National audienceLe telecontrôIe d'engins mobiles en milieux encombres ou confines comme les chantiers miniers ou de genie civile pose le difficile probleme de la transmission hertzienne a haut debit, alors que l'usage de cables specialises s'avere hasardeux en raison des risques de rupture ou d'arrachement

Charpentier, Dominique

Degauque, Pierre

Villeneuve De Janti, Philippe

Villeneuve de Janti, Philippe

HAL-INERIS

Un syste`me de transmission hyperfre´quence d’images etde donne´es nume´riques pour le te´le´controˆle d’enginsmobiles en milieux confine´sDominique Charpentier, Philippe Villeneuve de Janti, P. DegauqueTo cite this version:Dominique Charpentier, Philippe Villeneuve de Janti, P. Degauque. Un syste`me de transmis-sion hyperfre´quence d’images et de donne´es nume´riques pour le te´le´controˆle d’engins mobilesen milieux confine´s. Colloque ORIA ”La te´le´robotique en milieux hostiles : les grands verroustechnologiques”, Dec 1991, Marseille, France. p.441-450, 1991. <ineris-00971835>HAL Id: ineris-00971835https://hal-ineris.ccsd.cnrs.fr/ineris-00971835Submitted on 3 Apr 2014HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, estdestine´e au de´poˆt et a` la diffusion de documentsscientifiques de niveau recherche, publie´s ou non,e´manant des e´tablissements d’enseignement et derecherche franc¸ais ou e´trangers, des laboratoirespublics ou prive´s."91-46"UN SYSTEME DE TRANSMISSION D'IMAGES ET DEDONNEES EN HYPERFREQÜENCE POÜR LETELECONTROLE D'ENGINS MOBILES EN MILIEUXCONFINES*Dominique CHARPENTIER - ^Philippe VILLENEUVE DE JANTI -**PierreDEGAUQUE* Ineris - **Umversite des Sciences et techniques de LilieABSTRACTRemote control of mobile machines in hcaardous areas requires capabilities ofvideo and data transmission to aremote control Station, without any cable Unk.Classical radio transmission techniques are inoperable or subject to unacceptable propagation problems crea-ted by the small säe of galleries and thepresence of massive meialüc obstacles.The use of leaky feeder Systems knawn to be particulary applicable in fixed enviromnents cannot be foreseen ina continous remodelling takingplace.So, INERIS hos developedfor telerobotics applications in confined or lumbered enviromnents, a video and datatransmission System based on microwaves technology.We undertook a research program, in collaboration with the Vmversiti des Sciences et Techniques de Lilie tosauty the applicability ofwireless transmission in the microwave domain. Theproblem of confined environmenttransmission was then approached assuming longwalls and galleries to be oversüed wave guides.Several in situ test campains were conducted in Order to caracterae fading phenomena, and to define the besttransmittingfrequency. Fading problems are solved making use ofdiversity reception on multiple antennas (twochannels of reception) and Signal processing by microprocessor in the receiver. The spatial diversity receptiontechnique is used w eliminate poor or even signal loss at a specific location, then reducing image losses. Thechannel selection criterion is a determining factor in ensuring transmission quality System anatyses in real timethe transmission quality, and evaluates instantaneousty ifit is necessessary to swith over to other channel.Patch antennas are integrated to the equipmenc, the antennas directivity achieving a proper decorrelation. Theirdesign allowsfor a very compact säe ofthe receiver unit, and thereby practicaüy eliminates damage risks.The System is at the prototype stage. Emitter is waterproof and accepts any CCD cameras (CCIR andNTSC).The radiated power is 250 mw. The