Telecommunication capabilities of unmanned aerial vehicles (drones)
The rapid advancement and widespread use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), commonly known as drones, have revolutionized various operations and applications. This thesis explores the telecommunication capabilities of UAVs, focusing on the significance of communication protocols in ensuring effecti...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Γλώσσα: | English |
| Έκδοση: |
2023
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | https://hdl.handle.net/10889/25391 |
| id |
nemertes-10889-25391 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
English |
| topic |
Unmanned aerial vehicles Drones Telecommunication Communication protocols Wireless protocols Wired protocols UAV applications Performance optimization Μη επανδρωμένα αεροσκάφη Ενσύρματα πρωτόκολλα Ασύρματα πρωτόκολλα |
| spellingShingle |
Unmanned aerial vehicles Drones Telecommunication Communication protocols Wireless protocols Wired protocols UAV applications Performance optimization Μη επανδρωμένα αεροσκάφη Ενσύρματα πρωτόκολλα Ασύρματα πρωτόκολλα Αναστασόπουλος, Κωνσταντίνος Telecommunication capabilities of unmanned aerial vehicles (drones) |
| description |
The rapid advancement and widespread use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), commonly known as drones, have revolutionized various operations and applications. This thesis explores the telecommunication capabilities of UAVs, focusing on the significance of communication protocols in ensuring effective and reliable operations. The introduction highlights the growing popularity of UAVs and their potential to improve efficiency and safety in diverse fields. Understanding the communication protocols used in UAVs is crucial for optimizing performance, identifying vulnerabilities, and staying updated with advancements in those fields.
The thesis comprehensively examines the applications of UAVs, including military operations, civilian infrastructure management, environmental monitoring, aerial photography, FPV racing, and agriculture. These applications highlight the versatility and transformative impact of UAVs in performing tasks that were previously challenging or hazardous. Aerial photography and FPV racing have also gained attention for their unique perspectives and exhilarating experiences.
In the study of communication protocols, wireless and wired protocols are analyzed. Wireless protocols such as FHSS, GFSK, LoRa, WiFi, Bluetooth, and Zigbee are explored, offering varying range, data transfer rates, and resistance to interference. This customization enables adaptability based on specific UAV applications and operational requirements. The analysis of wired communication protocols, including DSHOT, MAVLink, TBS SmartAudio, NMEA 0183, PWM, PPM, SBUS, and IBUS, sheds light on their strengths and weaknesses in facilitating efficient and reliable communication between crucial UAV components.
The thesis emphasizes the importance of staying updated with evolving UAV protocols to make informed decisions regarding protocol selection and system optimization. It highlights the impact of communication protocols on UAV performance and reliability. The research presented contributes to the knowledge base of UAV technology, serving as a valuable resource for researchers, practitioners, and enthusiasts interested in advancing UAV capabilities.
In conclusion, this thesis explores the diverse applications of UAVs and their telecommunication capabilities. It emphasizes the significance of communication protocols for effective and reliable UAV operations. The insights gained from this study can further advance UAV technology, fostering innovation, and enhancing the efficiency and safety of unmanned aerial systems. |
| author2 |
Anastasopoulos, Konstantinos |
| author_facet |
Anastasopoulos, Konstantinos Αναστασόπουλος, Κωνσταντίνος |
| author |
Αναστασόπουλος, Κωνσταντίνος |
| author_sort |
Αναστασόπουλος, Κωνσταντίνος |
| title |
Telecommunication capabilities of unmanned aerial vehicles (drones) |
| title_short |
Telecommunication capabilities of unmanned aerial vehicles (drones) |
| title_full |
Telecommunication capabilities of unmanned aerial vehicles (drones) |
| title_fullStr |
Telecommunication capabilities of unmanned aerial vehicles (drones) |
