无人机械无线遥控与无线图传技术浅析@Like

无人机械无线遥控与无线图传技术浅析@Like

(20xx-09

 

一、 某无人机械遥控系统需要分析

 

  某无机械远距离遥控系统主要用于危险,比如塌方的山区进行无人远程操纵作业的系统。这的遥控系统主要有无人机械电子操作技术和远距离无线通信技术两大关键技术需要攻克。工程机械电控操作已目前有较成熟的技术,而远距离无线通信技术需要研究的主要技术基于作业环境需要视距1~2公里的距离进行遥控操作。主要通信信息为高清视频信号单向传输和操作信息双向交互达到非视距可视化操作场景需要在机械上原目视点位置安装高清摄像头且可360云台操纵,另可考虑安装第二摄像头用于扩大可视区域实现更好的远程可视操作另可考虑机械上安装姿态传感器,远程实时监测机械处的姿势,设置边界避免机械发生倾覆等危险状态,另可考虑安装北斗GPS等卫星定位系统实时监测机械所处的位置,遥控远端可展示2D3D态势。能清晰的看清操作场景视频传输需要达到1080P的实时图像质量,基于现有可达的技术条件图像延迟大于300ms,要达到这个传输质量传输速率至少需要4Mbps以,监控图像是单向传输的。了能收到机械的各种状态和工作参数及远程控制机械动作,必须能在机械和控制端实现双向数据传输,传输速100Kbps, 信息传递延迟大于100ms。

 

二、 工程机械无线控制技术现状

 

目前挖掘机等工程机械可用无线控制技术大概有近距离、远距离、远程控制几种

距离一般控制范围在100m内,人工目视情况下操作机械工作,一般采用距离RF无线射频技术传输控制信号,传输速率只有几十K比特每秒。这种控制只适合于人操作不安全的近距离目视情况下的操作。无线产品成本比较,一套收发器可控制元内。

远距离一般是指控制范围在200m~2000m内,这种范围已经无法目视操作,必须在机械上增加视频摄像头,通过图像传输技术,把机械周边图像远距离传到操作端进行控制,般采用WLAN、COFDM、FDD等技术,图像传输速需要达到4M比特每秒以上,控制信息传输速率只需百K比特每秒。这种控制可以用于工程机械野外的远距离控制,可通过增加无线中继来增大距离。无线设备成本非常高,一套收发器几万元左右

远程控制一般是指控制范围大于2000m的距离达到上百公里甚至更远的控制,只要5G移动网络覆盖的地方就能实现控制远程控制一般采用4G5G技术,4G在传输速率特别是传输延迟上有较大缺陷,控制效果不理想,最理想的通过5G网络控制。移动网络控制的前提是机械工作范围必须有网络覆盖移动基站的覆盖范围有几百米的限制,所只能用于特定的场所。无线设备一套收发器成本大概几千元

 

三、 人机无线控制技术分析

 

工程机械的无线遥控发展不久,技术成熟度普遍不高,也没有非常普遍的标准化产品出现。种技术比较接近的是无人机和无人的遥控技术,可以采用无人机的无线通信方案,通过优化定制转为工程机械的遥控方案。下分析无人无线图传电台和无线数传电台的技术现状。

提到已经是比较普遍的机器,在个人消费、工业领域和军事领域都有非常广泛的应用。由于些领域不同的应用特点,所采用的无线通信技术也有很大差别。个人消费品主要用于拍摄,空中传输距离在几公里内;工业领域可用于农业、电力、森林、公共安全等,可做为拍摄和特种作业,空中传输距离在几公里军事领域主要用于侦察、火力等,空中传输距离要达到上百公里甚至更远,在军事领域采用微波和卫星无线传输方式。下主要分析个人消费民用工业领域无线传输方式。

个人消费品对成本比较敏感体积重量要求高,传输距离要求不是太高,目前采用的主流无线传输技术是标准WIFI和定制WIFI,标准WIFI空中距离200m~1000m,定制WIFI空中可达到4000m~8000m。标准WIFI成本低几十到几百即可实现,定制WIFI成本上千元。用WIFI的方案优点是成本低,技术成熟度高开发简单,双向高速通信速率达11M比特每秒,比较易于大范围推广应用缺点就是如果地面使用距离比较难于保证,受环境因素的影响较估计地面控制范围在几百米内。

