Тема 5. Радиосеть управления подвижными объектами

Выполнили ст.гр.1110: Шатилов Е.В.

План:

Часть 1

1. 1  Анализ поставленной задачи, подробное описание задач радиосети

1.2  Разработка способа установления канала передачи сообщений

      1.2.1  Определение и краткая характеристика возможных режимов работы терминалов радиосети

      1.2.2  Пояснение способа организации доступа к физическим каналам

1.2.3  Разработка сценария соединения

 

1.1Анализ поставленной задачи, подробное описание задач радиосети

Основная задача работы состоит в создании модели функционирования сети дистанционного управления подвижными объектами (рисунок). Радиосеть состоит из точки доступа АР и подвижных объектов, оснащенных радиотерминалами. Точка доступа обеспечивает передачу команд управления подвижным терминалам; в обратном направлении терминалы отвечают сообщениями о статусе выполнения прмнятых команд. Сообщения от АР терминалам передаются по одному радиоканалу и включают в себя указание направления движения и продолжительность движения в указанном направлении. Сообщение от АР может быть широковещательным (адресуется всем активным терминалам), либо может относиться к конкретному терминалу (команды движения: влево, вправо, разворот, прямо и т.п.). В обратном направлении терминалы передают уведомление о успешности принятой команды.

 

Исходные данные к проекту

Вид модуляции                                           BPSK

Тип помехоустойчивого кодирования           блоковый код, исправляющий не менее 2 ошибок

Тип CRC                                                    CRC-12

 

В данной курсовой работе рассмотрим сеть радиоуправления беспилотными летательными аппаратами (БПЛА) рис.1.

  

Имеются 3 БПЛА, которые управляются 3 операторами. Операторы находятся на некотором удалении от управляемых ПО (от нескольких метров до 1-2 км). Непосредственное управление происходит с помощью команд, которые оператор формирует на ПК с клавиатуры. Далее эти командыпередаются на АР, которая ретранслирует их объекту, а точнее терминалу, который находится на ПО.Для адресной доставки между точкой доступа и оператором используется маршрутизатор. Служебная информация хранится на сервере хранилище данных.Терминал на БПЛА имеет так же свою память, в которой хранятся предыдущие команды, ID точки доступа и ID ПК оператора, что позволяет перенаправлять потоки сообщений, получаемых АР от терминалов и операторов. Для более предметного пояснения принципа управления ПО возьмём БПЛА типа Мультикоптер. Мультикоптер – это летательный аппарат с произвольным количеством несущих винтов, вращающихся диагонально в противоположных направлениях. В данной работе рассматривается мультикоптер с 4 несущими винтами рис.2.Винты вращаются попарно перпендикулярно, то есть 2 винта вращаются в одну сторону, два винта в противоположную сторону – это необходимо для баланса БПЛА. Также имеется батарея, которая снабжает энергией весь мультикоптер. Если необходимо увеличить высоту полёта, то оператор подаёт команду «увеличить мощность» и с блока питания подаётся большее напряжение,что увеличивает скорость вращения винтов. Движения в бок осуществляются путём увеличения/уменьшения скорости вращения пары винтов(находящихся с одной стороны).Повороты происходят из за уменьшения скорости вращения винтов, вращающихся по часовой стрелке и увеличения скорости вращения винтов, вращающихся против часовой стрелки. Отсюда следует, что оператор должен получать оперативную информацию о состоянии винтов, скорости вращения винтов (тоже самое потребляемая мощность),заряде аккумуляторов. Всю эту информацию можно получить с помощью датчиков, которые отслеживают свой функциональный узел. Эти данные передаются терминалу, который преобразуется их в сообщения и передает на ПК оператора. Точка доступа работает в режиме ретрансляции.  Для облегчения работы оператора, целью которого является управление ПО, возможно использование видеосредств, которые непрерывно передают видеосигнал на ПК. Но, в этом случае, возникает необходимость вращения камеры, а также ее дистанционное включение и выключение. Из выше перечисленного следует, что требуется непрерывная связь терминал – оператор, что свидетельствует о непрерывном трафике. Поэтому для дистанционного управления предоставляется 1 ФК, к которому имеет доступ только 1 оператор и управляемый им терминал, точка доступа.


