Development of an Unmanned Ground Vehicle (UGV) user interface

Department of Science and Technology

Institutionen för teknik och naturvetenskap

Linköping University

Linköpings universitet

g

n

i

p

ö

k

r

r

o

N

4

7

1

0

6

n

e

d

e

w

S

,

g

n

i

p

ö

k

r

r

o

N

4

7

1

0

6

-E

S

LiU-ITN-TEK-G--11/009--SE

Funktionsutveckling av ett UGV

operatörsgränssnitt

Daniel Berglund

2011-04-29

LiU-ITN-TEK-G--11/009--SE

Funktionsutveckling av ett UGV

operatörsgränssnitt

Examensarbete utfört i Datorteknik

vid Tekniska högskolan vid

Linköpings universitet

Daniel Berglund

Examinator Ole Pedersen

Norrköping 2011-04-29

Upphovsrätt

Detta dokument hålls tillgängligt på Internet – eller dess framtida ersättare –

under en längre tid från publiceringsdatum under förutsättning att inga

extra-ordinära omständigheter uppstår.

Tillgång till dokumentet innebär tillstånd för var och en att läsa, ladda ner,

skriva ut enstaka kopior för enskilt bruk och att använda det oförändrat för

ickekommersiell forskning och för undervisning. Överföring av upphovsrätten

vid en senare tidpunkt kan inte upphäva detta tillstånd. All annan användning av

dokumentet kräver upphovsmannens medgivande. För att garantera äktheten,

säkerheten och tillgängligheten finns det lösningar av teknisk och administrativ

art.

Upphovsmannens ideella rätt innefattar rätt att bli nämnd som upphovsman i

den omfattning som god sed kräver vid användning av dokumentet på ovan

beskrivna sätt samt skydd mot att dokumentet ändras eller presenteras i sådan

form eller i sådant sammanhang som är kränkande för upphovsmannens litterära

eller konstnärliga anseende eller egenart.

För ytterligare information om Linköping University Electronic Press se

förlagets hemsida

http://www.ep.liu.se/

Copyright

The publishers will keep this document online on the Internet - or its possible

replacement - for a considerable time from the date of publication barring

exceptional circumstances.

The online availability of the document implies a permanent permission for

anyone to read, to download, to print out single copies for your own use and to

use it unchanged for any non-commercial research and educational purpose.

Subsequent transfers of copyright cannot revoke this permission. All other uses

of the document are conditional on the consent of the copyright owner. The

publisher has taken technical and administrative measures to assure authenticity,

security and accessibility.

According to intellectual property law the author has the right to be

mentioned when his/her work is accessed as described above and to be protected

against infringement.

For additional information about the Linköping University Electronic Press

and its procedures for publication and for assurance of document integrity,

please refer to its WWW home page:

http://www.ep.liu.se/

Abstract

The purpose of this thesis is to develop the user interface for a UGV (Unmanned Ground Vehicle) intended for mobile reconnaissance in urban areas. The oper-ator interface consists of both soft- and hardware. As a part, a graphical user interface has been developed with emphasis on usability including functionality for positioning with geographical presentation as well as sensor presentation. In addition to a display unit for sensor interaction and manoeuvring of the vehicle, the user interface includes a transceiver unit that handles the operator and vehicle intercommunication. Two sets of the system were delivered to the Swedish armed forces to be used in trials.

Sammanfattning

Examensarbetet syftar till att konstruera operatörsgränssnittet till en UGV (eng Unmanned Ground Vehicle) för mobil rekognosering i tätbebyggt område. Ope-ratörsgränssnittet består av både mjuk- och hårdvara. Till opeOpe-ratörsgränssnittet har ett grafiskt användargränssnitt utvecklats där tonvikten legat på användbarhet med funktionalitet för positionering med geografisk presentation och sensorpresen-tation. Förutom en presentationsenhet för sensorinteraktion och manövrering av farkost ingår en sändtagarenhet för kommunikation mellan operatör och farkost. Två uppsättningar av systemet levererades till försvarsmakten för användning vid metodförsöksstudier.

Förord

Ett stort tack till Henrik Bergström som stod för utveckling av farkosten i sitt examensarbete i vårt gemensamma projekt. Jag vill även tacka Kjell Eriksson i mekanikverkstaden samt Klas-Göran Liljebäck på inköp vilka var till stor hjälp vid realiseringen i projektet.

Sist men inte minst vill jag tacka handledarna Lars Hedlin och Runo Tirholm.

Innehåll

1 Inledning 1 1.1 Bakgrund . . . 2 1.2 Syfte . . . 2 1.3 Avgränsningar . . . 3 1.4 Mål . . . 3 2 Förstudie 5 2.1 UGV-system använda av markstridsskolan . . . 6

2.1.1 SNOKEN . . . 6

2.1.2 SPION . . . 6

2.2 Kravbild och önskemål . . . 8

2.3 Teknikstudie . . . 9 2.3.1 Plattformar . . . 9 2.3.2 Hårdvara . . . 9 2.3.3 Mjukvara . . . 10 3 Utveckling 11 3.1 Hårdvara . . . 11 3.1.1 Presentationsenhet . . . 13 3.1.2 Sändtagare . . . 14 3.2 Firmware . . . 17 3.3 Mjukvara . . . 17 3.3.1 Kommunikation . . . 17 3.3.2 Videohantering . . . 18 3.3.3 Kartbildsgenerering . . . 18 3.3.4 Grafiskt användargränssnitt . . . 20 4 Resultat 25 Litteraturförteckning 27

Bilaga 1 Sammanställning av kravspecifikation 29

Figurer

1.1 Upprättande av operatörsenhet. . . 1 2.1 UGV-systemet SNOKEN . . . 6 2.2 Farkosten SPION . . . 7 3.1 Översikt opertörshårdvara . . . 12 3.2 Tablet-PC . . . 13 3.3 Videoadapter . . . 13

3.4 Datorfäste med joysticklåda . . . 13

3.5 Sändtagare . . . 14 3.6 Kontrollogikkort . . . 15 3.7 GPS-mottagare . . . 15 3.8 Radiomodem . . . 16 3.9 Videomottagre . . . 16 3.10 Funktion kartmotor. . . 19 3.11 Transversal Mercator . . . 20

3.12 Grafiskt gränssnitt förflyttning . . . 21

3.13 Grafiskt gränssnitt spaning . . . 22

3.14 Grafiskt gränssnitt kartläge . . . 23

3.15 Grafiskt gränssnitt batteristatus . . . 24

4.1 Operatörsutrustning . . . 25

Kapitel 1

Inledning

Denna rapport är resultat av ett examensarbete utfört på AerotechTelub/SAAB1

i syfte att utveckla ett operatörsgränssnitt för ett markgående spaningssystem. Arbetet utfördes på avdelningen för spaningssystem under perioden 16:e mars 2004 till 27:e maj 2005.