工业领域无人机甚至部分军用无人机成本要求和体积重量要求都没那么高,但传输距离要求比较远。目前大都采用的单向COFDM+FSK两种无线电台技术另外还有比较新型的FDDLTE等双向图传技术。COFDM用于无线图传传输图像信息,FSK用于无线数传传输控制数据COFDM是工作在300MHz1.4GHz宽带无线传输技术,传输达到4M到十几M比特每秒,FSK是工作400MHz900MHz的窄带无线传输技术,传输速率般几十到几百比特每秒。应用这种技术在地面控制范围可以达到1000m2000m,视具体环境而定。这种设备单台成本几万元。

 

四、 可选方案对比分析

 

可选用的主流无线技术分析:

 

序号

无线

频率

带宽

距离

延迟

1​

WLAN​

2.4G 5.8G​

11 Mbps 54 Mbps​

90m~200m​

 

2​

ISM​

240-930MHz​

256kbps​

1000m​

 

3​

ZigBee​

2.4GHz​

250kbps​

10~100m​

 

4​

4G公网​

TD-LTE​

100Mbps​

 

 

5​

4G基站​

 

 

 

 

6​

COFDM​

 

170M~800MHz​

800m​

 

7​

MESH​

 

 

 

 

8​

5G​

 

 

 

 

几种无人机通信方案:

 

 

一种无线模块Microhard DDL

Microhard Systems Inc.是一家专业从事远程健壮无线数据设备的设计和制造的公司。Microhard提供4G / LTE蜂窝设备,OEM产品,SCADA无线电。

有三种基本方案可选(5G以下公网排除):

是专用WIFI芯片方案,单片成本最低小于1000,带宽足够11Mbps,组网简单,地面距离可能较几百米,需要实地验证

工业无人机普遍采用COFDM+FSK台成本最高3万多,COFDM视频单向下载4Mbps以上FSK数据电台300Kbps左右功能单一地距离有保证5公里山地需要实地验证

FDD/ TDD的双向高速数据电台,成本居中单台1万多,带宽足够上下12Mbps完全IP数据组网简单,距离有保证技术需要实地验证

 

 

五 COFDM技术介绍

 

尽管基于DVB-T标准,但COFDM设备本质上是一种典型的软件无线电系统。针对特种通信领域,我们对国产COFDM设备进行了一次简单调研,包括COFDM设备的产品形态,规格参数,组网方案等,这对后期的软件无线电平台具有一定的指导意义。本文提及的公司名称均以英文缩写替代。

1. COFDM设备产品形态

中心站,通常架设在市中心或者指挥车上

远端站,也就是移动端,含以下几种形态

  • 扣板式
  • 无人值守云台
  • 背负式
  • 便携式
  • 车载式

中继站,拓展无线传输范围

2. COFDM设备数据传输方向

数据传输方向上,大部分的单个设备只能实现单方向传输,只有少部分厂家可以实现双向传输,在当前调研的厂家中,只有JHXKWT实现了双向传输。

3. COFDM设备规格参数

射频相关

工作频段

300MHz~1GHz

载波带宽

1.25/2/4/6/8MHz
1.28/2.56/3.84MHz(JHX)

输出功率

中心站/车载站:1W~20W(可调)
单兵背负式:1W~5W(可调)

接收灵敏度

-111dBm@1.25MHz
-110dBm@2MHz
-104dBm@2.56MHz
-103dBm@4MHz

天线口

N型头,接全向天线

调制解调

调制方式

COFDM(QPSK/16QAM/64QAM)

FEC

1/2,2/3,3/4,5/6,7/8

加密方式

AES 128bit

保护间隔

1/32,1/16,1/8,1/4

音视频

视频制式

PAL/NTSC

压缩标准

MPEG-2/MPEG-4/H.264

图像质量

HD/SD/D1/Half D1/CIF

音频

提供一路或多路音

音频编码

G.711 64kbps

接口形式

视频:多为RCA,少数具有HDMI
音频:双声道,多为RCA,少数具有3.5mm插座

传输性能

端到端延时

5ms / 100ms /250ms(由交织深度确定)

