ما هي إلكترونيات المركبات (Vetronics)؟ طبقات إلكترونيات المركبة وبنيتها

إلكترونيات المركبات (Vetronics) اختصار لعبارة "vehicle electronics": إلكترونيات الطاقة والبيانات والرؤية والعرض والتحكم المدمجة في المركبة العسكرية. والإجابة المختصرة عن سؤال "ما هي إلكترونيات المركبات" هي: كل ما هو إلكتروني في المنصة خارج المحرك والتدريع، مما يتيح للطاقم الرؤية والاتصال وإدارة المركبة وأنظمة مهمتها، إلى جانب البنية التي تربط هذه الأنظمة الفرعية بعضها ببعض.

يتناول هذا الدليل المفهوم طبقةً طبقة: أي الأنظمة الفرعية تنتمي إلى إلكترونيات المركبات، وكيف تترابط في جانبي الطاقة والبيانات، وما الذي تنظّمه معايير البنية المفتوحة، وما الذي يُبحث عنه في المواصفة. أما جانب الطاقة بالتفصيل، من البطاريات والمولّد إلى قضيب التوزيع والتوزيع، فيتناوله دليل البنية الكهربائية للمركبات العسكرية؛ والمقالان وجهان للمركبة نفسها. يوجد تعريف موجز في المسرد، وتُدرج المنتجات ضمن إلكترونيات المركبات العسكرية.

يتغير حد المصطلح بحسب المنصة والبرنامج، لكن في المركبة التكتيكية ذات العجلات أو المركبة المدرعة تُحسب عادةً مجموعات الأنظمة الفرعية التالية ضمن إلكترونيات المركبات:

هذه المجموعات ليست مستقلة بعضها عن بعض. فالكاميرا حمل على طبقة الطاقة ومصدر على طبقة البيانات في آن واحد؛ ووحدة التحذير تتلقى أوامرها من ناقل المركبة وتتبع، في وضع التعتيم، انضباط الإنارة الخارجية. لهذا يسهل التفكير في إلكترونيات المركبات على أنها طبقات لا قائمة من الصناديق.

1. طبقة الطاقة: 28 VDC والعزل

تعمل معظم المركبات البرية العسكرية على شبكة اسمية 28 VDC يحدد MIL-STD-1275 نطاق حالتها المستقرة وعوابرها. ومن منظور إلكترونيات المركبات، مهمة طبقة الطاقة هي إيصال هذه الشبكة إلى كل نظام فرعي بالجهد المناسب، محميةً وعبر مخارج معزولة كلما أمكن. وللعزل أهمية لسببين: حلقات الأرضي التي تدور عبر هيكل المركبة تحقن ضجيجاً في خطوط الفيديو والصوت التماثلية، ومن دون عزل يخفض قصر الدارة في قناة واحدة جهد القنوات الأخرى.

من أمثلة هذه الطبقة وحدة توزيع الطاقة للكاميرات العسكرية SENTRA KBM. ووفق ورقة بياناتها، المدخل نظام كهربائي لمركبة عسكرية 28 VDC متوافق مع MIL-STD-1275E؛ وفي جانب المخارج يوجد ما لا يقل عن 11 مخرج كاميرا معزولاً 12 VDC، ومخرج لحاسوب المهمة 24 VDC ±0.2 V (بحد أدنى 200 W)، ومخرج شاشة معزول 24 VDC (بحد أدنى 25 W)، ومخرج منفصل لوحدة المقاعد. وتستخدم جميع التوصيلات موصلات MIL-DTL-38999. أما تفاصيل تصميم تغذية الكاميرات وحلقات الأرضي وتخطيط الضفيرة فيتناولها دليلنا حول كيفية تغذية كاميرات المركبات المدرعة.

2. طبقة البيانات: CAN bus وJ1939 وEthernet

تنتقل بيانات الحالة والأوامر بين الأنظمة الفرعية عبر ناقل بيانات المركبة. وفي المركبات البرية، العمود الفقري الأكثر شيوعاً هو CAN bus (ISO 11898)؛ وفي الطبقة العليا تستخدم معظم المنصات بروتوكول SAE J1939 أو بروتوكول CAN خاصاً بالبرنامج. وقد شاع Gigabit Ethernet للفيديو وبيانات المهمة التي تحتاج إلى عرض نطاق عالٍ، بينما لا يزال RS-485 وRS-422 يُستخدمان للوحات التحكم والوحدات الفرعية البسيطة.