Figur 1.1. Upprättande av operatörsenhet.

1_{Januari 2006 införlivas dotterbolaget AerotechTelub till affärsenheten Aerotech i SAAB AB}

2 Inledning

1.1

Bakgrund

Avdelningen för spaningssystem arbetar i huvudsak med stöd och underhåll av optisk spaningmateriel. Avdelningen har en särskild sektion som enbart arbetar med obemannade farkoster. Ugglan och Falken är två av de farkostsystem där sektionen arbetar med hela systemet inte enbart sensorerna. Nämnda system är luftburna, sektionen har dock som ambition att utvidga verksamheten till mark-segmentet. Teknikutvecklingen i marksegmentet har legat något efter den i luft-segmentet. För att ha beredskap för verksamhet i marksegmentet bedriver därför sektionen bland annat utvecklingsarbete inom området i form av examensarbete. Markgående obemannade farkoster benämns oftast som UGV2. UGV:er kan ha flera olika användningsområden. Vanligt förekommande områden är bomb-desarmering/destruering även kallad EOD3_{och inspektion. Bombrobotar används}

bland annat av polis, militär och brandkår för att neutralisera potentiella hot så som sprängladdningar, blindgångare och tryckbehållare vid bränder. Inspektions-robotar används främst för inspektion av rör och ventilationssystem. Det finns ytterligare områden, ett av dessa är mobil rekognosering som denna rapport in-riktar sig på. Gemensamt för samtliga områden är att farkosten löser en uppgift där det ej är möjligt eller där hotbilden är för hög för att ha mänsklig närvaro.

Markstridsskolan är en enhet i försvarsmakten som bedriver utbildning och ut-veckling inom området markstrid. Utut-veckling genomförs på materiel-, system- och metodnivå. Ett av områdena där metodförsök bedrivits är “strid i bebyggelse“. I metodförsöken har ett flertal olika tekniska hjälpmedel undersökts där ibland UGV-system. De UGV-system som undersökt har utvecklats och beställts i olika samarbetsformer mellan markstridsskolan, KTH4_{, Linköpings universitet och SAAB.}

För att slutföra metodförsöken var markstridsskolan i behov av ett unikt anpassat UGV-system. Denna rapport beskriver utvecklingen av operatörsgränssnittet för det kravställda systemet.

Operatörsgränssnitt för detta examensarbete är definierat som den mjukvara och hårdvara som ingår i operatörsutrustningen5_.

1.2

Syfte

Markstridsskolan har behov av ett unikt anpassat UGV-system för att kunna utföra metodstudier. UGV-systemet skall användas i metodstudier under rådande förhållanden då mekaniserad bataljon framrycker i tätbebyggt område.

2_{UGV - Unmanned Ground Vehicle} 3_{EOD - Explosive Ordnance Disposal} 4_{KTH - Kungliga Tekniska Högskolan}

1.3 Avgränsningar 3

1.3

Avgränsningar

Utvecklingen av UGV-systemet har skett genom två parallella examensarbeten. Denna rapport syftar inte till att beskriva utvecklingen av farkosten i UGV-systemet.

1.4

Mål

Att utveckla operatörsgränssnitt och leverera hårdvara i två exemplar som upp-fyller markstridsskolans kravspecifikation för UGV-system för metodförsöksanvänd-ning.

Kapitel 2

Förstudie

Inledningsvis så var projektet definierat att omfatta vidareutveckling av befintligt UGV-system med momenten:

• Integration av ny sensor.

• Utveckling av operatörsgränssnitt. • MMI-utveckling.

• Utveckling av farkostkontroll. • Utveckling av sensorpresentation.

• Utveckling av omvärldspresentation (kartdata, navigering mm). • Specificering av autonoma funktioner.

• Implementering av autonoma funktioner i farkostens datorsystem.

Efter att markstridsskolan presenterat den slutgiltiga kravbilden och redogjort att de var i behov av två exemplar av UGV-systemet så byttes inriktningen till ny-produktion då det bedömdes att befintligt system ej skulle kunna möta kravbilden. Detta medförde att förstudien fick styras om från att vara av teoretisk karaktär till att bli en systemteknisk undersökning.

Förstudien utfördes initialt på en vecka för att ligga i fas med den något opti-mistiska tidsplanen att UGV-systemet skulle vara leveransklart efter 10 veckor. I ett senare skede fick en mer iterativ metodik användas då det visade sig att vissa systemtekniska lösningar blev tvungna att omarbetas.

Studien har i huvudsak omfattat undersökning av systemkomponenter där krav, önskemål och erfarenheter från av markstridsskolan tidigare använda system varit vägledande.

6 Förstudie

2.1

UGV-system använda av markstridsskolan

2.1.1

SNOKEN

Figur 2.1. UGV-systemet SNOKEN

SNOKEN1 _{utvecklades av två maskinteknikstudenter vid KTH år 2003 [3].}

Systemet utvecklades för att kunna inleda metodförsök med mindre UGV-platt-formar vid markstridsskolan. Farkostens sensorer är färdkamera och spanings-kamera. Systemet styrs av en förare och en spaningsoperatör. Operatörsgräns-snittet består av LCD2_{monitor för spaning, joystick för kamerakontroll,}

kamera-zoomknapp, LCD monitor för färdkamera samt joystick för farkoststyrning. Kom-munikationen mellan farkost och operatörsgränssnitt sker genom en 100 m lång kabelförbindelse.

