СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ БЕСПРОВОДНОГО КАНАЛА УПРАВЛЕНИЯ МОБИЛЬНЫМ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ И СИСТЕМА СВЯЗИ И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
METHOD OF SETTING UP MOBILE ROBOT SYSTEM WIRELESS CONTROL CHANNEL AND COMMUNICATION AND DATA TRANSMISSION SYSTEM

Группа изобретений относится к дистанционно-управляемым мобильным роботизированным комплексам, в частности к способам и устройствам для организации беспроводных каналов связи между бортовым вычислительным комплексом, размещаемым на подвижной части подвижного объекта - шасси, и пунктом управления.
Известен способ организации работы распределенного информационно-управляющего комплекса подвижных объектов (см. патент RU №2232377 C1, G01C 23/00, B60C 15/00, G06F 19/00, 10.07.2004 г.), принятый за прототип. Способ включает организацию канала информационного обмена комплекса, оснащенного средствами приема и передачи информации, между системами комплекса, в том числе между системой опознавания образов, блоками обработки информации, датчиками и вычислительной системой комплекса.
Из того же источника известен распределенный информационно-управляющий комплекс подвижных объектов, взятый за прототип. Распределенный информационно-управляющий комплекс подвижных объектов содержит взаимосоединенные входами-выходами по магистрали информационного обмена систем радиотехнических средств навигации, обзорно-прицельные средства, системы опознавания образов, инерциальные датчики и системы, воздушные датчики и системы, индикационно-управляющие устройства, вычислительную систему комплекса, включающую взаимосоединенные по магистрали вычислительного информационного обмена блок формирования параметров состояния, блок комплексной обработки информации, блок ввода-вывода и управления информационным обменом, другой вход-выход которого является входом-выходом вычислительной системы комплекса. Комплекс дополнительно снабжен включенными в состав вычислительной системы комплекса блоком приведения информации, блоком синтеза параметров движения и состояния, блоком расчета параметров движений и деформаций, соединенных между собой и с блоком формирования параметров состояния, с блоком комплексной обработки информации, с блоком ввода-вывода и управления информационным обменом вычислительной системы по магистрали вычислительного информационного обмена.
Недостатками прототипа являются:
- большое количество периферийных устройств, приводящее к усложнению и увеличению количества аппаратных средств;
- низкая эффективность использования системы связи в зонах с наличием большого количества препятствующих факторов;
- высокая конфигуративная сложность системы;
- необходимость применения мощных вычислительных средств;
- недостаточная надежность и стабильность работы системы связи;
- низкая степень оптимизации технических характеристик канала связи, что не обеспечивает достаточного уровня качества передачи данных.
Предлагаемой группой изобретений решается задача по повышению эффективности и надежности роботизированных комплексов вооружений.
Технический результат, получаемый при осуществлении группы изобретений, заключается в создании способа организации беспроводного канала управления мобильным робототехническим комплексом и системы связи и передачи данных, обеспечивающих передачу команд управления и прием телеметрии, передачу видеоизображения, передачу служебной информации, обновление микропрограмм без усложнения алгоритма функционирования системы связи и передачи данных и применяемых технических средств при обеспечении высокой степени надежности и стабильности канала связи.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе организации беспроводного канала управления мобильным робототехническим комплексом, включающем организацию канала информационного обмена комплекса, оснащенного средствами приема и передачи информации, между системами комплекса, в том числе между системой опознавания образов, блоками обработки информации, датчиками и вычислительной системой комплекса, новым является то, что на первоначальном этапе для организации беспроводного канала управления мобильного робототехнического комплекса производится оценка и определение необходимой пропускной способности (скорости соединения) канала для передачи команд управления и телеметрии, на втором этапе проводится оценка и определение необходимой пропускной способности (скорости соединения) канала для передачи видеоинформации с учетом анализа качества распознаваемости объектов различной конфигурации на передаваемой видеоинформации, на третьем этапе проводится сравнительный анализ форматов сжатия и передачи видеоданных, выбор режимов исходного изображения и общей структуры подсистемы связи, на четвертом этапе проводится анализ характеристик частотных диапазонов и выбор наиболее подходящего для применения в составе МРК диапазона частот, исходя из возможности обеспечения связи на расстояние (2-3) км и технических характеристик необходимого оборудования, на пятом этапе формируется структура системы связи и передачи данных, основанная на смешанном (комплексном) методе передачи информации в аналоговом и цифровом виде.
