Ringkasan: Untuk mewujudkan pelacakan dinamis UAV relai dengan antena pengarah tanah, memastikan bahwa berkas utama antena selalu sejajar dengan UAV, dan memastikan bahwa kekuatan sinyal komunikasi relai berada pada nilai terbaik, antena ground UAV berdasarkan pelacakan estimasi buta RSSI dirancang Platform pelacakan otomatis. Sinyal RSSI antena diekstraksi melalui koneksi Telnet dan algoritma filter Kalman digunakan untuk mengoptimalkannya; metode pemindaian persegi panjang digunakan untuk meningkatkan kecepatan perolehan awal; skema lintasan "lintas" digunakan untuk melengkapi pelacakan dinamis antena. Perangkat lunak dan perangkat keras platform pelacakan otomatis antena dirancang, dan objek platform yang sebenarnya diuji. Hasil pengujian menunjukkan bahwa platform pelacakan memiliki kecepatan pelacakan dan akurasi pelacakan yang baik, yang dapat memenuhi kebutuhan UAV untuk pelacakan sendiri antena directional.
0 Kata Pengantar
Apakah itu untuk memenangkan perang informasi atau untuk melakukan operasi militer non-perang, itu telah menempatkan persyaratan tinggi pada kemampuan dukungan komunikasi militer. Saat ini, sistem informasi perintah memiliki persyaratan yang semakin mendesak untuk "komunikasi broadband, komunikasi bergerak, komunikasi interferensi, dan komunikasi gunung". Praktik telah membuktikan bahwa sistem komunikasi relai Micro-Unmanned Aerial Vehicle (MUAV) merupakan salah satu sarana yang efektif untuk mengatasi permasalahan di atas. Drone mikro dilengkapi dengan peralatan komunikasi untuk terbang ke udara sebagai simpul relai komunikasi, dan membangun jaringan broadband dalam jangkauan taktis dengan simpul komunikasi darat, yang dapat mewujudkan transmisi data, suara, dan gambar berkecepatan tinggi antar node. Dibatasi oleh beban drone mikro, peralatan komunikasi udara harus memenuhi persyaratan miniaturisasi, bobot yang ringan, dan konsumsi daya yang rendah.Pada saat yang sama, untuk mempertimbangkan persyaratan cakupan komunikasi relai, antena udara hanya dapat memilih penguatan kecil, Antena omnidirectional dengan jangkauan yang luas dibatasi dalam nilai EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) di bawah kondisi bahwa daya pemancar tidak dapat ditingkatkan lebih jauh, dan itu hanya dapat dikompensasikan dengan peningkatan penguatan antena oleh sistem penerima ground. Ground end menggunakan antena directional dengan kemampuan pelacakan otomatis, sehingga pancaran utama antena directional sejajar dengan antena udara dengan akurasi tertentu, memberikan keuntungan penuh untuk keuntungan antena directional yang tinggi, mewujudkan hubungan komunikasi yang andal, dan memperluas cakupan jaringan taktis. Rentang, tingkatkan bandwidth dan kualitas komunikasi, dan kurangi persyaratan teknis peralatan onboard drone.
Untuk memastikan keandalan hubungan komunikasi antara UAV dan terminal arde, literatur telah mengembangkan platform pelacakan antena UAV berbiaya rendah, yang terdiri dari unit pengukuran inersia, sistem pemosisian global, dan motor servo. Literatur merancang sistem pelacakan antena array dengan menggunakan teknologi pelacakan monopulse. Untuk memaksimalkan kualitas tautan dari tautan video antara UAV kecil dan sisi tanah, Jenvey dkk. Dari Monash University di Australia merancang platform pelacakan antena sisi tanah menggunakan sistem pelacakan monopulse, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Ketika jarak antara drone dan stasiun bumi berada dalam 700 m, platform dapat menerapkan pelacakan drone yang stabil dan andal serta meningkatkan kualitas transmisi video. Daniel Stojcsics dari Obuda University dan lainnya merancang platform pelacakan antena stasiun bumi UAV menggunakan teknologi pelacakan program untuk meningkatkan jangkauan kendali penerbangan UAV. Huang Wei dari 11th Academy of Aerospace Engineering of China merancang sistem pelacakan antena terarah untuk pengukuran UAV dan komunikasi kontrol berdasarkan panduan GPS dan algoritma pelacakan.
