по дисциплине «Системы и сети связи с подвижными объектами».

 

Тема:  «Радиосистема управления беспилотным аппаратом»

Часть 1.

 

 

Выполнил:

студент гр. 4110

Макаркин И.И.

Проверил:

Бакке А.В.

 

 

 

Краткое описание темы

 

Система предназначается для обеспечения радиоуправления беспилотным аппаратом и получения от него видеопотока. В прямом  направлении  на подвижный аппарат поступают команды управления движением, в обратном – поток  видеоданных и телеметрические сообщения. Требования  к  системе:

- шифрование  команд управления и трафика.

 

Исходные данные к проекту

 

Радиус зоны  обслуживания: 6000 м (PR=90% покрытие  на границе обслуживания)

Тип  местности: пригород, сельская  местность

Вероятность  ошибки на бит  Pb : 10-6

Мощность  излучения подвижной станции Ризл: < 2 Вт

Радиоинтерфейс : OFDM

Диапазон частот , вид модуляции выбирается  самостоятельно.

 

 1. Постановка задачи и формулирование технических условий функционирования сети.

1.1 Интерпретация  назначения сети в виде произвольного  прикладного решения в контексте заданной темы.  Пояснение  предоставляемых сетью услуг пользователю ; характеристика управляемых объектов .  

В рамках курсовой работы предлагается разработать и исследовать радиосистему управления беспилотным аппаратом и получения от него видеоданных (далее беспилотный аппарат будем называть аббревиатурой  БПЛА (беспилотный летательный аппарат)). В качестве примера, где широко используется данная радиосистема, возьмем применение беспилотников поисковыми службами, позволяющее отыскать на местности человека.

Исходя из представленной задачи ,возлагаемой на БПЛА ,можно выделить следующие услуги, которые способна предоставлять пользователю разрабатываемая радиосистема:

1.     Получение непрерывного  видеопотока с борта БПЛА

2.     Получение сведений о состоянии БПЛА. Под этой услугой понимается получение совокупности различных параметров, таких как: заряд источника питания БПЛА, сведения о состоянии двигателей( количество оборотов, потребляемая мощность, температура двигателей и тд.), уровень сети.

3.     Управление БПЛА, так и параметрами камеры. Сюда входит обмен совокупностью сообщений, необходимых для организации управлением  БПЛА и смене параметров камеры. К таким сообщениям можно отнести географические координаты, азимут, угол наклона БПЛА, скорость полета ,высота . В сообщениях, направленных камере, может содержаться следующая информация: насыщенность, баланс белого, формат изображения, размер изображения, резкость, контрастность и т.д. Так как разрабатываемая радиосистема предназначается для поиска человека в условиях сельской местности и пригорода(а ими может вполне оказаться лес),то необходимо оснастить камеру функцией тепловизора для повышения эффективности выполняемой задачи.

1.2. Обоснование  предполагаемой архитектуры сети в виде пояснения схемы взаимодействия "пользователь- радиосеть - объект управления ", выделение ключевых звеньев доставки  сообщений. Пояснение характера двунаправленного информационного потока сообщений  пользователя. Формулирование  цели

и задач расчета .

 Для предоставления услуг, описанных выше, требуется наличие одного летательного аппарата и одного оборудования пользователя, с помощью которого осуществляется непосредственное управление БПЛА. Отсюда следует, что предполагаемая архитектура сети-«точка –точка».

Объяснить свой выбор можно путем  разбиения  на четыре уровня детализации схемы взаимодействия «пользователь-радиосеть-объект управления» .  Для этого обратимся к рисунку 1:

 

Рис.1

·        На первом уровне мы имеем взаимодействие «пользователь-объект». Между ними происходит обмен различного рода информацией.

·        Второй уровень включил в себя средства ,необходимые для взаимодействия пользователя с БПЛА и наоборот. Так ,пользователь владеет специальным Оборудованием Пользователя (в дальнейшем будет заменено на аббревиатуру ОП). Роль ОП на объекте управления играет Система Управления (в дальнейшем СУ). Между ОП и СУ устанавливается протокол обмена информацией. 

