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.

      Пульт радиоуправления — Документация Pioneer September update 2021  

   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.

 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.

 Пульт радиоуправления — Документация Pioneer September update 2021

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  
WiFiмодуля.

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.

Пульт радиоуправления — Документация Pioneer September update 2021 

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.

Пульт радиоуправления — Документация Pioneer September update 2021

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 
WiFi.

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.

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.

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://radiocopter.ru/publications/view/788

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

4.    
«Исследование характеристик радиоканала связи с БПЛА», Полынкин А. В.,
Ле Х. Т., Известия ТулГУ, 2021 г.