РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра телекоммуникаций и основ радиотехники

 

Задание № 4 на курсовую работу

по дисциплине «Системы и сети связи с подвижными объектами» специальности 11.03.02 инфокоммуникационные технологии и системы связи студенту Ганину С.В группы 619

 Руководитель Бакке А.В.

 Срок представления законченной работы 13 декабря 2019 г.

1.     Тема работы: Радиосистема управления беспилотными объектами

2.     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.

3.     Исходные данные к проекту

Радиус зоны обслуживания: 5000 м (PR=80% покрытие на границе обслуживания) Тип местности: пригород, сельская местность Вероятность ошибки на бит Pb: 10-7 Мощность излучения подвижной станции Ризл: < 1 Вт  Множественный доступ к среде: 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. Формализация телекоммуникационной услуги на основании анализа отношений "пользователь сеть", схематизация отношений. Задачи терминального оборудования и интерфейса.

Задача курсовой работы заключается в построения радиосети, обеспечивающей соединение терминала пользователя с беспилотным объектом. В рамках данной работы будет рассматриваться беспилотный летающий аппарат (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.

В направлении БПЛА будут поступать команды управления, в направлении терминала пользователя видео поток, а так же телеметрические данные.

Весь трафик в сети должен быть зашифрован из соображений конфиденциальности.

1.1.1. Интерпретация  назначения сети в виде произвольного прикладного решения в контексте заданной темы.

В настоящее время работа полиции обременена многими трудностями. Они сталкиваются с задачами, которые не в состоянии решить человек. Здесь приходят на помощь современные технологии. В США в настоящее время обыденной практикой является использование вертолётов с целью ведения преступников в городской черте.
Благодаря технологии тепловизоров, слежение можно вести несмотря на плотную растительность, ночь. Тем не менее, поднять в воздух вертолёт - очень дорогое "удовольствие", и их применение является скорее необходимостью, вынужденной мерой.
Однако, в последние десятилетия технологии идут по пути миниатюризации, что позволяет создавать очень компактные устройства. Этот факт не остался без внимания у авиа-проектировщиков. Так и появились устройства, которые люди сейчас привыкли называть квадрокоптерами, или дронами. 

Очевидно, небольшой дрон дешевле в производстве, чем вертолёт. Современные технологии позволяют использовать дрону необходимое оборудование. Он более мобилен и компактен, для его управления не требуется такого уровня квалификации, как для вертолёта. Цена его запуска несоизмерима мала с запуском вертолёта, пусть в воздухе он может оставаться меньше. Наличие дрона в воздухе менее заметно по сравнению с вертолётом, а значит злоумышленники могут даже не догадываться, что находятся в поле зрения правоохранительных органов.

В рамках рассматриваемой задачи все преимущества на стороне беспилотного летательного аппарата (БПЛА).
Формально, беспилотные аппараты можно разделить на те, что зависают в воздухе подобно вертолёту и те, которые имеют конструкцию самолёта. В данной работе мы будем рассматривать второй вариант.
С точки зрения аэродинамики он будет использовать поверхности крыльев чтобы оставаться на высоте, что лучше сказывается на энергопотреблении, но мы опустим эти подробности, так как они не относятся к теме данной работы. 



Такой выбор не лишён недостатков - ведь для перемещения обзора камеры придётся использовать приводы. Так же могут возникнуть затруднения с посадкой самолёто-подобного дрона. Для компенсации этой проблемы в хвостовой части будет установлен парашут, который позволит вертикально посадить дрон без вероятности разбить его о землю при попытке ручной посадки. Его использование ситуативно, и в штатном режиме пользователь сам принимает решение, как ему поступить.

Подытожив можно обобщить, что целью БПЛА будет является слежка с использованием технологии тепловизора под управлением оператора (пользователя) в условиях сельской/городской местности.

1.1.2. Формализация телекоммуникационной услуги на основании анализа отношений "пользователь сеть", схематизация отношений.

Рассмотрим подробно систему в виде нескольких уровней детализации.

Радиосистема управления беспилотным объектом подразумевает взаимодействие пользователя с беспилотным летающим аппаратом.

