Sistema de Comunicaciones
Descripcion general del Sistema de comunicaciones del ROV/AUV.
Sistemas de comunicaciones físicos
El ROV/AUV tendra un sistema dual de comunicaciones:
- Por un lado tendremos el sistema de comunicaciones de superficie con la estación base. Este sistema solo entrará en funcionamiento cuando el ROV este en la superficie del agua, reemplazando inmediatamente, si otras condiciones no lo impiden, al sistema de comunicaciones subacuaticas. No se espera que este sistema funcione cuando el vehículo este sumergido debido a la tremenda atenuación que sufrirán las señales de este sistema de comunicaciones bajo el agua.
- Por otro lado, el vehiculo ira dotado de un sistema de radiocomunicaciones subacuáticas, que siempre estará disponible, puesto que la antena de este sistema siempre estara sumergida aunque el vehiculo se halle en la superficie del agua. Pero en este ultimo caso no tendra prioridad, y como se ha comentado en el parrafo anterior, en superficie siempre se utilizara el sistema de radiocomunicaciones de superficie.
Definición de protocolo de comunicaciones
El protocolo de comunicaciones entre el ROV-AUV y la estación base se basará en un intercambio cliente-servidor con sistema de polling para control continuo de la connectividad entre el Robot y la Estación Base.
Por tanto, las PDUs que se intercambiarán ambas entidades serán las siguientes :
Polling
Mediante el polling la estación base y el robot estarán seguros de que permanecen radioenlazados.
Los mensajes de poll los enviará la estación base y el robot los responderá en un intervalo máximo definido:
[Definición de circunstacias de fallo de Poll e intervalo mnaxímo]
Tabla de mensajes de Poll:
Control
Los mensajes de Control serán siempre iniciados por la Estación Base.
Estos mensajes de control serán ordenes directas a ejecutar por el Robot.
Normalmente serán mensajes de telecomando, pero alternativamente y en la fase inicial de desarrollo se podrían implementar mensajes de telecontrol.
La diferencia entre telecomando y telecontrol, es que un telecomando es una orden que implica una secuencia de acciones compleja y que además requerirá en ciertas ocasiones una inteligencia en el robot para ejecutarla. El telecontrol, por otro lado, es una orden directa sobre un actuador.
El robot responderá siempre a todas las ordenes con el mismo mensaje, como si se tratase de hacer eco de la orden de la estación base. De teste modo la estación base se asegura de que el mensaje de control ha sido entendido correctamente por el robot.
[Definición de circunstacias de fallo de Poll e intervalo mnaxímo]
Tabla de mensajes de control:
Petición de Datos
Los mensajes de petición de datos serán simplemente eso. Cada uno de los mensajes requiere un dato concreto y la respuesta del robot será exclusivamente para enviar ese dato.
El tamaño en bytes del dato a recibir será previamente definido, y será lo que la estación base espera recibir en cuestión de tamaño. Si no fuese así, se consideraría el dato recibido como erroneo y se descartaría.
Radiocomunicaciones de Superficie
El sistema de comunicaciones de superficie está basado en módulos comerciales XBee-PRO ZB S2B (2 mW de potencia) con alcance de hasta 120m. La frecuencia de operación de estos módulos son 2,4 GHz.
La tasa máxima de transferencia de este sistema será de 115000 Bauds.
Imágenes del módulo y antena que irá montado en el vehículo:
La antena se sitúa en el exterior del vehículo.
Radiocomunicaciones subacuaticas.
El sistema de radiocomunicaciones subacuaticas se basara en la utilizacion de radiotransmisor y receptor operando en la banda de 1,8 Mhz. La cual es la banda de frecuencias mas bajas de radioaficcionado.
A continuacion mostramos el articulo que nos ha servido de base para realizar las comunicaciones del ROV/AUV. Se trata de un artículo de Lloyd Butler, un tipo que escribió en la revista Amateur Radio.
Articulo original : http://www.qsl.net/vk5br/UwaterComms.htm
Articulo traducido al castellano: Comunicaciones subacuaticas
Conceptos a buscar relacionados con la transmisión de datos en estas frecuencias de radio aficionados : "Packet Radio" y RTTY.