Vid metodförsök samt denna förstudie så har ett antal styrkor och svagheter identifierats i SNOKEN-systemet. De främsta styrkorna är låg systemkomplexitet, tillförlitlig transmissionsförbindelse samt funktionalitet i implementerade system-funktioner. De främsta svagheterna är begränsad förflyttningsförmåga samt ofull-ständiga och ömtåliga mekaniska gränsytor mot sensorer och operatörsutrustning.

2.1.2

SPION

SPION3utvecklades av en datateknikstudent vid Linköpings tekniska högskola år 2003 till 2004[1]. UGV systemet är en vidareutveckling av SNOKEN systemet med bland annat trådlös kommunikationsförbindelse mellan farkost och operatör samt

1_{SNOKEN - Spaning/NärObservation KompaniENhet} 2_{LCD - Liquid Crystal Display}

2.1 UGV-system använda av markstridsskolan 7

Figur 2.2. Farkosten SPION

en mer robust utformning. SPION-systemet styrs med hjälp av en Tablet-PC med pennkontrollerad pekskärm. Tablet-PC:n har ett grafiskt gränssnitt där videobild från spaningskamera, riktning och elevation av spaningskamera, videobild från en körkamera, signalstyrka i WLAN4 _{kommunikationsförbindelse samt kartbild}

pre-senteras. Farkostens sensorer är spaningskamera, körkameror och GPS5_-mottagare.

Linux PC plattform används i operatörskontrollen och farkoststyrdatorn.

SPION-systemet är betydligt mer genomarbetat än SNOKEN-systemet. Mjuk-vara samt farkostplattform är modulärt uppbyggda vilket medför en god möjlighet till vidareutveckling. Dock hade farkosten följande tillkortakommanden:

• Stor tidsfördröjning i videoöverföring.

• Krångligt gränssnitt för styrning av farkosten.

• Svårt att se video i Tablet-PC-skärm under förhållanden med infallande

sol-ljus.

• Begränsad förmåga att använda systemet vid skymd sikt till farkost. • Avsaknad av fungerade indikator för batterinivåer.

• Avsaknad av positioneringstransformation för RT906 _kartdata.

• Ej fungerande GPS-mottagare. • Oprecis kamerastyrning.

4_{WLAN - Wireless Local Area Network}

5_{GPS - Global Positioning System, satellitbaserat positioneringsystem}

8 Förstudie

2.2

Kravbild och önskemål

I projektets början tillhandhöll markstridsskolan en omfattande kravspecifikation för hela UGV-systemet. Under projektets gång sammanställdes kravspecifikationen till en kondenserad teknisk version som kan återfinnas i Bilaga 1.

Stor vikt har lagts vid de taktiska kraven samt de krav som återkopplade till brister i de tidigare två UGV-systemen.

I förstudien inkluderades även observation på plats då markstridsskolan genom-förde övning på Tornby industriområde i Linköping. Vid övningstillfället övades strid i bebyggelse med mekaniserat skyttekompani och metodförsök med UGV-systemet SPION genomfördes.

Från operatörer samt egna observationer konstaterades följande för systemet:

• Svårt att styra systemet med hjälp av penna och pekskärm. • Skärmen var svåranvänd i dagsljus.

• Systemet är svårt att bära på grund av sin vikt och utformning. • Systemet skulle behöva göras ännu mer robust.

• Drifttid på 1 timma är för kort tid. • Uppstartstid på systemet är för lång.

• Spaningskameran var mycket svårhanterad vid full inzoomning. • Avstängningsfunktionen var svårhanterad.

• Räckvidden på systemet är mycket kort.

Följande förslag på önskad funktionalitet gavs av markstridsskolans personal:

• Styrspak att styra farkosten med.

• Funktion för att centrera kameran kring position utpekad i bild. • Möjlighet att spara intressant spaningsdata.

• Möjlighet att kunna beordra farkosten till att åka till korsning och utföra

spaning.

• Möjlighet att visa spaningskamerans orientering i kartbild. • Möjlighet att använda RT90-rektifierade ortofoton som kartbild.

2.3 Teknikstudie 9

2.3

Teknikstudie

2.3.1

Plattformar

Förutom SNOKEN och SPION har ett stort antal kommersiella system utvärderats. Arbetet har utförts med hjälp av examensarbetet UGV-studier [4] som är en bred teknik- och marknadsstudie på UGV-området. Marknadsstudien har främst nyttjas för att ge uppslag för olika teknikrealisationer samt som prestandareferens, då egenskaperna för UGV-systemet som utvecklats i detta examensarbete kan ses som relativt unika.

2.3.2

Hårdvara

Ett omfattande arbete lades ned på att finna möjliga systemkomponenter som passade systemets önskade egenskaper. Budgeten var liten i förhållande till kravbil-den vilket medförde en utmaning i att finna komponenter som skulle vara möjliga att anpassa till temperatur, vibration och kappslingskrav. I ett tidigt skede kon-staterades att det ej skulle vara möjligt att välja systemkomponenter så att al-la komponenter uppfyllde samtliga krav och samtidigt hålal-la sig inom den eko-nomiska budgeten. För att uppfylla hela kravbilden så förutsattes då ett koncept där komponenter med avvikande kravbild kapslas in med ett yttre “skal“.

Då flera önskade funktioner i systemet krävde någon form av PC-plattform för att kunna realiseras så undersöktes ett antal olika PC-spår. Med erfarenheterna från SNOKEN- och SPION-systemen så valdes efter en tid alternativet att ha en PC-plattform på farkosten bort. Detta på grund av den begränsade möjlig-heten till energiförsörjning samt den rådande yttre miljön vid farkosten. I stället så inriktades undersökningen på utbudet av Tablet-PC. Ett tiotal ruggade datorer undersöktes från olika tillverkare så som HP, Panasonic, Xploretech, BSI, Itronix, DRS och JLT. Det visade sig att gemensamt för samtliga datorer förutom JLT:s FTPC7 _{var att de låg helt utanför budgeten. Till följd av detta utfördes en kort}

studie på LCD TV-skärmar med överlagrad text som komplement.

