ساخت یک سیستم ارتباطی فیبر نوری با قابلیت اطمینان بالا برای پهپادهای متصل و صنعتی

راه حل: پیوند فیبر مستقل TTL + پیوند فیبر گیگابیت اترنت

یک معماری مشترک در هواپیماهای بدون سرنشین صنعتی و متصل به هواپیما از دو کانال ارتباطی فیبر نوری مستقل استفاده می کند:

کانال 1 TTL از طریق فیبر

اختصاص داده شده به اطلاعات مهم فرماندهی و تلومتری:

• دستورات کنترل پرواز
• اطلاعات موقعیت GPS
• داده های حالت IMU
• نظارت بر وضعیت باتری و سیستم
• سیگنال های کنترل اضطراری

اين ارتباط کاملاً تعاملي است:

ایستگاه زمینی → UAV
دستورات کنترل و به روزرسانی ماموریت

بدون سرنشین → ایستگاه زمینی
تله متری در زمان واقعی و بازخورد وضعیت

از آنجا که ایمنی پرواز به ارتباطات پایدار بستگی دارد، پیوند TTL از لحاظ فیزیکی از ترافیک پهنای باند بالا جدا شده است.

کانال 2 ️ گیگابیت اترنت از طریق فیبر

طراحی شده برای انتقال داده های بزرگ، از جمله:

• پخش ویدیوی HD 1080P / 4K
• دوربین های تصویربرداری حرارتی
• سیستم های پردازش بینایی هوش مصنوعی
• داده های ابر نقطه ای LiDAR
• سنسورهای مبتنی بر IP

اگرچه اترنت از نظر فنی دوگانه است، اما اکثر برنامه های UAV دارای یک الگوی ترافیک بسیار نامتقارن هستند:

بدون سرنشین → ایستگاه زمینی
جریان عظیم داده های ویدئویی و سنسور

ایستگاه زمینی → UAV
فقط بسته های پیکربندی کوچک یا تأییدیه

یک ماژول فایبر اترنت گیگابیت پهنای باند کافی را برای انتقال ویدئویی کدگذاری شده H.264 و H.265 فراهم می کند.

چرا TTL و اترنت را روی یک فیبر قرار نمی دهیم؟

در حالی که تبدیل پروتکل مانند UART به IP ممکن است، بسیاری از سیستم های حرفه ای UAV هنوز هم لینک های ارتباطی مستقل را ترجیح می دهند.

دلایل این امر عبارتند از:

1انزوا فیزیکی باعث افزایش قابلیت اطمینان می شود

اگر ترافیک ویدئویی به طور ناگهانی افزایش یابد یا سیستم اترنت دچار خرابی شود، کانال کنترل پرواز تحت تاثیر قرار نمی گیرد.

حتی وقتی که لینک ویدئو شکست بخوره:

• کنترل کننده پرواز هنوز به صورت آنلاین است
• تلمتر هنوز در دسترس است

دستورات برگشت به خونه هنوز هم قابل اجراست

برای سیستم های UAV مهم، قابلیت اطمینان همیشه اولویت بیشتری نسبت به کاهش تعداد کابل ها دارد.

2سازگاری پروتکل بومی

بسیاری از قطعات UAV هنوز بر اساس ارتباطات سریالی بومی هستند:

• کنترل کننده های پرواز MAVLink
• ماژول های GPS
• سنسورهای IMU
• کنترل کننده های گیمبال
• دستگاه های صنعتی قدیمی

UART / TTL مستقیم از طریق فیبر یک راه حل ساده، کم تاخیر و مستقل از نرم افزار را فراهم می کند.

3خطر توسعه کمتر

تبدیل ارتباطات سریالی به اترنت نیاز به پردازنده های اضافی، مجموعه نرم افزاری و مدیریت شبکه دارد.

این معرفی می کند:

• تاخیر اضافی
• پیچیدگی نرم افزار
• وابستگی به سیستم عامل
• نقاط احتمالی شکست سیستم

برای UAVهای صنعتی و دفاعی، سادگی اغلب به معنای قابلیت اطمینان بالاتر است.