طبقة البيانات هي ما يحوّل إلكترونيات المركبات من كومة أجهزة منفردة إلى نظام. بعض الأمثلة:

• يقرأ نظام مراقبة المقاعد والأحزمة العسكري SENTRA-16 عدد 32 قناة (16 مقعداً + 16 حزاماً) ويرسل البيانات إلى حاسوب مهمة المركبة عبر CAN bus (ISO 11898، 500 kbps).
• يضم نظام إدارة الفيديو للمركبات العسكرية TDG-VMS-111 في واجهة المركبة 2 × CAN 2.0B (J1939) و2 × RS-422/485؛ وتتبدل المشاهد تلقائياً وفق إشارات المركبة مثل التعشيق الخلفي وإشارات الانعطاف والسرعة، ويصل الفيديو إلى حاسوب المهمة كتدفق RTSP / ONVIF عبر Gigabit Ethernet. وتعطي ورقة البيانات هذه القيم بوصفها قيم تصميم أولي Rev. 01.
• تُصنع وحدة التحذير القابلة للبرمجة T-Light بطرازين منفصلين، أحدهما يتواصل عبر RS-485 والآخر عبر CAN bus؛ ويُحدد البروتوكول عند الطلب.
• تتواصل وحدة التحكم عن بُعد في نظام قاذف القنابل الدخانية 76 mm TDG-76-SGL مع الأنظمة الإلكترونية الأخرى في المركبة عبر ناقل البيانات نفسه بفضل بنيتها التحتية CANBUS (J1939).

طوبولوجيا الناقل وإنهاؤه وتدريع الكابلات مصادر خطأ متكررة في تكامل إلكترونيات المركبات؛ وسنتناول CAN bus وJ1939 للمركبات العسكرية في دليل منفصل.

3. طبقة الرؤية والوعي الظرفي

تتطلب القيادة بفتحات مغلقة والمناورة في الأماكن الضيقة والحركة الليلية أن يرى السائق والقائد، عبر الكاميرات، المناطق التي لا يمكنهما رؤيتها مباشرة. وتتكون هذه الطبقة من الكاميرات ووحدة إدارة الفيديو ووظائف معالجة الصورة. وأسئلة التصميم هي: كم كاميرا، وبأي صيغة (تماثلية AHD / CVBS أو IP)، وأين تُعالج الصور (وحدة إدارة فيديو مخصصة أم حاسوب المهمة)، وما زمن الاستجابة المقبول، وهل يلزم التسجيل.

تقدم ورقة بيانات TDG-VMS-111 مثالاً ملموساً لهذه الطبقة: 11 مدخل كاميرا AHD / CVBS مستقلاً، ومشهد علوي 360° في الزمن الحقيقي مركّب من أربع كاميرات واسعة الزاوية، و2 × HDMI مخرجي شاشة، وزمن استجابة من الكاميرا إلى الشاشة أقل من 80 ms في المشهد المفرد. وتعمل الوحدة على 18–33 VDC (28 VDC اسمياً) ومدخلها مصمم وفق جودة الطاقة MIL-STD-1275E؛ والقيم قيم تصميم أولي Rev. 01. أما الكاميرات نفسها فتوجد في فئة أنظمة كاميرات المركبات العسكرية.

4. واجهة الإنسان والآلة: الشاشات وأدوات التحكم

يرى الطاقم الأنظمة الفرعية ويديرها عبر الشاشات ولوحات التحكم وبرمجيات حاسوب المهمة. والخصائص المطلوبة في شاشة المركبة العسكرية هي القراءة تحت ضوء الشمس، وسطح لمس يعمل مع القفازات، وخيار إضاءة خلفية متوافق مع نظارات الرؤية الليلية، وموصلات عسكرية.

في سلسلة رؤية المركبة، تغذي مخارج HDMI في TDG-VMS-111 شاشة TDG-DSP-101 مقاس 10.1"، التي تعمل على 9–36 VDC وتستقبل HDMI عبر موصل دائري من نوع MIL-DTL-38999. وتُورَّد الشاشة وتُدمج بوصفها جزءاً من حزمة رؤية المركبة. والعمل الهندسي الحقيقي في هذه الطبقة هو منطق المشاهد: أي كاميرا تُعرض ومتى، وكيف يؤثر أمر التعتيم في الإضاءة الخلفية.

5. سلامة الطاقم والتحذير والتعتيم

تراقب الطبقة الخامسة حالة الأفراد وتشير إلى الحالة للمركبة أو لمحيطها. وتندرج هنا مراقبة إشغال المقاعد وأحزمة الأمان، وحالة الأبواب والمنحدر، والتحذير الصوتي والبصري، ووضع التعتيم. ويبرز مبدآن في التصميم: ينبغي تعريف سلوك التحذير في البرمجيات لا في العتاد، بحيث تناسب الوحدة نفسها سيناريوهات مختلفة على منصات مختلفة، ويجب أن يكون التعتيم قابلاً للفرض بأمر واحد على النظام بأكمله.

تعكس ورقة بيانات وحدة التحذير T-Light هذين المبدأين: يتغير اللون والوميض ومستوى الصوت بأوامر من نظام التحكم؛ والتنبيه الصوتي بحد أقصى 110 dB على ثلاثة مستويات؛ ويطفئ وضع التعتيم مصابيح LED والتنبيهات الصوتية كلياً. وتعمل الوحدة على 16–32 VDC، وغلافها IP68، وتعطي ورقة بياناتها قيم الاهتزاز MIL-STD-810H 514.8 والصدمة 516.8. أما SENTRA-16 فيعمل على 18–32 VDC ويستهلك أقل من 15 W وغلافه IP65.

الخطأ الأكثر شيوعاً في بنية إلكترونيات المركبات أن يصمم فريق توزيع الطاقة ويصمم فريق آخر ناقل البيانات، كلٌّ على حدة. فالطبقتان تؤثر كل منهما في الأخرى مباشرة:

• حلقات الأرضي: إذا أخذت الطاقة المتجهة إلى الكاميرا والفيديو العائد منها مرجع الهيكل من نقطتين مختلفتين، يركب الضجيج على خط الفيديو التماثلي. الحل في طبقة الطاقة (مخرج معزول)؛ والعَرَض يظهر في طبقتي البيانات والرؤية.
• الاضطراب المنبعث: يمكن لمزوّد طاقة تبديلي أو لمشغّل صفارة وحدة التحذير أن يرفع عدّاد الأخطاء على خط CAN عبر التموّج الذي يعيده إلى ناقل المركبة. لهذا يحدّ MIL-STD-1275 أيضاً من الاضطراب الذي تصدره المعدات، ويقيس MIL-STD-461 الانبعاثات الموصلة؛ وتُشرح العلاقة بين المعيارين في دليل MIL-STD-461 وMIL-STD-810.
• التعتيم: التعتيم سلوك نظام لا ميزة جهاز واحد. فيجب أن تنطفئ مصابيح LED في وحدة التحذير والإضاءة الخلفية للشاشة ومؤشرات الحالة في لوحة الطاقة بالأمر نفسه أو المفتاح نفسه. فعلى سبيل المثال، يطفئ مفتاح BLACKOUT في اللوحة الأمامية لـوحدة تحويل الطاقة العسكرية TPS-24DCAC المؤشرات فقط بينما تبقى خطوط الطاقة موصولة؛ ويجب أن يصل أمر التعتيم نفسه إلى وحدة التحذير عبر ناقل البيانات.
• تسلسل بدء التشغيل: ما لم يُخطَّط بشكل مشترك لأي نظام فرعي يُغذّى أولاً عند تشغيل المفتاح ومتى يبلّغ "جاهز" على الناقل، تعمل الشاشة من دون صورة كاميرا.

أما الأحمال في جانب الأنظمة التكتيكية، أي كشاف البحث المركّب على البرج (16–33 VDC) ووحدة التحذير، فتوجد في فئة الأنظمة التكتيكية؛ وكيفية مشاركة هذه الأحمال ناقل المركبة مع توزيع الطاقة والكاميرات يتناولها دليل البنية.

