Xây dựng hệ thống liên lạc sợi quang có độ tin cậy cao cho các UAV công nghiệp và có dây nối

Giải pháp: Liên kết sợi TTL độc lập + Liên kết sợi Gigabit Ethernet

Một kiến trúc phổ biến trong máy bay không người lái công nghiệp và máy bay không người lái gắn kết sử dụng hai kênh truyền thông sợi quang độc lập:

Kênh 1 TTL qua Fiber

Được dành riêng cho các dữ liệu chỉ huy và đo từ xa quan trọng:

• Các lệnh điều khiển chuyến bay
• Thông tin vị trí GPS
• Dữ liệu thái độ của IMU
• Giám sát tình trạng pin và hệ thống
• Các tín hiệu điều khiển khẩn cấp

Thông tin liên lạc này rất tương tác:

Trạm mặt đất → UAV
Các lệnh điều khiển và cập nhật nhiệm vụ

UAV → Trạm mặt đất
Điện đo thời gian thực và phản hồi trạng thái

Bởi vì an toàn bay phụ thuộc vào giao tiếp ổn định, liên kết TTL được cách ly vật lý khỏi lưu lượng băng thông cao.

Kênh 2 Gigabit Ethernet qua Sợi

Được thiết kế để truyền dữ liệu lớn, bao gồm:

• Truyền tải video HD 1080P / 4K
• Máy ảnh nhiệt
• Hệ thống xử lý thị giác AI
• Dữ liệu đám mây điểm LiDAR
• Cảm biến dựa trên IP

Mặc dù Ethernet về mặt kỹ thuật là full-duplex, hầu hết các ứng dụng UAV có một mô hình giao thông không đối xứng cao:

UAV → Trạm mặt đất
Dòng dữ liệu video và cảm biến lớn

Trạm mặt đất → UAV
Chỉ các gói cấu hình nhỏ hoặc xác nhận

Một mô-đun Ethernet sợi Gigabit cung cấp băng thông đủ cho truyền hình mã hóa H.264 và H.265 thông thường.

Tại sao không đặt TTL và Ethernet trên một sợi?

Trong khi chuyển đổi giao thức như UART sang IP là có thể, nhiều hệ thống UAV chuyên nghiệp vẫn thích các liên kết truyền thông độc lập.

Các lý do bao gồm:

1Phân biệt vật lý cải thiện độ tin cậy

Nếu lưu lượng video tăng đột ngột hoặc hệ thống Ethernet gặp sự cố, kênh điều khiển chuyến bay vẫn không bị ảnh hưởng.

Ngay cả khi video kết nối thất bại:

• Máy điều khiển vẫn hoạt động.
• Máy đo từ xa vẫn có sẵn.

Các lệnh về nhà vẫn có thể được thực hiện.

Đối với các hệ thống UAV quan trọng, độ tin cậy luôn có ưu tiên cao hơn là giảm số lượng cáp.

2. Khả năng tương thích giao thức gốc

Nhiều thành phần UAV vẫn dựa trên giao tiếp hàng loạt bản địa:

• Máy điều khiển chuyến bay MAVLink
• Các mô-đun GPS
• Cảm biến IMU
• Máy điều khiển gimbal
• Thiết bị công nghiệp cũ

UART / TTL trực tiếp qua sợi cung cấp một giải pháp đơn giản, độ trễ thấp và độc lập với phần mềm.

3Rủi ro phát triển thấp hơn

Chuyển đổi truyền thông hàng loạt thành Ethernet đòi hỏi thêm bộ vi xử lý, bộ đống phần mềm và quản lý mạng.

Điều này giới thiệu:

• Thời gian trễ bổ sung
• Sự phức tạp của phần mềm
• Tùy thuộc hệ điều hành
• Các điểm thất bại hệ thống tiềm năng

Đối với UAV công nghiệp và quốc phòng, sự đơn giản thường có nghĩa là độ tin cậy cao hơn.