·        Для рассмотрения третьего  уровня необходимо раскрыть состав ОП и СУ. ОП представляет собой компьютер ,с установленной на него операционной системой(ОС). За связь пользователя и ОС компьютера отвечает интерфейс. Для управления пользователем каналами передачи и приема информации на ОС предусмотрено специальное приложение, которое разделено на две большие части: служба управления видео и служба управления кинематикой БПЛА. Первая отвечает за прием от БПЛА видеопотока и передачи команд для настройки параметров камеры, вторая- за передачу команд управления движением БПЛА и за прием сообщений от объекта (телеметрия,служебные сообщения) .

Теперь рассмотрим подробнее состав СУ. Обработкой полученных от ОП команд занимаются аналогичные службы. Но ,к примеру ,команда управления движением не сможет напрямую через службу попасть на двигатели. Для организации этой связи на борту БПЛА предусмотрен интерфейс службы управления кинематикой БПЛА ( на рисунке int 1). Аналогично, такой интерфейс(int 2)  необходим и для связи службы управления видео с дополнительным оборудованием (камера, различные датчики телеметричекой информации) .

Как видно из рисунка, между службами  ОП и СУ существуют логические каналы, каждый  из которых обладает своей пропускной способностью.

Для оценки пропускной способности канала приема видеоинформации обратимся к таблице

№	разрешение	качество	fps	Получаемый поток, Кбит/c
1	640*480	1024Kbps	20	1400
2	640*480	2048Kbps	20	2600

 

Здесь номерами 1 и 2 отмечены две модификации стандарта MPEG-4,который я выбрал потому, что он пользуется наибольшей популярностью среди камер дистанционного видеоконтроля. Первая модификация характеризуется более низким качеством, поэтому переключение на нее будет происходить только в тех случаях, когда  обеспечить скорость 2600 Кбит/с не представляется возможным. Во всех остальных же случаях будем применять модификацию №1. Таким образом для данного канала будет планироваться пропускная способность до 2.54 Мбит/c.

Обратимся теперь к каналу управления кинематикой БПЛА. В этом направлении от ОП непрерывно исходят команды управления . Из этого можно выделить главное требование к этому каналу- гарантия доставки  управляющих команд, иначе ее отсутствие приведет к неправильной работе беспилотника и ,возможно, его потере . В свою очередь, БПЛА передает служебные сообщения: о правильности выполнения команд, о возможных неисправностях в СУ (например, отказ одного из  двигателей).

Сюда же относится телеметрическая информация с датчиков, необходимая  при формировании дальнейших команд по обеспечению полетом БПЛА. Так как все представленные выше сообщения носят текстовый характер, то можно использовать  пропускную способность от 0 до 10 Мбит/c.

·        На четвертом уровне(финальном) между ОП и БПЛА организуется радиоканал. Для этой цели к ОП с помощью кабеля Ethernet подключается точка доступа (АР),а к СУ БПЛА по USB кабелю подключается радиотерминал (РТ).

Теперь рассмотрим краткое описание концепции функционирования сети. Начальным этапом будет этап подключения управляемого объекта к сети . Так как беспилотный объект в системе только один, то не требуется процесс сравнивания ID БПЛА и ID,хранящегося с информационной системе АР. Он заранее занесен в нее ,и подключение, а также последующая регистрация БПЛА в сети происходит автоматически. Однако не стоит исключать возможность того, что в радиусе зоны обслуживания данной сети будет функционировать такая же сеть по управлению беспилотным аппаратом, к которому по ошибке может подключиться АР. Для исключения этой ситуации в информационную систему АР заносится специальный серийный номер нашего БПЛА и  индивидуальная частота, на которой будет установлено соединение.