انتخاب کابل فیبر برای برنامه های UAV

بر خلاف سیم های پیچ فیبر استاندارد، برنامه های UAV نیاز به کابل های فیبر نوری تقویت شده به ویژه دارند.

مشخصات معمول عبارتند از:

• فیبر تک حالت (G.657.A2)
• ساختار دو هسته ای یا چهار هسته ای
• 1قطر کابل ۲ میلی متر
• مقاومت کششی 100 N
• ساختار تقویت شده از کفلار
• انعطاف پذیری بالا برای سیستم های پیچ و تاب

داخل کابل:

• فیبر نوری برای ارتباطات
• عضو مقاومت کفلار برای حفاظت از کشش
• ژاکت بیرونی انعطاف پذیر

این طراحی اجازه می دهد تا کابل در طول عملیات UAV به طور مداوم به کشیدن، لرزش و چرخش مقاومت کند.

معماری فیبر دو هسته ای

یک کابل فیبر تک حالت دو هسته ای یکی از رایج ترین راه حل ها است.

فايبر هسته ي اول:

• گيگابيت اترنت بر روي فايبر
• ماژول های نوری BiDi 1310/1550 nm
• ویدئو، داده های هوش مصنوعی و ارتباطات IP

هسته فیبر 2

• ارتباطات سریالی TTL از طریق فیبر
• ماژول های نوری BiDi 1310/1550 nm
• کنترل پرواز، ديلمتر و اطلاعات سنسور

هر هسته فیبر به عنوان یک کانال ارتباطی دوگانه مستقل عمل می کند و جداسازی کامل بین کنترل و انتقال بار مفید را تضمین می کند.

روند آینده: به سمت شبکه های UAV تمام IP

صنعت UAV به تدریج به سمت معماری های مبتنی بر اترنت متحد حرکت می کند که توسط:

• TSN (شبکه حساس به زمان)
• ROS 2
• نرم افزار میانجی DDS
• سیستم عامل های محاسباتی هوش مصنوعی
• شبکه های گیگابیت در هواپیما

سیستم های آینده UAV ممکن است شامل:

• ویدیو
• تله متری
• سنسورها
• اتوبوس CAN
• داده های کنترل پرواز

به یک شبکه ی واحد IP تعیین کننده تبدیل شود.

با این حال ، امروزه بسیاری از سیستم عامل های UAV صنعتی ، متصل ، ضد اختلال و دفاعی هنوز بر معماری دو کانال تکیه می کنند:

TTL از طریق فیبر + اترنت از طریق فیبر

چون بالاترین سطح اطمینان را فراهم می کند.

راه حل OLYCOM

OLYCOM ماژول های ارتباطی فیبر نوری فشرده مناسب برای ادغام UAV را ارائه می دهد:

مدل 1: OM610-1V1TWR

مدل 2: کارت TA510-GE-X

• ماژول فیبر نوری TTL
• انتقال شفاف UART/TTL
• ارتباطات با تاخیر کم
• ایده آل برای کنترل کننده های پرواز، سنسورها و سیستم های تلمیتر
• ماژول فیبر گیگابیت اترنت
• انتقال 10/100/1000 Mbps اترنت
• پشتیبانی از جریان های ویدئویی با وضوح بالا H.264/H.265
• مناسب برای دوربین های IP، کامپیوترهای هوش مصنوعی و بارهای شبکه

هر دو ماژول می توانند به صورت جداگانه یا در ترکیب در یک معماری ارتباطی دو کانال UAV استفاده شوند.

نتیجه گیری

در حالی که برنامه های UAV همچنان از هواپیماهای بدون سرنشین مصرفی به بازارهای بازرسی صنعتی، امنیتی و دفاعی گسترش می یابد،ارتباطات فیبر نوری در حال تبدیل شدن به یک تکنولوژی کلیدی برای دستیابی به فاصله های طولانی است، ضد تداخل و انتقال قابل اعتماد بالا.

ترکیب TTL over Fiber برای کنترل مهم ماموریت و Gigabit Ethernet over Fiber برای بارهای مفید پهنای باند بالا همچنان یک معماری بالغ و به طور گسترده ای برای سیستم های حرفه ای UAV استفاده می شود..