Цифровые каналы связи для мобильных роботизированных

Работа была представлена на конференции “Экстремальная робототехника ”( 1517 апреля, 2003 г., Санкт-Петербург) и содержит краткий обзор современной
ситуации, связанной с использованием цифровых каналов связи для управления
мобильными роботами.
ЦИФРОВЫЕ КАНАЛЫ СВЯЗИ ДЛЯ МОБИЛЬНЫХ
РОБОТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ
Астапкович А.М., канд. техн. наук, начальник СКБ
Сергеев М.Б., д-р техн. наук, профессор
(Государственный университет аэрокосмического приборостроения)
На сегодня дистанционно управляемые роботы комплектуются, в основном,
аналоговыми системами передачи видеоинформации. На рис.1 в качестве примера
приведен вертолет классической компоновки, разработанный в Санкт-Петербурге,
управляемый с помощью спортивной аппаратуры и снабженный такой аналоговой
системой передачи видеоизображения.
Рис. 1. Радиоуправляемый вертолет с аналоговым каналом управления и аналоговым
каналом передачи видеоизображения
В то же время современные микропроцессорные технологии позволяют создавать
сравнительно недорогие системы цифровой передачи видеоинформации, хотя
проектирование цифровых каналов связи для мобильных применений представляет
собой сложную оптимизационную задачу. Отметим, что речь идет о двух типах
каналов:

управления и телеметрии;

полезной нагрузки.
Канал полезной нагрузки, в идеальном случае, должен обеспечить передачу
кодированных видеоданных в реальном масштабе времени с нескольких камер
мобильного робота и при этом не создавать помех другим абонентам системы.
Применительно к летающим роботам трудности усугубляются наличием жестких
ограничений по энергетическим возможностям.
На рис. 2 показан образец видеоинформации, полученной со специализированной
однопиксельной камеры, разработанной под конкретные исследования.
Возрастающие требования по качеству и скорости передачи видеоинформации с
мобильных роботов привели к необходимости использования современных достижений
в области цифровой связи и цифрового телевидения, обеспечивающих значительно
лучшее качество. Понятно, что передача по радиоканалу видеоданных при этом
представляет наибольшую сложность, так как на фоне потоков от видеокамер
информационный трафик канала управления и телеметрии сравнительно малы.
Оценка информационных потоков для передачи видеоизображений в реальном
времени может быть произведена с помощью данных, приведенных в табл.1.
Возможность использования для управления cерийно выпускаемых цифровых модемов
может быть определена на основе обзора современных стандартов цифровой связи,
приведенных в табл.2.
a) вид на местность с обычной камеры
б) вид с бортовой камеры
Рис. 2. Образец видеоинформации, полученный со специализированной
камеры автономного вертолета
Таблица 1
Оценка информационного потока для несжатых видиоданных
Стандарт CCIR 601 (NTSC, несжатые видеоданные)
Разрешение
720*486*29,97 FPS (кадров в секунду)
Представление данных
8 бит на элемент представляемых данных
Представление пикселя
4:2:2 (на каждые два горизонтально расположенные
пикселя 2 Y : 1 Cr : 1 Cb)
Количество кадров в секунду 29,97
Оценка информационных потоков
Яркость (Y)
720*486*29,97 FPS = 10 486 102,4 байт/с
Цветность R (Cr)
360*486*29,97 FPS = 5 243 551,2 байт/с
* 8 бит на байт = 41 948 409, 6 бит/с
Цветность B (Cb)
360*486*29,97 FPS = 5 243 551.2 байт/с
* 8 бит на байт = 41 948 409. 6 бит/с
Сумма
20 974 204,8 байт/с = 167 793 638,4 бит/с
Трафик CCIR601 (NTSC)
Приблизительно 20 Мбайт/с или 160,02 Мбит/с
Таблица 2
Обзор семейство стандартов I EEE802.11
Стандарт
IEEE 802.11
IEEE 802.11a
IEEE 802.11b
Краткое описание
Является базовым стандартом и определяет протоколы, необходимые для организации
беспроводных локальных сетей (WLAN). Основные из них – протокол управления
доступом к среде MAC (Medium Accsess Control - нижний подуровень канального
уровня) и протокол PHY передачи сигналов в физической среде. В качестве последней
допускается использование радиоволн и инфракрасного излучения.