تاريخياً، كانت إلكترونيات المركبات مجالاً مغلقاً يجلب فيه كل مورّد نظام فرعي شاشته الخاصة وكابلاته الخاصة وبروتوكوله الخاص. وكانت النتيجة عدداً متزايداً من الشاشات داخل المركبة، وضفيرة أثقل، وتكاملاً يُعاد مع كل تحديث. وقد طُوّرت معايير البنية المفتوحة لمواجهة هذه المشكلة:

• NGVA (NATO Generic Vehicle Architecture, STANAG 4754): التعريف المشترك للبنية التحتية الإلكترونية ونموذج البيانات والواجهات لمركبات NATO البرية. ويهدف إلى أن تتخاطب الأنظمة الفرعية عبر شبكة مركبة قائمة على Ethernet باستخدام نموذج بيانات مشترك.
• GVA (Generic Vehicle Architecture, DEF STAN 23-09): النهج الذي طُوّر في المملكة المتحدة وشكّل أساس NGVA، بقواعد مشتركة للطاقة والبيانات وواجهة الإنسان والآلة.
• VICTORY: بنية الجيش الأمريكي التي تهدف إلى جمع الإلكترونيات داخل المركبة على شبكة مشتركة وتوزيع بيانات الموقع والملاحة والتوقيت على كل الأجهزة.

تُستخدم هذه المعايير لكتابة قواعد تكامل المنصة، لا لإعلان منتج ما "متوافقاً". ويُتوقع من مورّد النظام الفرعي أن يعرّف في ICD الواجهات (نموذج البيانات، الطبقة الفيزيائية، واجهة الطاقة) التي تطابق البنية التي اختارتها المنصة. ولا تدّعي أوراق بيانات منتجات TEDEG المذكورة في هذا المقال التوافق مع هذه البنى؛ إذ تُحدد الواجهات للمنصة عبر ICD سابق للطلب.

تُظهر الخبرة الميدانية أن معظم المشكلات في برامج إلكترونيات المركبات تنشأ عند الواجهات لا في الأجهزة المنفردة:

1. 1.ICD غير محدد: تُصنع الضفيرة قبل تثبيت تخصيص الأطراف وأنواع الموصلات ورسائل البيانات كتابةً؛ وكل طرف يتغير لاحقاً يعني مراجعة للضفيرة.
2. 2.غياب ميزانية الطاقة: تبدو أحمال الكاميرات والشاشة والحاسوب والتحذير صغيرة كلٌّ على حدة؛ لكنها مجتمعةً، مع تيارات الاندفاع، تتجاوز سعة قنوات وحدة التوزيع.
3. 3.غياب خطة التأريض: من دون خطة تأريض مكتوبة واحدة للمستشعرات المرجعة إلى الهيكل ومخارج الكاميرات المعزولة وخطوط الفيديو المحجوبة، تُكتشف مشكلات الضجيج في الميدان.
4. 4.إنهاء الناقل: من دون مقاومة إنهاء عند طرفي خط CAN، أو مع مقاومة ثالثة زائدة، يرتفع عدّاد الأخطاء؛ والعَرَض فقدان متقطع للاتصال.
5. 5.نطاق التأهيل البيئي: لا يُسأل في مرحلة عرض السعر عن أي وحدة تحققت بأي طرق MIL-STD-810 وبأي مستويات؛ فتظهر الفجوة في اختبارات القبول.

يمكن تفادي كل من هذه المشكلات بوثيقة تحكم في الواجهات تُكتب في بداية البرنامج وبعمل منضبط في تكامل الأنظمة.

عند كتابة مواصفة لنظام فرعي أو لحزمة إلكترونيات مركبات كاملة، تشكّل العناوين التالية الحد الأدنى من القائمة:

"مصمَّم وفق" و"مختبَر وفق" مستويان مختلفان من الإثبات؛ وينبغي للمواصفة أن تبيّن بوضوح أيهما تطلب.

TEDEG Defence مصنّع لإلكترونيات الطاقة العسكرية وإلكترونيات المركبات مقره أنقرة. وتغطي عائلة منتجاته في إلكترونيات المركبات طبقات الطاقة والبيانات وسلامة الطاقم:

