Работа была представлена на конференции “Экстремальная робототехника ”( 15-17 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)

Н
а 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.
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.

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	Краткое описание
IEEE 802.11	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.
IEEE 802.11a	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).
IEEE 802.11b	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.

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	Высота антенны робота URBOT
URBOT (2Вт)	OCU (фикс.6’)	URBOT		12’’		24’’		6’
Whip	Patch 500 мВт	900		1056		1500		3000
	Yagi 500 мВт	2142		4671		6921+
Patch	Patch 500 мВт	Наил. 3240	Худ. 1680	Наил. 3615	Худ. 1500	Наил 5085	Худ. 3348
	Yagi 500 мВт			Наил. 6921	Худ. 3921			6267
Whip	Patch 2Вт	1155		3237		3921		6921+
	Yagi 2 Вт	1680		4497		6921+
Patch	Patch 2Вт	Наил. 2385	Худ. 1110	Наил. 4101	Худ. 2775	Наил. 4788	Худ. 2049
	Yagi 2 Вт	Наил. 6921+	Худ. 3900	Наил. 6921+	Худ. 3921

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.