Pada hasil penelitian yang ada, teknologi pelacakan program berbasis teknologi penentuan posisi GPS sudah matang dan andal.Namun, pada sistem komunikasi relay kendaraan udara mikro-tak berawak, jika antena pengarah sisi darat mengadopsi mode pelacakan program, maka perlu dalam mode mikro-tak berawak. Modul GPS onboard dan peralatan transmisi nirkabel pasti akan meningkatkan beban dan konsumsi daya drone mikro, sangat mengurangi umur drone mikro, dan mempengaruhi efisiensi sistem komunikasi relai. Pelacakan monopulse tidak diragukan lagi merupakan akurasi pelacakan tertinggi dan memiliki keunggulan tak tertandingi, tetapi karena desainnya yang rumit dan biaya tinggi, ini tidak cocok untuk platform pelacakan antena mikro-UAV. Saat ini, teknologi pelacakan antena perkiraan buta masih dalam tahap awal, dan ada beberapa sistem yang telah diterapkan dan dapat dijadikan referensi. Artikel ini mendesain RSSI (Indikasi Kekuatan Sinyal Terima) baru berdasarkan hasil penelitian yang ada. Platform pelacakan otomatis antena MUAV untuk estimasi buta.
1 Prinsip kerja dan komposisi platform
1.1 Prinsip kerja platform
Untuk mengurangi kompleksitas platform, teknologi pelacakan langkah berdasarkan estimasi buta RSSI dipilih sebagai skema kontrol pelacakan. Prinsip kerjanya yang spesifik adalah: ujung arde tidak bergantung pada informasi pemosisian UAV, dan di bawah premis garis pandang yang tidak terhalang, antena ujung arde RSSI langsung diekstraksi sebagai referensi, dan akuisisi awal diselesaikan dengan mencari ambang kekuatan sinyal melalui pemindaian persegi panjang. Algoritma pelacakan langkah diadopsi untuk menyesuaikan penunjuk antena untuk mewujudkan pelacakan dinamis UAV oleh antena. Prinsip kerja platform ditunjukkan pada Gambar 2.
1.2 Komposisi platform
Platform pelacakan otomatis antena terutama terdiri dari antena, unit ekstraksi kekuatan sinyal, unit kontrol inti, unit eksekusi, unit ekspansi fungsional, dan catu daya. Antena merupakan perangkat yang mengirim dan menerima sinyal komunikasi, dan juga merupakan objek kendali dari sistem pelacakan, platform ini menggunakan antena grid dengan gain sebesar 19 dBi. Unit ekstraksi kekuatan sinyal melengkapi ekstraksi antena RSSI. Unit kontrol inti memproses RSSI antena yang diekstraksi dan mengirimkan instruksi kontrol ke unit eksekusi. Unit eksekusi menggerakkan antena ke posisi yang ditentukan setelah menerima perintah dari unit kontrol utama. Diagram skema komposisi platform ditunjukkan pada Gambar 3.
2 Desain perangkat keras platform
2.1 Unit kontrol inti dan ekstraksi sinyal
Platform ini menggunakan papan pengembangan Arduino UNO dengan sumber daya perangkat lunak dan perangkat keras open source, harga rendah, dan skalabilitas yang kuat sebagai unit kontrol inti dari platform pelacakan otomatis antena, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Unit ekstraksi kekuatan sinyal menggunakan papan ekspansi Arduino Ethernet plus catu daya port LAN (Low Noise Amplifier) ganda POE (Power Over Etherne). Modul kontrol Ethernet Arduino Ethernet adalah papan ekspansi dengan chip W5100 built-in, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
Ini mengintegrasikan tumpukan protokol TCP / IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) perangkat keras penuh, lapisan transmisi media Ethernet dan lapisan fisik yang telah diverifikasi oleh pasar selama bertahun-tahun.
Sambungkan papan ekspansi Arduino Ethernet ke papan kontrol Arduino UNO dalam bentuk bus melalui header pin panjang, lalu sambungkan antarmuka RJ-45 papan ekspansi Arduino Ethernet ke port LAN catu daya POE, dan port LAN lain dari catu daya POE secara langsung Penerima komunikasi terhubung, dan diagram koneksi ditunjukkan pada Gambar 6.
