Регистрация / Вход
Прислать материал

14.579.21.0128

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.579.21.0128
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
Общество с ограниченной ответственностью "Центр лазерных технологий"
Название доклада
Разработка программно-аппаратных средств формирования оптической сети для наземного и космического применения
Докладчик
Купренюк Виктор Иванович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Основной целью ПНИ, реализуемой в рамках комплексного проекта, является обеспечение исполнителя ПНИЭР конструкторской и программной документацией на аппаратные средства и программное обеспечение оптической информационной сети (ОИС) для наземного и космического применения, реализующих мехатронные и фотонные технологии построения ОИС для автономных мультиагентных робототехнических систем (МРС).
ПНИ является составной частью комплексной ПНИЭР по теме: «Разработка мехатронных и фотонных технологий для унифицированных автономных мультиагентных робототехнических систем наземного и космического базирования» (шифр: 2015-14-582-0057).
В задачи ПНИ входят:
1. Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы по научно-технической проблеме, исследуемой в рамках ПНИ.
2. Обоснование выбора и направлений исследований в рамках ПНИ.
3. Теоретические исследования по организации ОИС с мобильными узлами.
4. Разработка эскизной КД на аппаратные средства ОИС для передачи информации в реальном времени и изготовление макетов:
- 5 макетов терминала связи (ТС);
- 2 макета мобильного коммуникационного узла (МКУ);
- 1 макет стационарного коммуникационного узла (СКУ);
5. Разработка программного обеспечения (ПО) в составе:
- ПО реконфигурации ОИС за счет прогнозирования динамики положения робототехнических платформ и ТС;
- ПО обработки информации и коммутации информационных каналов;
- ПО наведения, захвата и сопровождения, реализующие устойчивый канал связи между двумя движущимися ТС.
6. Исследовательские испытания макетов ТС, МКУ и СКУ и коррекция ЭКД.
7. Предложения по использованию ОИС в мультиагентных робототехнических системах различного назначения.
Актуальность и новизна исследования
Разработка автономных МРС с сетецентрическим управлением, контролируемых удаленным оператором, рассматривается как основное средство решения задач разведки и мониторинга территорий, а также развертывания оборудования в условиях, исключающих непосредственное участие человека (инопланетные станции, наземные зоны с высоким уровнем заражения и т.п).
Основным системным требованием является высокая скорость обмена видеоинформацией между агентами МРС, снабженными широкопольными высокоразрешающими 3D-системами наблюдения окружающей обстановки (стереокамеры, лазерные локаторы, оптические системы координатных измерений). Необходимые скорости передачи информационных потоков при этом составляют более 1 Гб/с, что диктует использование в линиях связи оптической несущей. При этом использование оптоволоконных линий связи, как правило, исключено, что приводит к необходимости реализации беспроводной оптической связи между агентами МРК через атмосферу или свободное пространство.
В рамках проекта ООО «Центр лазерных технологий» проводит исследования новых лазерных технологий передачи видеоинформации в оптической информационной системе, образуемой агентами МРК. К новым относятся технологии полностью оптических систем лазерной связи и программно-аппаратные средства динамической реконфигурации сети на основе обработки данных от датчиков окружающей обстановки, установленных на подвижных платформах. В состав средств динамической реконфигурации сети входят программный модуль наведения, захвата и коммутации каналов связи, а также модуль сопровождения корреспондентов, начальной конфигурации и динамической реконфигурации сети, работающие в автономном и/или супервизорном режиме.
Описание исследования

Предусмотрено три этапа выполнения ПНИ:

Этап 1. Выбор и обоснование выбора и направлений исследований;

Этап 2. Изготовление макетов;

Этап 3. Проведение исследовательских испытаний аппаратно-программных средств ОИС.

В данном докладе рассмотрены результаты первых двух законченных этапов.

Проведенные на первом этапе аналитический обзор научно-технической, нормативной и методической литературы и патентный поиск в области аппаратных средств и программного обеспечения ОИС, предназначенных для работы в составе автономных МРС, а также математическое моделирование атмосферных линий беспроводной оптической связи, позволили обосновать выбор наиболее перспективных принципов построения аппаратных средств ОИС и состава программных средств, необходимых для обеспечения функционирования ОИС в составе наземных и напланетных МРС с мобильными узлами.