För att ge operatören en bra lägesbild så antogs att både operatör och farkost bör kunna positionsbestämmas. Efter en kort undersökning så konstaterades att GPS var den sensor som var mest kostnadseffektiv för ändamålet. Vid tillfället för undersökningen så var det uteslutande Sirf II baserade modulmottagare som fanns lättillgängliga på marknaden, varpå moduler i Elfas sortiment ansågs vara lämpliga då det fanns en väl fungerande inköpsrutin mot Elfa.

Studier av bildsensor och länkutrustning genomfördes gemensamt inom examens-arbetet för utveckling av operatörsgränssnitt och farkost. Detta då det var av stor vikt och få en robust och användarvänlig funktionalitet på dessa delsystem efter-som SNOKEN och SPION hade brister på dessa områden efter-som önskades lösas. Ge-nom återkoppling av kamerans zoom-inställning kan kamerans styrutslag viktas

10 Förstudie

beroende på zoom-faktor. Centrering av bilden kring utpekad position möjlig-görs även av återkopplingen. En kameramodul med digitalt kontrollgränssnitt med återkoppling av kontrollparametrarna ansattes därför som ett internt krav för ut-vecklingen av operatörsgränssnittet. I huvudsak undersöktes kameramoduler från Sony, Trinus och LG.

För att förmedla video trådlöst mellan farkost och operatör så undersöktes ett antal digitala och analoga tekniker. En digital länk skulle kunna ge möjlighet att samordna telemetri, farkostkontroll och videoöverföring. Dock så konstaterades att de kommersiella digitala länkar som klarade bandbredd och räckviddskraven inte föll inom ramen för budgeten, om de även skulle operera på godkända frekvenser av PTS8_{. Till UGV-systemet så valdes därför att inrikta förstudien på analoga}

video-länkar där försvarsmakten har tilldelade frekvenser för högre uteffekt än 500 mW. Utbudet för analoga länkar visade sig även vara begränsat då en länk behövdes som hade både en fysiskt liten sändare och mottagare, samt att det förmodades vara icke önskvärt för Aerotech att handla med suspekta nätbolag med klingande namn såsom spyshop.com

Om Tablet-PC skulle kunna användas för presentation av sensordata så behövdes en analog till digital-omvandlare för video. Initialt så undersöktes marknaden på Cardbus framegrabber-kort. Ett lämplig kort med hårdvarustöd för DMA9 och klippning av bild införskaffades och testades på olika PC-plattformar. På den enda ekonomiskt möjliga och testade Tablet-PC:n fungerade dock kortet inte tillfred-ställande. Då denna typ av kort var relativt dyra så valdes i stället att undersöka olika typer av USB10_{-omvandlare då marknaden var större för dessa, samt att det}

fanns tidigare goda erfarenheter med denna typ av omvandlare på avdelningen.

2.3.3

Mjukvara

I samma spår som studien av eventuell videoomvandlare så undersöktes även möjliga operativsystem till Tablet-PC. De två kandidater som ansågs möjliga var Windows XP och någon Linux-distribution. Vid tillfället så var projektets Linux-kunskaper begränsade till konsoll-miljö samt att drivrutinstödet i Linux för videoomvandlare och Tablet-PC-chipset ej var komplett. Därför ansågs Windows XP ha lägre risk.

8_{PTS - Post och TeleStyrelsen} 9_{DMA - Direct Memory Access} 10_{USB - Universal Serial Bus}

Kapitel 3

Utveckling

Utgångspunkten för utveckling av operatörshårdvara och operatörsprogramvara har varit användaren. De ekonomiska och tekniska förutsättningarna har fått sätta grundramarna i konstruktionen. Förstudien visade att användaren önskade en enkel, robust och lättanvänd systemlösning. För att uppnå den högsta önskade funktionaliteten där det är lika enkelt att beordra UGV-systemet en spanings-uppgift som det hade varit att beordra en människa samma spanings-uppgift så krävs en mycket hög grad av autonomi i systemet. Att uppnå robusta och lättanvända au-tonomifunktioner sågs dock ej som möjligt inom ramen för examensarbetet, varpå fokus har lagts på att få ett användarvänligt och robust användargränssnitt.

3.1

Hårdvara

En PC-plattform valdes som grund för att kunna kontrollera och presentera spanings-information. Detta för att ge en flexibel arkitektur och ge möjligheten att spara spaningsinformation gemensamt från de primära sensorerna. Tidigare examens-arbete visade att WLAN inte gav tillräckligt lång räckvidd mellan operatör och farkost. Varpå en lösning med radiomodem och analog videosändare i stället val-des då det gav möjlighet till en högre uteffekt i sändare och därmed en längre räckvidd. Detta medförde att en extern sändtagare konstruerades för att rymma sänd-/mottagarutrustningen.

Den mekaniska hårdvaran ritades initialt i AutoCAD enligt standarder beskrivna i [2]. I ett senare skede så omarbetades samtligt mekanikkonstruktionsunderlag till SolidWorks-modeller. Detta för att kunna konstruktionsgranska i tre dimensioner. Mekaniken har sedan tillverkats i verkstad med manuellt opererade maskiner. Samtliga aluminiumdetaljer har gul-eloxerats och sedan lackats med olivgrön färg. Den elektriska hårdvaran har ritats i Protel. Tvålagers mönsterkort med lödmask har tillverkats i FR-41_{laminat med genompläterade hål vid LiTH}

mönsterkortsla-boratorie i Norrköping.

1_{FR-4 - Klassning av mönsterkort från National Electrical Manufacturers Association}

12 Utveckling

Presentationsenhet

Sändtagare

GUI (MFC / C++) Joystick (Analog) USB-controller (PC-card / USB 2.0) OS (WinXP Embedded) Bildomvandlare (USB 2.0 / PAL) Dator (Feild Tablet PC) Kontrollogik (MCU-baserad) Videomottagare (Analog / 1,3 GHz ) Radiomodem (871 MHz / RS232) GPS-mottagare (Paralell 12 kanaler) Videoantenn (Patch 1/4 våglängd) Telemetriantenn (Dipol 1/4 våglängd) GPS-Antenn (Aktiv)

3.1 Hårdvara 13

3.1.1

Presentationsenhet

Som operatörsdator valdes en ruggad Tablet-PC med pekskärm. Till datorn kon-struerades en fästanordning i aluminium passande bärväska till DART2_{380. Detta}

för att presentationsenheten skall kunna användas buren. I fästanordningen inte-grerades en joystick och anslutning för sändtagaren. För digitalisering av video an-vänds en USB 2.0 adapter som omvandlar PAL3_{kompositvideo till rå RGB}4_-ström.

