Тема: Система телеметрии

Титульный лист

Название организации: ГБОУ Лицей № 000.

Тема: Система телеметрии.

Выполнил: класс 10-2.

Научный руководитель: .

Содержание.

1. Введение.  стр 3.

1.2 Актуальность. 

2. Цели и задачи.  стр 4.

3. Концепция систем телеметрии.  стр 5.

3.1 Разнообразие и классификация систем телеметрии. 

3.2 Применение систем телеметрии.  стр 6.

4.  Разработка прототипа.  стр 7.

5. Сборка прототипа.  стр 9-10.

6. Летные испытания.  стр 11. 

7. Итоги и перспектива развития.  стр 12.

8. Используемая литература.

2

Введение

Актуальность.

  Передача информации по проводам берёт своё начало в 19-м столетии. Одна из первых линий передачи была создана в 1845 между Зимним дворцом российского императора и штабами армий. В 1874 французские инженеры установили систему датчиков определения погоды и глубины снега на Монблане, передающей информацию в режиме реального времени в Париж. В 1901 американский изобретатель Михалик запатентовал сельсин, индукционную машину для попеременной передачи синхронизированной информации на расстоянии. В 1906 был построен ряд сейсмических станций, связанных телеметрической связью с Пулковской обсерваторией. В 1912 Эдисон разработал телеметрическую систему для мониторинга подключаемых нагрузок к электросети. При постройке Панамского канала (законченной в 1913—1914) массово использовались телеметрические системы для мониторинга шлюзов и уровней воды

  Дальнейшее развитие получила в эпоху первых космических полетов и освоения воздушно-космического пространства. Для этого потребовалась совершенная радиосистема передачи телеметрических данных. В наши дни телеметрия получила широкое распространение в аэрокосмической, военной и научной сферах. Несмотря на колоссальный  потенциал, почти не применяется в гражданской сфере.

Для своего проекта я выбрал систему радиопередачи телеметрических данных с наложением данных на видеопоток с использованием специальной платы. Эта система станет частью автопилота а в дальнейшем и частью автономного исследовательского летательного аппарата.

3

Цель работы: создать систему телеметрии и метеостанцию на базе беспилотного летательного аппарата(БПЛА), использовать телеметрию для непосредственного управления БПЛА и в дальнейшем приступить к написанию автопилота.

Задачи:

1 Изучить системы телеметрии и разработать прототип.

2 Собрать рабочий прототип.

3 Провести испытания.

Итог: Успешно проведены испытания, выявлены недоработки, достигнута цель работы.

4

Концепция системы телеметрии.

  Разнообразие и классификация систем телеметрии.

Телеметрия - это получение информации о значениях измеряемых параметров (напряжения, тока, давления, температуры и т. п.) контролируемых и управляемых объектов методами и средствами телемеханики. Термин образован от греческих корней «теле» — «удалённый» и «метрон» — «измерение». Хотя сам термин в большинстве случаев относится к механизмам беспроводной передачи информации (например, используя радио или инфракрасные системы) он также заключает в себе данные, передаваемые с помощью других средств массовой коммуникации, таких как телефонные или компьютерные сети, оптическое волокно или другие типы проводной связи.

Для сбора данных обычно используют либо датчики телеметрии, либо устройства связи с объектом, к которым подключаются обычные датчики.
В телевидении и видеонаблюдении встречается другое понимание слова «телеметрия» — дистанционное управление.

В качестве среды передачи данных используются как беспроводные: радио, GSM/GPRS, ZigBee, WiFi, WiMax, LTE, так и проводные :  телефонные или компьютерные сети, ISDN, xDSL, электрические кабели и провода.

Сущность телеизмерения заключается в том, что измеряемая величина, предварительно преобразованная в ток или напряжение, дополнительно преобразовывается в сигнал, который затем передается по каналу связи. Таким образом, передается не сама измеряемая величина, а эквивалентный ей сигнал, параметры которого выбирают так, чтобы искажения при передаче были минимальными.

Помимо способов передачи данных система также различается по типу поступления информации: телеметрия по выбору и телеметрия по вызову.

5

Применение систем телеметрии.

Телеметрия используется в сельском хозяйстве, водоснабжении и водоотведении, медицина, оборона и космос, ракетная техника, авто и мото спорт, системы GPS и ГЛОНАСС, умные дома.

В сельском хозяйстве: в качестве метеостанций, измерителей данных среды.

В водоснабжении: в водопользовании, она применяется при оценке качества воды и измерения показателей потока. Телеметрия в основном применяется в автоматических водосчётчиках, учете подводных вод, определении утечек в распределительных трубопроводах.

В медицине: биотелеметрия используется для наблюдения за пациентами, находящимися под угрозой возникновения осложнений.

В военно-космической сфере для осуществления  автоматического наблюдения,  сигнализации, записи и сохранения данных, необходимых для

управления аппаратом.