Является наиболее "широкополосным" из семейства стандартов 802.11,
предусматривая скорость передачи данных до 54 Мбит/с (определены три
обязательных скорости - 6, 12 и 24 Мбит/с и пять необязательных - 9, 18, 36, 48 и 54
Мбит/с). В отличие от базового стандарта, ориентированного на область частот 2,4
ГГц, в 802.11а предусмотрена работа в диапазоне 5 ГГц. В качестве метода модуляции
сигнала выбрано ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM).
Благодаря высокой скорости передачи данных (до 11 Мбит/с), практически
зквивалентной пропускной способности обычных проводных ЛС Ethernet, а также
ориентации на "освоенный" диапазон 2,4 ГГц, этот стандарт завоевал наибольшую
популярность у производителей оборудования для беспроводных сетей. В
окончательной редакции стандарт 802.11b, известный также как Wi-Fi (wireless
fidelity), был принят в 1999г. В качестве базовой радиотехнологии в нем используется
метод DSSS с 8-разрядными последовательностями Уолша.
С целью выявления ограничений, которые накладывает коммуникационный канал
на системы управления подвижными роботами, проводятся значительные
исследования. В качестве примера приведем результаты, полученные фирмой
SPAWAR System Center (Cан-Диего) при проведении экспериментов со стандартом
IEEE802.11 (рис.3) применительно к целям управления и сбора информации с
мобильных роботов [1]. В экспериментах использовались радиомодемы BreezeCOM
BreezeNET PRO.11, поддерживающие стандарт с IEEE802.11. Для исследований был
использован фрагмент сети, включающий в себя беспроводной хаб (АP-10), групповой
бридж (WB-10) и адаптер станции (SA-40). Хаб АP-10 обеспечивает соединение
беспроводного и проводного сегментов сети, а также обеспечивает передачу
информации между SA и WB. WB-10 обеспечивает соединение между различными
фрагментами сети Ethernet, а SA-40 обеспечивает возможность подключения до
четырех проводных абонентов к беспроводной сети. Модемы BreezeNET PRO.11
согласно паспортным данным обеспечивают максимальную скорость передачи до 3
Мбит/сек.
Модем BreezeNET PRO.11
Антенный комплекс робота
и операторского пульта
Рис.3. Аппаратное обеспечение экспериментов с цифровыми
каналами передачи данных с робота URBOT
В экспериментах была использована локальная радио сеть Ethernet BreezeNET
PRO.11, реализованная с использованием широкополосного способа передачи с
прыгающими частотами. Стандарт IEEE 802.11 специфицирует максимальную
скорость передачи данных величиной 2 Мбит/с. В реальных условиях скорость
передачи данных зависит от размера пакетов, назначаемой скорости передачи данных и
уровня принимаемого сигнала.
При проведении натурных этих экспериментов подвижный робот URBOT
передавал информацию на пульт оператора OCU (Operator Control Unit) в основном
представлявшую собой оцифрованный видеосигнал. Для этого использовались UDP
(пользовательский протокол датаграмм) пакеты. Средний размер передаваемых
подвижным роботом пакетов составлял 500 байтов, включавших в себе аудио, видео и
телеметрическую информацию. Это объяснялось тем обстоятельством, что
максимальная величина пакета, передаваемая роботом URBOT составляла 521 байт.
Наибольший интерес применительно к тематике обзора представляют собой
данные по определению максимальной дальности передачи цифровых данных. При
натурных (полевых) испытаниях требовалось определить возможности канала передачи
данных в зависимости от высоты антенны, ее типа и расстояния между узлами сети.
При этом считалось, что для обеспечения нормальных условий эксплуатации робота
требуется обеспечить трафик 400 Кбит/с. Этот порог и был использован при полевых
испытаниях для определения предельных дальностей. Так как геометрия робота влияла
на условия передачи имелись особенности установки антенн. При нормальных условиях
работы мобильный робот URBOT использует две антенны поочередно. При этом для
выбора используемой антенны производится проверка, какая из двух антенн
обеспечивает лучшие условия приема. Эта же антенна использовалась и для передачи.
