X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

На сегодня мы имеем огромное количество летательных аппаратов, как пилотируемых, так управляемых дистанционно. Взглянув на авиационную промышленность в целом можно увидеть, что все крупные компании так или иначе стремятся свести участие пилота при управлении воздушным судном к минимуму. Эта тенденция привела к появлению так называемых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

Основными отличительными требованиями для БПЛА по отношению к пилотируемым летательным аппаратам являются их небольшая стоимость, меньшая масса и габариты (хотя существуют экземпляры БПЛА которые при учете отсутствия пилота практически ничем не отличающиеся от своих пилотируемых коллег). Удешевление БПЛА решается, главным образом, путем замены датчиков в системе управления на менее дорогостоящие, а также путем минимизации числа датчиков системы ориентации и навигации. Обусловлены данные допущения к БПЛА тем, что зачастую от БПЛА не требуется высокой точности пилотирования, а также тем, что порой БПЛА строятся для разового применения.

БПЛА могут использоваться как в гражданских, так и военных целях. Примером задач БПЛА, используемых в гражданских целях, является аэрофотосъемка в целях картографирования, телевизионного наблюдения, наблюдением за отдельными участками суши и водной поверхности, определении стихийных бедствий и катастроф, выявлении очагов пожаров, выполнении поисковых работ. Существует множество типов БПЛА каждый из которых решают свои специфические задачи, однако далее речь будет идти о БПЛА вертолетного типа, или так называемых мультикоптерных БПЛА.

Мультикоптерные системы

Что же собой представляет мультикоптер? Типичный мультикоптер – это дистанционно-управляемый или автономный мультиротационный БЛА с тремя (трикоптер), четырьмя (квадрокоптер), шестью (гексокоптер), восемью (октокоптер) или, реже, двенадцатью бесколлекторными электродвигателями с винтами 1. Причем, винтов может быть по одному на двигатель, или коаксиально по два винта.

Общим для всех аппаратов данного класса является, пожалуй, конструктив и принцип полета. Центральная часть мультикоптера - «фюзеляж» служит для размещения оборудования, нагрузки и батареи. Радиально от центра на балках устанавливаются микроэлектродвигатели с несущими винтами, образуя звездообразную компоновку всего аппарата. Такая симметричная компоновка, тем не менее, предполагает наличие передней и задней частей, относительно которых сориентировано направление движения.

В полете мультикоптер поддерживает горизонтальное положение относительно поверхности земли, может зависать, перемещаться в стороны, вверх и вниз. При наличии дополнительного оборудования есть возможность осуществлять полуавтономные и автономные полеты. Для компенсации возникающего момента, т.е. исключения вращения корпуса, у квадрокоптера, например, передний и задний винты вращаются по часовой стрелке, а левый и правый - против часовой стрелки. Для начала движения квадрокоптер выводится из состояния баланса (висения) путем увеличения скорости вращения (тяги) части винтов. В результате квадрокоптер наклоняется и устремляется в нужном направлении. Для поворота квадрокоптера вокруг своей оси по часовой стрелке, передний и задний винты ускоряют вращение, а левый и правый - замедляют. Аналогично – при повороте против часовой стрелки.

Основные режимы полета обеспечивает бортовая вычислительная система аппарата, как правило, представляющая из себя микрокомпьютер. В такую систему в режиме реального времени поступают данные с датчиков ориентации, эти данные фильтруются, обрабатываются, после чего формируются соответствующие управляющие сигналы, регулирующие работу двигателей. Следует сказать, что без наличия подобной бортовой системы полет мультикоптерных БПЛА не представляется возможным, что вытекает из присущих им особенностям полета.

Для управления БПЛА как правило используются выделенный радиоканал, данный по которому передаются в зашифрованном виде от передатчика (оператор БПЛА) к приемнику. Дополнительно аппарат может комплектоваться платой навигации, GPS приемником, компасом и др. оборудованием.

Считается, что наиболее стабильный полет обеспечивают относительно тяжелые аппараты с большим числом винтов (например, гексакоптер), они обладают лучшей устойчивостью к ветру и приемлемой грузоподъемностью 3. Для повышения грузоподъемности лучше подходят октокоптеры, но они имеют большие габариты и массу. Аппараты с коаксиальной винтомоторной группой, в отличие от обычных (один мотор на один винт), не полностью используют энергию двигателей. На рис. 1 показан так называемый квадрокоптер, т.е. мультикоптер с четырьмя несущими винтами.

Рис. 1. Квадрокоптер фирмы-производителя XIRO

Технические характеристики квадрокоптера фирмы-производителя XIRO 4:

Вес — 1кг

Диагональ — 350 мм

Максимальное время полета — 25 минут

Макс. скорость горизонтального полета: 15 м/с

Макс. скорость вертикального взлета: 6 м/с

Рабочая температура: - 10°С до +50°С

Максимальная дальность управления: до 500 метров

1. 
   
   Стандартный пульт управления

Способы управления мультикоптреными БПЛА

Самым распространённым способом взаимодействия оператора с мультикоптером является пульт дистанционного управления (рис.2), имеющего минимум два рычага, (джойстика).

Рис.2. Стандартная схема пульта управления

По общепринятым производителями правилам левый джойстик отвечает за набор высоты и повороты вдоль вертикальной оси, а правый джойстик задает углы тангажа и крена.

Рис. 3. Описание по эксплуатации квадрокоптера - Hubsan x4 h501s

К достоинствам такого способа управления можно отнести простоту реализации системы в целом. Однако большим недостатком является то, что для его использования необходимо некоторое время потратить на освоение техники пилотирования, что вызывает некоторые трудности у неподготовленных пользователей.