В разработанной на втором этапе ПНИ аппаратуре и программном обеспечении ОИС реализованы:

- «полностью оптическая (full optical)» схема построения ТС, обеспечивающая требуемые скорости передачи данных (не менее 1 Гб/с) при минимальной чувствительности к помехам от внешних электрических цепей и радиоисточников;

- аппаратно-программные средства обеспечения формирования канала оптической связи между двумя заданными ТС, размещенными на различных носителях с использованием радиоканала для передачи команд;

- аппаратно-программные средства обеспечения точного автоматического совмещения осей сигнальных лазерных пучков в каждом канале лазерной связи и удержания совмещения осей сигнальных лазерных пучков с необходимой точностью при движении носителей;

- алгоритмы и программные средства формирования разветвленной ОИС с использованием преимуществ мультиагентной группировки, состоящих в возможности сбора данных об окружающей обстановке в реальном масштабе времени от всех агентов сети и передачи данных по распределенной сети линий лазерной связи как от каждого агента на стационарный пункт связи, так и от одного агента к другому;

- алгоритмы и программные средства динамической реконфигурации сети при изменении окружающей обстановки, позволяющие автоматически изменять маршруты передачи информации и при необходимости менять расположение агентов сети на местности с целью повышения надежности связи.

Проведенная на втором этапе ПНИ конструкторско-технологическая и программно-алгоритмическая проработка возможностей реализации выбранных принципов построения ОИС позволила разработать эскизную конструкторскую документацию на основные узлы системы и программную документацию, обеспечившие изготовление 5 макетов ТС, 2 макетов МКУ и 1 макета СКУ с целью проведения на 3 этапе работы исследовательских испытаний макетов, доработки ЭКД и ее передачи головному исполнителю ПНИЭР для использования при разработке прототипа автономной мультиагентной робототехнической системы, использующей  мехатронные и фотонные технологии.

Разработанные макеты ТС для высокоскоростной передачи данных используется лазерное излучение с длиной волны вблизи 1550 нм. Обмен цифровой информацией ведется по протоколу ТСР/IР с использованием оптоволоконных шин данных. В системе совмещения осей сигнальных лазерных пучков и удержания совмещения осей при движении носителей используется излучение лазерного маяка с длиной волны 830 нм, координатно-чувствительный приемник на основе КМОП-матрицы и опорно-поворотное устройство (ОПУ) на основе сканируемого в двух плоскостях выходного зеркала. Выбор такого принципа работы ОПУ позволяет обеспечить требуемое широкое поле обзора (360ох50о), минимальную массу сканируемых элементов, исключить наличие оптических шарниров, проводных и оптоволоконных кабельных петель, и за счет этого, увеличить максимальную частоту компенсируемых возмущений.

Габаритные размеры разработанных модулей ТС не превышают 150х150х150 мм3, масса одного модуля ТС не более 3 кг. На одном мобильном носителе может быть размещен один четырехканальный МКУ и до 4 ТС. Энергопотребление ОПУ не превышает 10 Вт, энергопотребление МКУ и СКУ в расчете на один ТС не превышает 5 Вт. Расчетная максимальная дистанция связи между двумя модулями 2 км. 

 Разработана также программа и методики исследовательских испытаний макетов, укомплектован оборудованием стенд для проведения исследовательских испытаний.

Результаты исследования

На момент подготовки данного доклада исследовательские испытания разработанной аппаратуры находятся в начальной стадии, поэтому результаты исследования не являются законченными. Подтверждена работоспособность основных узлов исследуемых макетов в режиме ручного управления и соответствие энергетических параметров канала наведения и сигнального канала требованиям ТЗ.