Полученные экспериментальные данные по определению максимальной
дальности приведены в табл.3.
Таблица 3
Максимальные дальности для скорости передачи данных 400Кбит/с
Тип
антенны
URBOT
(2Вт)
Whip
Patch
Whip
Patch
Высота антенны робота URBOT
OCU
(фикс.6’)
Patch
500 мВт
Yagi
500 мВт
Patch
500 мВт
Yagi
500 мВт
Patch 2Вт
Yagi 2 Вт
Patch 2Вт
Yagi 2 Вт
URBOT
12’’
24’’
6’
900
1056
1500
3000
2142
4671
6921+
Наил.
3240
Худ.
1680
1155
1680
Наил.
Худ.
2385
1110
Наил.
Худ.
6921+
3900
Наил.
3615
Наил.
6921
Худ.
1500
Худ.
3921
3237
4497
Наил.
4101
Наил.
6921+
Худ.
2775
Худ.
3921
Наил
5085
Худ.
3348
6267
3921
6921+
Наил.
Худ.
4788
2049
6921+
В настоящее время разработка прикладной теории сжатия видеоданных
обеспечила широчайший выбор хорошо исследованных алгоритмов. Наиболее
перспективным классом методов сжатия видеоданных применительно к системам
“технического телевидения” является сжатие с использованием алгоритмов на основе
вейвлет-разложений [2]. Получение практически значимых коэффициентов сжатия
100 - 1000 требует больших вычислительных затрат. Так как требуется обеспечить
возможность работы с видеосигналом в реальном масштабе времени, то, в конечном
счете, все определяется целым рядом системных ограничений, связанных с
ограниченной пропускной способностью каналов передачи информации, скоростью
шины компьютера, быстродействием процессора и т.п. Для получения представления о
возможных потребляемых ресурсах укажем, что выполнение вейвлет-преобразования
изображения 512х512 с использованием биортогональных 9/7 фильтров на компьютере
P-166 занимает примерно 0,4 с. Несмотря на все возрастающую мощь современных
персональных компьютеров обработка 25 - 30 кадров цветного видеоизображения в
секунду в настоящее время программным способом является малоперспективным,
особенно, если речь идет о системах передачи данных с объектов, обладающих
ограниченной энергетикой.
В силу этого используются специализированные процессоры, реализующие
соответствующие алгоритмы сжатия аппаратно. Сегодня на российском рынке
доступны процессоры фирмы Analog Device семейства ADV6XX, реализующие
компрессию с использованием вейвлет-преобразований. Все они являются
относительно дешевыми устройствами, обеспечивающими коэффициент сжатия от 4
(идеальное восстановление) до нескольких тысяч. Коэффициент сжатия 350
обеспечивает приемлемое качество восстановления изображения. Фирмой Analog
Devices заявлено, что процессор ADV612 обеспечивает возможность сжатия
информации до 7500 раз за счет использования более сложных алгоритмов,
учитывающих межкадровые корреляции.
Можно констатировать тот факт, что сегодня существует экономичная и
доступная элементная база для построения цифровые каналов как в контуре
управления, так и полезной нагрузки. В государственном университете
аэрокосмического приборостроения разработаны опытные образцы устройств для
цифровой передачи видеоданных по радиоканалу с помощью стандартной аппаратуры
RadioEthernet и кодеров/декодеров c использованием вейвлет-технологий сжатия
данных на основе ADV611, подробно описанные в работе [3].
Литература
1. IEEE802.11 Communications Test for Robotic Systems. (Ресурс Интернет
http:/www.spawar.navy.mil/robots/).
2. Воробьев В.И., Грибунин В.Г. Теория и практика вейвлет-преобразования.  СПб:
И-во Военного Университета Связи, 1999. 208 с.
3. Астапкович А.М., Востриков А.А., Касаткин А.А., Чудиновский Ю.Г., Bishop R.
Опыт использования информационно-управляющих сетевых систем для передачи
видеоизображений // В кн.: Информационно-управляющие системы для
подвижных объектов.  СПб: Политехника, 2002.  С. 180-197.