| title_full_unstemmed |
Telecommunication capabilities of unmanned aerial vehicles (drones) |
| title_sort |
telecommunication capabilities of unmanned aerial vehicles (drones) |
| publishDate |
2023 |
| url |
https://hdl.handle.net/10889/25391 |
| work_keys_str_mv |
AT anastasopouloskōnstantinos telecommunicationcapabilitiesofunmannedaerialvehiclesdrones AT anastasopouloskōnstantinos analysēepikoinōniakēsypodomēsmēepandrōmenōnaeroskaphōndrones |
| _version_ |
1771297322741792768 |
| spelling |
nemertes-10889-253912023-07-07T03:59:41Z Telecommunication capabilities of unmanned aerial vehicles (drones) Ανάλυση επικοινωνιακής υποδομής μη επανδρωμένων αεροσκαφών (drones) Αναστασόπουλος, Κωνσταντίνος Anastasopoulos, Konstantinos Unmanned aerial vehicles Drones Telecommunication Communication protocols Wireless protocols Wired protocols UAV applications Performance optimization Μη επανδρωμένα αεροσκάφη Ενσύρματα πρωτόκολλα Ασύρματα πρωτόκολλα The rapid advancement and widespread use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), commonly known as drones, have revolutionized various operations and applications. This thesis explores the telecommunication capabilities of UAVs, focusing on the significance of communication protocols in ensuring effective and reliable operations. The introduction highlights the growing popularity of UAVs and their potential to improve efficiency and safety in diverse fields. Understanding the communication protocols used in UAVs is crucial for optimizing performance, identifying vulnerabilities, and staying updated with advancements in those fields. The thesis comprehensively examines the applications of UAVs, including military operations, civilian infrastructure management, environmental monitoring, aerial photography, FPV racing, and agriculture. These applications highlight the versatility and transformative impact of UAVs in performing tasks that were previously challenging or hazardous. Aerial photography and FPV racing have also gained attention for their unique perspectives and exhilarating experiences. In the study of communication protocols, wireless and wired protocols are analyzed. Wireless protocols such as FHSS, GFSK, LoRa, WiFi, Bluetooth, and Zigbee are explored, offering varying range, data transfer rates, and resistance to interference. This customization enables adaptability based on specific UAV applications and operational requirements. The analysis of wired communication protocols, including DSHOT, MAVLink, TBS SmartAudio, NMEA 0183, PWM, PPM, SBUS, and IBUS, sheds light on their strengths and weaknesses in facilitating efficient and reliable communication between crucial UAV components. The thesis emphasizes the importance of staying updated with evolving UAV protocols to make informed decisions regarding protocol selection and system optimization. It highlights the impact of communication protocols on UAV performance and reliability. The research presented contributes to the knowledge base of UAV technology, serving as a valuable resource for researchers, practitioners, and enthusiasts interested in advancing UAV capabilities. In conclusion, this thesis explores the diverse applications of UAVs and their telecommunication capabilities. It emphasizes the significance of communication protocols for effective and reliable UAV operations. The insights gained from this study can further advance UAV technology, fostering innovation, and enhancing the efficiency and safety of unmanned aerial systems. Η παρούσα διπλωματική εργασία, με τίτλο "Ανάλυση Επικοινωνιακής Υποδομής Μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών (Drones)", επικεντρώνεται στη λεπτομερή ανάλυση των πρωτοκόλλων επικοινωνίας που χρησιμοποιούνται στα μη επανδρωμένα αεροσκάφη. Μέσω αυτής της ανάλυσης, στόχος είναι η κατανόηση της λειτουργίας, των χαρακτηριστικών και των προκλήσεων που σχετίζονται με την επικοινωνία των UAVs. Η ανάπτυξη και η ευρεία χρήση των μη επανδρωμένων αεροσκαφών τα τελευταία χρόνια έχει επιφέρει σημαντικές αλλαγές σε πολλούς τομείς, όπως στην αεροφωτογραφία, στον αγροτικό τομέα, σε στρατιωτικές αποστολές αλλά και σε αποστολές έρευνας και διάσωσης. Οι εξελίξεις στην τεχνολογία και η συνεχής πρόοδος στους τομείς των αισθητήρων, των πληροφορικών συστημάτων και των επικοινωνιών έχουν ανοίξει νέες προοπτικές για την αποτελεσματική επικοινωνία