传输速率

1-20Mbps

传输距离

机载使用>150公里
海事应用>70公里
城区应用>20公里
郊区应用>>40公里

移动速度

>200km/h

控制

远程系统控制

少部分支持对远端设备的控制

控制面板

液晶显示屏+按键/指示灯+按键
显示/设定频率,带宽,功率,信号强度等

辅助接口

数据接口

RS232/485

网络接口

RJ45

控制接口

DB9

供电

供电电源

AC220V/DC12~24V

功耗

中心站/车载站:最大160W
单兵背负式:最大40W

外观/防护.环境

重量

最大13.8kg

尺寸

中心站/车载站:1U/2U/3U

保存环境

温度:-40~80℃ 相对湿度:90%

工作环境

温度:多为-20℃~65℃,相对湿度:90%
没有一款产品能够在-40℃环境中工作

防护等级

多为IP65

4. COFDM设备特色功能

射频相关

HMJ

具有空间分集接收能力

KWT

LDPC高效纠错编码技术
多天线分集(MIMO)技术
自适应调制技术
灵活子载波分配技术
低峰均比技术

JHX

TDD/TDMA;
单载波频域均衡/RAKE分集;
TPC高效纠错编码;
多天线分集;

LBSX

单天线接收技术
自动功率控制功能

频谱扫描

HMJ

实时的电磁场扫描功能

KWT

具有频谱感知功能
自动优选没有干扰或干扰相对小的频率进行传输

同频组网

HMJ

同频点可同时传输多路图像

KWT

单一频点实现多路(4路/4MHz频宽)双向通信
频谱利用率高

JHX

单基站下最多可达255台移动台同时开机在线

其他

KWT

IP架构、支持多媒体及所有的IP应用

JHX

GPS定位,动态显示各移动台地理位置信息
支持蓝牙耳机

LBSX

内置DVR,支持录像存储
内置3G模块,支持3G转发功能
GPS定位功能:接收机可以实时接收GPS信息

ZT

速度达600公里/小时以上
在飞行器图像传输领域具有无可比拟的优势

5. COFDM设备典型组网方案

 

整个系统主要由1套微波,1X-Net基站设备,2X-Net单兵设备组成。将要在高山上建设一个X-Net基站,一个指挥中心,2台单兵,以及相关图像处理部分及其它辅助设备等。

指挥中心采用微波与制高点连接;制高点与通信车通过频点340MHz的单兵设备连接。

单兵通过X-Net设备搭建的无线链路和基站进行图像、语音、宽带数据互传,基站再通微波传到上级指挥中心

编号

品名

规格

单位

数量

1

系统主设备(标准配置)

 

 

 

1.1

中心站

320-340MHz,4W

1

1.2

远端站(可多远端站)

320-340MHz,4W

1

2

系统附件(标准配置)

 

 

 

2.1

中心站天线

10dBi,5米,玻璃钢全向天线

2

2.2

远端站天线

5dBi,1米鞭状全向天线

1

2.3

中心站馈线

10D-FB

50

2.4

音频附件(耳麦)

 

2

2.5

车载逆变器

300W

1

2.6

其他安装附件

各种接头、线缆、天线安装件等

1

 

系统总计

 

 

 

六、 附:某挖掘远程控制产品案例

1、产品介绍

某无人机械远程控制产品采用COFDM+FSK技术方案。可实现1KM高清图传和控制。

 

 

 

1KM通用型高清图控系统要求

一、遥控端面板功能要求

编号

控制方式

数据类型

功能

备注

面板名称

S1

操作手柄Y

AI

Y+动臂下降
Y-动臂上升

十字摇杆

 

上:动臂下降
下:动臂上升

操作手柄X

AI

X+铲斗挖掘

X-铲斗卸载

铲斗挖掘

铲斗卸载

S2

操作手柄Y

AI

Y+斗杆卸载
Y-:斗杆挖掘

十字摇杆

上:斗杆卸载

下:斗杆挖掘

操作手柄X

AI

X+向左回旋
X-:向右回旋

左:左回转

右:右回转

S3

2档位选择开关

DI

0:照明关闭

1:照明打开

 自锁按钮

上:照明打开

下:照明关闭

S4

自动复位按钮

DI

0喇叭关闭

1:喇叭鸣笛

自复位按钮

复位开关喇叭

 

S5

三档组合开关

DI*2

0断电
1上电

1:启动

--右:自锁开关

--右右:复位开关

熄火
上电

--右:启动

S6

3档位选择开关

DI*2

1F

0M

1B

上:F自动模式

中:M手动模式

下:B破碎(属具模式)