Рассмотрим это взаимодействие на уровне абстрактных предположений. Между ними происходит информационный обмен.

Рис.1 Первый уровень детализации 

Перейдем ко второму уровню детализации.

Так как у самого пользователя нет средств для передачи информации, он взаимодействует с терминалом управления, то есть с некоторым устройством, обладающим специальным приложением. Соответственно, между пользователем и БПЛА есть информационная связь, а между приложениями устанавливается протокол обмена программных объектов. Стоит отметить, что приложение на стороне БПЛА имеет характер програмного обеспечения. Для работы этих двух объектов необходимо, чтобы они использовали смежные протоколы и правила взаимодействия.


Рис.2 Второй уровень детализации 

Переходим к третьему уровню детализации (Рис.2).

Приложение включает в себя службы, которые обеспечивают доставку нужного трафика, то есть службы доставки сообщений.

Трафик, передаваемый с БПЛА, имеет различный характер, и приложение пользователя должно уметь разделять его и выводить пользователю в удобной ему форме.

Приложение на стороне БПЛА должно формировать создаваемый им трафик для передачи, а также поддерживать возможность перепрошивки для модернизации системы в случае необходимости.

Рис.3 третий уровень детализации 

В данной работе имеется различный трафик, который в дальнейшем будет обрабатываться разными службами, поэтому его необходимо разделять. Телеметрические данные позволят пользователю лучше ориентироваться при управлении БПЛА. К этим данным могут относиться данные с акселерометра, датчика угловой скорости, давления (для определения высоты), цифрового компаса [7].
Канал управления позволит передавать все необходимые команды сформированные пользователем на БПЛА.


Приложения не могут существовать сами по себе, им нужны терминалы. Таким образом, мы подходим к обобщенной архитектуре сети управления БПЛА.

Для управления БПЛА пользователю необходим терминал с удобным интерфейсом и программным обеспечением. 

   Рис.4 Обобщенная архитектура сети управления БПЛА[2]

Программное обеспечение (ПО) – программы для обеспечения работы пользователя с терминалом управления. Именно они позволяют выводить на экран полученную от БПЛА картинку и непосредственно управлять полётом.

Стоит отметить, что в этом блоке будут заложены шифраторы и дешифраторы на обеих сторонах (симметричное кодирование).

Операционная система (ОС) - программы нижнего уровня для обеспечения бесперебойной работы операционной системы.

Микроконтроллер (МК) - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами, сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и ПЗУ.
Радиомодуль (РМ) – обеспечивает передачу данных на физическом канале.
Модуль подлинности (МП) – модуль, содержащий код, позволяющий произвести подключение к БПЛА.

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

Аппаратный интерфейс (АИ) – предназначен для взаимодействия с блоками телеметрии органами управления (в пространстве ) и видео камерой.

Поток данных (ПД) -  поток данных, поступающий с БПЛА. В нём заложена информация о местоположении БПЛА и его высоте, а также, видео поток.

Команды управления (КУ) – к ним относятся команды управления креном, тангажом, рулём направления, закрылками, показателем скорости, парашутом (способ безопасно посадить БПЛА без использования взлётно-посадочной полосы), сигнальным огнём, а также управление характеристиками видеопотока.

 

В данном случае точкой доступа будет являться терминал управления, с которого и будет производиться управление дроном.


Рис.5 Терминал управления (ТУ)

На рис.5 изображён предполагаемый «пульт» к БПЛА. Поступающий видеопоток выводится в виде картинки на монитор и одновременно производит запись на внутреннюю память устройства для возможности анализа полученных данных. Фиксируются заряды батарей самого терминала и БПЛА для оперативной оценки времени возможного использования.

Для ориентации в пространстве указана скорость высота и градус направления БПЛА.

Кнопка Н откроет настройки в случае необходимости изменения текущих параметров. Качество связи выводится на монитор и в случае её падения подразумевается возможность изменения качества передаваемой картинки.

Также существует возможность перезаписи исходной точки.
Также плохое качество может сигнализировать о возможном уходе БПЛА из «зоны видимости» терминала управления.

Джойстики (ОУ, органы управления) позволяют направлять БПЛА в пространстве. 

