Ulrich Berold


Entwurf und Implementierung digitaler Funkfernsteuersysteme: Untersuchungen am Anwendungsbeispiel eines modernen Fernsteuersystems für Modellflugzeuge

Band 18, Erlanger Berichte aus Informations- und Kommunikationstechnik, Herausgeber: A. Kaup, W. Koch, J. Huber. Shaker Verlag, Aachen, 2007.

Zusammenfassung

Das Feld der drahtlosen Fernsteuersysteme umfaßt ein großes Gebiet möglicher Anwendungen, das sich von Türöffnern z.B. im Automobilsektor bis hin zu den Steuerungssystemen für Kräne oder Rangierlokomotiven erstreckt. Jedes Anwendungsgebiet stellt andere Anforderungen an die Reaktionszeit, Präzision und Zuverlässigkeit des verwendeten Funksystems. Gemeinsam ist allen diesen Systemen, daß es sich um reine Steuerungssysteme, nicht jedoch um Regelungssysteme handelt. Auf den ersten Blick erscheint häufig die Funktion einer Regelung realisiert zu sein, z.B. bei der Lageregelung der Last einer Krananlage, aber dieser Regelkreis wird durch den Benutzer geschlossen, nicht durch das Fernsteuersystem, weshalb die Notwendigkeit der Rückübertragung von Istwerten zunächst nicht gegeben ist.

Hierdurch soll jedoch nicht ausgeschlossen werden, daß dennoch Statusinformationen an den Bediener übermittelt werden, die eine bessere Einschätzung der Situation erlauben. Die Hauptaufgabe eines Fernsteuersystems besteht aber in der Übermittlung der Steuerbefehle des Bedieners, die "schnell", "zuverlässig" und "präzise" erfolgen soll.

Ein sehr einfach zugängliches Anwendungsfeld stellt der Modellbau dar. Da sich dort die wesentlichen Aspekte eines drahtlosen Fernsteuersystems untersuchen lassen und die Erkenntnisse leicht auch auf andere Anwendungen übertragen werden können, beschränken sich die Betrachtungen in dieser Arbeit auf Modellfernsteuersysteme.

Aus dem Bereich des Modellbaus wird insbesondere der Flugmodellbau betrachtet, da hier die höchsten Anforderungen an die Steuerung gestellt werden. Zwar sind z.B. auch bei Fahrzeugmodellen schnelle Reaktionen erforderlich, jedoch ist die Anzahl der benötigten, schnell agierenden Steuerfunktionen dort kleiner. Der Entwurf eines Fernsteuersystems anhand der aus dem Modellflug abgeleiteten Kriterien stellt für die anderen Sparten des Modellbaus keine Einschränkung dar; die direkte Anwendbarkeit ist also gewährleistet.

In dieser Arbeit werden die Anforderungen analysiert, die an ein Fernsteuersystem gestellt werden und unter Beachtung aller Rahmenbedingungen ein solches System entworfen, wobei viele der dabei auftretenden Fragestellungen im Detail analysiert werden.

In den meisten Funkfernsteuersystemen, die heute für diese Anwendung verkauft und eingesetzt werden, erfolgt die Übertragung der Steuerfunktionen auf analoger Basis, auch wenn inzwischen vielfach in den Sendeeinheiten bereits Mikrocontroller verwendet werden. Für den effizienten Einsatz digitaler Übertragungsverfahren sind geeignete Quellencodierverfahren erforderlich, die einen wesentlichen Ansatzpunkt dieser Arbeit darstellen. Es erfolgt der Entwurf und die Analyse eines geeigneten Quellencodierverfahrens, das sich insbesondere dadurch auszeichnet, daß praktisch keine Verzögerung der Steuersignale erfolgt. Die Verwendung der Kombination aus einer differentiellen Pulscodemodulation mit Rückwärtsprädiktion, einer logarithmisch abgestuften Quantisierungskennlinie und Codewörtern variabler Länge erlaubt ein hohes Kompressionsverhältnis gegenüber den von den Steuerhebeln gelieferten Rohdaten. Zur Beurteilung der Qualität der Quellencodierung wird ein geeignet definiertes Fehlermaß unter Berücksichtigung der Trägheit der gesteuerten Mechanik verwendet. Es zeigt sich, daß trotz einer sehr niedrigen Datenrate eine präzise Steuerung realisiert werden kann.