Då datorn ej har något internt USB 2.0 interface så har datorn kompletterats med en USB 2.0 PC-card-kontroller.

Figur 3.2. Tablet-PC Figur 3.3. Videoadapter

Figur 3.4. Datorfäste med joysticklåda

2_{DART - DataRapporteringsTerminal}

3_{PAL - Phase Alternate Line, teknik för kodning av bildsignal} 4_{RGB - Röd Grön Blå, färgsystem för additiv färgkodning}

14 Utveckling

3.1.2

Sändtagare

Figur 3.5. Sändtagare

Sändtagaren är konstruerad för att rymmas i VÄSKA STRB 3045. I systemet används flerbruksficka för att bära sändtagaren. Sändtagarlådan är konstruerad i 4 st aluminiumdelar och rymmer en batterilåda 307, ett radiomodem, en GPS-mottagare, en videomottagare och kontrollogik. Externa gränssnitt på sändtagaren är fack för batterilåda 307, anslutningskabel till presentationsenheten, BNC6

an-slutning för telemetriantenn, BNC anan-slutning för videoantenn, BNC anan-slutning för GPS-antenn, fjäderlåst huvudströmbrytare och LED7 _{indikator för status. LED}

indikatorn är tvåfärgad och styrs så att den kan visa fast eller blinkande sken. Då sändtagaren har kontakt med styrprogramvaran i presentationsenheten visar indikatorn fast sken, då kontakt saknas visas blinkande sken. Grön färg på indi-katorn indikerar godkänd spänningsnivå från batterilådan, röd färg indikerar låg spänningsnivå.

Fakta

Vikt utan batteri 1,6 kg Vikt med batteri 1,8 kg Drifttid vila 5 h Drifttid normal 1,5 h

Storlek(lxbxh) 218x140x53 mm

Tabell 3.1. Fakta för sändtagare

5_{VÄSKA STRB 304 - Väska till Stridsbälte 304K}

6_{BNC - Bayonet Neill-Concelman, koaxial bajonettkontakt} 7_{LED - Light Emitting Diode}

3.1 Hårdvara 15

Figur 3.6. Kontrollogikkort

Kontrollogikens huvudfunktion är att vara multiplexer för seriedata från modem och GPS samt att styra strömförsörjning, mäta batterispänning och mäta joy-stickutslag. Funktionaliteten är realiserad med hjälp av en PIC18F458 som är en RISC8_{mikrokontroller med 16-bitars instruktionsbuss från Microchip. Initialt}

var det tänkt att kontrollogiken skulle haft USB gränssnitt för datatrafik mot presentationsenheten. Vid tillfället för konstruktionen av kontrollogiken så var ut-budet på mikrokontrollerkretsar med USB-gränssnitt mycket begränsat. Gräns-snittet mot presentationsenheten valdes därför i stället till RS2329. En RS232 till USB-adapter användes för att konvertera signalerna. I ett senare skede i projektet fick gränssnittet modifieras till TTL10_{-nivåer då det visade sig att det inte var}

möjligt att få videoadapter och RS232-adapter att fungera samtidigt om de var kopplade till samma USB root hub. Seriesignalen kopplades utan omvandling till presentationsenheten vilket även ökade determinismen i systemet.

Figur 3.7. GPS-mottagare

GPS-mottagaren är en 12 kanals parallell mottagare med serieutgång för NMEA 0183 data11_.

8_{RISC - Reduced Instruction Set Computer}

9_{RS232 - Recommended Standard 232, Standard för binär seriekommunikation} 10_{TTL - Transistor-Transistor Logic, klassificering av kretslogik}

16 Utveckling

Figur 3.8. Radiomodem

Radiomodemet har en uteffekt på 100 mW med datatakten 9600 baud i trans-missionskanalen. UGV-systemet har haft särskild tilldelning i PTS-frekvensplan och har därmed kunnat utnyttja frekvensområdet 870 till 872 MHz utan begräns-ningar i duty cycle12_.

Figur 3.9. Videomottagre

Videomottagaren är frekvensmodulerad med utgång för bild- och ljudsignal. UGV-systemet utnyttjar frekvensområdet 1274 till 1314 MHz. Denna mottagare valdes då det var en av de mindre som fanns på marknaden samt att försvarsmakten hade rätt att nyttja frekvensområdet.

3.2 Firmware 17

3.2

Firmware

Kontrollogikens mikrokontrollerprogramkod är skriven i C. Programkoden imple-menterar en hårdvaruserieport mot Tablet-PC, två mjukvaruserieportar mot radio-modem/GPS, fyra st AD kanaler mot joystick/batterispänning/temperatursensor och I/O signaler för styrning av kraftsättning och lysdiod.

3.3

Mjukvara

Operativsystemet som används på presentationsenheten är Windows XP Embedded med en särskilt konfiguration för JLT:s FTPC. Styrsystemet består av en MFC13

-applikation skriven i C++ med grafiskt kontrollgränssnitt. Som utvecklingsmil-jö användes Microsoft Visual Studio då tidigare erfarenhet fanns av denna ut-vecklingsmiljö samt att den även användes på avdelningen där arbetet utfördes. Då hårdvaruresurserna generellt sett är begränsade på en Tablet-PC så krävs en effektiv implementation av de olika programfunktionerna. För att få full funktio-nalitet i systemet krävdes även styrmöjlighet och kommunikation med grundfunk-tioner i operativsystemet så som USB-enumrering, batteristatus, videohantering och hantering av datorns avstängning. Möjligheten till effektiv implementation mot dessa grundfunktioner var den största anledningen att välja MFC och C++ då drivrutiner, mjukvaru-API14_{samt exempelprogram med källkod fanns}

tillgäng-liga.