2.2 Unit eksekusi
Unit eksekusi termasuk meja putar dan komponen servo di meja putar. Meja putar adalah perangkat yang mendukung antena, dan komponen servo pada meja putar dikontrol oleh pengontrol untuk membuat meja putar berputar sesuai dengan algoritma pelacakan, dan menggerakkan antena untuk melacak UAV relai. Turntable dapat dibagi menjadi turntable horizontal yang hanya dapat berputar ke kiri dan kanan dan turntable omnidirectional yang dapat berputar ke kiri dan ke kanan serta ke atas dan ke bawah sesuai dengan karakteristik rotasinya. Pelacakan UAV relai secara real-time oleh antena memerlukan antena untuk disesuaikan di bidang azimuth dan elevasi. Oleh karena itu, platform ini mengadopsi struktur turntable omnidirectional. Diagram struktur meja putar ditunjukkan pada Gambar 7.
Komponen servo di meja putar merupakan bagian penting dari keseluruhan unit eksekusi dan kunci desain, termasuk pemilihan motor servo dan komponen pendeteksi posisi. Untuk mengurangi volume dan menghemat biaya, platform menggunakan perangkat kemudi sebagai motor servo dari meja putar. Parameter teknis ditunjukkan pada Tabel 1.
3 desain perangkat lunak
3.1 Ekstraksi RSSI
Biarkan pengontrol membuat koneksi Telnet dengan penerima komunikasi, dan ekstrak kekuatan penerimaan sinyal dari penerima komunikasi. Untuk membuat koneksi Telnet, pertama-tama Anda perlu menginisialisasi pengaturan Arduino Ethernet. Pengaturan awal terutama mencakup pelepasan data di buffer, pengaturan alamat awal dan akhir buffer, dan pengaturan alamat IP lokal dan alamat MAC. Kedua, untuk membuat sesi Telnet, otentikasi harus dilakukan melalui nama pengguna dan kata sandi.Dalam desain ini, nama pengguna dan kata sandi secara default adalah admin. Buat koneksi Telnet dengan penerima komunikasi dengan memanggil fungsi EthernetClient :: connect (IPAddress ip, uint16_t port), di mana parameter ip adalah alamat IP penerima komunikasi, port adalah nomor port, dan default adalah 23. Proses membuat koneksi Telnet ditunjukkan pada Gambar 8. .
Setelah koneksi Telnet berhasil dibuat, pengontrol mengirimkan perintah permintaan status ke penerima komunikasi. Perintah dikirim dalam bentuk string. Setelah penerima komunikasi menerima perintah permintaan status, ia akan mengirim semua informasi statusnya sendiri ke modul W5100. Informasi status juga Bentuk string disimpan dalam buffer penerima modul W5100. Dalam proses pelacakan platform pelacakan otomatis antena, hanya diperlukan informasi RSSI dalam informasi status. Menyimpan informasi lainnya akan menempati sumber daya penyimpanan seluruh sistem. Oleh karena itu, perlu mengekstrak string untuk mendapatkan informasi yang berguna.
3.2 Pemrosesan filter RSSI
Penyebaran sinyal nirkabel di ruang angkasa lebih rumit, dan seringkali terdapat faktor-faktor yang tidak stabil seperti multipath, hamburan, interferensi elektromagnetik, dll., Yang dapat menyebabkan RSSI yang diterima memiliki karakteristik bervariasi waktu yang serius dan volatilitas yang besar, dan sering menyebabkan platform pelacakan salah atau muncul Fenomena jitter yang parah. Oleh karena itu, perlu menggunakan algoritme pemfilteran untuk memfilter dan mengoptimalkan data RSSI yang dikumpulkan, menghapus data mendadak dan fluktuasi noise pada data RSSI, dan menggunakan nilai RSSI yang dioptimalkan untuk melakukan penghitungan pelacakan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9, itu adalah diagram model filter Kalman filter ke RSSI.
