Курсовая работа

по дисциплине "ССПО"


Тема работы:

"Радиосистема управления беспилотными объектами"


Часть 1 

Постановка задачи и формулирование технических 

условий функционирования сети


                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                         Выполнила: 

                                                                          ст.гр. 519

                                                                      РГРТУ

                                                                                  Баранова.А.В.

                                                                                                                                                                                            

1.1. Интерпретация назначения сети в виде произвольного прикладного решения в контексте заданной темы. Формализация телекоммуникационной услуги на основании анализа отношений "пользователь-сеть", схематизация отношений. Задачи служб уровня приложения пользователя.

Задача курсовой работы состоит в разработке радиосистемы управления беспилотным объектом.  Данная система должна обеспечить обмен данными между двумя терминалами с заданным качеством и скоростью, посредством радиосвязи. От терминала пользователя будет исходить поток сообщений, содержащий команды управления пользователя, от терминала БПЛА – поток видеоданных и телеметрические показания с борта беспилотного аппарата. Таким образом, организуемая радиосеть состоит из двух сетевых объектов: терминал пользователя и терминал БПЛА. Для взаимодействия «пользователь - БПЛА» предполагается наличие пользовательского интерфейса, реализуемого на платформе терминала пользователя. Также потребуется разработка правил взаимодействия сетевых устройств, которые будут реализованы в соответствии с моделью OSI. На последнем этапе требуется произвести расчет физического канала связи. Согласно заданию, для защиты от помех, трафик и команды управления будут зашифровываться.

Перейдем к анализу отношений «пользователь-сеть», которые можно определить на основании рис.1. Пользователь взаимодействует с приложением в своем ПК (персональный компьютер (терминал)), приложение обеспечивает вывод видеоинформации на экран в доступном для пользователя виде, а также фиксирует команды, поступающие от пользователя с пульта управления. Обработка потоков информации производится в терминале пользователя с помощью ПО и ОС и далее передается через радио модуль по радиосети на радио модуль терминала БПЛА. Между пользователем и БПЛА действует протокол управления. 


                                    Рис.1 Обобщенная архитектура сети управления БПЛА

Пользовательский интерфейс - совокупность средств, методов и правил взаимодействия между пользователем и различными программами (ПО) и включает в себя приложение пользователя, сенсорный экран и пульт управления (джойстик).

Аппаратный интерфейс (Инт1, Инт2) – совокупность средств, методов и правил взаимодействия физических устройств. Интерфейс 1 предназначен для взаимодействия с механической оснасткой БПЛА, интерфейс 2 – с модулями телеметрии.

Программное обеспечение (ПО) - комплекс программ, решающий пользовательские задачи и обеспечивающий работу других программ. Выступает как «межслойный интерфейс» с одной стороны которого ОС, а с другой - интерфейс приложения пользователя.

Операционная система (ОС) - комплекс взаимосвязанных системных программ, которые обеспечивают управление компонентами компьютерной системы (терминала), такими как процессор оперативная память, устройства ввода-вывода, сетевое оборудование.

Микроконтроллер (МК) - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами, сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и ПЗУ.

Радио модуль (РМ) – устройство для организации беспроводной связи, дает возможность передавать и получать радиосигналы.

Модуль подлинности (МП) – содержит код, для получения

идентификационных учетных данных пользователя

 

Протокол управления - набор соглашений о действиях, которые пользователь может совершать над БПЛА (команды) и информация, которую БПЛА может передавать пользователю (видеоданные, телеметрические показания).

Протокол передачи сообщений – набор соглашений управления соединением (создание соединения, контроль работоспособности) между терминалами.

 Протокол передачи данных - набор соглашений , которые определяют обмен данными между различными программами (способ передачи сообщений, обработки ошибок и др.)

 

Задачи служб уровня приложения пользователя:

- реализация методов обработки жестовой информации в цифровую

- реализация методов обработки цифровой информации в графическую


Рис.2 Конфигурация периферии, интерфейс пользовательского приложения

Возможности пользователя обширны: начиная от управления движением, заканчивая управлением режимами съемки. Данный БПЛА оснащен системой обнаружения препятствий и датчиком GPS, что обеспечит безопасность полета и возвращение к точке начала маршрута в случае потери сигнала, дрон сам обойдет препятствия и выберет место для посадки. Также беспилотник обладает мощным съемочным комплексом и дает возможность изменять режимы фото- и видеосъемки. Предполагается что камера сможет записывать видео стандарта 4K с частотой 60 кадров в секунду, а также делать фото в режиме серийной съемки, пользователь может вручную настроить режим 2.7K, HD. Режим полета также можно изменить на более быстрый - «Sport», если нужно долететь до точки назначения за короткое время. Значки состояния на экране пользователя помогут контролировать правильность работы и планировать своевременное возвращение «домой».