μεταξύ των UAVs και των ανθρώπινων χρηστών, καθώς και μεταξύ των ίδιων των UAVs. Οι βελτιωμένες δυνατότητες επικοινωνίας επιτρέπουν την αμφίδρομη μετάδοση δεδομένων και εντολών, την ανταλλαγή πληροφοριών και τη συνεργασία μεταξύ πολλαπλών UAVs για την επίτευξη κοινών στόχων. Είναι σημαντικό λοιπόν, να κατανοήσουμε πώς λειτουργούν αυτά τα πρωτόκολλα, καθώς αυτό επιτρέπει τη βελτιστοποίηση της επικοινωνίας, την αποφυγή παρεμβολών και τη διασφάλιση της ασφαλούς λειτουργίας των UAVs. Η ανάλυση των πρωτοκόλλων που χρησιμοποιούνται στα μη επανδρωμένα αεροσκάφη προϋποθέτει επαρκή γνώση των δομικών μερών από τα οποία αποτελούνται αυτά τα συστήματα. Η κατανόηση των δομικών στοιχείων επιτρέπει την αποσαφήνιση της αρχιτεκτονικής των μη επανδρωμένων αεροσκαφών και την ανάλυση των συνδέσεων μεταξύ τους με σκοπό την ασφαλή και αποτελεσματική τους λειτουργία. Τα κύρια δομικά μέρη είναι: Ελεγκτής Πτήσης (Flight Controller ή FC). Ο ελεγκτής πτήσης αποτελεί το βασικό εξάρτημα των UAVs, καθώς παρέχει την απαιτούμενη υπολογιστική ισχύ και αλγορίθμους για την επίτευξη σταθερής πτήσης και προσαρμογή στις εντολές του πιλότου, ακόμη και σε απαιτητικές συνθήκες, όπως ισχυροί άνεμοι και αναταράξεις. Αναλαμβάνει την επεξεργασία των δεδομένων από τους εσωτερικούς και εξωτερικούς αισθητήρες του UAV, όπως επιταχυνσιόμετρα, γυροσκόπια, δέκτες GPS, κάμερες και δέκτες ελέγχου του UAV, και προσαρμόζει ανάλογα την ταχύτητα, το ύψος και τον προσανατολισμό του αεροσκάφους, στέλνοντας τα κατάλληλα δεδομένα στους ηλεκτρονικούς ελεγκτές ταχύτητας. Κινητήρες και Ηλεκτρονικοί Ελεγκτές Ταχύτητας. Οι ηλεκτρικοί κινητήρες αποτελούν ένα θεμελιώδες εξάρτημα των μη επανδρωμένων αεροσκαφών. Είναι υπεύθυνοι για τη δημιουργία της απαιτούμενης ώθησης για την απογείωση του drone από το έδαφος και τη διατήρηση σταθερής πτήσης. Παράγοντες όπως το βάρος, το μέγεθος και τα επιθυμητά χαρακτηριστικά πτήσης του drone πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά την επιλογή ενός κινητήρα. Άλλοι σημαντικοί παράγοντες περιλαμβάνουν το Κv του κινητήρα, που καθορίζει την περιστροφική ταχύτητα, και τον αριθμό των πόλων του κινητήρα, που επηρεάζει την ροπή που ασκεί. Η επιλογή του μεγέθους και της κλίσης της προπέλας επηρεάζει επίσης την απόδοση του κινητήρα, καθώς καθορίζει την ποσότητα της ώθησης που παράγεται. Οι Ηλεκτρονικοί Ελεγκτές Ταχύτητας (Electronic Speed Controllers ή ESCs) είναι υπεύθυνοι για τον έλεγχο της ταχύτητας και της κατεύθυνσης των κινητήρων. Ο ελεγκτής πτήσης λαμβάνει εισόδους από τον χειριστή ή τον επίγειο σταθμό, επεξεργάζεται τα δεδομένα και τα μεταδίδει στους ηλεκτρονικούς ελεγκτές ταχύτητας, οι οποίοι τα μετατρέπουν σε σήματα που ελέγχουν την ταχύτητα των κινητήρων. Επιπλέον, διαθέτουν ενσωματωμένους μηχανισμούς ασφαλείας, όπως προστασία από υπερθέρμανση και υπερρεύματα, για την προστασία του UAV. Τέλος, συχνά περιλαμβάνουν προηγμένες δυνατότητες, όπως τηλεμετρία και προγραμματιζόμενες ρυθμίσεις. Power Distribution Board. Το Power Distribution Board (PDB) βοηθά στη διαχείριση της ροής ισχύος μεταξύ των διαφόρων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων του UAV. Τα PDB συνήθως λαμβάνουν ισχύ από την μπαταρία ή άλλη πηγή ενέργειας και τη διανέμουν στο FC, στα ESC και σε άλλα ενσωματωμένα ηλεκτρονικά. Εκτός από τη διανομή ισχύος, τα PDB περιλαμβάνουν συχνά ρυθμιστές τάσης και φίλτρα για να διασφαλίσουν ότι η ισχύς που παρέχεται σε κάθε εξάρτημα είναι σταθερή και καθαρή. Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα της χρήσης ενός PDB είναι ότι απλοποιεί την καλωδίωση και ελαχιστοποιεί τον κίνδυνο ηλεκτρικών παρεμβολών. Συνοδευτικός Υπολογιστής (Companion Computer). Ο συνοδευτικός υπολογιστής είναι ένας πρόσθετος υπολογιστής που μπορεί να τοποθετηθεί σε UAV και λειτουργεί παράλληλα με τον ελεγκτή πτήσης. Μερικά παραδείγματα τέτοιων υπολογιστών είναι το Raspberry Pi και το NVIDIA Jetson Nano. Η δουλειά του είναι να εκτελεί πολύπλοκους υπολογισμούς που δεν μπορεί να χειριστεί ο ελεγκτής πτήσης, όπως η επεξεργασία εικόνας. Επιπλέον, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετάδοση δεδομένων και βίντεο στον επίγειο σταθμό σε πραγματικό χρόνο. Τέλος, ο συνοδευτικός υπολογιστής προσφέρει και δυνατότητα αυτονομίας του UAV. Δέκτης Ελέγχου UAV. Ο δέκτης ελέγχου UAV λαμβάνει τα σήματα που αποστέλλονται από τον χειριστή ή τον επίγειο σταθμό, επιτρέποντας έτσι τον απομακρυσμένο έλεγχο του μη