Система автопилотирования типового мультикоптера

В современных системах часто применяются различные средства автоматизации. Не являются исключением мультикоптеры. Как известно мультикоптер – это летательный аппарат с несколькими несущими винтами, вращающимися в противоположные стороны. Количество винтов может быть различно, но, как правило, кратно двум (четыре, шесть, восемь). Принцип управления летательных аппаратов такого типа достаточно прост – для задания необходимого вектора движения изменяется частота вращения (число оборотов) одного или нескольких двигателей одновременно. Таким образом, повышается или понижается подъёмная сила, фактически действующая на конструкцию аппарата в точках крепления двигателей. В качестве устройства управления используются разнообразные микроконтроллерные платы, способные преобразовывать радиосигнал от пользователя в управляющее воздействие на двигатели аппарата.

В функции микроконтроллерной платы чаще всего входит обязанность по стабилизации положения мультикоптера в пространстве по углам крена, тангажа и рыскания. Положение мультикопртера в пространстве определяется инерциальной системой, включающей в себя трёх осевой акселерометр, гироскоп и магнитометр. Располагая необходимой информацией, управляющий микроконтроллер формирует отдельный сигнал для каждого электронного контроллера каждого двигателя мультикоптера, ведущий к изменению частоты вращения соответствующего несущего винта. Таким образом, осуществляется коррекция положения БПЛА в пространстве.

Кроме того, микроконтроллерная плата в обязательном порядке реализует приём радио сигнала от пользователя, дистанционно управляющего аппаратом. Представленные на рынке решения пользовательского сегмента, в основном реализуют радиосвязь на базе технологии Wi-Fi на близких расстояниях или многоканальную связь в диапазоне 2,4 ГГц с помощью специализированных протоколов. В функции имеющихся решений [1, 2] также входят некоторые элементы систем автопилотирования – полёт по маршруту на основе координат от системы GPS (реже ГЛОНАСС), безопасное возвращение на точку старта. Такие системы обладают более высокой стоимостью и комплектуются своими собственными контроллерами стабилизации и управления мультикоптером.

2.    Материалы и методы

Разрабатываемая на кафедре информационно-измерительных систем и физической электроники система автоматического пилотирования для типового мултьтикоптера включает в себя:

- управляющую плату на основе микроконтроллера фирмы Atmel AtMega2560;

• -    набор датчиков расстояния (ультразвуковые и инфракрасные дальномеры);

• -    канал радиосвязи;

• -    GPS приёмник.

Общая структура представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структура системы автоматического пилотирования

В качестве платформы используется мультикоптер с четырьмя несущими винтами типоразмера 450 мм. Такой аппарат позволяет осуществлять экспериментальные полёты не только на улице, но и внутри закрытых помещений. БПЛА оснащён контроллером стабилизации MultiWii 328p [3], программная часть которого является открытой и поддерживается сообществом. Отличительная особенность данного контроллера – невысокая цена при достаточной функциональности. Интерфейс управления бесколлекторными двигателями БПЛА в таком контроллере реализован следующим образом: на вход электронных контроллеров скорости подаётся прямоугольный сигнал длительностью от 1 до 2 мс с периодом следования от 10 до 20 мс. Аналогичным образом организован радиоканал связи с пользователем, который может подавать желаемое задающее воздействие по углам крена, тангажа, рыскания, а также уровень «газа».

Таким образом, для того чтобы мультикоптер мог в автоматическом режиме осуществлять какое-либо движение, на плате управления необходимо сымитировать стандартные действия, производимые оператором мультикоптера.

Поскольку за стабилизацию положения мультикоптера отвечает соответствующий контроллер, достаточно с помощью управляющего модуля подать на вход платы стабилизации соответствующий запрос на изменение положения и удерживать его в течение определённого промежутка времени.

Задача по определению текущей команды возлагается на систему определения текущего состояния БПЛА. В её состав могут входить датчики расстояния, модуль определения координат по стандартам GPS и/или ГЛОНАСС, а также программный алгоритм, реализующий полёт по некоторому маршруту, привязанному к карте местности. В замкнутых помещениях возможно реализовать известные алгоритмы выхода из лабиринта [4]. Кроме того, на основе показаний инерциальной системы, внутреннего таймера и датчиков расстояния возможно реализовать построение карты местности и траектории полёта по аналогии с существующими решениями в области наземных подвижных платформ.

Разрабатываемая система автоматического пилотирования реализует следующие функции: - автоматический взлёт и поддержание заданной высоты;

• -    плавная посадка;

• -    движение в определённом направлении в соответствии с командами управляющего микроконтроллера.

