS basato su RS232.

NOTA: Per fornire il segnale tempo è necessario almeno un modulo QuantumX. Tutti i segnali GPS saranno poi relativi a questo gruppo tempo. 

Sensori GPS Basati su CAN

Fondamentalmente qualsiasi sensore GPS che offra questo bus standard può essere collegato al QuantumX.

I moduli MX840, MX840A ed MX471 dispongono della connessione ISO 11898 alta velocità al CAN bus. La cadenza del bus può essere regolata come indicato nel prospetto dati. Il formato dei dati può essere Motorola od Intel. Con l'MX471a, la terminazione del bus può essere attivata tramite software. Usando l'MX840 od MX840A, essa deve essere saldata nel connettore.

Questi tipi di sensore possono essere utilizzati per le prove su veicoli di automobili, auto e moto sportivi con i più elevati requisiti di velocità e precisione. Applicazioni tipiche sono le  dinamiche generali dei veicoli (verticale od orizzontale).

Configurazione Passo per Passo dei Sensori GPS Basati su CAN

  1. Collegare il sensore GPS ad un nodo CAN bus privato dello
    MX471: canali 1 - 4 od 
    MX840 / MX840A canale 1
    Nota: Ricordare che sia possibile dover terminare il CAN bus dal lato del  QuantumX (l'MX840A nel connettore, l'MX471 tramite un comando software)
  2. Passare alla banca dati sensori: importare il file *.dbc dal sensore GPS
  3. Andare alla panoramica canali: trascinare e rilasciare il file *.dbc sul canale e configurare il nodo CAN,
    cadenza dati: 500 kBit, terminazione su ON
  4. Opzionalmente si possono visualizzare i segnali con un indicatore numerico che mostri la posizione in formato geografico: gradi.minuti.secondi

NOTA: Per fornire il segnale tempo è necessario almeno un modulo QuantumX. Tutti i segnali GPS saranno poi relativi a questo gruppo tempo. 

Ricerca errori col sensore GPS basato su CAN della Racelogic

Se i dati GPS vengono persi, analizzare il sensore GPS usando il software VBSS:

  1. Collegare il sensore GPS al proprio PC via RS232 e verificare se funziona correttamente.

  1. Cliccare sulla linguetta (tab) CAN, verificare e, se necessario, modificare i seguenti parametri:
    Baud rate: 500 kBit (presunto)
    Terminazione bus del CAN bus: Active Termination = ON, lato sensore con 120 Ohm
    CAN identifier: 0x301 … 0x307
    CAN message identifier format: standard 11 Bit
    Dopo ogni cambiamento, prenderne nota e cliccare su “Write Settings” per renderlo permanente.

  1. Configurare la tensione di uscita analogica continua  del sensore (spina BNC) alla velocità del veicolo (come mostrato), accelerazione laterale, accelerazione longitudinale o lap beacon (impulso digitale all'attraversamento di una linea di Partenza / Arrivo “virtuale”, basata sui dati GPS per il calcolo del tempo sul giro in una corsa).

Analisi di Post-elaborazione Basata sulla Posizione o sulla Mappa

Si possono visualizzare ed analizzare matematicamente ed in modo automatico tutti i propri dati usando il potente software di post-elaborazione grafica GlyphWorks della HBM nCode.

Il pacchetto Synchronized Displays fornisce una serie di utensili per mostrare i dati GPS mappati globalmente su Microsoft MapPoint od usare la funzione export per Google Earth.

I tipi di indicatori multipli possono mostrare ogni ingresso di dati provenienti dai sensori o dal bus, la posizione esatta e perfino video in modo sincronizzato.

Con un clic si ottengono Rapporti Analisi monopagina in formato PDF da centinaia di campi di testo, realizzando così uno strumento ingegneristico perfetto.

Figura: GlyphWorks - Per visualizzare ed analizzare i dati di misura con la funzione zoom all'interno della propria serie di dati, sia nel dominio del tempo che in quello della frequenza

Figura: GlyphWorks – Analisi dati in un flusso grafico con compiti matematici. Da sinistra a destra: pool di dati, calcolo della velocità, analisi time-at-level di accelerazione e velocità, calcolo FFT, mappa geografica 

Figura: GlyphWorks – Esempio di rapporto globale generato automaticamente che raffigura tutti gli aspetti della propria prova: metadati, dati, GPS e posizione, analisi, ecc.

Contatti Prego, contattateci se desiderate conoscere cosa può offrirvi la HBM.