Kontrollapplikationens funktioner kan delas in i följande kategorier:

• Kommunikation med sändtagare och farkost • Videohantering

• Kartbildsgenerering

• Generering och hantering av grafiskt användargränssnitt

Exekveringen av funktionerna görs ifrån tre programtrådar. Kartbildsgenereringen har en lågprioriterad tråd för bakgrundsarbeten och kommunikationsfunktioner-na har en högprioriterad tråd för kö-/serieportshantering. Resterande funktioner exekveras från programmets huvudtråd.

3.3.1

Kommunikation

Kontrollapplikationen är händelsestyrd där de två huvudsakliga typerna av händ-elser är interaktion med användaren och kommunikation med sändtagaren. Då bandbredden på trafiken till och från farkosten är begränsad till 9600 bitar/s så har ett kösystem med filtrering och prioritering implementerats. Asynkrona händ-elser uppdaterar kön och dess data transparent, kön synkroniseras sedan med en fast frekvens mot kommunikationsfunktionerna för sändtagaren.

13_{MFC - Microsoft Foundation Classes} 14_{API - Application Programming Interface}

18 Utveckling

Kommunikationen till och från presentationsenheten kan delas in i lager som kan representeras enligt följande:

• Video • Sändtagare – Sändtagarkraftstyrning – Joystick – Operatörs-GPS – Radiomodem ∗ Farkost · Farkostkraftstyrning · Farkostförflyttning · Kamerapositionering · Farkost-GPS · Kamerakontroll · Farkostbatteristatus ∗ Radioinställningar – Sändtagarbatteristatus • Datorbatteristatus

Samtlig kommunikation förutom farkostförflyttning sker genom ett återkopplat förfarande, där det kontrolleras att samtliga skickade kommandon utförts korrekt.

3.3.2

Videohantering

Videoströmmen från videoadaptern hanteras med hjälp av DirectShow som är en del av Microsoft DirectX. DirectShow är ett programbibliotek mot hårdvaru- och mjukvaruoptimerade funktioner för strömmande multimedia. Programbiblioteket implementeras genom att filter enumreras för önskad funktionalitet. Filtrena kopp-las sedan samman i ett flöde, en så kallad “filter graph“. Filtren kan ses som sepa-rata moduler som tillhandahålls av bland annat Microsoft och hårdvarutillverkare i drivrutinpaket. De vanligaste filtren är källfilter, kodare/avkodare och renderare. I styrapplikationen används enbart ett källfilter och en renderare. Källfiltret stäl-ler in och startar strömning från videoadaptern och renderingsfiltret klipper ner bildstorleken och förmedlar strömmen till grafikkortet för presentation.

3.3.3

Kartbildsgenerering

Kartunderlaget som fanns tillgänglig till systemet var RT90-rektifierade ortofoton från GeoSE15_{. Initialt så var planen att integrera ett externt programbibliotek för}

15_{GeoSE - Enhet inom Lantmäteriet med syfte att understödja försvarsmakten med}

3.3 Mjukvara 19

att realisera kartbildsgenereringen. Ett antal fria programbibliotek bland annat OpenEV testades, men programmen visade sig generellt vara för resurskrävan-de eller ej vara möjliga att använda helt friståenresurskrävan-de mot tillgängligt lokalt kart-underlag. Samtliga kommersiella applikationer uteslöts då det ej var önskvärt att binda licenskostnader till systemet.

Lösningen blev i stället att skriva ett eget enkelt programbibliotek för att re-alisera kartbildsgenerering. Programbiblioteket har stöd för att generera kartbild med valfri centreringsposition samt att visa överlagrade symboler för att förmedla operatörens och farkostens position. Stöd finns även för att zooma in i kartan samt att genera en miniatyrvy av kartan. Vid uppstart av programvaran indexe-rar programbiblioteket tillgängligt kartunderlag i en databas. Underlaget består av geo-“tiles“ placerade i en mapp på filsystemet i operatörsdatorn. Varje “tile“ består i sin tur av en kvadratisk bitmapsbild och en tillhörande separat fil som beskriver position och skalning. En kartbild genereras genom att den “tile“ som täcker be-ordrad centrumposition söks upp i databasen. Därefter sökes angränsande “tiles“ upp. Programmet laddar sedan in bitmapsbilderna i internminnet och konverterar dem till de färgdjup som operatörsdatorns bildskärm har inställd. Den slutgiltiga bilden genereras genom direkt minneskopiering från synliga regioner ur konverte-rat bitmapsdata och symboler till grafikminnet. Då centrumpositionen på kartan flyttas avgör en algoritm om vilka av de nio laddade “tiles“ som behövs för att generera bilden, och om några nya “tiles“ behöver laddas in istället. Programmet förutsätter att den synliga ytan i kartan aldrig överstiger en “tile“, därmed så behövs maximalt data från fyra tiles kopieras när kartan skall genereras.

20 Utveckling

För att positionera symbolerna och kartan med position från GPS har ett stödjande programbibliotek för positionstransformation skrivits. Transformations-biblioteket implementerar av Lantmäteriet publikt beskrivet förfarande för trans-formation från SWEREF9916 _{till RT90. Projiceringen sker med hjälp av}

Trans-versal Mercator Gauss-Kryger 7-parametertransformation. I GPS-systemet så an-vänds WGS8417 som referenssystem för positionering. För att förenkla transfor-mationsförfarandet så har WGS84 antagits vara lika med SWEREF99 då den maximala riksavvikelsen är så pass liten som ett par decimeter.

Figur 3.11. Transversal Mercator

3.3.4

Grafiskt användargränssnitt

Som grund för det grafiska gränssnittet har dialogruta med visning i full skärm-storlek använts. Knappar, reglage och indikatorer har deriverats från MFC:s bas-klasser för att möjliggöra en egen grafisk prägel. Utformningen av det grafiska gränssnittet har tagits fram genom informella iterativa användartester avseende typ av information samt optimal placering av grafiska objekt. Orientering av ka-mera och förflyttning av farkosten utförs med joystick alternativt med grafisk styrknapp i fönstrets nedre högra hörn. Knappar och reglage som används under aktiv orientering av kamera och förflyttning av farkosten är placerade på vänster sida i fönstret för att möjliggöra samtidig användning utan att skymma videobild eller indikatorer. Indikatorer för kamerans orientering finns på höger sida i gräns-snittet, indikatorerna är deriverade från bildfönster. Bilden i vardera indikator är uppbyggda i tre lager med en statisk förgrund, en dynamiskt genererad sektor i mitten och en statisk bakgrund.

