Автопилот беспилотного летательного аппарата на базе смартфона

УДК 629.7.05

АВТОПИЛОТ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

НА БАЗЕ СМАРТФОНА

В.В. Матвеев, М.Г. Погорелов

Рассмотрены основы построения автопилота беспилотного летательного аппарата на базе смартфона.

Ключевые слова: автопилот, гироскоп, акселерометр, магнитометр, симсте-ма ориентации.

В настоящее время наблюдается бурное развитие беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), которые могут быть применены для решения множества задач, выполнение которых пилотируемыми летательными аппаратами нецелесообразно. В число таких задач входит: мониторинг воздушного пространства, земной и водной поверхностей, экологический контроль, управление воздушным движением, контроль морского судоходства, развитие систем связи и др. БПЛА могут быть применены не только для указанных выше целей, но и для других, например, контроля государственной границы. На рис. 1 приведены некоторые образцы БПЛА различных разработчиков [1].

Зачастую БПЛА является летательным аппаратом разового применения, поэтому идея малогабаритных беспилотных летательных аппаратов (МБПЛА), которые были бы с одной стороны достаточно дешевы для их однократного применения, а с другой - достаточно просты, чтобы для их работы не нужны были специально обученные операторы, весьма привлекательна.

«Машина должна быть максимально простой в эксплуатации, авио-ника, управление полетом, навигация - всё должно быть очень и очень продвинутым», - так охарактеризовал эту задачу вице-президент по развитию бизнеса в одной из ведущих израильских компании UVision Амит Мо-раг. Это перекликается и с мнением директора по развитию бизнеса программ по беспилотным аппаратам филиала американской компании BAE Systems в городе Тусон: «Зная, что БПЛА будет уничтожен, вы хотите удержать стоимость на минимуме, а это всегда было первостепенной целью... продолжать снижать стоимость».

В настоящее время появляются интересные решения по созданию МБПЛА методами 3D-печати. Первым в мире МБПЛА, выполненным полностью по технологии 3D-печати, стал самолет Саутгемптонского университета, изготовленный методом лазерного спекания SULSA (Southampton University Laser Sintered Aircraft). