Курсовая работа

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

 

Тема:  «Радиосистема управления беспилотным аппаратом»

Часть 1.

 

Выполнили:

студенты гр. 319

Горбунова В. Б.

Курочкин В. В.

 

 

 

Исходные данные:

1.     Радиус зоны обслуживания точки доступа: 4000 м;

2.     Тип местности: пригород, сельская местность;

3.     Вероятность ошибки на бит  Pb: 10-6;

4.     Мощность излучения подвижной станции Ризл:  < 1 Вт;

5.     Радиоинтерфейс: OFDM;

6.     PR: 90%;

7.     Диапазон частот, вид модуляции выбирается самостоятельно.

 

Задача:  разработка системы, предназначенной для обеспечения радиоуправления беспилотным аппаратом и получения от него видеопотока. В прямом направлении на подвижный аппарат поступают команды управления движением и видеокамерой, в обратном – видеопоток и точные географические координаты аппарата.

 

Требования к системе:

- шифрование команд управления и трафика.


 

1.        Введение.

В рамках курсового проекта предполагается разработать радиосистему дистанционного видеоконтроля. При конструировании беспилотного летательного аппарата (БПЛА, мультикоптер) одним из основных этапов является выбор модуля дистанционной связи. Вариантов использования мультикоптера множество, в соответствии с ними меняются требования как к характеристикам  самого БПЛА, так и устанавливаемого радиомодуля. К примеру, фотографирование достопримечательностей, это - управление со смартфона и сравнительно короткий полет. Напротив, аэросъемка потребует использования более функциональной базовой станции и продолжительного времени полета.  В независимости от целей, наиболее распространенные решения – устройства поддерживающие стандарты Bluetooth, Wi-Fi.

Наиболее распространенная на сегодняшний день технология передачи информации заключается в непрерывной трансляции изображения по мере его получения в цифровом или аналоговом формате, структура которого не меняется в течение всего полета. Необходимо учесть, что непрерывная трансляция изображений имеет следующие особенности:

·        значительная часть визуальной информации может не иметь искомых признаков;

·        отсутствует гарантия достоверной доставки информации;

·        требуется постоянное излучение сигнала передатчиком, что позволяет

легко обнаружить БПЛА и установить его координаты.

 

2.          Обоснование предполагаемой архитектуры решения, пояснение задач и схемы взаимодействия «пользователь – радиосеть – объект наблюдения». Проработка состава сетевого терминала при БПЛА, отражающего выполнение возлагаемых на объект задач; анализ задач и структуры командного узла. Характеристика и пояснение практической реализации следующих задач сетевого объекта: «способ подключения и управления положением видеокамеры; оценка требуемой пропускной способности канала передачи данных в обоих направлениях»; пояснение стратегии командного узла вида «обнаружил объект/проверил работоспособность/предоставил управление оператору», анализ предполагаемых типов трафика и моделей видеокамеры, проработка примера подготовки сообщений управления движением БПЛА и видеокамерой.


 

2.1.    Архитектура решения: обоснование функционального состава радиосети, определение источника и получателя сообщений.


        

   Рис. 1. Общая схема системы управления БПЛА

При разработке системы радиоуправления беспилотным летательным аппаратом (БПЛА) было выбрано 2 взаимодействующих сетевых объекта: терминал (БПЛА) и точка доступа (НПУ – наземный пункт  управления, он же пульт управления). Поскольку нам необходимо обеспечить обмен сообщениями между двумя узлами (БПЛА и НПУ) по выделенным каналам связи, мы выбрали топологию сети  «точка – точка».

Аппарат предназначен для ведения фото- и видеосъемки с высоты полета, снабжен встроенной видеокамерой, имеет функцию трансляции сигнала с видеокамеры на экран оператора по каналу Wi–Fi и записи его на внутреннюю память, а также функцию глобального позиционирования при помощи системы GPS; относится к радиоэлектронным средствам, так как содержит приемо-передающие устройства (приемник и передатчик – пульт управления). Управление БПЛА осуществляется пользователем (НПУ) с пульта дистанционного управления по радиочастотному каналу. Передача команд управления ведется с наземного пункта, а передача телеметрических данных со стороны БПЛА. Требования к передаче данных командно-телеметрических данных на большие расстояния требуют постоянного контроля ЛА и корректировки параметров полета в процессе выполнения поставленных задач.

2.2.    Основные требования к системам связи с БПЛА; способ подключения и управления положением видеокамеры; оценка требуемой пропускной способности канала передачи данных.

