Κατασκευή υψηλής αξιοπιστίας συστήματος επικοινωνίας με οπτική ίνα για συνδεδεμένα και βιομηχανικά UAV

Η λύση: Ανεξάρτητη σύνδεση TTL + σύνδεση Gigabit Ethernet

Μια κοινή αρχιτεκτονική σε βιομηχανικά και συνδεδεμένα drones χρησιμοποιεί δύο ανεξάρτητα κανάλια επικοινωνίας οπτικών ινών:

Κανάλι 1 TTL μέσω Fiber

Αφιερωμένο σε κρίσιμα δεδομένα διοίκησης και τηλεμετρίας:

• Εντολές ελέγχου πτήσης
• Πληροφορίες θέσης GPS
• Δεδομένα στάσης IMU
• Παρακολούθηση της κατάστασης της μπαταρίας και του συστήματος
• Σήματα ελέγχου έκτακτης ανάγκης

Αυτή η επικοινωνία είναι πολύ διαδραστική:

Γη → UAV
Εντολές ελέγχου και ενημερώσεις αποστολής

ΑΜΠ → Στάση εδάφους
Τηλεμετρία σε πραγματικό χρόνο και ανατροφοδότηση κατάστασης

Επειδή η ασφάλεια των πτήσεων εξαρτάται από σταθερή επικοινωνία, η σύνδεση TTL είναι φυσικά απομονωμένη από την κίνηση υψηλού εύρους ζώνης.

Κανάλι 2 ∆ιγαμπιτ Ethernet μέσω Φυτικής Τάχνης

Σχεδιασμένα για τη μετάδοση μεγάλων δεδομένων, συμπεριλαμβανομένων:

• 1080P / 4K HD βίντεο streaming
• Καμερές θερμικής απεικόνισης
• Συστήματα επεξεργασίας όρασης τεχνητής νοημοσύνης
• Δεδομένα από το σύννεφο σημείων LiDAR
• Αισθητήρες IP

Παρόλο που το Ethernet είναι τεχνικά full-duplex, οι περισσότερες εφαρμογές UAV έχουν ένα εξαιρετικά ασύμμετρο μοτίβο κυκλοφορίας:

ΑΜΠ → Στάση εδάφους
Μεγάλη ροή δεδομένων βίντεο και αισθητήρων

Γη → UAV
Μόνο μικρά πακέτα διαμόρφωσης ή επιβεβαιώσεις

Μονάδα Ethernet Gigabit ινών παρέχει επαρκές εύρος ζώνης για κοινή H.264 και H.265 κωδικοποιημένη μετάδοση βίντεο.

Γιατί να μην βάλουμε το TTL και το Ethernet σε μία ίνες;

Ενώ η μετατροπή πρωτοκόλλου όπως UART-προς-IP είναι δυνατή, πολλά επαγγελματικά συστήματα UAV εξακολουθούν να προτιμούν ανεξάρτητους συνδέσμους επικοινωνίας.

Οι λόγοι περιλαμβάνουν:

1Η φυσική απομόνωση βελτιώνει την αξιοπιστία

Εάν η κίνηση βίντεο αυξηθεί ξαφνικά ή το σύστημα Ethernet παρουσιάσει βλάβη, το κανάλι ελέγχου πτήσης παραμένει ανεπηρέαστο.

Ακόμα και όταν η σύνδεση βίντεο αποτυγχάνει:

• Ο ελεγκτής πτήσης παραμένει σε επαφή.
• Η τηλεμετρία παραμένει διαθέσιμη.

Οι εντολές επιστροφής μπορούν να εκτελεστούν.

Για τα συστήματα UAV κρίσιμης αποστολής, η αξιοπιστία έχει πάντα υψηλότερη προτεραιότητα από τη μείωση του αριθμού των καλωδίων.

2Συμφωνία πρωτόκολλου.

Πολλά εξακολουθούν να βασίζονται σε εγγενή σειριακή επικοινωνία:

• Ελεγκτές πτήσης MAVLink
• Μονούλες GPS
• Αισθητήρες IMU
• Ελεγκτές γινμπάλ
• Παλαιότερες βιομηχανικές συσκευές

Η απευθείας UART/TTL μέσω ινών προσφέρει μια απλή, χαμηλής καθυστέρησης και ανεξάρτητη από το λογισμικό λύση.

3. Λιγότερο αναπτυξιακό κίνδυνο

Η μετατροπή της σειριακής επικοινωνίας σε Ethernet απαιτεί πρόσθετους επεξεργαστές, στοίβες λογισμικού και διαχείριση δικτύου.

Αυτό εισάγει:

• Επιπλέον καθυστέρηση
• Πληροφορική
• Εξαρτησία λειτουργικού συστήματος
• Ενδεχόμενα σημεία βλάβης του συστήματος

Για τα βιομηχανικά και αμυντικά UAV, η απλότητα συχνά σημαίνει υψηλότερη αξιοπιστία.