3.    Результаты

Основной подход заключается в том, чтобы стабилизировавшись на определённой высоте, осуществлять попеременное измерение расстояния до окружающих объектов с последующим движением в безопасном направлении, исключая возможность столкновения с препятствиями. Программное обеспечение управляющего микроконтроллера реализовано по принципу конечного автомата. Системный таймер платы управления раз в 40 мс даёт команду на измерение расстояния до поверхности под БПЛА, после чего осуществляется расчёт прибавки управления в канале газа. Процедура расчёта основана на применении известного принципа пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора [5]. После каждого замера текущей высоты относительно поверхности (пола, земли) происходит коррекция скорости вращения пропеллеров. Затем осуществляется замер расстояния по направлению движения, и в течение определённого небольшого промежутка времени в один из каналов регулирования углов подаётся сигнал, провоцирующий плату стабилизации на изменение скорости вращения конкретных несущих винтов. Осуществив некоторое линейное перемещение в пространстве, мультикоптер снова занимает горизонтальное положение.

На момент публикации программное обеспечение платы управления реализует следующие функции и основные команды, принимаемые платой стабилизации MultiWii 328p:

• -    запуск и останов двигателей БПЛА;

• -    подача команды в каналы управления положением мультикоптера;

• -    процедуры взлёта, удержания высоты и посадки;

• -    процедура движения вперёд.

4.    Обсуждение и заключение

Определённую специфику во временные характеристики системы автопилотирования вносят используемые датчики. В силу способа измерения [6, 7] присутствуют некоторые ограничения на скорость исполнения алгоритма. Кроме того, на используемой плате стабилизации шаг дискретизации в каналах управления газом и углами крена, тангажа и рыскания довольно большой, а количество возможных градаций составляет всего 125

вариантов [8]. Очевидно, в таком случае задача стабилизации мультикоптера по высоте не может быть решена с высокой точностью. Существующие системы стабилизации имеют на борту высокоточные альтиметры, но и они дают приближённое значение высоты в силу ряда факторов (набегающий поток воздуха от вращающихся винтов, «дребезг» сигнала).

По результатам проведённых экспериментов можно говорить о том, что в случае использования встроенного в плату стабилизации альтиметра колебания мультикоптера по высоте при неизменном уровне газа составляют в среднем около 20-30 см с периодическими выбросами, т.е. резким изменением положения мультикоптера. С использованием инфракрасного дальномера при высоте зависания до 40 см амплитуда колебаний БПЛА составляла от 10 до 15 см, а при высоте выше 50 см разброс итоговой координаты уменьшается. Предполагается, что это связано с определённым падением производительности несущих винтов вблизи поверхности, а также неточностью управления.

В качестве решения представленных ранее проблем предлагается использование более функциональных контроллеров стабилизации, имеющих более широкий диапазон регулировки каналов управления. Кроме того, на рынке представлены решения, обладающие большими вычислительными мощностями [9, 10], которые с одной стороны позволят реализовать затратные с точки зрения ресурсов операции по расчёту управляющих поправок за необходимое время, а с другой смогут совмещать функции стабилизации, принятия решения о дальнейших действиях, передачи телеметрии на удалённую вычислительную машину. Такой подход заметно улучшает массогабаритные характеристики БПЛА, экономит ресурс батареи питания.

Развитие микроэлектронной базы позволяет удешевить разработку разного рода интеллектуальных систем и БПЛА в данном контексте не являются исключением. Необходимость в разнообразных средствах автоматизации полёта будет только увеличиваться, поэтому разработки в области систем автопилотирования длительное время будут оставаться актуальными. Отличительной особенностью разрабатываемой системы автоматического пилотирования является относительная простота её интеграции в контур управления мультикоптером, что позволяет использовать её в качестве резервной в случаях отказа связи, или же основной в контексте рутинных операций при выполнении полёта по заданию.

Выражаю благодарность директору студенческого бизнес инкубатора Петрозаводского государственного университета А. П. Коновалову, ведущему программисту сектора пространственных и графических данных Петрозаводского государственного университета С. А. Завьялову, доценту кафедры ИИСиФЭ Петрозаводского государственного университета С. Ю. Курскову и многим другим за активную помощь в реализации исследования.

Работа выполнена в рамках минипроекта «Разработка системы управления автономного летающего робота на базе стандартной мультикоптерной платформы» программы стратегического развития ПетрГУ на 2012-2016 гг.