System can transmit video pictures andlor digital data at 19200 bitls.A 2000 meters effective transmission ränge was achieved in the Canadian potash mines, with good qualityImages even though multiple reflexions and diffractions phenomena did occur.Other than those applications revolving around the remote control of Underground machines (mining machines.inspection ofsewage conduits, high pressure water tunnels), this microwave transmission System hos a definitiePotential for remote Vision applications on mobiles worläng in dangerous orperturbed locations.Le tel6contr6Ie d'engms mobiles en milieux encombres ou confines comme les chantiers mimers ou de geme-ci-vil pose le difficile probleme de la transmission hertzienne ä haut d6bit, alors que l'usagc de cäbles specialisess'avere hasardeux en raison des risques de mptuic ou d'anachemcnt.Les systemes de telecommande radio pour machines minieres n'om en g6n6ral que des portces de quclqucs di-zaines de metres. Les techniques radio dassiques sont inoperantes ou soumises ä des alias de propagation inac-ccptables sur des distances sup6rieurcs, comptc-tenu des faibles ouvenures des chantiers et de h prcsenced'imponants obstacles metalliques faisant ecran.Enfin, l'uülisation des cäbles porteius d'ondcs ou "rayonnants", paniculierement riche d'applicalions en cnviron-nement stable, est egalement inenvisageable quand l'environnement n'a pu etrc prepare ä cet cffct, ou bien estconstammcnt modifie ou remodeli par l'acdvitc qui s'y deroule.Pour toutcs ces raisons, l'INERIS a rcconsid6re, cn collaboration avec l'USTL-FA, le probleme de la transmis-"ORIA 9l", Marseiile, 11-12 decembre 1991, pp. 441-450sion hcrizienne en milieux confin6s. L'analyse des ph6nomencs physiqucs inontre que la galerie est un guided'onde surdimensionn6, qui peut 6tre trait6 pai la th6orie des rayons, les ondcs sc r6fl6chissent alors sur les paroiscommc des rayons opüqucs.Nous avons donc defini dans une prcmiere phasc la fr6quence adapt6e ä ce canal de transmission.I. Choix de la frequence de transmissionLe choix de la fr6quence de transmission s'appuic sur des simulations num6riques et des mesures de champ elec-tromagn6dque effectuees m situ. Un logiciel de caicul du champ electrique en tout point de la galerie a 6t6 deve-lope par l'Univcrsit6 des Sciences et Techniqucs de Lilie. Le champ recu pai une antenne est la somme d'uneinfinite de rayons dont 1'amplitudc est foncüon du nombre de reflexions sur les parois de la galerie, ainsi lechamp fluctuc beaucoup lorsquc l'emctteur est proche du r6cepteur. En s'cloignant de l'6metteur, seul les rayonsrasants ont encore un poids important ce qui entraine des fluctuations moins ünportantes. Ce modele math6mati-que nous a pennis de comprendrc les phenomenes physiques; toutefois de nombreuses campagnes d'cssais et demesures in situ dans les galeries minieres se sont av6r6es necessaires pour definir la fr6quence et le type d'an-tenne les mieux adaptecs. Ces mesures ont pennis de mettrc en evidcnce les phenomenes de diffraction caus6spar l'irr6gularit6 des parois et par les objcts metalliques (piles de soutenement) qui modifient consid6rablement lechamp recu.La figure l montre un Operateur deplacant un emetteur hyperfrequencc dans un chantier minier. Les figures 2 et 3illustrem bien les probltmcs de radiopropagation rencontres ainsi que les effcts du choix de la polaiisation del'onde, compte tenu de la gftometrie des obstades. L'attenuaüon lineique moyenne est neuement moins impor-tante en mode de Polarisation parallele ä la plus grande dimension de h galerie et perpendiculaire aux obstaclesmetalliques (piles de soutenement).D'autres cssais ont 6galement pennis d'effcctuer les premieres mesures de taux d'erreur en transmission numdri-que ä 10 GHz. On verifie qu'il y a coincidence entre les zones d'eneurs en transmission num6rique et les zonesd'affaiblissement du champ recu. Les errcurs apparaissent par paquets de bits.Ces mesures ont pennis de mcttre en evidence deux parametres caract6risüqucs du canal de transmission pennet-tant de choisir la fr6quence de transmission. U s'agit de l'attenuaüon linc'ique et la pseudo-frequence d'appari-tions des evanouissemcius de Signal.La galerie ayant les caracterisüques d'un filtre passe haut, la frequence la. mieux adapt6e est la fr6quence la pluselcvec possible techniquement, mais teile que les phenomenes de diffraction ne deviennent pas pr6dominants (6-vanouissements de plus en plus frequents en tres haute fr6quence). L'attenuation Un6ique d'une galerie de 8 m2de section est de 60 db/100 ma l GHz, et de 37 db/100 m ä 10 GHz.La Polarisation du champ electrique ainsi que h rugosite des parois furcnt prises en compte dans la Simulationnum6rique permettant de reproduire les ordres de grandeurs des cffets d'att6nuaüon du Signal et des pseudo p6-riodes d'6vanouisscment.En conclusion, nous avons rctenu une fr6quence de 2^ GHz qui pennet de r6aliscr une transmission dans unchantier d'abattage (quelques centaines de mecres), ainsi qu'une transmission dans une galerie de plus grandetaille sur plusicurs kilometres.Compte tenu des caractfrisüques des taux d'erreurs en transmission num6rique, nous avons choisi, dans une se-conde phase, de r6aliser une transmission d'image vid6o en modulation de fr6quencc analogique pour valider leprincipe, dans une troisieme phase nous ajoutons un canal num6rique pour les t616mesures.IL RECEPTION EN DIVERSITE D'ESPACEAfin de s'affranchir des trous de propagation, on utilise la technique de reception en diversit6 d'espace.11 s'agit de rendre minimale la probabilit6 d'avoir un trou de propagation simultanement sur deux antennes r6cep-trices, cc qui pennet d'61iminer les effets de fluctuaüon du champ recu (figure 4.). Les parametres imponantssont donc la decorr61aüon entre les antennes et le entere de s61ecüon de la meilleure voie.En agissam sur la direcüvit6 des antennes, on parvient ä d6con61er les 2 voies tout en r6alisant un r6cepteur com-pact contrairement ä la diversit6 classique oü il est necessaire d'61oigner les 2 antennes d'au moins 10 longueursd'ondes. Le r6cepteur pr6sent6 figure 5 montre un Systeme d'antennes avec une antenne d6point6e de 10 degr6s.Les antennes plaqu6es utilisem la technique de mise en rescau d'616ments emettcurs plans de petites dimensionset sont parüculierement bicn adapt6es ä la r6alisation d'equipcments tres compacts pouvant 6tre mont6s sur desengins mobiles. Le diagrarame de rayonnemcnt est foncüon de h g6om6trie des el6ments rayonnants, ce qui apennis d'optüniscr le rayonnement des antennes afin d'exciter correctemcnt le guide d'onde que consütue la ga-lerie. Les antennes sont tres directives dans un plan et peu direcüves dans l'autre plan.2m. TELETRANSMISSION D'IMAGES VIDEOL'cmetteur hyperfrequcncc cst consütue d'un syntheüscur de frequence ä 2,5 GHz, d'un amplificateur (puissanccde sordc 0,25 watt) et d'une antenne plane. L'ensemble est en coffrct 6tanche, de dünension 25 x 10 x 8 cm avecl'antenne int6gree.L'occupaüon spcctrale est de 5 MHz avcc un indice de modulation assurant une bonne qualite d'image tout enrespectant la bände de coh6rcnce. En effet, en modulaüon de frcqucncc, la bände spcctrale est limitce par les re-tards de propagaüons des