Ein weiteres Problem der aktuellen Fernsteueranlagen besteht darin, daß die Steuerinformation für jedes Stellelement separat übertragen wird. Sollen z.B. 8 Servos angesteuert werden, so ist bisher die Übertragung von 8 Steuerfunktionen notwendig, auch wenn diese eigentlich aus 4 Steuerelementen an der Sendeeinheit berechnet werden. Für dieses sogenannte Mischen von Steuerfunktionen wird daher hier der Ansatz verfolgt, nur die vom Bediener erzeugte Steuerinformation an die Einheit im Modell zu übermitteln, woraus dort die einzelnen Steuersignale für eine beliebige Anzahl an Servos und andere Stellglieder erzeugt werden. Daß die dazu notwendigen Parameter zusätzlich übertragen werden müssen, hat kaum Einfluß auf die notwendige Datenrate des Systems, da diese nur selten verändert werden.

Als Erweiterung gegenüber bestehenden Systemen wird ein Rückkanal vom Modell zur Bedieneinheit im gleichen Frequenzband vorgesehen. Hierdurch wird die Möglichkeit eröffnet, eine Leistungsregelung und automatische Frequenzwechsel zu implementieren, die Probleme durch Gleichkanalstörungen reduzieren helfen.

In dem üblicherweise für Flugmodelle verwendeten Frequenzbereich bei 35 MHz ist es aufgrund der gesetzlichen Bestimmungen zur Zeit allerdings nicht zulässig, daß vom Modell Signale abstrahlt werden. Um die durch den Rückkanal entstehenden positiven Effekte aufzuzeigen, wird diese Beschränkung beim Entwurf des Systems jedoch nicht beachtet, zumal es sich hier nur um eine Studie und nicht die Entwicklung eines marktreifen Produktes handelt. Zur Einhaltung dieser Beschränkung verbleibt der Ausweg, einen anderen Frequenzbereich für den Rückkanal einzusetzen oder ganz darauf zu verzichten.

Es wurde auch ein Protokoll und das zugehörige Datenformat zur effizienten Darstellung der Steuerinformationen entworfen, wobei der im gleichen Kanal arbeitende Rückkanal sowie die Interaktion zwischen den beiden Teilen des Fernsteuersystems berücksichtigt wurden.

Ein Ziel der Arbeit ist es, ein System mit einer hohen Störfestigkeit zu entwerfen, da Störungen durch mehrfache Verwendung des gleichen Frequenzkanals nicht prinzipiell ausgeschlossen werden können. Es werden daher geeignete Datenübertragungsverfahren mit niederratiger Kanalcodierung und störresistente Synchronisationsverfahren untersucht und geeignete Parameter für deren Verwendung im Fernsteuersystem bestimmt. Hierdurch ist eine Datenübertragung auch noch bei Vorhandensein von Störungen bzw. eines anderen Senders im Nutzkanal möglich.

Neben diesem detaillierten Systementwurf mit den zugehörigen, eher theoretischen Untersuchungen, die nach einer kurzen Vorstellung des grundsätzlichen Systemkonzeptes den umfangreichsten Teil der Arbeit darstellen, wird für die wesentlichen Teile die Realisierbarkeit in Form eines Demonstrators gezeigt, dessen Beschreibung einen weiteren Teil der Arbeit bildet. Hierfür wurde ein modernes Konzept aus HF-Frontend, Digitalisierung des ZF-Signals und Verarbeitung mittels FPGA und DSP sowie einer Steuerung durch Mikrocontroller gewählt, das häufig auch als "Software Defined Radio" bezeichnet wird. Es konnte gezeigt werden, daß eine Implementierung mit vertretbarem Aufwand möglich ist. Dabei ist jedoch zu beachten, daß die Entwicklung eines marktreifen Systems nicht vorgesehen war; der Demonstrator dient eher als Experimentalplattform der zukünftigen Weiterentwicklung des Systems.