Этот способ организации беспроводного канала управления мобильным робототехническим комплексом реализуется в предлагаемой системе связи и передачи данных, содержащей канал информационного обмена, блоки обработки информации, средства приема и передачи информации, вычислительную систему, в которой новым является то, что в системе связи и передачи данных для передачи при смешанном (комплексном) способе передачи информации задействованы: видеокамеры, связанные с матричным видеокоммутатором, блок аналогового шифрования, связанный с передатчиком видеосигнала, бортовой компьютер, радиомодем данных, установленные на подвижной части мобильного роботизированного комплекса, для приема данных при смешанном (комплексном) способе задействованы: приемник видеосигнала, связанный с блоком аналогового декодирования, компьютер пункта управления, блок видеозахвата, радиомодем данных.
В системе связи и передачи данных могут быть задействованы направленные антенны приема и передачи со стороны пункта управления и на подвижной части мобильного робототехнического комплекса.
Оценка и выбор необходимой пропускной способности (скорости соединения) канала для передачи команд управления и телеметрии позволяет определить оптимальную производительность по переданной информации канала связи исходя из объема задач по назначению.
Оценка и выбор необходимой пропускной способности (скорости соединения) канала для передачи видеоинформации с учетом анализа качества распознаваемости объектов различной конфигурации на передаваемой видеоинформации позволяет обеспечивать качество изображения, достаточное для решения задач по распознаванию объектов различной конфигурации и размера.
Проведение сравнительного анализа форматов сжатия, выбора режимов исходного изображения и общей структуры подсистемы связи позволяет определить оптимальный тип формата сжатия, степень сжатия и стойкость к нарушению к видеоизображения.
Проведение анализа характеристик частотных диапазонов и выбор наиболее подходящего для применения в составе МРК диапазона частот позволяет обеспечить надежную связь в различных условия при сохранении приемлемой мощности передатчика и оптимальной конструкции антенны.
Формирование структуры системы связи и передачи данных, основанной на смешанном (комплексном) методе передачи информации в аналоговом и цифровом виде, позволяет обеспечить устойчивую радиосвязь при относительной схемной простоте.
Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема подсистемы связи, на фиг. 2 - структурная схема передачи видеосигнала с подвижной части мобильного робототехнического комплекса при смешанной передаче данных, на фиг. 3 - структурная схема приема видеосигнала на пункте управления при смешанной передаче данных.
Система связи и передачи данных для передачи при смешанном (комплексном) способе передачи видеоинформации состоит из передающей части, размещенной на подвижной части мобильного роботизированного комплекса (МРК), и принимающей части, размещенной на пункте управления (ПУ).
Передающая часть содержит видеокамеры (ВК) 1, связанные с матричным видеокоммутатором (МВК) 2, блок аналогового шифрования (БАШ) 3, бортовой компьютер (БК) 4, радиомодем данных (РМД) 5. БАШ 3 связан с передатчиком видеосигнала (ПерВС) 6.
Принимающая часть содержит приемник видеосигнала (ПрВС) 7, связанный с блоком аналогового декодирования (БАД) 8, компьютер пункта управления (КПУ) 9, блок видеозахвата (БВЗ) 10, радиомодем данных (РМД) 11.
В системе связи и передачи данных могут быть задействованы направленные антенны приема и передачи (на чертежах не показаны) со стороны ПУ и на подвижной части МРК.
Способ организации беспроводного канала управления мобильным робототехническим комплексом реализуется следующим образом.
Система управления мобильным робототехническим комплексом (МРК) может быть условно разделена на два модуля:
- бортовой вычислительный комплекс - совокупность программно-аппаратных средств, решающая задачу управления МРК и размещаемая на подвижной части - шасси;
- пульт оператора - совокупность программно-аппаратных средств, размещаемая на машине управления, либо на внешнем пульте.