16_{SWEREF - SWEdish REference Frame 1999} 17_{WGS84 - World Geodetic System 1984}

3.3 Mjukvara 21 A B C D E F G H I J K L M N

Figur 3.12. Grafiskt gränssnitt förflyttning

A. Förflyttningsknapp Bistabil knapp för val av huvudläge B. Spaningsknapp Bistabil knapp för val av huvudläge

C. Inzoomningsknapp Knapp för kontroll av kamera- och kartzoom D. Utzoomningsknapp Knapp för kontroll av kamera- och kartzoom E. Lagringsknapp Knapp för att lagra ögonblicksbild

F. Miniatyrkartfönster Fönster som visar karta, val av huvudläge G. Batteriindikator Indikator som visar systemets lägsta batterinivå H. Statustext Textinformation som meddelar systemets status

I. Styrknapp Knapp för att styra farkost eller kamera J. Tiltindikator Indikator som visar kamerans tiltläge

K. Panindikator Indikator som visar kamerans panoreringsläge L. Avstängningsknapp Knapp för att stänga av dator eller styrprogram M. Video- och kartfönster Fönster som visar video eller karta

22 Utveckling

Det grafiska gränssnittet opererar i tre huvudlägen:

• Förflyttning • Spaning • Kartläge

Förflyttning/spaning indikeras av lägena på knapp A, B samt symbolen i styrknapp I och med statustext H. I Spaningsläget så används styrknapp I och joystick för att orientera kameran. Minsta aktiva yta på knappar och reglage motsvarar ytan av en kvadrat som tangerar konturerna på knapp A. Den aktiva ytan är vald för att ge god funktion vid fingeranvändning på pekskärm. Styrknapp I är uppdelad i en aktiv yta per riktning. För att erhålla ett analogt styrutslag från styrknappen så integreras knapptryckningarna över tiden. Zoomreglaget N har delats in i fem aktiva tryckzoner för grov justering då dragläge ej är praktiskt. För finjustering av zoomreglaget så används zoomknapparna C och D. Förutom på zoomreglage N så indikeras kamerans zoominställning på cirkelbågens öppningsvinkel i tiltindikator J och panindikator K. För att operatören skall slippa att ställa om kameraorien-teringen innan styrapplikationen skall växlas till förflyttningsläge så sätts tilt och pan automatiskt till horisontalläge i färdriktningen då förflyttningsknappen ak-tiveras. Orientering och zoominställning av kameran till föregående spaningsläge görs genom knapptryckning på spaningsknappen två gånger i följd.

A B C D H I J K N

3.3 Mjukvara 23

Byte mellan kartläge och övriga lägen kan göras genom knapptryckning i mini-atyrkartfönster F. Kartläge indikeras genom att kartan visas i normalstorlek i det kombinerade kart- och videofönstret M samt att knappar för spanings- och förflytt-ningsanvändning försätts i inaktivt läge. Farkostens position representeras av en bilsymbol och operatörens position representeras av en symbol av människa/alien i siluett på kartan. Grön färg på symbolerna indikerar att positionen härstam-mar från en giltig GPS-position medan röd indikerar motsatsen. Kartan centreras automatiskt i första hand mot giltig farkostposition och i andrahand efter giltig operatörsposition. Zoomknapparna C och D kan användas för att skala upp kartan från grundskalning och sedan skala ned till grundskalning. Miniatyrkartfönster F visar alltid samma kartregion som är synlig i kart- och videofönstret M oavsett vald skalning.

C D

F

M

24 Utveckling

UGV-systemets lägsta batterinivå indikeras av batteriindikator G. Genom att “trycka“ på batteriindikatorsymbolen öppnas batteristatusfönstret. Batteristatus-fönstret har separat indikering för systemets sändtagarbatteri, Tablet-PC-batteri och farkostbatteri. Respektive indikator identifieras av symbol för operatör, da-tor och farkost. Tablet-PC-indikada-tor får sin information från operativsystemets batteriövervakningsfunktion och visar därmed faktiskt kvarvarande energinivå i batteriet. Batterinivå för sändtagarbatteri och farkostbatteri fås genom medelvär-desbildning av den momentana batterispänningen. En generalisering har gjorts att cellspänningsnivå över 1,2 V motsvarar fulladdat och cellspänningsnivå under 1,0 V motsvarar urladdat då nickelkadmiumceller används i batteripackarna. Batteri-övervakningen av farkosten används även för att skala motorpådrag och begränsa möjlig högsta nivå på motorpådrag till farkosten. Detta för att kompensera för den ökade inre resistansen i farkostbatterierna vid urladdat tillstånd. Vilket medför att ett högre motorpådrag behövs för att komma i rullning och lägre maxpådrag måste hållas för att systemspänningen i farkosten inte skall understiga kritisk nivå.

G

Kapitel 4

Resultat

Ett operatörsgränssnitt bestående av hårdvara och tillhörande mjukvara har ut-vecklats och tillverkats i två exemplar. För operatörshårdvaran har väskor och fickor tagits fram så att operatörsgränssnittet kan användas buret. UGV-systemet i sin helhet uppfyller samtliga ställda skallkrav och merparten av börkraven.

UGV-systemet har medverkat vid markstridskolans övningar under och efter perioden för examensarbetet vid varierande väderförhållanden. Detta har givit upphov till flertalet vetenskapliga rapporter och artiklar om UGV-system och dess användbarhet.

Figur 4.1. Operatörsutrustning

Litteraturförteckning

[1] Isacson, Alexander: Konstruktion av obemannad markgående farkost för

studier och metodförsök. Examensarbete, Linköpings Tekniska Högskola, 2004.

ISRN LITH-IDA-EX–04/044–SE.

[2] Lundkvist, Bo: Ritteknik. Liber, 1999, ISBN 91-47-01123-8.