Кнопка (П, питание) активирует терминал управления и запустит процесс соединения с БПЛА .
Кнопка (Д, дом) отдаст команду управления БПЛА о немедленном возвращении в исходную точку. К слову, летательный аппарат должен быть оснащён системой обнаружения препятствий (она позволит не потерять нашу машину из-за непредсказуемого движения птиц, или невнимательности пользователя). Стоит отметить, что эта система позволяет различать движущиеся объекты от стационарных. Это особенно актуально в условиях города.

 

1.2.         Пояснение сеанса предоставления телекоммуникационной услуги, выявление ключевых параметров сеанса. Характеристика информационного трафика в прямом и обратном направлениях передачи: вид трафика, производительность или предполагаемый объем сообщений и т.п.. Формализация требований к качеству и условиям предоставления услуги.

 

Используется топология сети точка – точка.

Организация сеанса предоставления телекоммуникационной услуги происходит следующим образом.

Пускай для активации БПЛА на нём будет установлена кнопка включения.
Она активирует основные модули и введёт в дрон режим ожидания.
Он будет ждать широковещательного сигнала с определённой кодовой последовательностью позволяющий идентифицировать владельца 
(кодовая последовательность заложена в ТУ в модуле подлинности).

 

При нажатии кнопки питания на ТУ операционная система загрузит все ПО и начнёт передавать в эфир широковещательный сигнал с обговорённой выше кодовой последовательностью.

При успешном «обнаружении» на экране высветятся текущие параметры БПЛА и статус качества связи. На этом этапе дрон зафиксирует текущее местоположение (
при разряженной батарее БПЛА уведомит пользователя о невозможности дальнейшей работы) (Рис.3).

Сеанс связи можно считать начатым.

В процессе могут произойти некоторые сценарии.
1) Система обнаружения препятствий не справилась с задачей и произошло столкновение.

1.1) Лётно-технические характеристики позволяют продолжить движение - БПЛА немедленно вернётся в ранее зафиксированную точку (с использованием парашута).

1.2) Лётно-технические характеристики не позволяют продолжить движение – БПЛА раскроет парашут и по приземлению укажет пользователю текущее местонахождение.

1.3) Столкновение произошло с поверхностью земли – передача сигнала о текущем местоположении.

1.4) Столкновение вывело БПЛА из строя – активация сигнального огня.

2) К дрону приближается объект, и система обнаружения препятствий позволила выполнить защитный манёвр, но объект продолжает приближаться - немедленное возвращение в исходную точку.

3) Связь БПЛА и ТУ по каким-то причинам нарушена. В таком случае дрон начнёт движение в сторону исходной точки. ТУ вновь начнёт испускать широковещательное сообщение с целью поиска БПЛА. Если сигнал от ТУ так и не будет пойман, то произойдёт приземление в исходную точку с использованием парашута. Если сигнал от ТУ обнаружен – продолжение работы.

4) В случае, когда исходная точка стала неактуальна из за перемещения пользователя – возможность перезаписи исходной точки без учёта высоты.

5) Аккумулятор БПЛА разряжен до критических показателей. В таком случае - экстренное приземление с использованием парашута с последующей передачей настоящего местоположения.

6) Терминал управления разрядился и отключился - сценарий 3.

7) Внутренняя память ТУ заполнена и запись невозможна – предупреждение пользователя о прекращении накопления информации.

 

При необходимости окончить сеанс связи, пользователь должен выключить дрон с помощью установленной на нём кнопкой питания. Посадить его на землю он может вручную или с использованием парашута.

В ситуации, когда пользователем будет нажата кнопка выключения на ТУ произойдёт сценарий 6.


Рис.6 Иерархическая схема 

Характеристика трафика.

Под трафиком мы будем понимать три вида данных. Это видеопоток, телеметрические данные и команды управления.