Канал связи между указанными модулями должен обеспечивать следующий набор функций:
- передача команд управления и прием телеметрии;
- передача видеоизображения;
- передача служебной информации, обновление микропрограмм.
Этап оценки и определения необходимой пропускной способности (скорости соединения) канала для передачи команд управления и телеметрии
Передача команд управления и прием телеметрии производится последовательным байт ориентированным протоколом, асинхронно. Тогда объем одной посылки составляет 100·8=800 бит. Зависимость времени передачи от скорости приведена в таблице 1.
Таблица 1
Зависимость времени передачи от скорости соединения
Скорость соединения, бит/с
Время передачи пакета, с
Объем данных, кб, передаваемый за 1 минуту
4800
0,16
35,1
9600
0,08
70,3
14400
0,05
105,4
19200
0,041
140,6
28800
0,027
210
33600
0,023
246
38400
0,020
281
57600
0,013
421
115200
0,006
843
Отсюда можно сделать вывод, что с превышением скорости соединения выше 19200 бит/с не происходит значительного роста скорости или производительности по переданной информации канала связи.
Следовательно, для удовлетворительной работы системы управления при правильной организации протокола обмена, прежде всего на логическом уровне нет необходимости в существенном увеличении скорости соединения.
Оценка и определение необходимой пропускной способности (скорости соединения) канала для передачи видеоинформации
Видеоизображение передается в цифровом виде. Скорость смены кадров стандартная - 25 кадров/с. Изображение полноцветное. Разрешение оптической системы камеры должно быть не хуже 520 ТВЛ по стандартной таблице контроля разрешения.
Зависимость объема информации от размера кадра (без сжатия) приведен в таблице 2.
Таблица 2
Зависимость объема информации от размера кадра (без сжатия)
Разрешение кадра
Размер одиночного кадра, б
Поток данных, Мб/с без применения сжатия
176×144 (QCIF)
109172
2,6
320×288 (QVGA)
309460
7,3
640×480 (VGA)
953392
22,7
720×576 (D1)
1,27 Мб
31,75
800×600 (SVGA)
1,47 Мб
36,75
1024×768 (XGA)
2,3 Мб
57,5
1280×720 (HD)
2,7 Мб
67,5
Зависимость распознавания объектов на расстоянии 10 метров от видеокамер от размера кадра приведена в таблице 3.
Таблица 3
Зависимость распознавания объектов на расстоянии 10 метров от видеокамеры, от размера кадра
Разрешение кадра
Распознаваемость крупных объектов (грузовой автомобиль сбоку)
Распознаваемость средних объектов (человек в полный рост)
Распознаваемость мелких объектов (пачка сигарет)
Сложный объект (человек в камуфляже)
176×144 (QCIF)
Хорошая, идентификация зависит от квалификации оператора
Удовлетворительная, затруднена идентификация
Невозможна
Невозможна
320×288 (QVGA)
Хорошая, идентификация зависит от квалификации оператора
Хорошая, идентификация зависит от квалификации оператора
Удовлетворительная, затруднена идентификация
Невозможна
640×480 (VGA)
Отличная
Хорошая, идентификация зависит от квалификации оператора
Хорошая
Невозможна
720×576 (D1)
Отличная
Отличная
Хорошая
Удовлетворительная
800×600 (SVGA)
Отличная
Отличная
Отличная
Хорошая, идентификация зависит от квалификации оператора
1024×768 (XGA)
Отличная
Отличная
Отличная
Отличная
1280×720 (HD)
Отличная
Отличная
Отличная
Отличная
Из таблицы 3 следует, что наиболее целесообразным является настройка видеокамер, применяемых на МРК, на размер кадра не менее 800×600 точек, что обеспечивает качество изображения, достаточное для большинства задач.
Этап сравнительного анализа форматов сжатия и передачи видеоданных, выбора режимов исходного изображения и структуры подсистемы связи
Рассмотрим наиболее распространенные форматы сжатия и передачи видеоданных.
Motion JPEG
Motion JPEG или М-JPEG - цифровой видеоряд, состоящий из последовательности отдельных изображений JPEG. Отображение 16 или более кадров в секунду воспринимается зрительно как видеоизображение. Отображение 30 (NTSC) или 25 (PAL) кадров в секунду воспринимается как полномасштабное видео.