Телеметрическое оборудование стало неотъемлемой частью  ракетной индустрии и используется на протяжении всего полета( пилотируемого и беспилотного).

Также она позволяет наблюдать за состоянием транспортного средства на протяжении соревнований, помогает контролировать пользователя.

Система умного дома основывается на данных системы телеметрии.

Мой проект подразумевает использование телеметрии как самостоятельного модуля, так и как часть автопилота.

6

Разработка концепции проекта и прототипа.

  Для передачи телеметрических данных можно использовать любой из выше перечисленных способов, но я выбрал радиопередачу ввиду ее легкодоступности, большого радиуса действия и автономности.

Далее необходимо было определиться с типом передатчика. Это мог быть отдельный модуль с отдельным радиопередатчиком, работающим на частоте 433Mhz  или 915 Mhz. , или специальная плата накладывающая данные на видеопоток. Основным преимуществом первого способа служит  автономность системы и возможность обратной связи с наземной станции. Однако у такой системы имеется недостаток: для осуществления миссии требуется 2 человека и видеопоток отделен от телеметрических данных.

Вид экрана наземной станции  Модуль телеметрии

Наземный модуль подключается к планшету или компьютеру и с помощью специальной программы( в нашем случае Mission planner)  осуществляется мониторинг данных и управление БПЛА.

7

  Второй способ заключается в использовании платы OSD ( On screen display) которая накладывает данные прямо на изображение. Это дешевая  и простая система с гораздо меньшим энергопотреблением так как приходиться питать только видеопередатчик и плату. Также уменьшается и вес системы примерно на 80грамм. Для моего БПЛА это 10% от его грузоподьемности.

Еще одним аргументом в пользу этой системы стало то что я получаю и видео и телеметрию в прямом эфире на 1 монитор. Недостатком служит отсутствие обратной связи, но для данного проекта это не столь критично.

Плата OSD  Экран с данными телеметрии.

Все платы OSD приходят с открытым кодом, т. е. без прошивки и П. О.

Данная плата устанавливается внутрь квадрокоптера и подключается напрямую к полетному контроллеру.

  8 

  Определившись с концепцией я приступил к заказу необходимых деталей

Я отдал предпочтение деталям из Китая ввиду их относительно малой стоимости и приемлемого качества. В ожидании деталей я писал программу для платы OSD, взяв за основу готовый скетч. Как и автопилот, плата программируется в C-среде (Arduino). Заказ пришел относительно быстро(32дня) и посылка пришла в целости и сохранности. Для начала система была собрана вне квадрокоптера. Это было необходимо для проверки китайских плат без риска для самого БПЛА. Удостоверившись в отсутствии КЗ и корректной работе я установил телеметрию на квадрокоптер. Все механические части были установлены и оставалось прошить плату OSD и полетный контроллер. Однако с этим возникли некоторые трудности ввиду отличия моего контроллера. Была написана новая  прошивка и все заработало.

Схема подключения телеметрии к полетному контроллеру.( в данной схеме я совместил 2 вида телеметрии)

9

Процесс сборки.

Плата OSD слева и видеопередатчик

справа.

Процесс сборки 

и готовый аппарат снизу

Собранный аппарат имеет вес 2380г и время полета 15-20минут(в зависимости от погодных условий).

10

Летные испытания.

  Полеты проходили в зимнее время и результаты времени полета оказались некорректными, в связи с этим время измерялось отдельно в помещении при температуре 20градусов. Дальность полета измерялась с помощью GPS трекера. Производился взлет и полет по прямой траектории до потери сигнала, затем фиксировался результат и производился автоматический возврат и посадка на точку взлета.

Тип системы	Время полета (макс)	Дальность передачи данных
Без телеметрии	22 мин	-
OSD	20мин	900-1200м
RadioLink	15мин	2500-4000м
RadioLink+ OSD	14	900-4000м

В результате летных испытаний был выявлен недостаток обеих систем, а именно малая помехоустойчивость. Во время полета наблюдались перебои связи с OSD. У RadioLink таких проблем не было, однако существенно сократилось время полета. Итоги испытаний были вполне предсказуемы, однако существенно порадовала дальность связи и время полета при использовании комбинированной системы. Дублирование телеметрии-один из важнейших аспектов безопасности полетов как в режиме автопилота, так и в пилотируемомо режиме.

Рабочая телеметрия.

11

Итоги и дальнейшие перспективы развития.

Проект получился весьма успешным и имеет колоссальный потенциал к развитию. В дальнейшем я планирую написать автопилот и использовать телеметрию для управления БПЛА. Это открывает возможности создания систем для атономного наблюдения и обследования ЛЭП, полей площадью свыше 100Га, мониторингу миграций диких животных, спасательных и исследовательских операций.

Проект по финансовым затратам обошелся в 10200руб(не учитывая стоимость квадрокоптера)

Список используемой литературы:

Wikipedia. org.

Multivill.

Проект Mission planner и arducopter

Multicopter wiki

12