Следующим этапом является проверка работоспособности всех блоков БПЛА. Для этого оператор подает команду «Все системы в норме?». Если все службы, а так же двигатели и дополнительное оборудование функционируют, то БПЛА отправляет сообщение «Все в норме. К полету готов». Только после этого начинается дальнейшая эксплуатация и предоставление услуг. В противном случае БПЛА считается неисправным и подлежит ремонту или замене. Более подробный анализ функционирования сети будет рассмотрен позднее .

В соответствии с изложенным выше материалом можно выделить следующие цели:

1)  Рассмотреть и решить проблемы ,связанные с передачей сигналов на физическом уровне;

2) Произвести анализ функционирования всех основных элементов сети;

3) Проработать стратегии поведения БПЛА,ОП и АР;

4) Разработать протокол сообщений канального уровня.

 

1.3.Краткая характеристика интерфейса пользователя

Интерфейс пользователя представляет собой специальную программу ,установленную на ОС компьютера,  пульт управления  и сенсорный монитор. Непосредственное управление положением БПЛА осуществляется путем вращения оператором рычагов, расположенного на пульте управления. Выбор всех текстовых команд производится путем нажатия на соответствующее окно на экране монитора. Рассмотрим поподробнее ,что из себя представляет программа и какие услуги она предоставляет пользователю . Для этого обратимся к рисунку 2

Рис 2

Все окно программы можно разделить на две части: часть наблюдения видеоматериала ,приходящего с борта БПЛА и часть выбора опций.

Часть наблюдения видеоматериала предоставляет следующие услуги:

 

1.     Визуальное наблюдение за полетом БПЛА как с помощью основного видеопотока ,так и с помощью миникарты, расположенной в левом нижнем углу и показывающей положение беспилотника на карте.

2.     Возможность фотографирования наиболее важных участков местности с помощью нажатия на иконку фотоаппарата.

3.     Предоставление в верхнем левом углу телеметрических данных: уровень сети, заряд батареи, скорость движения, дистанция и высота.

Часть выбора опций предлагает следующие услуги:

1.     Показать местоположение. При нажатии автоматически подается запрос GPS  модулю о предоставлении точных географических координат, которые выводятся сразу после этого на экран.

2.     Перейти в режим «автопилот». Позволяет БПЛА перемещаться по определенному маршруту, заранее перед полетом загруженному по USB порту (см.рис 1) на СУ БПЛА. При этом режиме разворачивается в полноэкранный режим миникарта, где уже отображается маршрут и текущее положение БПЛА.

3.     Панель управления параметрами камеры. При выборе данной опции всплывает окно с настройками различных параметров камеры (указаны в п.1.1)

4.     Перейти в режим «Экстренная ситуация». Переход в этот режим происходит автоматически и означает отключение камеры и переход в режим автопилота, следуя по заранее заданному маршруту до точки, из которой БПЛА начинал полет. Все это требуется, когда случается неисправность в ручном управлении БПЛА или при наличии ошибок в приеме видеоизображения из-за действия сильных атмосферных помех .По этим причинам полет беспилотника будет практически неконтролируемым ,поэтому его необходимо немедленно вернуть автоматическим способом на точку отправления для устранения неисправностей.

5.     Установить/разорвать соединение. Производит подключение БПЛА к сети перед проверкой работоспособности всех блоков(об этом говорилось выше в пункте 1.2,когда кратко описывалась концепция функционирования сети),а также его отключение от сети при завершении эксплуатации.

 

Список используемой литературы

 

1.      Бакке А.В. "Лекции по курсу: Системы и сети связи с подвижными объектами".

2.     http://omoled.ru/publications/view/563

3.     https://mirznanii.com/a/158/opisanie-sistem-upravleniya-bespilotnymi-letatelnymi-apparatami

4.     http://omoled.ru/publications/view/807

5.     http://omoled.ru/publications/view/425

6.     http://android-ru.ru/programs/255629-prilozhenie-litchi-dlya-upravleniya-kvadrokopterami.html

7.     http://omoled.ru/publications/view/453