Под телеметрическими данными мы понимаем сведения, поступаемые с датчиков. К ним относятся датчики дальности, угла наклона, цифровой компас, датчик высоты (электронный высотометр), акселерометр и прочее.
Для оценки этого потока информации рассмотрим следующий модуль, созданный на базе ардуино [8]. Он включает в себя датчики температуры, высоты и давления. Его максимальная частота дискретизации составляет 128 Гц. Из этого следует, что в секунду с такого датчика мы будем получать максимально 128 отчётов в секунду. Предположим, что на один отчёт будет приходиться 8 значений. При шестнадцатиричной АСКИ-кодировке в совокупности мы будем получать 16384 бита. Пологая, что установлено ещё хотя бы 3 датчика с сопоставимыми объёмами генерируемой информации, для данных телеметрии нам понадобится около 64 Кбит/с.
 

Самый больший объём информации в канале будет представлять видео трафик, поступающий с БПЛА. Предполагается, что на БПЛА будет установлен съёмочный комплекс с разрешением 1280х720 (HD) и также тепловизор. Это решение позволит более эффективно обнаруживать цели в условиях города или сельской местности. Помимо всего прочего, тепловизор, как устройство, способное видеть более нагретые объекты, практически не несёт деталей о цели наблюдения. Это говорит о том, что в процессе использования качество картинки можно уменьшать без потери информативности. Также при использовании чёрно-белого режима можно сократить трафик.



Рис.7 Расчёт видео потока[4]

Как видно из расчёта, при изменении одного только параметра разрешения можно сократить объём трафика с 7,622 Мбит/с до 3,970 Мбит/с.

При изменении параметра видео можно добиться сжатия 2,518 Мбит/с.

 

         В процессе использования характеристики канала связи будут изменяться.

 

Работать наши устройства будут предположительно в диапазоне частот 790-1215МГц.

Почему выбор падает на эти частоты? Дело в том, что эксплуатация данной разработки предполагается правительственными ведомствами. Отталкиваясь от этих доводов, логично будет занять полосу частот, выделенную под нужды правительства. Это даст преимущество в том, что нам не придётся конкурировать с другими пользователями за радиоресурсы. Мой выбор остановился на полосе 790-862 МГц. 


Рис.8 Таблица распределения частот[3]


  

1.3.          Обоснованный выбор архитектуры радиосети. Разработка многозвеньевой модели сети, описание ключевых звеньев доставки сообщений. Проработка сценария выполнения телекоммуникационной задачи с использованием многозвеньевой модели взаимодействия элементов сети.

 

Основной задачей радиосети является обеспечение радиоуправления беспилотным аппаратом и получение от него видеопотока. В нашей системе множественного доступа в сети не предусмотрено в силу того, что БПЛА,

выполняющий сбор информации, заранее знает все параметры терминала и выдает только запросы для его работы. В данной системе мастером является ТУ, т.к он управляет соединением. Ведомым (slave) является БПЛА.

 

1.4.          Формулирование и пояснений стратегии поведения сетевых объектов, введенных в п.1.3. Обоснование требований к функциональному составу  сетевого терминала и выделенного (командного) узла.

 

1.4.1. Формулирование и пояснений стратегии поведения сетевых объектов.

Стратегия поведения терминала управления:

1. Заявление о себе (отправка BCCH).

2.  Приём потока телеметрии и видеопотока (на протяжении всей сессии).

3.  Формирование и передача потока команд управления на БПЛА (на протяжении всей сессии).


Стратегия поведения терминала БПЛА:

1.     Ожидание BCCH.

2.     Прием и ответ на BCCH.

3.     Формирование и передача потока данных телеметрии и видео. 

4.     Получение потока команд управления. 


1.4.2 Обоснование требований к функционалу терминала управления:

1)Вводить информацию удобным пользователю способом (Рис.10). На первый взгляд управление БПЛА с ТУ не должно вызывать каких-либо сложностей в управлении, однако это не самый лёгкий процесс. Помимо начального представления об управлении аппаратом перемещающимся в трёхмерном пространстве, пользователь должен знать особенности конкретного управляемого устройства. Поэтому функция ввода команд управления перемещением не должна быть сложной, напротив - удобной и простой в освоении. 

2) Вывод информации производится посредством монитора. В процессе эксплуатации не исключена ситуация, когда из-за складок местности или зданий пользователь может потерять из виду БПЛА. В этом случае "глазами" пользователя станет сам дрон. Так же он передаёт телеметрические данные, которые нужны пользователю для управления и ориентации.