• وحدة توزيع الطاقة للكاميرات SENTRA KBM: مدخل 28 VDC متوافق مع MIL-STD-1275E؛ ما لا يقل عن 11 مخرج كاميرا معزولاً 12 VDC؛ مخارج 24 VDC لحاسوب المهمة (بحد أدنى 200 W) والشاشة (بحد أدنى 25 W) ووحدة المقاعد؛ ≥ IP55؛ اختبارات بيئية MIL-STD-810G CHG-1 واختبارات EMI وفق MIL-STD-461G محددة في ورقة بياناتها.
• نظام مراقبة المقاعد وأحزمة الأمان SENTRA-16: 32 قناة (16 مقعداً + 16 حزاماً)؛ CAN bus ISO 11898، 500 kbps؛ 18–32 VDC؛ استهلاك أقل من 15 W؛ IP65.
• نظام إدارة الفيديو للمركبات TDG-VMS-111: 11 مدخل كاميرا AHD / CVBS، مشهد علوي 360°، 2 × HDMI، 2 × CAN 2.0B (J1939)، Gigabit Ethernet؛ 18–33 VDC MIL-STD-1275E؛ IP67 (قيم تصميم أولي Rev. 01).
• وحدة التحذير القابلة للبرمجة T-Light: بحد أقصى 110 dB، مصابيح LED متعددة الألوان، RS-485 أو CAN bus، وضع التعتيم، 16–32 VDC، IP68.

تُحدد التهيئة وتخصيص الأطراف وواجهات الضفيرة للمنصة عبر ICD سابق للطلب. وتُعرض الحزمة الشاملة لتغذية الكاميرات وإدارة الفيديو والشاشة في قسم رؤية المركبات في كتالوج المنتجات؛ وتوجد الشهادات في صفحة الشهادات والجودة.

هل إلكترونيات المركبات هي نفسها النظام الكهربائي للمركبة؟

لا. النظام الكهربائي للمركبة هو البنية التحتية للطاقة من بطاريات ومولّد وقضيب توزيع وتوزيع. أما إلكترونيات المركبات فتصف الأنظمة الفرعية الإلكترونية التي تغذيها تلك البنية التحتية وبنية البيانات التي تربطها. ويتداخل المجالان: طبقة الطاقة هي الطبقة الأولى في إلكترونيات المركبات، لكن إلكترونيات المركبات ليست طاقة فحسب.

أي المركبات تحتوي على إلكترونيات المركبات؟

كل مركبة برية عسكرية تحمل أنظمة فرعية إلكترونية، من المركبات التكتيكية ذات العجلات وناقلات الجند المدرعة إلى مركبات الاستطلاع والقيادة. وفي المنصات البحرية تحمل الوظائف المماثلة أسماء مختلفة وتخضع لمعايير مختلفة.

أي ناقل بيانات يُستخدم في إلكترونيات المركبات؟

في المركبات البرية، العمود الفقري الأكثر شيوعاً هو CAN bus، وعادةً مع SAE J1939 في الطبقة العليا. ويشيع Ethernet للفيديو وبيانات المهمة كبيرة الحجم، وRS-485 / RS-422 للوحدات الفرعية البسيطة ولوحات التحكم. وتضم معظم المركبات الحديثة الثلاثة جنباً إلى جنب.

هل يمكن اشتراط التوافق مع NGVA على نظام فرعي؟

إذا اختارت المنصة NGVA أو بنية مفتوحة مماثلة، يُطلب من النظام الفرعي توفير نموذج بيانات وواجهة فيزيائية يتبعان قواعد واجهات تلك البنية. ويُعرَّف المتطلب في ICD ويُذكر مستوى الإثبات (إعلان أو اختبار) في المواصفة.

من أين يبدأ تكامل إلكترونيات المركبات؟

من وثيقة التحكم في الواجهات. فينبغي تثبيت ميزانية الطاقة وقائمة رسائل البيانات وتخصيص الموصلات والأطراف وخطة التأريض ونطاق التأهيل البيئي كتابةً قبل البدء في تصميم الضفيرة والتركيب.

إلكترونيات المركبات هي المصطلح الجامع للأنظمة الفرعية الإلكترونية في المركبة العسكرية ولبنية الطاقة والبيانات التي تربطها. والتفكير بالطبقات، أي تصميم الطاقة والبيانات والرؤية والواجهة وسلامة الطاقم كلٌّ على حدة ولكن كأجزاء مترابطة، يسهّل المواصفة والتكامل معاً. وتُعرض كيفية بناء سلسلة الكاميرات والتغذية والشاشة في مركبة تكتيكية بوحدة تغذية واحدة بوصفها مثالاً من الميدان.

شاركونا احتياجات منصتكم من إلكترونيات المركبات وعدد الكاميرات وعدد المقاعد المطلوب مراقبتها وتفاصيل ناقل البيانات عبر نموذج طلب عرض السعر، أو تواصلوا مع فريقنا الهندسي من صفحة اتصل بنا للاستفسارات التقنية.