 

 

Рис.2 Принцип полёта мультикоптера 

 

Краткие выводы по п. 1.1:

 

1. Трёхуровневая система (оператор(ПК) – точка доступа – терминал)

2. Оператор – «создатель» сообщений(инструкций)

3. Сеть работает в реальном времени, трафик постоянный

4. АР – это ретранслятор сообщений от оператора к терминалу

5. Информация с датчиков(телеметрия) должна оперативно приходить на ПК оператора, следовательно, для этого надо выделить отдельный физический канал

6. Как и для служебной информации, основная информация передаётся по одному ФК ,который выделен для установления связи между одним терминалом и одним оператором

 

1.1 Разработка способа установления канала передачи сообщений (описание процедур гарантированной/негарантированной доставки адресных сообщений)

1.2.1. Определение и краткая характеристика возможных режимов работы терминалов радиосети. Определение и подробное обоснование задач, выполняемых терминалами в активном и пассивном состояниях(режимах).

Возможные режимы работы терминалов:

1. Активный режим

Этот режим характеризуется активной работой терминала:

Прием инструкций – оператор с помощью ПК формирует сообщение с командами. Это сообщение передается на точку доступа, которая ретранслирует его терминалу.

Передача служебной информации – это информация с датчиков, которая отправляется на ПК оператору для безопасности и точности управления.

Отправка отчетов о статусе выполнения команд -  после выполнения команд или отказа выполнения команда отправляется отчет от терминала оператору через точку доступа(АР должна передать уведомление терминалу о доставке отчета на ПК оператора). Отказ возможен в случае, если  питающий аккумулятор ПО истощён и поэтому БПЛА аппаратно не может выполнить команду. Этот режим назовём «Режим энергосбережения» описанный ниже. Так же возможен отказ, если поврежден один из функциональных узлов, например один из винтов.  

2. Режим выполнения команд

В этом режиме терминал преобразует команды полученные от оператора в команды управления, понятные процессору БПЛА, который соединён с ИП управляемого объекта. Каждый функциональный узел (винты, камера, терминал) соединены с ИП, который имеет возможность управлять подачей напряжения на тот или иной узел. Благодаря чему возможно дистанционное включение БПЛА, если он выключен, потому что на терминал подаётся питание, в то время как подача питания двигателям отключена.

3. Режим энергосбережения

Этот режим включается либо по указанию оператора, либо автоматически ( например в случае когда заряд батареи составляет меньше 15% ). В этом режиме БПЛА с помощью датчиков периодически проверяет уровень аккумулятор, если уровень меньше 15% отправляется уведомление оператору, который должен в экстренном режиме посадить БПЛА на землю и зарядить аккумулятор. Если оператор не отвечает на сигналы об критическом заряде ( t2=5t1), терминал посылает оператору уведомление, о том что БПЛА запускает сценарий посадки: одновременное плавное понижение подачи питания на винты, после этого с помощью датчиков определяющих положения БПЛА в воздухе(датчик имеет возможность определять расстояние между поверхностью и БПЛА), питание винтов полностью отключается. Далее отключается камера и остаётся работать лишь терминал в «Пассивном режиме»

4. Пассивный режим  или режим ожидания

Это режим относится лишь к терминалу. Он работает на приём, периодически переключаясь в активный режим для передачи телеметрии. В этот режим можно перейти автоматически (оператор не передает команды управления в течении времени равном t1)  или по команде от оператора. В этом режиме возможно работа всех функциональных узлов

5. Режим возврата

Этот режим необходим в случае, когда управляемый объект вышел из зоны радиопокрытия. После выполнения команды терминал передает оператору через АР статус выполненной команды «Выполнено». В ответ АР должна сообщить о том, что сообщение принято. По истечении времени t2=5t1 терминал принимает решение запустить сценарий возврата: терминал считывает предыдущую команды из своей памяти  и выполняет процесс сравнения предыдущей команды и текущей команды. Это необходимо для формирования команды возврата терминала в точку окончания выполнения предыдущей команды. После возвращения в эту точку, терминал отправляет на ПК оператора уведомление о том, что сценарий возврата завершён. Далее терминал переходит в пассивный режим. Если процесс возврата запустил сам оператор с помощью команд, то это уведомление расценивается как отчет о статусе выполнения команды, если этот режим запустился автоматически, то это означает, что терминал вышел из зоны радиопокрытия и необходимо скорректировать команду.