На рис.2 схематически изображена периферия и интерфейс пользовательского приложения. Левый джойстик (L) позволяет управлять БПЛА в горизонтальной плоскости, правый (R) – в вертикальной. Значок настроек предназначен для изменения режима полета и съемки фото/видео. Два значка в левом нижнем углу позволяют контролировать состояние дрона, например, его скорость, удаленность, температуру на борту. Значок «домика» - для автоматического возвращения домой, значок «заряд батареи» – для контроля заряда батареи БПЛА. Значок включения/выключения для установления соединения с БПЛА.

1.2. Пояснение сеанса предоставления телекоммуникационной услуги, анализ параметров сеанса, формализация требований к качеству соединения и объему требуемых ресурсов. Характеристика информационного трафика в прямом и обратном направлениях передачи: вид трафика, производительность или предполагаемый объем сообщений и т.п.

Рассмотрим этапы организации сеанса связи. Предполагается, что оба терминала подключены к питанию и исправны. Тогда первым шагом является перевод кнопки включения в приложении пользователя в режим «включено», тем самым пользователь инициирует начало установления соединения. После успешного соединения сеанс связи считается начатым. Инструкцией к завершению сеанса служит перевод кнопки включения в приложении пользователя в режим «выключено».

В рамках организованного сеанса пользователь сможет передавать по радиоканалу команды управления БПЛА, и получать от последнего телеметрические данные и видеоданные по радиоканалу приема. Качество соединения обеспечит вероятность битовой ошибки  Tb=10^(-7) в соответствии с заданием, скорость в канале приема должна обеспечить возможность передачи большого трафика (предположительно 100Mbps (мегабит в секунду)), т.к по нему будет передаваться видеопоток, для канала передачи достаточно скорости до 10 Mbps для передачи команд управления от пользователя. Устройства должны поддерживать две полосы частот (предположительно 2,4 ГГц и 5,8 ГГц), что позволяет уменьшить взаимные помехи.

1.3. Обоснование предполагаемой архитектуры радиосети, описание ключевых звеньев доставки сообщений. Пояснение модели выполнения телекоммуникационной (ТК) задачи на примере многозвеньевой схемы

взаимодействия элементов сети.

Беспроводная сеть представляет собой систему радиосвязи, состоящую из взаимосвязанных по радиоканалу сетевых объектов. Для того, чтобы пользователь мог собирать данные с БПЛА беспроводным способом, на беспилотнике должен быть установлен комплект устройств (оборудование), осуществляющий сбор данных и имеющий все необходимое для двусторонней беспроводной связи с терминалом пользователя. Такой комплект устройств, установленный на БПЛА, будем называть «терминал БПЛА» (ТБПЛА). Пользователь будет находиться на земле, на удаленном от терминала БПЛА расстоянии, но должен иметь возможность дистанционного доступа к системам терминала БПЛА для управления ими и получения необходимых данных с терминала, должен хранить и отображать собранную информацию. Комплект устройств, позволяющий реализовать данные функции, назовем «терминал пользователя» (ТП). Таким образом, данная радиосеть состоит из 2 сетевых объектов: 1) терминал пользователя , 2) терминал БПЛА. Исходя из вышеизложенного о сетевых объектах радиосети, можно определить, что они взаимодействуют друг с другом в соответствии с топологией «точка-точка».