1.  
   Системы спутниковой навигации

Термин “GPS технологии” (или ГЛОНАСС/GPS технологии) применяется для способов определения координат с применением спутниковых радионавигационных систем (СНРС) – американской системы GPS и российской ГЛОНАСС. Каждая из этих СНРС при полном развертывании состоит из 24 спутников, вращающихся на орбитах с высотой около 20 000 км. Спутники непрерывно передают сигналы, содержащие информацию об их положении и точном времени, а также дальномерные коды, позволяющие измерять расстояния.

Определение производится с помощью специальных спутниковых приёмников, измеряющих либо время, либо фазу сигнала на несущей частоте. В первом случае сигналы измеряются с метровым уровнем точности, во втором случае – с миллиметровым уровнем точности. При этом реализован однонаправленный метод измерения расстояний, поскольку GPS и ГЛОНАСС являются беззапросными спутниковыми системами, допускающими одновременное использование их многими пользователями.

Каждый приёмник может производить измерения либо независимо от других приёмников, либо синхронно с другими приёмниками. В первом случае, называемом абсолютным методом, достигается точность однократного определения координат по кодам порядка 1-15 м.

Данный вид управления появился относительно недавно, и предусматривает наличие в квадрокоптере систем спутниковой навигации таких как – GPS, ГЛОНАСС, с помощью которых он может определять свое положение в пространстве. Сам процесс пилотирования заключается в том, что оператор при помощи компьютера или иного устройства, передает координаты точек маршрута, по которым должен двигаться летательный аппарат.

К достоинствам данного вида управления можно отнести то, что сам процесс полета квадрокоптера является практически автономным, т. е не требующим постоянного контроля со стороны оператора.

1.  
   Управление жестами

В настоящие время, быстрыми темпами началось внедрение в БПЛА систем управления, основанных на использовании технологии компьютерного зрения. Под компьютерным зрением понимаются алгоритмы работы и обработки потока изображений, видеоряда, записываемого видеокамерой. Причем обработка данных должна вестись в режиме реального времени, что до недавнего времени было проблемой, поскольку вычислительные системы, занимающиеся обработкой таких данных должны обладать высокой производительностью и малыми габаритами.

Работу такой системы можно представить на примере определения координат мяча по фото [7] (рис.4).

Рис. 4. Алгоритм определения координат мяча по фото

Аналогичные методы работы с изображениями используются для распознавания жестов. Только теперь определяются координаты, описывающие положение тела и конечностей человека, после чего эти данные анализируются и сравниваются с данными уже сохраненными в программе машины, и при совпадении система реагирует тем или иным действием заложенным программой. К примеру, подняв руки вверх можно подать команду квадрокоптеру набрать высоту.

Рис. 5. Определение положения фигуры человека в пространстве [8]

Говоря о преимуществах можно сделать вывод что управление сводится к интуитивно понятным действия не вызывающих больших затруднений у людей ни разу не управлявших квадрокоптерми. Но для каких-либо серьезных целей, требующий быстрой реакции пилота этот способ не подходит. Также большим недостатком является то, что БПЛА должен находится в пределах прямой видимости, что еще больше сужает область применения подобных систем.

Вывод

Проанализировав все выше рассмотренные способы управления мультикоптреными БПЛА можно говорить о том, что каждый из них обладает как достоинствами, так и недостатками. Логичным итогом является создание системы, объединяющей в себе все способы управления воедино, что можно увидеть в мультикоптерах военного назначения. Однако при этом сильно возрастает стоимость таких аппаратов, что ограничивает их доступность для обычных потребителей. Но как это часто бывает, прежде дорогостоящие системы приобретают всеобщую доступность и дешевизну. И если взаимодействие оператора с мулькопторным БПЛА при помощи пульта является самым доступным, а, следовательно, и обкатанным способом, то большими перспективами по развитию и расширению обладают способы, в основе которых лежит использование систем спутникового позиционирования и компьютерного зрения.

Список использованных источников:

Добрынин, Д.А. Применение малых БПЛА мультикоптерного типа для локального мониторинга объектов окружающей среды [Текст]/ Д.А. Добрынин//Ж. Робототехника и техническая кибернетика 1(2)/2014. – с. 33 -37.

Летательные аппараты как объекты управления / Шаталов А.С., Топчеев Ю.М., Кондратьев В.С. – М: Машиностроение, 1972. – 240 с.

Мультикоптеры. [Электронный ресурс]. URL: https://www.drive2.ru/b/1601982/(дата обращения 25.01.2018).

Квадрокоптер XIRO XPLORER. [Электронный ресурс]. URL: http://quadrocopters.su/obzory-kvadrokopterov/kvadrokopter-xiro-xplorer(дата обращения 25.01.2018).

Управление квадрокоптером. [Электронный ресурс]. URL: https://mirquadrocopterov.ru/obshhie-voprosy/kak-upravlyat-kvadrokopterom.html

Обзор глобальных навигационных систем. [Электронный ресурс]. URL: http://www.vspcenter.ru/glonass/system/ дата обращения 30.01.2018).

Object Detection and Tracking using Color Separation. [Электронный ресурс]. URL: http://opencv-cpp.blogspot.ru/2016/10/object-detection-and-tracking-color-separation.html?m=1(дата обращения 29.01.2018).

Means of real and virtual spaces interaction based on three-dimensional scanning of objects using platform Microsoft Kinect. [Электронный ресурс]. URL: http://masters.donntu.org/2012/fknt/sobolev/diss/indexe.htm (дата обращения 30.01.2018)

Код для цитирования: Скопировать