επανδρωμένου αεροσκάφους. Δέκτης GPS. Ο δέκτης GPS χρησιμοποιείται για πλοήγηση, προσδιορισμό θέσης και τηλεμετρία. Με τον δέκτη GPS, τα UAV μπορούν να προγραμματιστούν ώστε να ακολουθούν συγκεκριμένες διαδρομές και σημεία, και μπορούν επίσης να λάβουν εντολή να κρατούν μια συγκεκριμένη θέση. Επίσης, λειτουργεί και ως ένα μέτρο πρόσθετης ασφάλειας, καθώς σε περίπτωση διακοπής της επικοινωνίας του UAV με τον χειριστή ή τον επίγειο σταθμό, μπορεί να προγραμματιστεί να επιστρέψει στο σημείο όπου ξεκίνησε. Κάμερα και Πομπός Βίντεο. Δύο τύποι καμερών που χρησιμοποιούνται συνήθως σε UAV, οι κάμερες FPV και οι κάμερες υψηλής ευκρίνειας (HD). Οι κάμερες FPV είναι κυρίως αναλογικές και είναι συνήθως μικρές και ελαφριές. Είναι σχεδιασμένες για να παρέχουν ζωντανά βίντεο στην οθόνη ή στα γυαλιά του πιλότου σε πραγματικό χρόνο, ακόμα και σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού. Οι FPV κάμερες έχουν πολύ χαμηλή καθυστέρηση, με αποτέλεσμα να επιτρέπουν γρήγορους χρόνους απόκρισης. Οι HD κάμερες, από την άλλη πλευρά, είναι ψηφιακές και χρησιμοποιούνται για τη λήψη εικόνων και βίντεο υψηλής ποιότητας για εμπορικούς και επαγγελματικούς σκοπούς. Αυτές οι κάμερες είναι συνήθως μεγαλύτερες και βαρύτερες από τις κάμερες FPV και είναι σε θέση να καταγράφουν πλάνα υψηλής ανάλυσης με εξαιρετική λεπτομέρεια και ευκρίνεια. Οι πομποί βίντεο (VTX) χρησιμοποιούνται για τη μετάδοση ζωντανών ροών βίντεο από την ενσωματωμένη κάμερα στον επίγειο σταθμό. Το VTX είναι υπεύθυνο για τη μετατροπή του αναλογικού σήματος βίντεο της κάμερας σε σήμα ραδιοσυχνότητας (RF) που μπορεί να μεταδοθεί ασύρματα στον επίγειο σταθμό. Τα συστήματα ασύρματης επικοινωνίας είναι απαραίτητα στα UAV γιατί επιτρέπουν τον απομακρυσμένο έλεγχο, την παρακολούθηση και τη μετάδοση δεδομένων. Αυτά τα συστήματα διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο σε διάφορες εφαρμογές όπως στρατιωτικές επιχειρήσεις και αεροφωτογράφιση, όπου η ανθρώπινη παρουσία θα ήταν επικίνδυνη ή αδύνατη. Οι ασύρματες επικοινωνίες που υπάρχουν σε ένα UAV περιλαμβάνουν τις επικοινωνίες μεταξύ: Πομπός ελέγχου UAV – Δέκτης ελέγχου UAV. Η επικοινωνία αυτή καθιστά δυνατό τον απομακρυσμένο έλεγχο του μη επανδρωμένου αεροσκάφους από έναν ή περισσότερους χειριστές. Οι βασικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται είναι: Διαμόρφωση Frequency-Hopping Spread Spectrum (FHSS). Η διαμόρφωση FHSS είναι μια τεχνική ασύρματης επικοινωνίας, η οποία προσφέρει αυξημένη ασφάλεια. Η FHSS διαμόρφωση λειτουργεί αλλάζοντας συνέχεια την συχνότητα που μεταδίδεται το σήμα. Η ακολουθία συχνοτήτων είναι προκαθορισμένη ή ψευδοτυχαία. Το μοτίβο αναπήδησης ορίζεται από τον πομπό και τον δέκτη, ώστε και οι δύο συσκευές να είναι συντονισμένες στην ίδια συχνότητα κάθε χρονική στιγμή. Διαμόρφωση Frequency-Shift Keying (FSK) και Gaussian Frequency-Shift Keying (GFSK). Η διαμόρφωση FSK λειτουργεί μετατοπίζοντας τη συχνότητα του φορέα μεταξύ δύο διακριτών συχνοτήτων για να αναπαραστήσει διαφορετικά ψηφιακά σύμβολα ή bit. Συνήθως η χαμηλή συχνότητα αναπαριστά το δυαδικό “0” και η υψηλή το δυαδικό “1”. Η μετάβαση μεταξύ των δύο συχνοτήτων γίνεται ακριβώς στην αλλαγή των συμβόλων, επιτρέποντας στον δέκτη να ανιχνεύσει και να αποκωδικοποιήσει τα δεδομένα. Η διαμόρφωση GFSK είναι μια παραλλαγή της FSK και αναπτύχθηκε για τη βελτίωση της φασματικής απόδοσης και τη μείωση των απαιτήσεων εύρους ζώνης της FSK. Η διαμόρφωση GFSK χρησιμοποιεί ένα Gaussian φίλτρο, με σκοπό την πιο ομαλή μετάβαση μεταξύ των διαφορετικών καταστάσεων. Με την χρήση του Gaussian φίλτρου μειώνονται οι απότομες αλλαγές στη συχνότητα, οι οποίες είναι δυνατό να προκαλέσουν κάποιες ανεπιθύμητες συμπεριφορές. Στo σχήμα 3.1 απεικονίζεται η διαφορά μεταξύ των διαμορφώσεων FSK και GFSK. Διαμόρφωση Long Range (LoRa). Η LoRa είναι μια τεχνική ασύρματης διαμόρφωσης που επιτρέπει επικοινωνία μεγάλης εμβέλειας με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Λειτουργεί στις ζώνες συχνότητας ISM, στις οποίες δεν χρειάζεται άδεια. Η LoRa χρησιμοποιεί την διαμόρφωση Chirp Spread Spectrum (CSS), η οποία βασίζεται στα chirps. Τα chirps είναι ημίτονα που η συχνότητα τους μεταβάλλεται γραμμικά με το χρόνο. Υπάρχουν δύο είδη chirps, τα upchirps και τα downchirps, στα οποία η συχνότητα του ημιτόνου αυξάνεται ή μειώνεται αντίστοιχα. Στο σχήμα 3.2 παρουσιάζονται τα δύο είδη chirps. Η χρήση CSS παρουσιάζει μεγάλη