Pertama, buat sistem pengukuran berdasarkan lingkungan pengukuran RSSI. Model sistem yang ditetapkan tidak harus akurat. Anda dapat menggunakan model sistem ini untuk memperkirakan status berikutnya. Dengan asumsi bahwa keadaan sistem saat ini adalah k, keadaan saat ini k dapat diperkirakan berdasarkan keadaan k-1 sebelumnya dari sistem. Dengan asumsi bahwa waktu saat ini sama dengan RSSI yang diekstraksi pada waktu sebelumnya, dan karena sistem tidak memiliki kendali, hasil perkiraan dari keadaan saat ini adalah:
Berdasarkan rumus (3) diperoleh nilai estimasi optimal RSSI pada state k. Untuk mengulang, kovariansi RSSI (K | K) dalam keadaan k diperbarui, karena pengukuran RSSI adalah sistem pengukuran model tunggal tunggal, dan kovariansi keadaan k diperoleh:
Ketika sistem secara rekursif mencapai keadaan k + 1, P (K | K) adalah P (K-1 | K-1) rumus (2), sehingga algoritma dapat melanjutkan operasi autoregresif.
3.3 Penangkapan awal
Akuisisi awal adalah membuat UAV memasuki jangkauan pancaran utama antena directional ground untuk mendapatkan sinyal komunikasi relai tertentu. Platform ini menggunakan metode pemindaian persegi panjang untuk pengambilan awal UAV, dan menggunakan metode penilaian ambang batas untuk menentukan apakah penangkapan berhasil. Diagram pemindaian ditunjukkan pada Gambar 10.
3.4 Pelacakan dinamis
Proses pelacakan dinamis mengadopsi sistem pelacakan langkah, yang secara jelas dapat dijelaskan sebagai pelacakan "silang". Ini adalah proses siklik pengambilan sampel, perbandingan, dan pijakan, yang memungkinkan antena secara dinamis mencari nilai ekstrem RSSI dengan langkah-langkah yang lebih kecil berdasarkan akuisisi awal. Diagram alir ditunjukkan pada Gambar 11. Proses implementasi spesifiknya adalah sebagai berikut: sumbu azimuth dan pitch berputar dalam urutan langkah kanan-kiri-atas-bawah.Selama rotasi, RSSI saat ini dikumpulkan dan dibandingkan dengan RSSI sebelumnya. Jika RSSI saat ini > Untuk RSSI sebelumnya, lanjutkan satu langkah ke arah langkah sebelumnya, sebaliknya jika RSSI saat ini < RSSI sebelumnya adalah satu langkah berlawanan arah dengan langkah sebelumnya. Setiap kali urutan loncatan kanan-kiri-atas-bawah dilewati, nilai maksimum RSSI dapat ditentukan satu kali, dan siklus diulang, dan nilai ekstrem RSSI dicari secara dinamis hingga setelah beberapa proses pelacakan "silang", nilai RSSI selalu dipertahankan di ambang pelacakan di atas.
4 Pengujian platform
Lokasi tes: area terbuka di taman
Lingkungan pengujian: tidak ada halangan, sinyal komunikasi memenuhi propagasi garis pandang
Langkah-langkah pengujian:
(1) Untuk menyederhanakan model pengujian, kedua perangkat komunikasi terhubung ke jaringan, menghilangkan kebutuhan pemancar komunikasi darat. Drone mikro dilengkapi dengan alat komunikasi untuk terbang ke udara, yang berfungsi sebagai ground transmitting end of relay communication dan juga relay end. Penerima komunikasi lainnya dihubungkan ke platform antenna tracking sebagai ground penerima end. Selama pengujian, platform pelacakan antena dihubungkan ke PC, dan perubahan RSSI dapat diamati melalui monitor serial Arduino IDE.
(2) UAV mikro dikendalikan oleh flight control system yang berada di sisi tanah, 500 m dari ujung tanah, dan ruang udara pada ketinggian lepas landas 100 m bergerak dalam gerakan melingkar yang seragam dengan radius R = 50 m.
(3) Atur frekuensi sampling RSSI ke 1 kali / s, pertama uji perubahan RSSI ketika tidak ada platform pelacakan antena, amati dengan mata telanjang, sesuaikan arah antena secara manual, amati perubahan RSSI dan catat.
