Nagroda Evertiqa: Miłosz Łagan z AGH z autorskim systemem komunikacji łazika planetarnego

Przyznana nagroda to inicjatywa stypendialna Evertiq, której celem jest wspieranie młodych, utalentowanych studentów kierunków elektronicznych w Europie. Po raz pierwszy nagrodę wręczono podczas Evertiq Expo w Tampere 29 listopada 2023 roku. Od tamtej pory inicjatywa stypendialna towarzyszy fińskiej edycji wydarzenia, a w tym roku po raz pierwszy została przyznana również w Krakowie.

"Kraków ma silne tradycje akademickie i dynamicznie rozwijającą się scenę technologiczną, co czyni go naturalnym wyborem kolejnego miejsca na nagrodę od Evertiqa", komentuje Daniel Myrtenblad, Expo Manager w Evertiqu. "To nasz sposób na zachęcanie i nagradzanie tych, którzy już dziś współtworzą przyszłość naszej branży."

Łazik Kalman i potrzeba niezawodnej komunikacji

„Chciałem na samym początku podziękować za wyróżnienie mojej pracy dyplomowej. Na pewno będzie to duża pomoc w rozwijaniu, czy to tego projektu, czy moich dalszych projektów”, rozpoczął Miłosz Łagan.

Łazik „Kalman”, od lat rozwijany przez koło naukowe AGH Space Systems, ma konstrukcję modułową. Co roku dodawane są do niego nowe elementy, a całość dostosowywana jest do startów w prestiżowych międzynarodowych zawodach, takich jak University Rover Challenge na pustyni Utah.

„Sam Kalman jest nie tylko konstrukcją, na której możemy rozwijać różne rozwiązania robotyczne bądź inżynierskie, ale jego główną rolą jest wzięcie udziału w zawodach. Teraz jeździmy z nim dookoła całego świata, bierzemy udział w zawodach w Stanach, w Kanadzie, w Indiach, czy nawet w Australii”, wyjaśnił Miłosz Łagan.

Jak tłumaczył laureat stypendium, podstawą sprawnego działania łazika w trudnych warunkach podczas zawodów jest niezawodna komunikacja. Operatorzy, na podstawie obrazu odbieranego z kamer i danych telemetrycznych, podejmują decyzje o kolejnych ruchach robota. Dotychczasowy moduł radiowy łazika, oparty na technologii MFSK, miał poważne ograniczenie:

“W stacji bazowej był moduł, który nadawał do łazika i w łaziku był kolejny moduł, który to odbierał. Więc właśnie w taki sposób jednocześnie i nadawaliśmy i odbieraliśmy dane. I to jest właśnie konfiguracja, która jest niezalecana przez producenta, przez co w wyniku tego mieliśmy całkiem wysoką interferencję międzykanałową. W ten sposób od 30 do 50% pakietów ulegało uszkodzeniu”, wyjaśnił Łagan.

Nowy system: większy zasięg, lepsza przepustowość

By rozwiązać problem komunikacji, Miłosz Łagan opracował własny system składający się z dwóch płytek PCB: płytki bazowej i modułu radiowego. Sercem systemu jest mikrokontroler STM32H5, który odpowiada za przetwarzanie danych i zarządzanie protokołami komunikacyjnymi. Nowy system pozwala na transmisję w paśmie 430–440 MHz, przy maksymalnej mocy 1 W, i obsługuje zarówno modulację LoRa – umożliwiającą zasięgi do kilometra – jak i GFSK, która pozwala na wyższą przepływność danych w mniejszych odległościach.

Łagan odszedł również od jednoczesnego nadawania i odbioru. W jego autorskim rozwiązaniu komunikacja odbywa się w trybie half-duplex z zaimplementowaną techniką TDMA (Time Division Multiple Access).

„Dzielimy cały dostępny czas na pojedyncze ramki. W każdej z nich jedna strona nadaje, a druga odbiera. Aby uniknąć zakłóceń, przed każdą ramką jest interwał ochronny, który kompensuje opóźnienia w konfiguracji modułu radiowego”, wyjaśnił Łagan.

Synchronizacja bez GPS

Młody inżynier przyznał, że jednym z kluczowych problemów, z którymi musiał się zmierzyć, okazała się synchronizacja czasu między dwoma modułami. Na zawodach często zabronione jest korzystanie z konstelacji GNSS (np. GPS), co wymusiło stworzenie autorskiego mechanizmu synchronizacji. W pierwszym podejściu wykorzystano detekcję preambuły sygnału, ale uzyskana dokładność synchronizacji na poziomie ±100 μs była niewystarczająca - relacjonował Łagan. Dopiero opracowanie drugiej metody, opartej na pomiarze czasu transmisji i przekazywaniu tych danych między urządzeniami, pozwoliło osiągnąć dokładność rzędu pojedynczych mikrosekund. 

„Efektywnie wysyłamy czas transmisji z poprzedniej rundy komunikacyjnej, a odbiornik koryguje na tej podstawie swoje timery”, tłumaczył autor projektu.

Testy i wyniki

Po testach laboratoryjnych przeprowadzono próby terenowe. Podczas spaceru testowego w okolicach Krakowa system osiągnął stabilną komunikację z 100% skutecznością transmisji do 700 metrów. Przy dystansie 1,5 km pakietowa stopa błędów wzrosła, ale wyniki i tak były znacząco lepsze niż w poprzednich rozwiązaniach. 

„Same te wyniki dałoby się jeszcze bardziej poprawić, jeśli zastosowałbym większą ilość symboli preambuły czy zwiększył głębokość kodowania kanałowego” – przyznał Miłosz Łagan.

Inżynier zapowiedział rozwój projektu, między innymi: integrację nowego systemu z całą architekturą łazika, opracowanie modułów radiowych o większej przepustowości oraz możliwość wprowadzenia komunikacji mesh, umożliwiającej współpracę łazika z dronami i wieloma stacjami bazowymi.

Sukces Miłosza Łagana podkreśla znaczenie innowacyjności i determinacji młodych inżynierów w rozwijaniu nowoczesnych technologii. Nagrodzony projekt to doskonały przykład rozwiązania, które ma szansę realnie wpłynąć na kształt przyszłych misji planetarnych i badań kosmicznych. Gratulujemy!