С точки зрения реализованных принципов построения ОИС и технических решений аппаратно-программных средств обеспечения оптической связи на открытых атмосферных и космических линиях связи, разработанные макеты ТС, СКУ и МКУ соответствуют мировому уровню развития технологии оптической связи (см. например, С.Н. Кузнецов, С.Ю. Поляков, Dr. Oussama Alali, Bahaa Hashem. Беспроводный канал 10 Гбит/с: ключевые особенности и результаты тестирования. Сборник трудов Международной научно-практической конференции "Инновации в науке, производстве и образовании" Рязань, 2013; Yoshinori Arimoto, “Developing a New Free-space Optical Communication Terminal that Realizes High-Speed Broadband Communications,” in NICT NEWS, 392, 5, 2010).

По таким параметрам, как масса и габариты, угол обзора ТС и скорость сопровождения корреспондента (0,5 рад/с), разработанные макеты не имеют аналогов.

С точки зрения разработки технологий создания и использования автономных МРС с сетецентрическим управлением, решающих задачи разведки и мониторинга территорий, а также развертывания оборудования в условиях, исключающих участие человека (инопланетные станции, наземные зоны с высоким уровнем заражения и т.п), применение лазерной оптической связи для обмена данными между большим (до 40) числом агентов информационной сети и стационарным пунктом связи является пионерской разработкой, аналоги которой не известны. Использование оптической связи на одной несущей частоте позволяет примерно на порядок увеличить скорость передачи по сравнению с системами связи радиодиапазона при значениях частоты битовых ошибок ниже 10-9. Применение технологии спектрального уплотнения каналов (WDM) и технологии разнесения каналов связи (MIMO) позволит, при необходимости, увеличить скорость передачи данных еще на порядок.

Не имеет аналогов и разработанное программное обеспечение процессов формирования разветвленной ОИС с использованием преимуществ мультиагентной группировки. Это ПО обеспечивает сбор данных об окружающей обстановке от всех агентов сети в реальном масштабе времени  и передачу данных в пункт управления по распределенной реконфигурируемой сети линий лазерной связи.

Не имеют аналогов также алгоритмы и программные средства динамической реконфигурации сети при изменении окружающей обстановки или смене задания по командам удаленного оператора. Эти алгоритмы учитывают рельеф местности, динамические изменения качества каналов связи между агентами сети и систему приоритетов передаваемых данных.

Практическая значимость исследования
Практическая значимость работы подтверждается постоянным увеличением числа разработок автономных робототехнических систем военного назначения, робототехнических систем, предназначенных для использования в чрезвычайных ситуациях, автоматических космических аппаратов для исследования планет, наземных беспилотных транспортных систем.
На данной стадии ПНИ провести обоснованные оценки эффекта от внедрения автономных МРС с оптическими информационными системами затруднительно, так как для этого требуется детальная проработка системы для конкретного применения, решающей конкретные задачи.
Можно лишь перечислить обсуждавшиеся с Индустриальным партнером направления использования робототехнических средств, снабженных средствами беспроводной лазерной оптической связи, а также возможности коммерческого использования отдельных подсистем и узлов ОИС, разрабатываемых в ходе ПНИЭР.
Во-первых, это высокоскоростная передача с мобильных трансляторов больших объемов видеоинформации по беспроводным линиям связи, например, телетрансляции спортивных мероприятий, митингов и т.п. с мобильных площадок, не оборудованных проводными линиями связи. В отличие от традиционных стационарных систем беспроводной связи, ОИС, разработанная в рамках ПНИ, позволит обеспечить одновременную связь с несколькими мобильными ТС.
Во-вторых, это использование ОИС для дистанционного управления беспилотными транспортными системами, использующими датчики окружающей обстановки на основе стереоскопических ТВ камер и лазерных лидаров, обеспечивающих получение трехмерного изображения.
В третьих, это обеспечение связи с беспилотными летательными аппаратами для защищенной передачи данных и команд управления.
Принципы построения исследуемой ОИС наземного и космического применения могут быть реализованы и в беспроводных системах связи с автономными подводными аппаратами.
Самостоятельное практическое значение может иметь использование разработанных для ОИС контуров поиска, захвата и сопровождения в системах обнаружения и сопровождения движущихся кооперированных объектов.
Постер

Poster_TS.ppt