สร้างระบบสื่อสารไฟเบอร์ออปติก ที่มีความน่าเชื่อถือสูง สําหรับเครื่องบินไร้คนขับและเครื่องบินอุตสาหกรรม

วิธีแก้ปัญหา: ลิงค์ไฟเบอร์ TTL อิสระ + ลิงค์ไฟเบอร์อีเธอร์เน็ตกิกะบิต

สถาปัตยกรรมทั่วไปในโดรนอุตสาหกรรมและโดรนแบบมีสายใช้สองช่องทางการสื่อสารใยแก้วนำแสงอิสระ:

ช่อง 1 – TTL บนไฟเบอร์

ทุ่มเทให้กับคำสั่งที่สำคัญและข้อมูลการวัดและส่งข้อมูลทางไกล:

• คำสั่งควบคุมการบิน
• ข้อมูลตำแหน่ง GPS
• ข้อมูลทัศนคติของ IMU
• การตรวจสอบสุขภาพแบตเตอรี่และระบบ
• สัญญาณควบคุมเหตุฉุกเฉิน

การสื่อสารนี้มีการโต้ตอบสูง:

สถานีภาคพื้นดิน → UAV
คำสั่งควบคุมและการอัปเดตภารกิจ

UAV → สถานีภาคพื้นดิน
การตอบรับสถานะและการวัดผลทางไกลแบบเรียลไทม์

เนื่องจากความปลอดภัยของเที่ยวบินขึ้นอยู่กับการสื่อสารที่เสถียร ลิงก์ TTL จึงถูกแยกออกจากการรับส่งข้อมูลที่มีแบนด์วิธสูง

ช่อง 2 - Gigabit Ethernet บนไฟเบอร์

ออกแบบมาสำหรับการรับส่งข้อมูลขนาดใหญ่ ได้แก่ :

• สตรีมมิ่งวิดีโอ 1080P / 4K HD
• กล้องถ่ายภาพความร้อน
• ระบบประมวลผลการมองเห็น AI
• ข้อมูลคลาวด์พอยต์ LiDAR
• เซ็นเซอร์ที่ใช้ IP

แม้ว่าอีเธอร์เน็ตจะเป็นฟูลดูเพล็กซ์ในทางเทคนิค แต่แอปพลิเคชัน UAV ส่วนใหญ่มีรูปแบบการรับส่งข้อมูลที่ไม่สมมาตรสูง:

UAV → สถานีภาคพื้นดิน
สตรีมข้อมูลวิดีโอและเซ็นเซอร์จำนวนมาก

สถานีภาคพื้นดิน → UAV
เฉพาะแพ็กเก็ตการกำหนดค่าขนาดเล็กหรือการตอบรับเท่านั้น

โมดูลกิกะบิตไฟเบอร์อีเทอร์เน็ตให้แบนด์วิธเพียงพอสำหรับการส่งวิดีโอที่เข้ารหัส H.264 และ H.265 ทั่วไป

ทำไมไม่ใส่ TTL และ Ethernet ไว้ในไฟเบอร์เดียว?

แม้ว่าการแปลงโปรโตคอล เช่น UART เป็น IP จะเป็นไปได้ แต่ระบบ UAV ระดับมืออาชีพจำนวนมากยังคงต้องการลิงก์การสื่อสารที่เป็นอิสระ

เหตุผลได้แก่:

1. การแยกทางกายภาพช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือ

หากการรับส่งข้อมูลวิดีโอเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันหรือระบบอีเทอร์เน็ตขัดข้อง ช่องควบคุมการบินจะไม่ได้รับผลกระทบ

แม้ว่าลิงก์วิดีโอจะล้มเหลว:

• ผู้ควบคุมการบินยังคงออนไลน์อยู่
• การวัดและส่งข้อมูลทางไกลยังคงมีอยู่

คำสั่งกลับบ้านยังคงสามารถดำเนินการได้

สำหรับระบบ UAV ที่มีความสำคัญต่อภารกิจ ความน่าเชื่อถือมีความสำคัญมากกว่าการลดจำนวนสายเคเบิลเสมอ

2. ความเข้ากันได้ของโปรโตคอลดั้งเดิม

ส่วนประกอบ UAV จำนวนมากยังคงใช้การสื่อสารแบบอนุกรมดั้งเดิม:

• เครื่องควบคุมการบิน MAVLink
• โมดูล GPS
• เซ็นเซอร์ IMU
• ตัวควบคุมกิมบอล
• อุปกรณ์อุตสาหกรรมรุ่นเก่า

Direct UART/TTL บนไฟเบอร์มอบโซลูชันที่เรียบง่าย เวลาแฝงต่ำ และไม่ขึ้นอยู่กับซอฟต์แวร์

3. ความเสี่ยงในการพัฒนาที่ต่ำกว่า

การแปลงการสื่อสารแบบอนุกรมเป็นอีเธอร์เน็ตต้องใช้โปรเซสเซอร์เพิ่มเติม ชุดซอฟต์แวร์ และการจัดการเครือข่าย

สิ่งนี้จะแนะนำ:

• เวลาแฝงเพิ่มเติม
• ความซับซ้อนของซอฟต์แวร์
• การพึ่งพาระบบปฏิบัติการ
• จุดความล้มเหลวของระบบที่อาจเกิดขึ้น

สำหรับ UAV ทางอุตสาหกรรมและการป้องกัน ความเรียบง่ายมักจะหมายถึงความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้น

การเลือกสายไฟเบอร์สำหรับการใช้งาน UAV

ต่างจากสายแพทช์ไฟเบอร์มาตรฐาน การใช้งาน UAV ต้องการสายไฟเบอร์ออปติกเสริมที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ

ข้อกำหนดทั่วไปได้แก่:

• ไฟเบอร์โหมดเดี่ยว (G.657.A2)
• โครงสร้าง 2 คอร์หรือ 4 คอร์
• เส้นผ่านศูนย์กลางสาย 1.2 มม
• ความต้านทานแรงดึง 100 นิวตัน
• โครงสร้างเสริมเคฟล่าร์
• มีความยืดหยุ่นสูงสำหรับระบบขดลวด

ภายในสายเคเบิล:

• ใยแก้วนำแสงเพื่อการสื่อสาร
• เสริมความแข็งแรงด้วยเคฟล่าร์เพื่อป้องกันแรงดึง
• เสื้อแจ็คเก็ตตัวนอกยืดหยุ่นได้

การออกแบบนี้ช่วยให้สายเคเบิลทนทานต่อการดึง การสั่นสะเทือน และการหมุนอย่างต่อเนื่องระหว่างการทำงานของ UAV

สถาปัตยกรรมไฟเบอร์แบบสองคอร์ทั่วไป

สายเคเบิลไฟเบอร์โหมดเดี่ยวแบบสองคอร์เป็นหนึ่งในโซลูชันที่พบบ่อยที่สุด

แกนไฟเบอร์ 1:

• กิกะบิตอีเธอร์เน็ตผ่านไฟเบอร์
• โมดูลออปติคัล BiDi 1310/1550 นาโนเมตร
• วิดีโอ ข้อมูล AI และการสื่อสาร IP

แกนไฟเบอร์ 2:

• การสื่อสารแบบอนุกรม TTL บนไฟเบอร์
• โมดูลออปติคัล BiDi 1310/1550 นาโนเมตร
• การควบคุมการบิน การวัดและส่งข้อมูลทางไกล และข้อมูลเซ็นเซอร์

แกนไฟเบอร์แต่ละแกนทำงานเป็นช่องทางการสื่อสารฟูลดูเพล็กซ์อิสระ ทำให้มั่นใจได้ถึงการแยกส่วนอย่างสมบูรณ์ระหว่างการควบคุมและการส่งน้ำหนักบรรทุก

แนวโน้มในอนาคต: สู่เครือข่าย UAV แบบ All-IP

อุตสาหกรรม UAV กำลังค่อยๆ เคลื่อนไปสู่สถาปัตยกรรมที่ใช้อีเธอร์เน็ตแบบครบวงจร ซึ่งขับเคลื่อนโดย:

• TSN (เครือข่ายที่ละเอียดอ่อนด้านเวลา)
• รอส 2
• มิดเดิลแวร์ DDS
• แพลตฟอร์มคอมพิวเตอร์ AI
• เครือข่ายออนบอร์ด Gigabit

ระบบ UAV ในอนาคตอาจรวม:

• วีดีโอ
• การวัดและส่งข้อมูลทางไกล
• เซนเซอร์
• แคนบัส
• ข้อมูลการควบคุมการบิน

ให้เป็นเครือข่าย IP ที่กำหนดได้เพียงเครือข่ายเดียว

อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน แพลตฟอร์ม UAV เชิงอุตสาหกรรม การเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ต ป้องกันการรบกวน และการป้องกันจำนวนมาก ยังคงใช้สถาปัตยกรรมแบบสองช่องทาง:

TTL บนไฟเบอร์ + อีเธอร์เน็ตบนไฟเบอร์

เพราะมันให้ความน่าเชื่อถือในระดับสูงสุด

โซลูชั่นโอลิคอม

OLYCOM นำเสนอโมดูลการสื่อสารใยแก้วนำแสงขนาดกะทัดรัดเหมาะสำหรับการรวม UAV:

รุ่น 1: OM610-1V1TWR

รุ่น 2: การ์ด TA510-GE-X

• โมดูลไฟเบอร์ออปติก TTL
• การส่งสัญญาณ UART/TTL แบบโปร่งใส
• การสื่อสารเวลาแฝงต่ำ
• เหมาะสำหรับอุปกรณ์ควบคุมการบิน เซ็นเซอร์ และระบบโทรมาตร
• โมดูลไฟเบอร์ Gigabit Ethernet
• การส่งข้อมูลอีเธอร์เน็ต 10/100/1000 Mbps
• รองรับการสตรีมวิดีโอความละเอียดสูง H.264/H.265
• เหมาะสำหรับกล้อง IP, คอมพิวเตอร์ AI และเพย์โหลดเครือข่าย

ทั้งสองโมดูลสามารถใช้งานได้แยกกันหรือรวมกันในสถาปัตยกรรมการสื่อสาร UAV แบบสองช่องสัญญาณ

บทสรุป

เนื่องจากการใช้งาน UAV ยังคงขยายจากโดรนผู้บริโภคไปสู่ตลาดการตรวจสอบทางอุตสาหกรรม การรักษาความปลอดภัย และการป้องกัน การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงจึงกลายเป็นเทคโนโลยีสำคัญในการบรรลุการส่งข้อมูลระยะไกล ป้องกันการรบกวน และความน่าเชื่อถือสูง

การรวมกันของ TTL บนไฟเบอร์สำหรับการควบคุมภารกิจที่สำคัญและ Gigabit Ethernet บนไฟเบอร์สำหรับเพย์โหลดที่มีแบนด์วิธสูงยังคงเป็นสถาปัตยกรรมที่สมบูรณ์และนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับระบบ UAV ระดับมืออาชีพ