nombrcux rayons refl6chis sur les parois du tunnel, ce qui lünite la portee de la trans-imssion ou la quanüte d'informadon ä transmettrc par canal.On peut donc recevoir un signal d'amplitudc ünportante sur un rccepteur et ne pas pouvoir demoduler ce signalqui est la somrnc de tous ces rayons ddphases dans le tcmps; ce qui nous a conduit ä definir un critere de choixparticulier pour la s61ecüon d'imagc en diversite.L'equipcmcnt de recepüon est consütue de 2 icceptcurs radiofr6quences identiques et d'un selecteur de voie.Chaque rccepteur est constitue d'unc chaine d'amplificateur et d'un demodulateur ä boucle ä veirouillage dephase.Les signaux video demodules sont ensuite traites afin d'en extraire les divers signaux de Synchronisation pouretre analyses cn temps reel par un Systeme ä microprocesseurs qui sdectionne la meilleurc voie de r6ccptcur. Lescriteres de s61ecüon de voie peuvent donc etre adaptes au type d'application par simple modificaüon logiciellc etpeuvent etre modifies instantan6ment lors de la recepüon.De nombreux systemes ont commc entere l'amplitude du signal recu sur chaque antenne, la foncüon de s61ecdonde voie commutam alors sur la voie ou le champ est maximum. Nous avons realisc une foncüon de s61ecüon devoie intelligente qui prend en comptc la nature du signal transmis. Une image ayant un caractere pcriodiquc (suc-cession de lignes de 64 (is), le Systeme ä microprocesseur teste la qualite du signal de Synchronisation ligne et 6-value apres quelques lignes s'il est necessaire de changer de voie. Une image itant consütu6e de 625 lignes, laperte de quelques lignes est donc ä peine visible.La figure 6. montre l'cnsemblc cam6ra cmetteui-reccpteur de la tiletransmission d'images vidco.IV. TELETRANSMISSION DE DONNEES NUMERIQUESPour transmettre toutcs les infonnaüons necessaües au tilecontröle d'un engin, un canal de donnees numeriquesa ete associe ä la transmission vidco par multiplexage frcquenüel. Les donnfes numeriques sont transmiscs ä unefrequence de 8 MHz en codage biphasc avec un debit de 19200 bits/s. La figure 7. montre l'architecture de l'c-metteur et du reccptcur.Comme pour la transmission vidco, la recepüon des donn6es numeriques se fait en diversite, les criteres de selec-tion de voie sont plus simples et s'appuient sur le codage de l'informaüon. La difficultc pour ce type de transmis-sion est la resynchronisaüon ties rapide de l'informaüon apres un evanouissement du signal recu, ce qui a eterisolu par une transmission redondante du bit de "Start"..Les donnees numeriques ä transmettre sont reparties en 16 voies logiques, 8 voies analogiques et une liaison in-fonnaüque scrie. Selon le nombre de mcsurcs ä transmettre, on dcfinit la nature du message ce qui pennet detransmettre un message issu de nombreux capteurs avec une scrutaüon lente ou peu de capteurs echanüllonnestris rapidemcnt.La redondance par la recepüon en diversite, par Opposition & une redondance temporclle permet d'avoir un Sys-teme correcteur d'erreurs, sans reduire le debit numerique.V. RESULTATSLes premiers essais sur site de transmission d'images video dans une mine image ont montre que la portee utilede la transmission est superieurc i 300 mitres dans une galerie de 10 m2 de secüon encombree d'obstacles m6-taüiqucs. La recepüon en diversite attdnue fonement les sauts d'images (figure 8.).Des essais ulterieurs dans plusieurs mines de potasse au Saskatchewan (Canada) ont montre qu'il est possible detransmettre une image sur 2 kilometres dans des galeries de plus grande secüon sans sauts d'images, en depit deDombrcuses variaüons du nivcau du sol, telles qu'au delä