 6. Режим аварийного отключения      

 Если возникает повреждение хотя бы одного из функциональных узлов, то, с помощью датчиков, информация о повреждении передается на терминал,который передает эту информацию на ПК оператора с помощью АР. Далее оператор решает, по какому из выше перечисленных сценариев пойдет работа БПЛА. Если оператор решает продолжить выполнение команды,то в этом случае возможны неточности выполнения или полный отказ всей системы. Если оператор не “ответил ” терминалу,по истечении времени t2, то в этом случае команда не выполняется, а происходит автоматический запуск режима энергосбережения.

 

Таким образом,диаграмма всевозможных состояний выглядит следующим(рис.3):

 Рис.3 Диаграмма состояний терминала

1.2.2 Пояснение способа организации доступа к физическим каналам (организация множественного доступа).  

Из п.1.1 вытекает, что данная радиосеть работает в реальном масштабе времени. Для таких систем характерно постоянное формирование трафика. В таких системах важно предоставление канального ресурса на постоянной основе на протяжении всего сеанса связи. Таким образом для проектируемой сети в данной работе будем использовать метод  с фиксированным распределением канального ресурса – метод FAMA.Метод FAMA означает, что канал распределён между терминалами. Для устойчивости работы обусловимся, что имеется только 3 терминала и 3 оператора.  Сеть не предполагает включение в неё дополнительных терминалов или операторов. По условию распределение каналов осуществляется на основе временного разделения (TDMA). За каждым терминалом закреплен свой временной отрезок(1 мультикадр), за который он передает данные. 1 мультикадр разделен на 3 кадра.Первый кадр необходим для приема сообщений от ТД,служебных или информационных. Второй кадр для передачи видеопотока,причем для него используется не один ФК,а несколько (2-3) для обеспечения качества

передачи.Третий кадр для передачи сообщений точке доступа.Далее идет аналогичный временной отрезок для 2-го терминала.Это разделение циклично(постоянно повторяется).  Для точки доступа выделен отдельный ФК для того, чтобы она не конкурировала с терминалами.  Таким образом, структура канального ресурса  отображена на рис.4.

  

Рис.4. Структура распределения канального ресурса.

1.2.3 Разработка сценария соединения. Построение и подробное пояснение графических диаграмм состояний терминала, отражающих элементы разрабатываемого сценария. Пояснение решений устранения коллизий, возникающих в радиосети

Оператор формирует команды с помощью ПК. ПК переадресует эти команды маршрутизатору, который собирает потоки команд    со всех ПК других операторов, группирует их и отправляет точке доступа. АР «разбивает» это сообщение на логические части и   отправляет их адресатам. Естественно точка доступа знает и о подвижных объектах и о их управляющих операторах. Их ID записаны в базе данных АР. Для одновременного дистанционного управления точка доступа использует широковещательный канал, в котором одно сообщение(команда) адресуется всем терминалам. Это один из режимов работы АР. Второй режим : адресная отправка сообщений, описанная ранее.

 

Так как мы используем метод FAMA,коллизии в нашей системе отсутствуют, потому что каждый терминал работает в своём временном диапазоне и не мешает соседнему терминалу. Это уменьшает гибкость сети, но увеличивает качество связи и оперативность в принятии решений. Графическая диаграмма состояний показана на рис.3.

Используемая литература:

1. Бакке А.В.   «Лекции по курсу ССПО» 

         

2. Бакке А.В.   «Лекции по курсу СТССПО» 

 

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

 

4.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D1%83%D0%BB%D1%8C%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%BF%D1%82%D0%B5%D1%80#.D0.9F.D1.80.D0.B8.D0.BD.D1.86.D0.B8.D0.BF_.D0.B4.D0.B5.D0.B9.D1.81.D1.82.D0.B2.D0.B8.D1.8F