Lựa chọn cáp sợi cho các ứng dụng UAV

Không giống như các dây cáp dán sợi tiêu chuẩn, các ứng dụng UAV yêu cầu các cáp quang sợi được tăng cường đặc biệt.

Các thông số kỹ thuật điển hình bao gồm:

• Sợi một chế độ (G.657.A2)
• Cấu trúc 2 lõi hoặc 4 lõi
• 1đường kính cáp 0,2 mm
• Độ bền kéo 100 N
• Cấu trúc tăng cường Kevlar
• Độ linh hoạt cao cho các hệ thống cuộn dây

Bên trong cáp:

• Sợi quang cho truyền thông
• Thành phần độ bền Kevlar để bảo vệ chống kéo
• áo khoác bên ngoài linh hoạt

Thiết kế này cho phép cáp chịu được kéo liên tục, rung động và xoay trong khi hoạt động UAV.

Kiến trúc sợi hai lõi điển hình

Một cáp sợi hai lõi một chế độ là một trong những giải pháp phổ biến nhất.

Hạt nhân 1:

• Gigabit Ethernet qua sợi
• Các mô-đun quang BiDi 1310/1550 nm
• Video, dữ liệu AI và truyền thông IP

Hạt nhân 2:

• Truyền thông hàng loạt TTL qua sợi
• Các mô-đun quang BiDi 1310/1550 nm
• Điều khiển chuyến bay, số liệu từ xa và dữ liệu cảm biến

Mỗi lõi sợi hoạt động như một kênh liên lạc hoàn toàn song song độc lập, đảm bảo sự cô lập hoàn toàn giữa điều khiển và truyền tải hữu ích.

Xu hướng trong tương lai: hướng tới các mạng UAV All-IP

Ngành công nghiệp UAV đang dần dần chuyển sang kiến trúc dựa trên Ethernet thống nhất do:

• TSN (Time Sensitive Networking)
• ROS 2
• DDS middleware
• Nền tảng máy tính AI
• Mạng trên máy bay Gigabit

Các hệ thống UAV trong tương lai có thể tích hợp:

• Video
• Telemetry
• Cảm biến
• Xe buýt CAN
• Dữ liệu điều khiển chuyến bay

vào một mạng IP xác định duy nhất.

Tuy nhiên, ngày nay nhiều nền tảng UAV công nghiệp, gắn kết, chống nhiễu và phòng thủ vẫn dựa vào kiến trúc hai kênh:

TTL qua Sợi + Ethernet qua Sợi

bởi vì nó cung cấp mức độ đáng tin cậy cao nhất.

Giải pháp OLYCOM

OLYCOM cung cấp các mô-đun truyền thông sợi quang nhỏ gọn phù hợp với tích hợp UAV:

Mô hình 1: OM610-1V1TWR

Mô hình 2: Thẻ TA510-GE-X

• Mô-đun quang TTL
• Truyền thông UART/TTL minh bạch
• Truyền thông chậm
• Lý tưởng cho các bộ điều khiển chuyến bay, cảm biến và hệ thống đo từ xa
• Mô-đun Cáp Gigabit Ethernet
• 10/100/1000 Mbps truyền Ethernet
• Hỗ trợ các luồng video độ nét cao H.264/H.265
• Thích hợp cho máy ảnh IP, máy tính AI và tải trọng mạng

Cả hai mô-đun đều có thể được sử dụng riêng lẻ hoặc kết hợp trong kiến trúc truyền thông UAV hai kênh.

Kết luận

Khi các ứng dụng UAV tiếp tục mở rộng từ máy bay không người lái tiêu dùng vào thị trường kiểm tra công nghiệp, an ninh và quốc phòng,truyền thông sợi quang đang trở thành một công nghệ quan trọng để đạt được đường dài, chống nhiễu và truyền tải đáng tin cậy cao.

Sự kết hợp của TTL qua Sợi cho điều khiển nhiệm vụ quan trọng và Gigabit Ethernet qua Sợi cho tải trọng băng thông cao vẫn là một kiến trúc trưởng thành và được áp dụng rộng rãi cho các hệ thống UAV chuyên nghiệp.