Одно из преимуществ Motion JPEG заключается в том, что каждому кадру в последовательности гарантируется качество, получаемое на уровне сжатия, выбранном для камеры или видеокодера.
Отсутствие взаимосвязи между кадрами в Motion JPEG гарантирует высокую надежность этого формата, то есть потеря одного кадра во время передачи не повлияет на качество остального видеоряда.
MPEG-4
Формат MPEG-4 соответствует стандарту MPEG-4 Part 2, который также известен MPEG-4 Visual.
MPEG-4 используется в приложениях, требующих высокого качества изображения, фактически неограниченную пропускную способность и отсутствие ограничений по частоте кадров.
Н.264 или MPEG-4 Part 10/AVC
Н.264 или MPEG-4 Part 10/AVC - современный стандарт кодирования видеосигналов. Как ожидается, стандарт Н.264 станет в ближайшие годы самым востребованным видеостандартом. Кодер Н.264 без ущерба для качества изображения может снижать размер файла цифрового видео более чем на 80% по сравнению с форматом Motion JPEG и на 50% - по сравнению со стандартом MPEG-4, что означает гораздо меньшие требования к полосе пропускания для передачи и объему памяти для хранения видеофайла. Или же, с другой стороны, возможность получения гораздо лучшего качества видеоизображения при той же скорости передачи данных.
Сравнительный анализ форматов сжатия приведен в таблице 4.
Таблица 4
Сравнительный анализ форматов сжатия
Тип формата сжатия
Стойкость к появлению артефактов движения*
Стойкость к обрывам канала передачи
Степень сжатия, объем потока данных (среднее значение)
Motion JPEG
Низкая, появление «квадратов» вокруг движущихся объектов
Относительно высокая, отсутствует задержка при восстановлении канала, кратковременное пропадание связи не приводит к пропаданию или искажению изображения**
60% - 80% от несжатого потока
MPEG-4
Средняя, появление «выпавших строк»
Средняя, время восстановления изображения (0,5-2) с после восстановления канала, кратковременное пропадание связи приводит к искажениям изображения
30% - 60% от несжатого потока
H.264 или MPEG-4 Part 10/AVC
Высокая, артефакты отсутствуют
Низкая, время восстановления (2-10) с, кратковременное пропадание связи приводит к пропаданию изображения
20% - 40% от несжатого потока
* - искажения в изображении, появляющиеся при быстром перемещении объекта в кадре;** - изображение замирает на последнем устойчиво принятом кадре.
Таким образом, для передачи видеоизображения наиболее целесообразны следующие режимы передачи исходного изображения: размер кадра не менее 800×600 точек, сжатие MPEG-4. Скорость передачи данных должна быть не хуже 10 Мбит/с.
С учетом выше изложенного определяется общая структурная схема подсистемы связи.
Этап анализа характеристик частотных диапазонов и выбор наиболее подходящего для применения в составе МРК диапазона частот
Для передачи видеоинформации цифровой канал связи должен иметь высокое быстродействие и помехозащищенность. В настоящий момент доминирующей технологией является технология передачи цифровых данных WiFi.
Вне зависимости от частоты WiFi устройства, неработоспособности при отсутствии прямой видимости «приемник - передатчик» повышение выходной мощности сигнала не приводит к существенному повышению дальности связи.
В городских условиях возможно установление из-за случайных переотражений сигнала от конструкций зданий и сооружений, но гарантировать устойчивость канала не представляется возможным.
Вне городских условий, на открытой равнинной местности, WiFi устройства работают достаточно надежно при условии, что антенны размещены на высоте, превышающей высоту кустарника и складок местности.
Вне городских условий, в лесистой местности, WiFi устройства непригодны для надежной связи. По разным источникам один метр кроны ослабляет сигнал от 4 до 8 дБ. Кроны деревьев оказывают большее влияние на ослабление и рассеивание сигнала, чем стволы. При необходимости обеспечения связи по WiFi при условии наличия отдельных деревьев целесообразно устанавливать антенны ниже уровня крон деревьев.