Diagrama de alto nivel de las comunicaciones a bordo en Baja Frecuencia
Detalles:
El circuito generador de datos será el controlador principal del ROV. En su defecto un procesador esclavo (en el caso de Pinguino habrá más de uno).
El modem se basa en el integrado TCM3105NL (http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/28704/TI/TCM3105NL.html). Modulador FSK.
Se intentará un rate de comunicaciones de 1200 baudios (Mark -> 1300 Hz, Space -> 2100 Hz) el maximo que permite el chip.
Una comunicación a 1200 baudios supone un tiempo de bit de 833 microsegundos. Lo cual para una transmisión de 8 bits(1 byte)+1 bit start +1 bit stop = 8,33 milisegundos por byte transmitido. Es decir, 1Kbyte se tardarán en transmitir 8,52992 segundos.
Estos datos hay que tenerlos en cuenta para realizar una transmisión eficiente de todos los datos que nos comprometamos a transmitir entre el ROV/AUV y la Estación Base.
Posteriormente la señal analógica (FSK) será modulada con una portadora a 1,8 Mhz.
En principio se van a requirir distintos circuitos y antenas para recepción y transmisión (a no ser que se vea algo más completo/complejo en cuestión de antenas). La alternativa sería estudiar la multiplexación de la antena.
La transmisión en cualquier caso tendría que ser half-duplex, para evitar realimentaciones entre TX y RX del mismo lado de la comunicación. Hay que estudiar esta posibilidad por si existen alternativas. Pero en principio, dotar al circuito de radio de más circuiteria para evitar este fenómeno, va a requerir más espacio y consumo, cosa la cual en una primera fase intentaremos evitar sobre costes y fuentes de problemas adicionales. Lo ideal es empezar con un circuito básico y más tarde hacer más robusto el diseño, a la vez que eficiente.
Controller TX-RX con Pinguino
Con pinguino es posible transmitir/recibir datos serie a 1200 baudios con una simple configuración...
void setup()
{
Serial.begin(1200); // set speed to 1200 bauds
}
void loop()
{
......
}
Los pines de Pinguino para transmisión/recepción serie en Pinguino 2550 son :
TX
RX
Pin 8
Pin 9
Los niveles són TTL. Hay que tener en cuenta que en ambos lados (estación base y ROV/AUV) irán conectados al modulo de modulación FSK.
(completar)
Modem FSK para 1200 Baudios
El circuito MODEM empleando el TCM3105NL es el siguiente:
Se trata simplemente de un circuito de adaptación del integrado TCM3105 para que podamos operar con el de manera sencilla.
A la izquierda tenemos las señales TTL, y a la derecha las señales en FSK.
El tripe switch nos va a permitir utiliza los diferente modos de modulación que posee el integrado, aunque la idea principal, es utilizar la máximo rate de transmisión que permite, es decir, 1200 Bauds.
Aquí esta la tabla de modulaciones disponibles del integrado:
En nuestro modo de trabajo por defecto, TXR1, TXR2 y TRS estarán todas a nivel bajo.
Imágenes de las placas construidas y testeadas en laboratorio:
Las dimensiones físicas de la placa son las siguientes (pongo esto para que podamos ir calculando la ubicación y el espacio que vamos a necesitar dentro del habitáculo):
Generador de portadora para AM 1,8 MHz
Para el modulador de AM, primero necesitamos tener un circuito para generar la señal portadora. Se ha recurrido a un Cristal de cuarzo con un valor comercial, para que la portadora sea lo mas estable posible en frecuencia, teniendo así las mínimas desviaciones posibles tanto en el receptor como en el transmisor.
El valor comercial es 1,8432 MHz.
EL circuito generara una onda sinusoidal con un voltaje de salida de entre 0 a 400 milivoltios pico a pico. Con un trimmer a su salida habrá que ajustar esta amplitud dependiendo de lo requerido a la entrada del modulador-demodulador donde se vaya a inyectar la señal. La carga de salida podrá estar en torno a 50 Ohms.