ανθεκτικότητα τόσο σε παρεμβολές από άλλα ραδιοσήματα, όσο και σε ανακλάσεις του ίδιου σήματος. Η LoRa υποστηρίζει διάφορες επιλογές εύρους ζώνης, όπως 125 kHz, 250 kHz και 500 kHz. Ο παράγοντας διασποράς (SF) είναι μια άλλη σημαντική παράμετρος στη LoRa, που αντιπροσωπεύει τον αριθμό των bit που κωδικοποιούνται ανά σύμβολο. Οι τιμές του παράγοντα διασποράς κυμαίνονται συνήθως από SF7 (7 bit ανά σύμβολο) έως SF12 (12 bit ανά σύμβολο). Οι υψηλότερες τιμές παρέχουν αυξημένη ανθεκτικότητα έναντι θορύβου και παρεμβολών, ενώ χαμηλότερος παράγοντας διασποράς σημαίνει αυξημένο ρυθμό δεδομένων. Οι διαφορές μεταξύ των παραγόντων διασποράς φαίνονται στο σχήμα 3.3. Ένα μήνυμα LoRa αποτελείται από τρία μέρη, το preamble, το sync και τα δεδομένα. Το προοίμιο είναι μια σειρά επαναλαμβανόμενων upchirps που αποσκοπεί στην ενημέρωση του δέκτη για ένα επερχόμενο πακέτο. Το sync αποτελείται από 2.25 downchirps και βοηθάει στον συγχρονισμό με τον δέκτη. Ένα μήνυμα LoRa φαίνεται στο σχήμα 3.4. Πρότυπο Wireless Fidelity (WiFi). Το πρότυπο WiFi ορίζεται από την οικογένεια πρωτοκόλλων IEEE 802.11 και αποτελεί ένα μέσο μετάδοσης δεδομένων σε αποστάσεις μικρής έως μεσαίας εμβέλειας. Λειτουργεί στη ζώνη συχνοτήτων 2.4 GHz και 5 GHz και προσφέρει ασύρματη συνδεσιμότητα υψηλής ταχύτητας. Το ενσωματωμένο σύστημα του drone είναι εξοπλισμένο με ένα πομποδέκτη WiFi που λειτουργεί ως Access Point και του επιτρέπει να μεταδίδει το δικό του δίκτυο WiFi. Ο χειριστής μπορεί να στείλει εντολές στο drone, συνήθως, μέσω μιας εφαρμογής που κατεβάζει στο έξυπνο κινητό ή tablet του, η οποία συνδέεται με το δίκτυο WiFi του drone. Πρότυπο Bluetooth. Τα πρότυπα Bluetooth και Bluetooth Low Energy (BLE) είναι ασύρματες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται στην επικοινωνία μεταξύ συσκευών μικρής εμβέλειας. Η τεχνολογία Bluetooth λειτουργεί στη συχνότητα 2,4 GHz και υποστηρίζει διάφορες τεχνικές διαμόρφωσης, με κύρια τη διαμόρφωση GFSK. Η τεχνολογία Bluetooth χρησιμοποιείται συνήθως ως πομπός ελέγχου UAV, ιδίως σε μικρά και οικονομικά προσιτά drones μικρής εμβέλειας. Πομπός Βίντεο – Δέκτης Βίντεο. Μέσω αυτής της επικοινωνίας είναι δυνατό ο χειριστής να βλέπει το βίντεο από την κάμερα του UAV σε πραγματικό χρόνο. Διαμόρφωση Συχνότητας (Frequency Modulation ή FM). H διαμόρφωση συχνότητας είναι διάδοχος της διαμόρφωσης πλάτους (Amplitude Modulation ή AM) και προσφέρει βελτιωμένη αντοχή στο θόρυβο και σε παρεμβολές. Η FM είναι μια τεχνική διαμόρφωσης που χρησιμοποιείται για τη μετάδοση πληροφοριών μέσω σημάτων RF. Στη διαμόρφωση συχνότητας, η συχνότητα του φέροντος κύματος μεταβάλλεται σύμφωνα με τις μεταβολές του σήματος διαμόρφωσης, το οποίο μπορεί να είναι ένα σήμα ήχου ή βίντεο. Καθώς το σήμα διαμόρφωσης μεταβάλλεται σε πλάτος, η συχνότητα του φορέα αποκλίνει πάνω και κάτω από τη κεντρική συχνότητα. Η απόκλιση αυτή είναι γραμμικά ανάλογη του πλάτους του διαμορφωτικού σήματος σε κάθε δεδομένη χρονική στιγμή. Όσο μεγαλύτερο είναι το πλάτος του σήματος διαμόρφωσης, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόκλιση της φέρουσας συχνότητας. Το σχήμα 3.5 απεικονίζει ένα σήμα που έχει υποστεί διαμόρφωση συχνότητας. Τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη χρησιμοποιούν συνήθως τη ζώνη συχνοτήτων 5,8 GHz για τη μετάδοση βίντεο καθώς δεν χρειάζεται άδεια και προσφέρει μεγάλο εύρος ζώνης. Επίγειος σταθμός – Συνοδευτικός Υπολογιστής. Η επικοινωνία μεταξύ ενός επίγειου σταθμού και ενός συνοδευτικού υπολογιστή επιτρέπει τη παρακολούθηση δεδομένων τηλεμετρίας σε πραγματικό χρόνο και τον απομακρυσμένο έλεγχο του UAV ή εξειδικευμένων λειτουργιών του, όπως λήψη φωτογραφιών. Δίκτυο κινητής τηλεφωνίας τέταρτης γενιάς (4G). Η τεχνολογία 4G αντιπροσωπεύει μια σημαντική πρόοδο στις ασύρματες επικοινωνίες συστημάτων. Είναι τυποποιημένη από τη Διεθνή Ένωση Τηλεπικοινωνιών (ITU), η οποία καθορίζει τις απαιτήσεις για τα 4G δίκτυα, εξασφαλίζοντας παγκόσμια συμβατότητα και διαλειτουργικότητα. Η χρήση της τεχνολογίας 4G προϋποθέτει την τοποθέτηση ενός 4G modem πάνω στο UAV, το οποίο συνδέεται με τον συνοδευτικό υπολογιστή. Το κύριο πλεονέκτημα του 4G είναι ότι έχει θεωρητικά απεριόριστη εμβέλεια, εφόσον υπάρχει κάλυψη δικτύου από τον πάροχο κινητής τηλεφωνίας. Ένα άλλο θετικό του 4G είναι ότι έχει μεγάλο εύρος ζώνης, επιτρέποντας την αποτελεσματική μετάδοση μεγάλου όγκου δεδομένων, όπως ροή βίντεο και αποστολή δεδομένων