Линия радиосвязи летательного аппарата (ЛА) и наземного пункта управления обеспечивает двусторонний обмен информацией между бортовой и наземной аппаратурой. Основными задачами линии связи являются:

1)    В направлении НПУ – ЛА – передача командной информации для осуществления управления полетом и работой бортового оборудования (датчиками видеофиксации, геолокацией и т.д.)

2)    В направлении ЛА – НПУ – передача телеметрической информации (видео, изображения, координаты,  сообщения об ошибках)

По пропускной способности эти радиолинии сильно различаются: объем передаваемой информации линии НПУ-ЛА невелик и необходимая скорость передачи информации в этом канале не превышает нескольких десятков Кбит/с. В свою очередь радиолиния ЛА-НПУ должна иметь значительно большую пропускную способность, конкретное время передачи информации определяется задачами и конкретными показателями летательного аппарата.

НПУ является источником сообщений, которые предназначены для управления винтами и видео датчиком. В роли таких сообщений выступают команды управления винтами(скорость и направление вращения) и датчиками (поворот камеры, зуммирование изображения и т.д.). Команды управления могут осуществляться до сотен раз в минуту. В этом направлении передачи должна быть гарантированная доставка команд управления, иначе отсутствие такой гарантии может привести к неправильному выполнению команд, неисправности или потере беспилотного летательного аппарата.

В связи с широким спектром применения системы видеонаблюдения следует предусмотреть возможность шифрования данных. Режим шифрования будет включаться по требованию оператора. Основной услугой этой системы является видеонаблюдение. Дополнительных услуг в системе не предусмотрено.

3.         Анализ видов информационных сообщений, выделение источника каждого конкретного сообщения и получателя. «Жизненный цикл» сообщений. Структура информационных сообщений.

В пункте 2 был установлен перечень функциональных узлов системы, это:

- терминал (Т - БПЛА);

- точка доступа (ТД - НПУ).

Т и ТД связаны между собой беспроводным способом (поскольку разрабатывается радиосистема видеонаблюдения). Рассмотрим краткое  описание концепции функционирования сети. Функционирование разрабатываемой радиосети начинается с этапа поиска сети. ТД передает широковещательное сообщение, в состав которого входит уникальный IDТД. Т осуществляет поиск сети. Найдя сеть Т получает IDТД, сравнивает его с IDТД, хранящимся в информационной системе Т. В случае если они совпадают, то начинается процедура регистрации Т в сети, в противном случае поиск сети продолжается (№1 табл. 1). Для прохождения процедуры регистрации в сети Т передает ТД уникальный IDТ. ТД, получив IDТ, сравнивает его с IDТ, хранящимся в информационной системе ТД. В случае если принятый IDТ совпадает с хранящимся, то процедура регистрации окончена: Т зарегистрирован в сети (№2 табл. 1). Эти этапы функционирования осуществляются только один раз: во время включения Т. А при дальнейшем функционировании сети ТД  периодически опрашивает терминал (№3 табл. 1), если терминал включен и зарегистрирован, то он ответит подтверждением (№4 табл. 1). После прохождения этапа регистрации ТД может осуществлять видео наблюдение, создав запрос на предоставление необходимой информации от Т. Управление датчиками осуществляется по той же схеме, что «запрос на видео наблюдение, координаты» (№5 табл. 1).  Более подробный анализ функционирования системы будет рассмотрен позднее.

Таблица. 1.  Анализ доставки информационных/служебных сообщений системы.

Этапы функциони-рования системы

Сообщение для передачи

Инициат.сеанса связи

Доставка сообщения (сеть)

Получатель сообщения

1

Поиск сети

IDТД

ТД

ТД → Т

Т

2

Регистрация в сети

IDТ

Т

Т → ТД

ТД

3

Опрос Т

«Т работает?»

ТД

ТД → Т

Т

4

Подтверждение работы

«Т работает!»

Т

Т → ТД

ТД

5

Запрос на видео наблюдение

«Т -видеонаблюдение»

ТД

ТД → Т

Т

6

Предоставление видео и аудио данных

Видео данные

Т

Датчики→Т→ТД

ТД

7

Запрос на координаты

«Т – координаты»

ТД

ТД → Т

Т

8

Предоставление координат

Координаты

Т

Датчики→ Т→ТД

ТД

 

 Задачи ТД:

·  передача общей информации о сети:

·  прием/передача адресных сообщений;

·  прием и обработка запросов от Т;

·  организация и выделение каналов связи;

·  сбор статистических данных о работе сети.

Задачи Т:

·  сбор видео данных;

·  определение местоположения;

·  прием и обработка запросов от ТД;

·  передача видео данных;

·  передача координат;

·  синхронизация с ТД;

·  сбор статистических данных о работе терминала.