El circuito resultante es el siguiente (verificado en laboratorio):
El resultado en laboratorio muestra la siguiente forma de onda:
El circuito de referencia utilizado es este: http://www.electronicecircuits.com/electronic-circuits/crystal-controlled-oscillator-circuit/
La variación que tiene el nuestro respecto a este, son :
- La alimentación del circuito original son 9V, nosotros utilizaremos 12V
- El condensador C1 en el circuito original es de 1nF. En el nuestro hay que aumentarlo a 5,6 nF. De otro modo con 1nF la onda se distorsiona y deja de ser puramente sinusoidal. Poniendolo mayor (he probado con 10nF) directamente no arranca el oscilador.
Modulador de AM a 1,8 Mhz
El circuito modulador AM a 1800 KHz es el siguiente. Este ha sido probado en laboratorio:
Las señales de entrada están a la izquierda del diagrama:
- La portadora es la señal de 1,8432 Mhz que se ha detallado en el apartado anterior.
- La señal a modular es la salida del modem FSK. Es decir, los datos.
La señal resultante puede ser de dos formas, dependiendo del ajuste del potenciómetro R13.
Se puede conseguir una señal de AM, donde podemos regular el porcentaje de modulación variando dicho potenciómetro. Esto ocurre tanto hacia un lado como hacia el contrario, de la posición central del potenciómetro.
En las siguientes imágenes se muestra el resultado de la modulación AM. La sinusoide que se ve claramente es la señal que se modula.
Con el potenciómetro colocado en el valor central, se suprime la portadora casi completamente (ver especificaciones del integrado), y se obtiene a la salida una señal DSB (double side band).
Las siguientes imágenes muestran la forma de onda de la señal DSB, comparadas con la señal que se modula:
Para mejorar la eficiencia en la transmisión es deseable aplicar un filtro paso-banda, donde nos quedemos con una sola de las bandas laterales resultantes de la modulación. Y esta debería ser el input de la etapa de amplificación/transmisión antes de la antena.
(completar)
Etapa de potencia hacia la antena
La etapa de potencia...:
(completar)
Demodulador de AM a 1,8 MHz
El circuito demodulador de AM a 1800Hz es el siguiente:
(completar)
Varios:
Ideas:
Lo mismo ya tenias pensado algo de esto, y lo que voy a decir aquí sobra, pero te cuento. Se me ha ocurrido la siguiente idea para hacer al ROV/UAV sin cable de control.
La idea es relativamente similar pero distinta. Se trata de que el vehículo sea capaz de liberar una boya (el tamaño podría ser muy pequeño, como una pelota de tenis) que se sitúa en la superficie del agua, y que estará conectada al ROV mediante un cable. El ROV llevaría un sistema de cabrestante, que le permitiría enrollar el cable y dejar el cable lo mas tenso posible como para que la boya no se hunda, pero que tampoco sobre como para que se se enrolle de algún modo con el propio ROV.
En la esfera de la boya que estaría en la superficie tendríamos el sistema de transmisión radio que nos comunicaría con la estación base.
Habría que estudiar que sistema de radio es mejor para comunicarnos desde la superficie del agua, y que consuma poco. Pero en principio, con esto evitaríamos buscar un sistema más complejo y costoso.
La ventaja es que el vehículo se podría ir mucho más lejos del barco o la estación base, mientras que siga en contacto por radio enlace. Y la profundidad dependería de la longitud máxima del cable.
Este es un dibujo a mano alzada de la idea:
El posible inconveniente sería que si se desea tener comunicación con el vehículo, pero a su vez se requiere que este entre por algún lugar que no tenga visión directa con la superficie, habría que recoger la boya para evitar que el cable quedase enganchado en cualquier parte. El propio ROV podría recogerla hasta acoplarla con su propio cuerpo.
