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 персонального компьютера (ПК) по
радиочастотному каналу. Передача команд
управления ведется с наземного пункта (ТД), в свою очередь ТД принимает запрос
от пользователя и выполняет необходимые команды, а передача телеметрических
данных происходит со стороны БПЛА.
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)
Подключение видеокамеры
осуществляется с помощью проводного
соединения USB, управление положением
видеокамеры происходит в исполнительном блоке по запросу пользователя. По
пропускной способности потоки данных 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 (более 1мбит/с).
НПУ является источником сообщений, которые предназначены для управления полетом
и видео датчиком. В роли таких сообщений выступают команды управления полетом (скорость
и направление движения) 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. Для видеоданных
требуется соблюдение единого масштаба времени и отдельный канал передачи, так
как передача видеоданных осуществляется беспрерывно и с большей скоростью, чем
другие команды.
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. Инициатором
подготовительного этапа является точка доступа. На этом этапе выполняется
регистрация идентификатора БПЛА (ID), установка связи между Т и ТД, синхронизация
телеметрических параметров для передачи видеосигнала в реальном масштабе
времени и дальнейший запуск устройства. После запуска терминал переходит в
режим «нормальной» работы – этап функционирования. На этом этапе из ТД в Т
осуществляется передача команд управления и системная информация, в ответ на
запрос БПЛА пересылает 2 потока телеметрических сообщений: широкополосный поток
с видеоданными и поток с GPS координатами, системной информацией, уровнем
сигнала и сообщениями об ошибках. При потере БПЛА сигнала, он автоматически
вернется в точку взлета.
Таким образом,
основными задачами ТД являются: 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; а в задачи терминала входит: сбор и передача видеоданных, определение
местоположения и передача точных координат, прием и обработка запросов от ТД, синхронизация
с ТД сбор статистических данных о работе.
4.
Описание обобщенных функциональных схем
терминала и выделенного узла сети; пояснение цели и места радиомодуля в составе
терминала.
Рис. 3. Обобщенная схема работы сети.
Интерфейс пользователя – это персональный компьютер с необходимым программным обеспечением,
обеспечивающий взаимодействие пользователя с сетью. Управление полетом
осуществляется с помощью пульта дистанционного управления или клавиатурой.
Пользователь имеет возможность отслеживать местоположение БПЛА, следить за
уровнем сигнала и переключаться между топографической картой и поступающим на
экран видео.
Рис. 4. Интерфейс пользователя.
Модуль
управления полетом – это программное обеспечение, позволяющее
пользователю передавать команды управления на терминал.
Физический
интерфейс – радиоканал, по которому передаются
радиосимволы. Основной задачей ФИ является достоверная доставка радиосимволов
получателю.
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.
Радиомодуль
– устройство, предназначенное для
организации приема/передачи сообщений по радиоканалу.
Сценарий взаимодействия
- предназначен для определения сценария
взаимодействия терминала и точки доступа. Включает в себя программное и
аппаратное обеспечение, предназначенное для прямого подключения подключение
управляющего терминала к ТД при помощи Wi-Fi модуля.
Кодер
служит для преобразования сообщений в кодовые символы с целью уменьшения
избыточности источника сообщения, т.е. обеспечении минимума среднего числа
символов на одно сообщение и представления в удобной форме
Блок управления– 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.
Декодер - это устройство для преобразования последовательности кода в
сообщение.
Радиомодуль отвечает за прием и передачу потока битов с
заданным качеством по радиоканалу.
Услугами,
предоставляемыми телекоммуникационной сетью, являются: передача команд
управления БПЛА от пользователя и получение оперативных телеметрических данных
и видео потока. Также сеть предоставляет сообщения об ошибках и уровень
сигнала. Все данные передаются по закодированному каналу.
5.
Обоснование иерархических моделей объектов
радиосети.
Иерархическая
модель отражает поэтапную реализацию телекоммуникационных услуг. Каждый уровень
модели предназначен для выполнения ряда задач. Решением задач занимается служба
уровня. В процессе решения задачи образуется процесс, при выполнении которого
осуществляется обмен сообщениями со службой удаленного сетевого объекта.
Процесс длится до тех пор, пока задача не будет решена. При поступлении запроса
пользователя на предоставление услуги, требуется выполнить следующие задачи:
1.
Создание приложения для пользователя
2. Перевод
команд человека в машинный код
3. Одновременное
ведение нескольких задач, запуск процесса передачи (т.е. подготовка объектов
сети к нормальному режиму работы: установление и поддержка соединения между
компонентами распределенной системы).
4. Транспортная
доставка сообщений.
5. Определение
маршрута передачи сообщения.
6. Обеспечение
взаимодействия между двумя объектами, проверка доступности среды передачи,
реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок.
7. Передача
информации по физической линии связи.
НА примере рисунка 5
рассмотрим эталонную и прорабатываемую модели OSI. Три
верхних уровня классической модели OSI –
прикладной, представительский и сеансовый – объединим в один уровень, т.к. на
данном уровне будут приниматься все решения в системе на основе данных
информационной системы и данных, полученных с нижнего уровня. Поэтому данный
уровень назовем постановочным уровнем. В задачу этого уровня входит анализ полученных с нижних уровней
данных, на его основании принимается решение о дальнейших действиях
системы. На этом уровне используются 2 типа сообщений: информационные сообщения
и служебные сообщения. Постановочный уровень тесно связан с информационной
системой (ИС) и с остальными уровнями. Решения о функционировании сети
принимаются исходя из служебных сообщений, а также на основе сценариев
взаимодействия Т с ТД, прописанных в программном обеспечении ТД и терминалов.
Следующий уровень в иерархии - транспортный. Он
обеспечивает надежный механизм обмена данными, контролирует отсутствие ошибок в
принимаемых данных, расположение пакетов в соответствующем порядке, их полноту.
В разрабатываемой системе канальный уровень выполняет все перечисленные функции
транспортного уровня. Исходя из этого, объединим транспортный и канальный
уровни (т.к. в наличие отдельного транспортного уровня нет необходимости).
Сетевой уровень служит для
образования единой транспортной системы между БПЛА и НПУ. Канальный
уровень определяет функции, отвечающие за организацию канала передачи
данных. Канальный уровень необходим для осуществления надежной доставки
сообщений различных логических каналов между терминалом и ТД. На канальном
уровне решаются следующие задачи: формирование
пакетов, выделение сообщений из
потока бит, возможность обнаружения и коррекции ошибок, адресация сообщений, а
также организация доступа к физическому каналу связи (ФКС) и резервирование КС. В задачи физического
уровня входит реализация физического соединения, обеспечивающего
передачу видеопотока от Т к ТД, и передачу служебных сообщений от ТД к Т. При
организации радиосети на этом
уровне должны быть реализованы такие технические решения, которые обеспечат
достоверный прием бит.
К
параметрам ФУ относятся:
- вид модуляции;
- тип и параметры помехоустойчивого
кодирования;
- глубина перемежения;
- способ обеспечения тактовой, частотной и
пакетной синхронизации.
Рис. 5.
Иерархическая модель объектов радиосети
Рассмотрим подробную схему
работы, например, постановочного уровня. Здесь выполняется ряд задач службами
на основании исходных данных. Интерфейс уровня необходим, если ПО ставит
несколько задач. Сообщения, с помощью которых осуществляется взаимодействие
служб и интерфейса, предназначены для получения исходных данных и решения
задач. При выполнении задачи службой создается процесс, существующий до тех
пор, пока задача не будет решена.
Рис. 6.
Произвольный уровень модели
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.