 

上:F模式

中:M模式

下:B模式

S7

2档位选择开关

DI

0:遥控关闭

1:遥控打开

遥控总线      /关控制

上:遥控开

下:遥控关

S8

2档位选择开关

DI

0:液压锁定

1:液压解锁

液压锁开/关控制

上:液压解锁

下:液压锁定

S9

改为2档位选择开关

DI

1:行走高速

0:行走低速

 

高低速控制,只需高、低速

 

上:高速

下:低速

S10

油门旋钮

AI

X左:油门减少

X右:油门增加

向左旋转为减少油门,向右旋转为增大油门。(油门最左端是怠速一档状态,900转)

右:油门增加

左:油门减少

S11

2档位选择开关

DI

0:快换关

1:快换开

属具换开关

上:快换开

下:快换关

S12

一字手柄

AI

Y+属具左旋转
Y-属具右旋转

属具左右旋转控制

上:左旋

下:右旋

S13

一字手柄

AI

Y+属具张开
Y-属具合拢

属具张开合拢控制

上:张开

下:合拢

S14

一字手柄

AI

Y+左履带前行
Y-左履带后退

挖掘机左履带前行后退控制

上:左前行

下:左后退

S15

一字手柄

AI

Y+:右履带前行

Y-:右履带后退

挖掘机右履带前行后退控制

上:右前行

下:右后退

S16

一字手柄

AI

Y+中间臂伸
Y-中间臂缩

中间臂伸缩控制(备用:样机作为固定值输出)

上:中间臂伸出

下:中间臂缩回

S17

急停按钮

DI

0:静止

1:紧急急停

急停控制

上:正常工作

下:紧急急停

S18

复位按钮

DI

0:静止

1:系统复位

系统复位

复位:静止

按下:复位系统

S19

复位按钮

DI

0:静止

1:云台回中

用于控制高清云台回中

复位:静止

按下:云台回中

S20

复位按钮

DI

0:静止

1:云台向上

云台上升控制

复位:静止

按下:云台上升

S21

复位按钮

DI

0:静止

1:云台向下

云台下降控制

复位:静止

按下:云台下降

S22

复位按钮

DI

0:静止

1:云台左转

云台左转控制

复位:静止

按下:云台左转

S23

复位按钮

DI

0:静止

1:云台右转

云台右转控制

复位:静止

按下:云台右转

S24

复位按钮

DI

0:静止

1:高清画面切换

高清画面切换键(高清画面切换至安排一个切换键,单画面循切换完成再按一次切换到双画面模式)

复位:静止

按下:高清画面切换

S25

复位按钮

DI

0:静止

1:数据显示屏翻页

用来翻页数据显示

复位:静止

按下:翻页

S26

复位按钮

DI

0:静止

1:标清清画面模式切换

标清单画面和多画面切换键

复位:静止

按下:切换单画面或者多画面

S27

复位按钮

DI

0:静止

1:标清清画面切换

标清画面切换键(在单画面模式下可轮循切换4路视频)

复位:静止

按下:轮循切换4路画面

S28

拨动开关预留

 

DI

 

预留3档拨动开关

 

S29

拨动开关预留

DI

 

预留3档拨动开关

 

S30

拨动开关预留

DI

 

预留3档拨动开关

 

S31

自锁按钮

 

本机电源开关

带灯自锁按钮

按下开关整机上电

面板其他功能

编号

名称

功能

备注

K1

库仑计

显示本机剩余电量

 

K2

串口显示屏

显示车端状态信息

 

指示灯

编号

颜色

功能

备注

L1

红色LED

电源指示灯

 

L2

绿色LED

数据发射指示灯

 

L3

绿色LED

数据回传指示灯

 

L4

红色LED

故障指示灯

 

L5

LED

报警指示灯

 

L6

绿色LED

急停关指示灯

 

接口

编号

接口名称

接口功能

接口类型

J1

RF-V1

图传接收天线接口1

N型母头

J2

RF-V2

图传接收天线接口2

N型母头

J3

RF-D

数传天线接口

N型母头

J4

电源

外供充电口

三芯航空头

J5

数据通信口

RS232有线连接口及CAN总线输出口

6芯航空头

J6

调试口

图传调参口及程序烧写口

8芯航空头

J7

HDMI视频口

可外接显示屏

防水HDMI

 