Сравнительные характеристики частотных диапазонов приведены в таблице 5.
Таблица 5
Сравнительные характеристики частотных диапазонов
Частотный диапазон
Возможность связи на большие расстояния
Длина антенны
Мощность передатчика
3-30 ГГц
Теоретическая - 200-500 км, на рассеивании в неоднородностях тропосферы*. Практически - до 500 м в прямой видимости
В пределах 10 см
До 1 Вт
300 МГц - 3 ГГц
Практическая - 10 км
В пределах 4-х метров
До 10 Вт
30-300 МГц
Практическая - 50 км и более
В пределах 10 метров
Сотни Вт и более
* - требуется специальная конструкция антенн, точное взаимное положение приемной и передающей антенн, сложная обработка сигнала.
Из таблицы 5 следует, что наиболее подходящим для применения в составе МРК является диапазон дециметровых волн. В этом диапазоне сохраняется приемлемая мощность передатчика, и в то же время, при работе в данном диапазоне практически пропадают проблемы обеспечения связи в условиях города и открытой местности, а также леса, на дальностях до (2-3) км.
Этап формирования структуры системы связи и передачи данных, основанной на смешанном (комплексном) методе передачи информации в аналоговом и цифровом виде
В то же время, становится невозможна передача видеосигнала в цифровом виде, однако хорошо отработанными являются схемы передачи видеосигнала в аналоговом виде, а также существуют радиомодемы для низкоскоростной последовательной передачи данных (смешанный или комплексный способ передачи данных).
В схеме передачи данных при смешанном способе: ВК 1 - источники аналогового видеосигнала в формате Composite Video или HS, МВК 2 - интегральная микросхема, обеспечивающая согласование уровней сигналов ВК 1, формирование сигналов строчной и кадровой развертки и подающая сигналы на вход БАШ 3. Основная задача МВК 2 - выборка активной в текущий момент ВК 1 по команде БК 4 и подача сигнала для дальнейшей передачи. БАШ 3 - обеспечивает защиту сигнала от декодирования при перехвате радиоканала. Защита обеспечивается путем смещения уровней сигнала от стандартных уровней Composite Video и изменением задержек в сигналах строчной и кадровой развертки. ПерВС 6 передает кодированный аналоговый сигнал в эфир.
В схеме приема данных при смешанном способе: ПрВС 7 осуществляет прием закодированного видеосигнала и передачу низкочастотного видеосигнала на вход БАД 8. БАД 8 восстанавливает уровни видеосигнала до стандартных сигнала Composite Video, восстанавливает сигналы синхронизации строчной и кадровой развертки, передает сигнал на блок БВЗ 10. БВЗ 10 осуществляет преобразование аналогового сигнала в цифровой для дальнейшей обработки и визуализации на КПУ 9.
Из вышеизложенного следует, что наиболее надежным является радиоканал, выполненный по смешанной схеме с аналоговой передачей видеосигнала и цифровой передачей команд управления и телеметрии, работающий в диапазоне дециметровых волн.
Использование направленных антенн приема и передачи со стороны пункта управления и на подвижной части МРК
Для повышения надежности и стабильности канала связи возможно использование направленных антенн для размещения на пункте управления и подвижной части МРК.
Данное техническое решение позволяет значительно повысить скрытность работы МРК, а также обеспечить решение задачи навигации, т.к. антенна пункта управления является реперной точкой и всегда известна ориентация - пеленг на антенну пункта управления и угол поворота антенны передатчика относительно корпуса подвижной части МРК. В комплексе с данными одометрии и автономной системы навигации этих данных достаточно для решения задачи топопривязки МРК.
Таким образом, в предлагаемой группе изобретений решена задача по достижению технического результата, заключающегося в создании способа организации беспроводного канала управления мобильным робототехническим комплексом и системы связи и передачи данных, обеспечивающих передачу команд управления и прием телеметрии, передачу видеоизображения, передачу служебной информации, обновление микропрограмм без усложнения алгоритма функционирования системы связи и передачи данных и применяемых технических средств при обеспечении высокой степени надежности и стабильности канала связи.