3) Для осуществления передачи и приёма данных в ТУ необходим радиомодуль .

4) Для анализа собранной информации ТУ должен уметь "запоминать" все переданные с БПЛА данные.

5) В процессе эксплуатации характеристики канала связи могут ухудшиться или улучшиться, но качество связи должно оставаться на приемлемом уровне. По этому в случае изменения условий передачи ТУ необходимо принимать решения об изменении параметров связи (мощность сигнала , качество передаваемой картинки и.т.д)

6) В нештатных ситуациях при угрозе целостности БПЛА ТУ должен оповещать пользователя о возможных опасностях .  

 

Построим схему организации структурных блоков ТУ.


Рис.9 Структурная схема ТУ

Операционная система(ОС) – является связующим звеном. Предназначена для управления взаимодействием всех функциональных модулей терминала.

Устройство ввода – в качестве устройств ввода выступают джойстики и кнопки.

Устройство вывода – жидкокристаллический монитор.

Запоминающее устройство – твердотельный лёгкий накопитель памяти.

Модуль связи  - в этом модуле оценивается качество установленного соединения. Если качество канала оказывается неудовлетворительным, модуль изменит параметры видеопотока путём команды на ОС. Та в свою очередь через радио модуль отдаст команду на БПЛА.

Система предупреждения – отвечает за оповещение пользователя о разряде аккумуляторов , опасности столкновения БПЛА и т.д.

Модуль питания и аккумулятор отвечают за питание электроэнергией элементов в системе.

Радиомодуль – предназначен для беспроводной радиосвязи ТУ с БПЛА.

Построим схему организации функциональных блоков ТУ.


Рис.10 Функциональная схема ТУ

 

 

1.4.3. Обоснование требований к функциональному составу беспилотного летающего аппарата :

1) Чтобы БПЛА мог свободно маневрировать в пространстве, ему необходимы органы управления (Рис.12). Ими служат оси крена, тангажа и рысканья, оборудованные механическими приводами.
2) Так же как и на ТУ, в БПЛА необходим радиомодуль, выполняющий функцию беспроводной передачи и приёма информации. 
3) Цель БПЛА - обеспечить видеопоток данных на ТУ. Для создания такого потока в БПЛА должна присутствовать камера с возможностью переключения режимов работы по качеству, а также с режимом тепловизора. 
4) В процессе эксплуатации не исключены возможности столкновения с препятствиями. БПЛА должен быть оборудован системой которая позволит уменьшить риски столкновения. 
5) С целью улучшения навигационных качеств должны быть установлены телеметрические датчики, позволяющие лучше ориентироваться пользователю в пространстве.

Построим схему блоков организации блоков БПЛА.


Рис.11 Структурная схема БПЛА

 

Микроконтроллер – микросхема, предназначенная для управления взаимодействием всех функциональных модулей терминала.

Модуль управления- отдаёт команды на органы управления.

Органы управления – руль направления, тангаж, крен, парашут, сигнальный огонь, механический привод вращения камерой.

Телеметрический комплекс – предназначен для сбора и передачи информации с телеметрических датчиков.

Система обнаружения препятствий – система, позволяющая сохранить в целости БПЛА в случае возможного столкновения с внешними препятствиями.

Видео комплекс – позволит осуществлять видеосъёмку с возможностью режима теплового видения.


Построим схему функциональных блоков БПЛА.


Рис.12 Функциональная схема БПЛА

  Библиографический список 

1.     Бакке А.В. – Лекции по курсу « Системы связи с подвижными объектами».

2. Баранова.А.В. «Радио система управления беспилотными объектами».

3. Государственная комиссия по радио частотам

4. Определениепропускной способности ЛВС для видеонаблюдения.

5. Гарбунова В.Б. «Радиосистема управления беспилотным аппаратом».

6. Высокоскоростной радиомост Елецкий В.Н

7. Малые беспилотные летательные аппараты-теория и практика. Рэндал У. Биард, Тимоти У. МакЛэйн

8. https://ryazan.tiu.ru/p355456763-3pcs-mpl3115a2-iic.html