Рис.3 Взаимодействие сетевых объектов и пользователя

На рис.3 представлена схема взаимодействия сетевых объектов между собой и с пользователем. Поясним выполнение ТК задачи на основе данной схемы. После того как пользователь нажимает кнопку включения в приложении, передатчик посылает широковещательное сообщение (BCCH), с целью заявить о себе в сети. Терминал БПЛА «услышав» данное сообщение, сверяет ID номер, содержащийся в BCCH cо своим ID номером. Если номера совпадают, БПЛА посылает ответное сообщение о готовности получать данные. После чего пользователь наблюдает на своем экране подтверждение об установлении соединения. После приема запроса на передачу видео и ТМ, в котором содержатся параметры сессии, начинает передавать видеопоток и телеметрические данные. Пользователь наблюдает на своем экране картинку с камеры БПЛА, что означает, что можно начинать управление. Пользователь формирует поток данных с командами управления, которые терминал пользователя разбивает на блоки и передает по радиоканалу, добавляя к ним необходимую служебную информацию. Далее происходит аналогичный обмен информационными и служебными сообщениями. При нажатии кнопки «выключено» в приложении пользователя, сеанс связи завершается.

1.4. Формулирование и пояснений стратегии поведения сетевых объектов, введенных в п.1.3. Обоснование требований к функциональному составу сетевых терминалов.

 

Стратегия поведения терминала пользователя:

1.     Заявление о себе (отправкаBCCH)

2.     Обеспечение получения и обработки данных

3.     Обеспечение обработки и отправки данных

4.     Заявление об окончании сеанса

Стратегия поведения терминала БПЛА:

1.     Ожидание BCCH

2.     Прием и ответ на BCCH

3.     Обеспечение обработки и отправки данных

4.     Обеспечение получения и обработки данных


Рассмотрим из каких блоков будут состоять сетевые объекты с точки зрения выполняемых ими функций.

Начнем с терминала пользователя (ТП).

Функциональные задачи ТП:

- собрать, обработать и передать данные от пользователя беспроводным способом на ТБПЛА

- принять, обработать и вывести данные от ТБПЛА

- управление соединением

- хранение данных

- обеспечение питания

Исходя из необходимости решения вышезаявленых задач, построим схему организации функциональных блоков ТП рис.4


                                                  Рис.4 Схема организации функциональных блоков ТП

Модуль устройств вывода (МВыв) предназначен для вывода информации в понятной для пользователя форме.

Модуль устройств ввода (МВв) предназначен для сбора информации от пользователя и ее перевода в цифровой вид

Модуль связи (МС) предназначен для контроля и управления параметров сеанса связи.

Модуль запоминающего устройства (МЗУ) предназначен для хранения данных на терминале. Собранные с помощью МВ данные будут сохраняться в МЗУ в «регистре данных» - RegData. Область памяти МЗУ для хранения системных данных назовем «регистр системных данных» - RegID.

Операционная система (ОС) предназначена для управления взаимодействием всех функциональных модулей терминала.

Радио модуль (РМ) предназначен для организации беспроводной связи ТП с ТБПЛА.

Модуль автономного питания (МАП) предназначен для обеспечения питания энергозависимых элементов терминала.

 

Перейдем к анализу функциональных блоков терминала БПЛА (ТБПЛА)

Функциональные задачи ТБПЛА:

- собрать, обработать и передать данные от БПЛА беспроводным способом на ТП

- принять и обработать данные от ТП

- управление БПЛА

- хранение данных

- обеспечение питания

Исходя из необходимости решения вышезаявленых задач, построим схему организации функциональных блоков ТБПЛА рис.5


                                           Рис.5 Схема организации функциональных блоков ТП

Модуль запоминающего устройства (МЗУ) предназначен для хранения данных на терминале. Собранные с помощью МВ данные будут сохраняться в МЗУ в «регистре данных» - RegData. Область памяти МЗУ для хранения уникального идентификационного номера (собственного ID терминала) назовем «регистр идентификационных номеров» - RegID.

Модуль видеоданных (МВ) предназначен для сбора видеоданных с БПЛА

Модуль управления (МУ) предназначен для управления БПЛА.

Модуль телеметрии (МТ) предназначен для сбора и передачи информации с телеметрических датчиков.

Радио модуль (РМ) предназначен для организации беспроводной связи ТП с ТБПЛА.

Микроконтроллер (МК) - микросхема, предназначенная для управления взаимодействием всех функциональных модулей терминала.

Модуль автономного питания (МАП) предназначен для обеспечения питания энергозависимых элементов терминала.

Модуль GPS GPS) - стандартный приемник GPS Navstar предназначен для вычисления маршрута движения БПЛА в случае автономного возвращения «домой».