τηλεμετρίας. Δίκτυο κινητής τηλεφωνίας πέμπτης γενιάς (5G). Η τεχνολογία 5G αναπτύχθηκε σύμφωνα με το πρότυπο 3GPP και φέρνει σημαντικές αναβαθμίσεις από την τεχνολογία 4G. Ένα από τα χαρακτηριστικά που ξεχωρίζουν στο 5G είναι οι εξαιρετικά υψηλοί ρυθμοί μεταφοράς δεδομένων και η πολύ μικρή καθυστέρηση, η οποία καθιστά την τεχνολογία 5G ιδανική για κρίσιμες εφαρμογές που απαιτούν άμεση λήψη αποφάσεων. Με την αξιοποίηση του 5G είναι δυνατόν να αποστέλλεται ακόμα μεγαλύτερος όγκος δεδομένων σε σχεδόν πραγματικό χρόνο, όπως βίντεο από πολλές κάμερες υψηλής ευκρίνειας. Οι μελλοντικές δυνατότητες του 5G στην επικοινωνία με τα UAV είναι τεράστιες, προσφέροντας συναρπαστικές δυνατότητες για προηγμένες εφαρμογές, όπως επαυξημένης και εικονικής πραγματικότητας. Συνοδευτικοί Υπολογιστές μεταξύ UAVs. Η επικοινωνία μεταξύ των συνοδευτικών υπολογιστών των UAVs μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε σύνθετες εφαρμογές που απαιτούν την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ πολλών μη επανδρωμένων αεροσκαφών, όπως η νοημοσύνη σμήνους. Πρωτόκολλο Zigbee. Το Zigbee είναι ένα πρωτόκολλο ασύρματης επικοινωνίας που βασίζεται στο πρότυπο IEEE 802.15.4 και χρησιμοποιείται ευρέως σε εφαρμογές που απαιτούν χαμηλή κατανάλωση ισχύος και μεγάλο αριθμό συσκευών. Αυτό καθιστά το Zigbee ιδανικό σε εφαρμογές σμήνους UAVs, σε αντίθεση με το Wi-Fi και το Bluetooth. Το Zigbee λειτουργεί στις ζώνες συχνοτήτων των 2,4 GHz, 915 MHz και 868 MHz. Υπάρχουν 3 τύποι συσκευών Zigbee, ο συντονιστής, οι δρομολογητές και οι τελικές συσκευές. Ο συντονιστής είναι η συσκευή που δημιουργεί το δίκτυο Zigbee και είναι υπεύθυνος για τη διαχείριση και την επικοινωνία όλων των συσκευών. Οι δρομολογητές επεκτείνουν την εμβέλεια του δικτύου, αναμεταδίδοντας δεδομένα μεταξύ των συσκευών. Οι τελικές συσκευές Zigbee είναι οι συσκευές που επικοινωνούν με το δίκτυο μέσω ενός δρομολογητή ή μέσω του συντονιστή. Υπάρχουν επίσης 3 τύποι τοπολογιών Zigbee, η τοπολογία αστέρα, η τοπολογία πλέγματος και η τοπολογία δέντρου οι οποίες παρουσιάζονται αναλυτικά στο σχήμα 3.6. Οι ενσύρματες επικοινωνίες χρησιμοποιούνται για τη διασύνδεση μεταξύ των διαφορετικών εξαρτημάτων που υπάρχουν πάνω σε ένα μη επανδρωμένο όχημα. Οι ενσύρματες επικοινωνίες που υπάρχουν σε ένα UAV είναι μεταξύ του: Ελεγκτής πτήσης (FC) - Ηλεκτρονικός Ελεγκτής Ταχύτητας (ESC). Η επικοινωνία μεταξύ του FC και των ESCs είναι υπεύθυνη για την ομαλή πτήση και την μείωση των κραδασμών που δημιουργούνται από τους κινητήρες. Οι κύριες τεχνικές που χρησιμοποιούνται είναι: Διαμόρφωση Πλάτους Παλμού (PWM). Η διαμόρφωση πλάτους παλμού χρησιμοποιείται στις αναλογικές επικοινωνίες για τον έλεγχο διαφόρων ηλεκτρικών συσκευών, όπως τα ESCs. O FC στέλνει έναν παλμό σε κάθε ένα από τα ESC κάθε 20ms. Το πλάτος του παλμού έχει εύρος από 1000μs έως 2000μs, με ουδέτερη τιμή το πλάτος των 1500μs. Μεταβάλλοντας το πλάτος του παλμού αλλάζει αντίστοιχα και η μέση ισχύς που παρέχεται στους κινητήρες. Μεγαλύτερη τιμή παλμού θα προκαλέσει ταχύτερη περιστροφή των κινητήρων, ενώ μικρότερη τιμή θα προκαλέσει αργότερη περιστροφή. Πρωτόκολλο Oneshot. Το Oneshot είναι το πρώτο αναλογικό πρωτόκολλο που δημιουργήθηκε για την επικοινωνία μεταξύ FC και ESC και βασίζεται στο PWM. Υπάρχουν 2 πρωτόκολλα Oneshot, το Oneshot125 και το Oneshot42. Ο αριθμός στο τέλος αντιστοιχεί στο ελάχιστο μήκος παλμού. Το Oneshot125 στέλνει παλμούς με διάρκεια 125μs-250μs, ενώ το Oneshot42 στέλνει παλμούς με διάρκεια 42μs-84μs. Σαν αποτέλεσμα και τα 2 πρωτόκολλα Oneshot είναι ταχύτερα από το PWM. Πρωτόκολλο Multishot. Το Multishot είναι επίσης ένα αναλογικό πρωτόκολλο που βασίζεται στο PWM. Οι παλμοί του έχουν διάρκεια 5μs-25μs καθιστώντας το έτσι το γρηγορότερο από τα αναλογικά πρωτόκολλα. Η διαφορά μεταξύ του Multishot και του Oneshot απεικονίζεται στο σχήμα 4.2. Πρωτόκολλο Digital Shot (DShot). Το DShot είναι το πρώτο ψηφιακό πρωτόκολλο για την επικοινωνία μεταξύ FC και ESC και είναι το ευρέως διαδεδομένο. Υπάρχουν 5 πρωτόκολλα DShot, το DShot150, DShot300, DShot600, Dshot1200 και Dshot3600. Ο αριθμός που χαρακτηρίζει το πρωτόκολλο υποδεικνύει επίσης την ταχύτητα μετάδοσης των δεδομένων σε Kbps. Κάθε πακέτο δεδομένων περιέχει 16 bit. Τα πρώτα 11 bit είναι για την τιμή του γκαζιού, με το 1ο bit να είναι το σημαντικότερο, το 12ο bit είναι για δεδομένα τηλεμετρίας και τα 4 τελευταία bits χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της ορθότητας του μηνύματος. Το DShot έχει αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με τα αναλογικά πρωτόκολλα, όπως, μεγαλύτερη ακρίβεια στην τιμή του γκαζιού, δεν απαιτεί βαθμονόμηση των ESCs και μεγαλύτερη ανοσία στο θόρυβο. Στο σχήμα 4.3 φαίνεται ένα πακέτο του Dshot300. Πρωτόκολλο Proshot. Το Proshot είναι βασισμένο στο DShot και κωδικοποιεί τις ψηφιακές τιμές του DShot σε 4 παλμούς PWM, όπου κάθε παλμός μεταφέρει 4 bit δεδομένα. Ένα σημαντικό πλεονέκτημα του Proshot είναι ότι χρειάζεται λιγότερη επεξεργαστική ισχύ και θα μπορούσε να τρέξει σε περισσότερα ESCs, αλλά είναι πιο επιρρεπή στο θόρυβο. Ελεγκτής πτήσης (FC) - Δέκτης Ελέγχου UAV. Η επικοινωνία μεταξύ του FC και του δέκτη ελέγχου του UAV είναι κρίσιμη σε κάθε UAV, καθώς χρησιμοποιείται για την σωστή μετάδοση των εντολών του χειριστή. Κάποια από τα πρωτόκολλα που έχουν αναπτυχθεί είναι: Διαμόρφωση Πλάτους Παλμού (PWM). Η διαμόρφωση πλάτος παλμού για την επικοινωνία μεταξύ FC και δέκτη ελέγχου UAV είναι ακριβώς η ίδια με την αντίστοιχη επικοινωνία μεταξύ FC και ESCs. Ένα μεγάλο μειονέκτημα αυτής της διαμόρφωσης για την επικοινωνία μεταξύ FC και δέκτη ελέγχου UAV είναι ότι χρειάζεται τόσα καλώδια, όσα τα κανάλια που χρησιμοποιούνται. Διαμόρφωση Θέσης Παλμού (PPM). Η διαμόρφωση θέσης παλμού αναπτύχθηκε ως λύση στο πρόβλημα της χρήσης πολλαπλών καλωδίων για τη μετάδοση σημάτων από το δέκτη ελέγχου του UAV στο FC. Η συχνότητα της διαμόρφωσης θέσης παλμού είναι 50 Hz, ίδια με αυτήν της διαμόρφωσης πλάτος παλμού, και υποστηρίζει 8 κανάλια ανά καλώδιο. Λειτουργεί στέλνοντας τους 8 παλμούς από τα κανάλια σειριακά τον ένα μετά τον άλλο σε ένα σήμα. Ένα παράδειγμα σήματος PPM απεικονίζεται στο σχήμα 4.4. Πρωτόκολλο SBUS. Το πρωτόκολλο SBUS είναι ένα ψηφιακό πρωτόκολλο, σε αντίθεση με τα PWM και PPM, και σχεδιάστηκε με σκοπό να παρέχει μία πιο αποτελεσματική λύση για τη μετάδοση πολλών τιμών καναλιών μέσα από ένα καλώδιο. Το πρωτόκολλο SBUS χρησιμοποιεί ανεστραμμένη σειριακή λογική με ρυθμό μετάδοσης συμβόλων 100 Kbps και περιέχει 25 bytes. Το πρώτο byte καθορίζει την αρχή του μηνύματος και είναι πάντα “0x0F”, τα επόμενα 22 bytes περιέχουν τις τιμές από 16 κανάλια, το επόμενο byte περιέχει 4 σημαίες για διάφορες λειτουργίες και το τελευταίο byte καθορίζει το τέλος του μηνύματος και είναι πάντα “0x00”. Πρωτόκολλο IBUS. Το πρωτόκολλο IBUS είναι ένα νεότερο ψηφιακό πρωτόκολλο από το SBUS και έχει μερικές χαρακτηριστικές διαφορές. Μία από αυτές είναι ότι το IBUS υποστηρίζει αμφίδρομη επικοινωνία μεταξύ του δέκτη ελέγχου του UAV και του FC, ενώ το SBUS υποστηρίζει μόνο μονόδρομη επικοινωνία από τον δέκτη ελέγχου UAV προς τον FC. Επίσης το IBUS χρησιμοποιεί μη ανεστραμμένη σειριακή λογική, με αποτέλεσμα να λειτουργεί σε περισσότερα MCUs, σε αντίθεση με το SBUS που χρειάζεται επιπλέον hardware για να αντιστρέψει το σήμα. Η διαφορά του σήματος SBUS με του IBUS φαίνεται στο σχήμα 4.6. Ελεγκτής πτήσης (FC) - Δέκτης GPS. Η αποτελεσματική επικοινωνία μεταξύ του ελεγκτή πτήσης και του δέκτη GPS είναι ζωτικής σημασίας για την αξιόπιστη λειτουργία των μη επανδρωμένων αεροσκαφών. Ένα από τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα πρότυπα για το σκοπό αυτό είναι το πρωτόκολλο NMEA 0183. Πρότυπο NMEA 0183. Το NMEA 0183 δημιουργήθηκε από την National Marine Electronics Association με σκοπό την συμβατότητα μεταξύ διαφορετικών ειδών ναυτικών ηλεκτρονικών συσκευών, συμπεριλαμβανομένων των δεκτών GPS. Το NMEA 0183 έχει σχεδιαστεί για να διευκολύνει τη μονόδρομη σειριακή μετάδοση δεδομένων από έναν ομιλητή σε έναν ή πολλούς ακροατές. Τα δεδομένα μεταδίδονται μέσω μιας διεπαφής UART με ρυθμό μετάδοσης συμβόλων 4800 bps. Τα δεδομένα κωδικοποιούνται σε μορφή ASCII και περιλαμβάνουν τους δεκαεξαδικούς αριθμούς A, D και 20-7E. Κάθε πρόταση αρχίζει με ένα διαχωριστικό “$” και τελειώνει με το διαχωριστικό “<CR><LF>”. Στην εικόνα 4.7 φαίνεται ένα μήνυμα NMEA 0183 που χρησιμοποιεί την πρόταση “GLL”, ενώ στον πίνακα 4.1 παρουσιάζονται οι πιο σύνηθες προτάσεις. Ελεγκτής πτήσης (FC) - Πομπός Βίντεο (VTX). Αυτή η επικοινωνία επιτρέπει στον FC να αλλάζει την ισχύ μετάδοσης, την συχνότητα αλλά και διάφορες άλλες ρυθμίσεις του VTX. Το πρωτόκολλο TBS SmartAudio είναι ανοιχτού κώδικα και είναι από τα πιο ευρέως υιοθετημένα. Πρωτόκολλο TBS SmartAudio. Το πρωτόκολλο TBS SmartAudio αναπτύχθηκε από την Team BlackSheep και χρησιμοποιεί την είσοδο του ήχου του μικροφώνου ενός VTX για τη μετάδοση ψηφιακών δεδομένων. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του είναι η αμφίδρομη επικοινωνία, το οποίο σημαίνει ότι μπορεί και το VTX να στέλνει πληροφορίες στον FC, με σκοπό την ενσωμάτωσή τους μέσα στο βίντεο που παράγει η κάμερα. Αυτό καθιστά δυνατό να μπορεί ο χειριστής να δει και να αλλάξει σε πραγματικό χρόνο την συχνότητα και την ισχύ που εκπέμπει. Το TBS SmartAudio χρησιμοποιεί UART διεπαφή με ρυθμό μετάδοσης συμβόλων 4800 bps. Ένα πακέτο του TBS SmartAudio περιλαμβάνει 2 bytes που καθορίζουν την αρχή του μηνύματος και είναι πάντα “0xAA 0x55”, ένα byte που καθορίζει την εντολή που στέλνει ο FC, ένα byte που δείχνει το συνολικό μήκος του μηνύματος, μερικά bytes δεδομένων που σχετίζονται με την εντολή και 1 byte κώδικα ελέγχου. Μία απεικόνιση ενός πακέτου TBS SmartAudio φαίνεται στο σχήμα 4.9. FPV Κάμερα – Πομπός Βίντεο (VTX). Η αξιόπιστη επικοινωνία μεταξύ της κάμερας FPV και του VTX είναι εξαιρετικής σημασίας, ιδιαίτερα όταν το σήμα βίντεο είναι το μοναδικό μέσο ελέγχου του UAV. Οι FPV κάμερες είναι κυρίως αναλογικές και το βίντεο που στέλνουν στο VTX είναι αναλογικό της μορφής NTSC/PAL. Πρότυπα NTSC/PAL. Τα αναλογικά σήματα βίντεο μεταδίδονται οριζόντια γραμμή προς γραμμή. Το σήμα βίντεο αποτελείται από έναν παλμό που καθορίζει την έναρξη νέας γραμμής και συγχρονίζει τις 2 συσκευές, ένα παλμό με συγκεκριμένη φάση και πλάτος που παρέχει πληροφορίες για το χρώμα που μεταδίδεται και τα δεδομένα του αναλογικού βίντεο. Το αναλογικό βίντεο μπορεί να θεωρηθεί σαν δύο σήματα, όπου το ένα παρέχει τα δεδομένα της γραμμής και το άλλο την φωτεινότητα του κάθε σημείου, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.10. Αυτό είναι χρήσιμο γιατί μπορούμε να παρεμβάλλουμε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα OSD, το οποίο βρίσκεται συνήθως ενσωματωμένο στον FC και μπορεί να αλλάξει το σήμα της φωτεινότητας του βίντεο, επιτρέποντάς το να προσθέτει χρήσιμες πληροφορίες μέσα στην εικόνα. Αυτές οι πληροφορίες μπορεί να είναι οι συντεταγμένες GPS ή η τάση της μπαταρίας, όπως παρουσιάζεται στην εικόνα 4.11. Το πρότυπο NTSC έχει 525 οριζόντιες γραμμές ανά εικόνα με ρυθμό 30 καρέ ανά δευτερόλεπτο. Σε αντίθεση, το πρότυπο PAL έχει μεγαλύτερη ανάλυση, 625 οριζόντιες γραμμές ανά εικόνα, και μικρότερο ρυθμό, 25 καρέ ανά δευτερόλεπτο. Ελεγκτής πτήσης (FC) – Συνοδευτικός Υπολογιστής. Η επικοινωνία μεταξύ FC και συνοδευτικού υπολογιστή παίζει καθοριστικό ρόλο στην ενεργοποίηση προηγμένων λειτουργιών και αυτόνομων μη επανδρωμένων αεροσκαφών. Για αυτή την επικοινωνία αναπτύχθηκε το πρωτόκολλο MAVLink. Πρωτόκολλο MAVLink. Με τη χρήση του πρωτοκόλλου MAVLink, τα UAV μπορούν να εκτελέσουν τόσο προκαθορισμένες αποστολές όσο και αποστολές που βασίζονται στην Τεχνητή Νοημοσύνη (AI), χωρίς τη συνεχή επέμβαση ή τον έλεγχο ενός χειριστή. Το MAVLink μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε μέσω ενός αποκλειστικού λογισμικού που τρέχει στον επίγειο υπολογιστή, είτε με τη χρήση γλωσσών προγραμματισμού, όπως η Python, που τρέχουν πάνω στον συνοδευτικό υπολογιστή. Υπάρχουν δύο κύριες εκδόσεις του MAVLink, η έκδοση MAVLink 1.0 και η έκδοση MAVLink 2.0. Η σύνταξη των πακέτων των δύο εκδόσεων φαίνεται στα σχήματα 4.12 και 4.13 αντίστοιχα, ενώ στον πίνακα 4.3 παρουσιάζονται οι πιο σύνηθες τύποι μηνυμάτων. Οι κύριες διαφορές των δύο εκδόσεων είναι ότι στην έκδοση 2.0 μπορεί να χρησιμοποιηθεί υπογραφή, αυξάνοντας έτσι την ασφάλεια, και η έκδοση 2.0 υποστηρίζει πολύ περισσότερους τύπους μηνυμάτων. Στο παράθεμα δίνεται ένας ενδεικτικός κώδικας γραμμένος σε γλώσσα προγραμματισμού Python, ο οποίος τρέχει πάνω στον συνοδευτικό υπολογιστή και επιτρέπει στο UAV να εκτελέσει μία απλή αυτόνομη πτήση, υλοποιώντας το πρωτόκολλο MAVLink. Συνοψίζοντας, η παρούσα διπλωματική εργασία εξερεύνησε τη σημασία των μη επανδρωμένων αεροσκαφών, τονίζοντας την αποδοτικότητα και την ασφάλεια που προσφέρουν σε διάφορες εφαρμογές. Επιπλέον παρουσιάστηκαν όλα τα βασικά εξαρτήματα από τα οποία αποτελείται ένα UAV, διευκρινίζοντας την λειτουργία καθενός από αυτά. Τέλος, μελετήθηκαν και αναλύθηκαν τα πιο διαδεδομένα και ανοιχτού κώδικα πρωτόκολλα, τόσο στις ασύρματες, όσο και στις ενσύρματες επικοινωνίες που υπάρχουν σε ένα UAV. 2023-07-06T08:23:19Z 2023-07-06T08:23:19Z 2023-07-04 https://hdl.handle.net/10889/25391 en application/pdf |