 

4.    Описание обобщенных функциональных схем терминала и выделенного узла сети; пояснение цели и места радиомодуля в составе терминала.

 

Рис. 2. Обобщенная схема работы сети.


Состав схемы точки доступа:

Управление терминалами, вывод поступающих данных - блок, предназначенный для обработки команд управления пользователя с целью последующей ее передачи на L2 уровень и вывода на экран видео, координат и сообщений об ошибках поступающих с терминала. Он формирует исполняемый код, а также приводит информацию об адресе терминала.

Сценарий функционирования сети - предназначен для определения сценария взаимодействия терминала и точки доступа.

Блок прошивки – необходим для прошивки  с другого устройства через USB-порт.

Блок подключения устройства – реализует прямое подключение управляющего терминала к ТД при помощи  Wi-Fi модуля.

Контроллер сообщений – производит чтение и запись информации о терминале и командах в  буфер.

Буфер – выступает в качестве хранилища данных служебного характера, сведений о терминале (ПЗУ) и содержание текущей команды (ОЗУ).

L2   блок, предназначенный для  обозначения канального уровня сетевого взаимодействия, который формирует конечный адрес, проверяет контрольные суммы  и делит данные на пакеты. Данный блок взаимодействует с блоком L2 терминала.

L1  - блок, предназначенный для обозначения физического уровня сетевого взаимодействия, который выполняет функции, необходимые для успешной передачи данных в радиоканал.


Состав схемы терминала:

Датчики, регуляторы, GPS-модульустройства, которые непосредственно снимают информацию о состоянии той или иной подсистемы, определяют координаты и выполняют команды.

Микроконтроллер – управляет датчиками, регуляторами и проч.

Служба управления устройством – переводит сигнал управления с уровня L2 в исполняемый код, а также  осуществляет обработку сообщений о состоянии терминала с целью ее последующей  передачи на L2 – уровень.

 

Под терминалом (рис. 3) понимается особый  модуль, выполняющий функции:

-       Приём команды с радиоканала и доведение её до управляемого устройства.

-       Считывание данных с управляемого устройства и передача их по радиоканалу.

В составе терминала можно выделить следующие блоки:

Радиомодуль отвечает за прием и передачу потока битов с заданным качеством по радиоканалу.

Микроконтроллер содержит информационную подсистему, которая хранит сценарии поведения управляемого устройства и  данные маршрутизации; блок, в котором находятся данные о состоянии управляемого устройства; а также элемент, который отвечает за управление работой устройства.

 

Рис. 3. Функциональная схема терминала.

 

К функциям узла (рис.4) можно отнести:

-       Передача широковещательного  сообщения (содержащего в себе ID сети, синхронизацию по времени и частоте;

-      
Предоставление канального ресурса.



Рис. 4. Функциональная схема выделенного узла сети.

В структуре выделенного узла радиомодуль используется для приёма и передачи потока битов по радиоканалу с заданным качеством.

Сценарий отвечает за порядок взаимодействия точки доступа и терминала в различных ситуациях.

Блок прошивки и измерений необходим для внесения корректировок в работу сети, а также для оценки работы физического уровня.

Информационная подсистема хранит данные об адресе передаваемого сообщения, передаваемое сообщение, информацию о состоянии терминала.

Сетевой контроллер обеспечивает связь точки доступа с управляющим устройством через Wi-Fi.

 

5.    Состав сообщений физического уровня (L3).

 

На физическом уровне реализуется взаимная передача сообщений от терминала (БПЛА) к точке доступа (НПУ). Помимо идентификаторов сообщения содержат команды управления винтами и камерой (в сообщениях поступающих от НПУ) и видеоданные, геолокационные данные и сведения об ошибках (в сообщениях от БПЛА).

 

IDТД – идентификатор точки доступа;

IDТ – идентификатор терминала;

В1-В4 – команды управления винтами;

К – команды управления видеомодулем.

IDТД

IDТ

В1

В2

В3

В4

К

Рис. 5. Структура сообщений L3 уровня поступающих на терминал (БПЛА).

Vid – поток видеоданных;

GPS – данные о координатах БПЛА;

Info – сообщения об ошибках, сведения об уровне сигнала.

IDT

IDTД

Vid

GPS

info

Рис. 6. Структура сообщений L3 уровня поступающих на точку доступа (НПУ).


 

Список используемой литературы:

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

2.     http://omoled.ru/publications/view/788

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

4.     «Исследование характеристик радиоканала связи с БПЛА», Полынкин А. В., Ле Х. Т., Известия ТулГУ, 2013 г.