Επιλογή καλωδίων ινών για εφαρμογές UAV

Σε αντίθεση με τα τυπικά καλώδια δέσμης ινών, οι εφαρμογές UAV απαιτούν ειδικά σχεδιασμένα ενισχυμένα καλώδια οπτικών ινών.

Οι τυπικές προδιαγραφές περιλαμβάνουν:

• Μονότροπος ίνες (G.657.Α2)
• Δορυφόροι
• 1Διάμετρος καλωδίου 0,2 mm
• Δυνατότητα τράβηξης 100 N
• Σιδηροδρομικές γραμμές
• Υψηλή ευελιξία για τα συστήματα τυλιγμού

Μέσα στο καλώδιο:

• Οπτικές ίνες για επικοινωνία
• Μέλος αντοχής από κεβλάρ για προστασία κατά της έλξης
• Ελαστικό εξωτερικό μπουφάν

Αυτή η σχεδίαση επιτρέπει στο καλώδιο να αντέχει συνεχή έλξη, δονήσεις και περιστροφή κατά τη διάρκεια λειτουργίας του UAV.

Τυπική αρχιτεκτονική ινών δύο πυρήνων

Ένα διπλό πυρήνα μονοτρόπου καλώδιο ινών είναι μία από τις πιο κοινές λύσεις.

Πυρήνας ινών 1:

• Gigabit Ethernet μέσω ινών
• Οπτικές μονάδες BiDi 1310/1550 nm
• Βίντεο, δεδομένα τεχνητής νοημοσύνης και επικοινωνία IP

Πυρηνικός πυρήνας 2:

• Επικοινωνία κατά σειρά TTL μέσω ινών
• Οπτικές μονάδες BiDi 1310/1550 nm
• Έλεγχος πτήσης, τηλεμετρία και δεδομένα αισθητήρων

Κάθε πυρήνας ινών λειτουργεί ως ανεξάρτητο κανάλι επικοινωνίας full-duplex, εξασφαλίζοντας πλήρη απομόνωση μεταξύ ελέγχου και μετάδοσης ωφέλιμου φορτίου.

Μελλοντική τάση: Προς τα δίκτυα UAV All-IP

Η βιομηχανία UAV κινείται σταδιακά προς ενοποιημένες αρχιτεκτονικές βασισμένες στο Ethernet που οδηγούνται από:

• TSN (Time Sensitive Networking)
• ROS 2
• DDS μεσαίο λογισμικό
• Πλατφόρμες υπολογιστών AI
• Δίκτυα επιβατών Gigabit

Τα μελλοντικά συστήματα UAV ενδέχεται να ενσωματώσουν:

• Βίντεο
• Τηλεμετρία
• Αισθητήρες
• Διάδρομος CAN
• Δεδομένα ελέγχου πτήσης

σε ένα ενιαίο καθοριστικό δίκτυο IP.

Ωστόσο, σήμερα πολλές βιομηχανικές, συνδεδεμένες, αντι-καταστολή και αμυντικές πλατφόρμες UAV εξακολουθούν να βασίζονται στην αρχιτεκτονική διπλού καναλιού:

TTL μέσω της Fiber + Ethernet μέσω της Fiber

επειδή παρέχει το υψηλότερο επίπεδο αξιοπιστίας.

Λύση OLYCOM

Η OLYCOM παρέχει συμπαγείς ενότητες επικοινωνίας οπτικών ινών κατάλληλες για την ενσωμάτωση UAV:

Μοντέλο 1: OM610-1V1TWR

Πρότυπο 2: κάρτα TA510-GE-X

• Μονάδα οπτικών ινών TTL
• Διαφανής μετάδοση UART/TTL
• Επικοινωνία χαμηλής καθυστέρησης
• Ιδανικό για χειριστές πτήσεων, αισθητήρες και συστήματα τηλεμετρίας
• Μονάδα Gigabit Ethernet Fiber
• 10/100/1000 Mbps μετάδοση Ethernet
• Υποστηρίζει ροές βίντεο υψηλής ευκρίνειας H.264/H.265
• Κατάλληλο για κάμερες IP, υπολογιστές τεχνητής νοημοσύνης και φορτία δικτύου

Και οι δύο ενότητες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ξεχωριστά ή συνδυασμένα σε μια αρχιτεκτονική επικοινωνίας διπλού καναλιού UAV.

Συμπεράσματα

Καθώς οι εφαρμογές UAV συνεχίζουν να επεκτείνονται από τα drones καταναλωτών σε βιομηχανικές αγορές επιθεώρησης, ασφάλειας και άμυνας,Η επικοινωνία με οπτική ίνα γίνεται μια βασική τεχνολογία για την επίτευξη μακρινών, αντιανταραχή και υψηλής αξιοπιστίας μετάδοσης.

Ο συνδυασμός του TTL μέσω Fiber για τον έλεγχο κρίσιμων αποστολών και του Gigabit Ethernet μέσω Fiber για φορτία υψηλού εύρους ζώνης παραμένει μια ώριμη και ευρέως υιοθετημένη αρχιτεκτονική για επαγγελματικά συστήματα UAV.