(4) Uji platform pelacakan antena. Setelah memastikan koneksi platform pelacakan antena sudah benar, hidupkan platform, amati dan catat perubahan RSSI. Diagram pengujian platform ditunjukkan pada Gambar 12.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13, itu adalah tampilan RSSI di monitor serial PC Arduino IDE.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14, ini adalah 45 set perubahan data antena ground RSSI selama pelacakan manual dan pelacakan otomatis dalam kondisi yang sama.
Dari hasil pengujian terlihat bahwa pelacakan manual tidak dapat mencapai keselarasan berkas antena ke UAV relai, akibatnya RSSI antena sisi ground tidak dapat mencapai nilai ideal, dan nilai RSSI akan berubah secara signifikan, yang tidak dapat memenuhi persyaratan dari drone mikro. Mengikuti persyaratan kekuatan sinyal komunikasi. Pelacakan otomatis dapat mempertahankan nilai RSSI dalam rentang nilai ideal setelah beberapa sampel RSSI, yang menunjukkan bahwa platform pelacakan antena yang dirancang dalam makalah ini memiliki pengaruh pelacakan antena.
5. Kesimpulan
Berdasarkan jenis sistem komunikasi relai mikro-UAV tertentu, makalah ini mengusulkan skema kontrol pelacakan berdasarkan estimasi buta RSSI, dan merancang platform pelacakan otomatis untuk antena ujung darat. Telah dilakukan perancangan dan pengujian perangkat lunak dan perangkat keras yang sesuai.Hasil penelitian menunjukkan bahwa platform pelacakan otomatis antena yang dirancang memiliki efek pelacakan yang lebih baik dan meningkatkan kualitas komunikasi komunikasi relai.
referensi
Jia Pengwan, Feng Shoupeng, Zhang Aihui. Sistem pengajaran virtual komunikasi relai UAV berbasis VR-Platform. Ordnance Industry Automation, 2012, 31 (6): 93-96.
He Yi, Jiang Fei, Zhang Yani. Penelitian komunikasi relai sistem komando dan kendali berbasis multi-rotor UAV dan 4G. Beijing: Konferensi Komando dan Kontrol Tiongkok Ketiga, 2015.
LIU Z Q, ZHANG Y S. Sebuah antena konformal lebar berkas lebar yang baru pada kendaraan udara tak berawak Antena dan Surat Propagasi Nirkabel, IEEE, 2012, 11: 196-199.
MIN B C, MATSON E T, JUNG J W. Sistem pelacakan antena aktif dengan antena terarah untuk meningkatkan kemampuan komunikasi nirkabel dari sistem robotik berjaringan Journal of Field Robotics, 2015.
GU Y, ZHOU M, FU S. Jaringan WiFi di udara melalui antena terarah: Studi eksperimental. Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), 2015 IEEE.IEEE, 2015: 1314-1319.
GANTI S R, KIM Y. Desain antena autotracking on-board berbiaya rendah untuk UAS kecil. Teknologi Informasi-Generasi Baru (ITNG), Konferensi Internasional ke-122015 tentang. IEEE, 2015: 273-279.
GEZER B L. Antena digital multi-beam untuk radar, komunikasi, dan pelacakan UAV berdasarkan teknologi nirkabel off-the-shelf Monterey California. Naval Postgraduate School, 2006.
JENVEY S. Antena pelacakan monopulse portabel untuk komunikasi UAV Konferensi Sistem Kendaraan Udara Tak Berawak Internasional ke-22. 2007: 1-8.
STOJCSICS D, MOLN? R A. Sistem perangkat keras dan perangkat lunak AirGuardian-UAV untuk UAV ukuran kecil Int J Adv Robotic Sy, 2012, 9 (174).
Huang Wei, Zhou Naien, Wang Cheng, dll. Pembangunan sistem servo antena komunikasi UAV. Aplikasi Teknologi Elektronik, 2009, 35 (6): 98-101.
Yang Run, Yan Kaiyin, Wen Berkuda. Desain dan implementasi pan / tilt dua sumbu pada UAV kecil. Otomasi dan Instrumentasi, 2014 (7): 165-168.
- Bacaan Rasa Water Rhyme Xiaoxiang: Menjaga air sungai yang jernih dan melestarikan peradaban Sungai Xiangjiang
- GPU Nvidia mana yang harus dipilih untuk pembelajaran mendalam? Memiliki peringkat yang hemat biaya tidaklah cukup!