[3] Nordmark, Mattias och Peter Johansson: Obemannad markgående farkost för

underrättelseinhämtning i urban miljö. Examensarbete, Kungliga Tekniska

Högskolan, 2003. KTH Tillämpad IT M28/02-03.

[4] Thorell, Hampus: UGV-studier. Examensarbete, Linköpings Tekniska Hög-skola, 2003. ISRN LITH-ITN-EX–03/028–SE.

Bilaga 1

Sammanställning av

kravspecifikation

Skallkrav

Taktiska krav

1. UGV skall kunna uppträda framskjutet, minst 200 meter i fri sikt, från opererande grupp och förmedla information i form av video till operatören. 2. UGV skall klara av att framrycka utomhus i bebyggt område och därmed

klara av hinder så som trottoarkant, järnvägskorsningar och rabatter. 3. UGV skall klara av att hålla jämn takt med en framryckande skyttegrupp,

d v s minst 10 km/h som maximal hastighet. 4. UGV skall klara av att transporteras i stridsfordon. 5. UGV skall kunna medföras buren av en soldat.

6. UGV skall använda tillåtna frekvensområden och uteffekter för både tele-metri samt sensordata, enligt PTS så att försök i bebyggelse möjliggörs.

Tekniska krav

7. De reglage och kontroller som skall användas av operatör skall utformas så enkelt och intuitivt som möjligt för att hålla erforderlig utbildningstid på ett minimum.

8. UGV skall erhålla erforderlig robusthet.

30 Sammanställning av kravspecifikation

9. UGV systemet skall bestå av:

(a) Plattform med sensor och länk till operatörsinterface (b) Operatörsinterface med länk till plattformen

10. Plattformen skall vara hjulburen. 11. UGV skall ha en riktbar sensor.

12. Operatörsinterfacet skall vara bärbart (med så liten inskränkning som möjligt på operatörens rörlighet) med trådlös förbindelse till plattformen.

13. Systemet skall energiförsörjas med utbytbar energikälla som skall vara ladd-ningsbar.

14. Laddningsutrustning skall kunna kopplas till standardeluttag 220 volt. 15. Om energikälla ej levereras med systemet skall den följa militär standard,

dvs. det skall vara möjligt för användare att ta ut energikälla via normal underhållsfunktion vid förbandet.

16. Systemet skall klara temperaturer mellan -5o _{C och 20}o _C

Utbildning och leveranskrav

17. Utbildning av användare skall gå att genomföra inom 4 timmars utbildning. 18. Tillverkare skall utforma och leverera beskrivning av systemet samt

användar-handledning.

19. Produktdata levereras av tillverkare i samband med att systemet levereras. 20. Instruktioner för underhåll levereras i samband med att systemet levereras. 21. Den teknikinformation som levereras med respektive delkomponent ingående i systemet, skall tillhandahållas av tillverkaren i samband med systemets leverans.

22. De publikationer som skapas i samband med tillverkarens utvecklingsarbete skall tillhandahållas vid systemets leverans.

Systemsäkerhet

23. Vid användning av miljöfarliga produkter i energiförsörjning skall läckage eller utsläpp förebyggas i största möjliga utsträckning.

31

Kostnader

25. Kostnad per system får högst uppgå till 70 kkr exklusive moms.

Börkrav

26. UGV bör kunna uppträda på ett avstånd upp till 200 meter bakom hinder och fortfarande förmedla information till operatören.

27. Operatören bör kunna kontrollera farkosten med minst en byggnad mellan kontrollstation och farkost.

28. UGV bör ha en drifttid på minst en timme utan behov av byte av energikälla eller underhåll.

29. UGV sensor bör medge identifiering av soldat på 200 meters avstånd från plattformen räknat.

30. Riktbar sensor bör förmedla bild.

31. Under kravställ driftstid på energikälla, d v s 1 timme, bör farkosten klara av två typfall:

(a) Framryckning: Farkosten framrycker 4 minuter och spanar 1 minut i 12 omgångar.

(b) Spaning: Farkosten framrycker 15 minuter, spanar 10 minuter, framryc-ker 5 minuter, spanar 10 minuter och framrycframryc-ker slutligen tillbaka 15 minuter.

32. Systemet bör ha erforderligt skydd för att klara av alla väderförhållanden. 33. Systemet bör klara av temperaturer mellan -20o_{C och 35}o _C

34. Systemet bör vara stöt och vibrationsskyddat och kunna transporteras i stridsfordon.

35. Gruppen som opererar UGV bör kunna lasta in UGV med gruppen i per-sonaltransportutrymmet under normala transportförhållanden (normerande fordon är stridsfordon 90).

36. Farkosten bör klara av 10 cm höga vertikala hinder. 37. Systemet bör uppfylla följande krav:

(a) Uppstart från avstängt läge < 1 minut (b) Uppstart från energisparläge < 30 sekunder (c) Byte av batterier/energikälla < 3 minuter (d) Avstängning < 1 minut

32 Sammanställning av kravspecifikation

38. Farkosten bör kunna framrycka utanför hårdgjord miljö i bebyggelse utan större restriktioner (gräsmattor, parker, grönområden, grusvägar och -gångar). 39. Gränssnitt på operatörskontroll och UGV, instruktioner för drift och

under-håll bör vara utformat så att operatörer kan utbildas på en timme.

40. Systemet bör vara så utformat att erforderligt underhåll utgörs av rengöring och funktionskontroller.

41. UGV bör kunna förmedla egen position samt position på upptäckta mål för att kunna underlätta snabb bekämpning.

42. Laddningsutrustning bör kunna kopplas till 12 alternativt 24 voltsuttag som återfinns i fordon.

43. Systemet bör ha en livslängd som överstiger ett utbildningsår.

44. Frekvens bör väljas så att det finns utrymme för att öka uteffekt (ökad räckvidd) med dispens från PTS.

45. Bör gå att ersätta sensorenhet mot en med mörkerförmåga.

46. Systemet bör vara så utformat att erforderligt underhåll utgörs av rengöring och funktionskontroller.

47. Övrigt underhåll bör lösas av tillverkare och bör genomföras en till två gånger per år.