二、车端IO功能要求

编号

功能

 常开/常闭

电压

备注

 

I1

急停

 

 

不出线

 

I2

喇叭

常开

 

双线

 

I3

照明

常开

 

双线

 

I4

上电

常开

 

双线

 

I5

启动

常开

 

双线

 

I6

快换

常开

 

双线

负载>2A

I7

备用

常开

 

双线

 

I8

备用

常开

 

双线

 

接口

编号

接口名称

接口功能

接口类型

J1

RF-V

图传发射天线接口

N型母头

J2

RF-D

数传天线接口

N型母头

J3

HD1

高清SDI接口输入1

BNC

J4

HD2

高清SDI接口输入2

BNC

J5

DC IN1

电源输入输出口1

三芯航空头

J6

DC IN2

电源输入输出口2(给标清图传供电口)

三芯航空头

J7

AV-C

标清视频画面切换控制输出口

六芯航空头

J8

RS232

有线通信连接口

四芯航空头

J9

UPDATA

程序升级口

四芯航空头

J10

CONFIG

调参口(调节图传参数)

四芯航空头

J11

RS485

云台控制口

两芯航空头

J12

35P汽车专用插头

CAN总线输出/IO控制口

35P汽车专用插头

指示灯

编号

名称

功能

颜色

L1

L-V

数据发射指示灯

绿色

L2

L-D

数据接收指示灯

绿色

按键

2、产品功能

高清图控产品包括遥控器接收机、车端发射机2部分。

  1)手持遥控接收机具备图像无线接收、挖掘机控制及控制数据无线传输的能力,数据单独显示的功能。采用箱式设计,采用15.6寸高清显示屏,具备控制高清画面切换及标清画面切换功能。自带5寸数据显示屏,可实时预览车端状态。实现上表客户要求。具备本地视频显示功能也支持一路HDMI信号输出,可外接显示屏显示。内置18A/h锂电池。提供适配器可通过适配器接入市电。

  2)车端发射机具备采集2路SDI数字高清信号,并将视频信号无线传输给手持遥控接收机。并能通过CAN总线采集挖掘机状态信息无线传输给手持遥控接收机。也能接收到手持端发过来的控制信息,并将控制信号通过CAN总线输出给挖掘机。挖掘机自己负责控制信号解析;车端发射机自带4路继电器输出。可控制车辆急停。具备一路485云台控制输出;端发射机预留供电口,以供标清发射机供电。输出一组控制口,可控制标清画面切换。预留RS232串口。

  3)传输方式:图传和数传采用无线传输方式,通信距离不低于1KM。

 

3、图传参数

传输特性

调制方式

QPSK(4QAM)16QAM64QAM

工作频段

630±10M

发射功率

33dBm(可调)

射频带宽

2MHz-8MHz可调

前向纠错

1/22/33/47/8

保护间隔

1/41/81/161/32

射频接口

N型母头

传输距离

地对地视距传输不小于1公里

图传发射特性

视频输入

2SDIBNC接口

视频压缩

H.264

参数控制方式

通过LED数码显示板调节参数

加密方式

128AES(与调制板配合)

数传接收特性

接收灵敏度

≤-119dBm(优于12dB SINAD)

调制接收带宽:

≥5KHz

邻道选择性

≥65dB

互调

≥65dB

杂散

≥70dB

待机电流

≤40 mA

串口输出数据率

19200bps

串口电平

RS232

监测特性

传感器输入

DB9母头

 

4、数传参数

工作电压范围

9

12

30

V

 

工作温度范围

-40

25

+85

 

接收电流

 

< 30

 

mA

 

发射电流

 

< 1.8

 

A

@37.0dBm

体眠电流

 

< 5

 

mA

@TTL 电平

频率范围
(不同规格)

414.92

433.92

453.92

MHZ

@433MHZ

470.92

470.92

509.92

MHZ

@470MHZ

调制速率

1.2

9.6

115.2

Kbps

GFSK

发射功率范围

30

 

37

dBm

软件可配置

接收灵敏度

 

-121

 

dBm

@1.2kbps

 

posted @ 2023-09-20 10:52  SLike  阅读(190)  评论(0编辑  收藏  举报