de 100 m, l'6mcttcui n'ctait plus en vue directe du re-cepteur.Le signal subit une attenuation ünportante apres le passage d'une courbure ä 90° de la galerie mais reste encorecxploitable ; la transmission sur les quelques premiers metres apres la courbure est fonement penurbee, puis re-dcvicnt siable par la suite.En conclusion, ce Systeme apparait parüculierement bien adapte ä l'environnement des chanüers souterrams, parla realisaüon et la compacitc de l'electronique cmbarqu6e.3Au-delä des applicadons pour k telecontröle d'engins de chanders souterrains (mines, gcnie-dvil) l'INERIS adevelopp6 ce Systeme en vue d'applicaüons de Vision et de telecontröle ä distancc pour des mobiles se diplacantdans des cnvilonnements perturbes et cvolutifs (intervenüon sur sites accidentes, chanticrs mobiles,,..).VI. REMERCIEMENTSUn certain nombre de ces travaux ont b6n6fici6s de l'aide de la Commission des Communautes Europ6ennes.Lcs nombrcux essais et campagnes de mesures CD mines souterraines ont ete realisis gräce ä la collaboraüon del'Unite des Services Techniques de Charbonnages de France.REFERENCES1 -Colloquium on "propagation in confined spaces and tunnels" organised by IEE group Antennes and Propaga-üon.1986.2 -REMY - CUEUGNIET - SIBENSystörnes de radiocommunications avec les mobil escollection CNET. Eyrolles -1988.3 -CHARPENTIER - DEGAUGUE - DEGARDIN.Rapport final transmission video par faisceau hertzien en tunnel. Contrat Univcrsitc des Sciences et techniques deLilie - CERCHAR • Aoüt 1989 par Messieurs4 -Lealry feeders and.Subsurface radio Communications Monsieur DELOGNE IEE 1982.5.T61etiansmission d'imagcs et d'informadons ä haut debit sans cäble en chanücrs souterrains. Congres industriemin6rale - Strasbourg • 1990.6.P. vn.LF.NEU VE de JANTI - D. CHARPENTIERA vid6o transmission System based on microwave techniques for remote control of Underground mining ma-chines-Quatriemc Symposium canadien sur l'automaüsaüon miniere Saskatoon - Septembre 1990.Fig. l: Operateur dipla^nt un emeneur dans une taille- 4 -E amplitude du champ electrique60 dbFrequence 950 MHzPolarisation Horizontale - HorizontaleEmetteur dipoleCQ Recepteur dipole4030Piles de soutenement20 -1010 20Distance Emetteur Recepteur30 metresFigure 2: Champ electrique recu dans une taillc en Polarisation horizontaleE amplitude du champ electrique60 dbFrequence 950 MHzPolarisation Venicale - VenicaleEmetteur dipoleCQ R6cepteur dipole4030201010 20Piles de soutene-nentDistance Emetteur Recepteur30 metresFigure 3: Champ electrique recu dans une taille en Polarisation verticale5 -RECEPTEUR ASYSTEME DE SELECTIONDELAMEILLEURERECEPTIONRECEPTEUR BRECEPTION SUR LA VOm ARECEPTION SUR LA VOIE B\^^^\. ^ ^A—^ o ' v r - 7' VRECEPTION EN DIVERSITEFigurc 4 : principe d'une rteeption en diversi«- 6 -Figure 5: recepteur hyperfrequencc en diversitiFigure 6: Ensemble de teletransmission video ei numerique- 7 -CAMERAAUTOMATEPROGRAMMABLEGESTION DESDONNEESETCODAGEEMETTEURHYPERFREQUENCE ANTENNECAPTCURSANALOGIQUESETLOCTQUESEMETTEURRECEPTEURHYPERFREQUENCERECEPTEURHYPERFREQUENCESorüe numeriqueSonie vidioTRAITEMENrVIDEO(DIVERSTTE)Sonie vidteSorüe numcriqueTRATTEMENTNUMERIQUE(DIVERSTTE)Sorüe video(choix de l« meilleurc imagc)RBGEPTEUR Sonie numerique(choix du mciUeur signalSYNOPTIOUE DE LA TRANSMISSION DTMAGE ET NUMF.Rirn ffFigure 7: Architecture de la teletransmission video et numerique- 8 -Figurc 8: rfsultats compraison avec et sans divcrsitd- 9

Un système de transmission hyperfréquence d'images et de données numériques pour le télécontrôle d'engins mobiles en milieux confinés

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