Juguetes que quizá se puedan aprovechar para obtener el radio enlace:
Submarino de juguete a 27Mhz (maxima profundidad para Radio Control, 1,2 m). --38,97$
Submarino de juguete a 49Mhz (maxima profundida para RAdio control < 1m)--32,37$
Submarino de juguete a ??Mhz (maxima profundidad para Radio control 1 m).--39,39$
Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias:
http://www.mityc.es/telecomunicaciones/Espectro/Paginas/CNAF.aspx
Según la tabla de atribución de frecuencias y las notas del articulo 5 del reglamento de radiocomunicaciones, la banda de 1830 a 1850 es para aficcionados en la región 1(en la que está incluida España). Luego es posible utilizarla como dice el artículo anterior, sin perjuicio para otras radiocomunicaciones. No he visto limites de potencia especificados...¿?
Antenas para la banda de 160metros
http://www.dxzone.com/catalog/Antennas/160M/
Modos de Transmisión
http://amateur-radio-wiki.net/index.php?title=Modes
Interfaz que modula FSK para conectar al PC por un lado (via USB) y a un transmisor/receptor por otro :
http://www.rigexpert.com/index?s=standard (precio 174Euros en astro radio : )
Software para PC para RTTY:
http://mmhamsoft.amateur-radio.ca/
Packet Radio Modem software utilizando la tarjeta de sonido del PC:
http://modem73.blogspot.com/2009/09/multiplatform-soundcard-packet-radio.html
Ideas en la red:
Creación de Circuito paso a paso para frecuencias desde 1Mhz. Modulación en Amplitud (A.M.) : http://www.techlib.com/electronics/amxmit.htm
Este articulo detalla la construcción de un circuito de modulación en amplitud sobre la frecuencia de 1 a 1,6 MHz. Parece muy sencillo de realizar, y podemos utilizarlo como prueba inicial.
Aunque sería mucho más interesante hacer una modulación QPSK. Voy a buscar algún artículo práctico también sobre esto.
Circuito modulador/demodulador de QPSK: http://polytelecom.com/authors/k/masood/item/1-qpsk-modulator/demodulator
EL circuito del ejemplo se puede fácilmente crear para generar una señal modulada en QPSK con frecuencias en torno a 2 Mhz. Tras esto solo haría falta un circuito paso banda y un amplificador para emitir por la antena. El demodulador funciona con un principio similar:
Mas construcciones caseras de circuitos para bandas de baja frecuencia:
http://www.qsl.net/va3iul/Homebrew_RF_Circuit_Design_Ideas/Homebrew_RF_Circuit_Design_Ideas.htm
http://www.zen22142.zen.co.uk/Circuits/rf/rf.html
Circuito interface para tarjeta de sonido y equipo RF con PTT: http://www.qsl.net/wm2u/interface.html
Este interface hardware, permite conectar el control del "Push To Talk" via RS-232. La tarjeta de sonido requiere un software para generar los tonos adecuado para la transmision elegida.
En este caso MFSK (Multi-Frecuency Shift Key): http://www.qsl.net/wm2u/mfsk.html
Modulaciones
MFSK : http://www.qsl.net/zl1bpu/MFSK/
Acerca de Antenas
Modelos de antena reducidos. Habrá que adaptarlos al tamaño requerido para el agua:
Modelo de espirales (lo tengo que leer bien): http://www.dxzone.com/cgi-bin/dir/jump2.cgi?ID=15616
Modelo cuadrado (fracción de longitud de onda, hay que estudiar la teoria): http://www.n6rk.com/loopantennas/NCJ_loop_antenna_N6RK.pdf (desde el sitio (http://www.n6rk.com/)
Teoría de construcción de antenas y propagación: http://www.ycars.org/EFRA/Module%20C/Module%20C%20Index.htm
Construcción de antenas: http://www.jcmascot.es/RADIOMASCOT/PAG%20ANTENAS.htm
Venta de material de Radio: http://www.packetradio.com/
Calculos previos, geometria y construcción de las antenas que se instalaran para 1,8 Mhz
En preparación....
Los calculos los insertaré en word open office
Aplicacion web para calculo de antenas magneticas tipo loop, pueden ser circulares, octogonales,etc.
http://www.66pacific.com/calculators/small_tx_loop_calc.aspx
Otros equipos comerciales
Equipos de transmision bajo el agua: http://www.link-quest.com/html/models1.htm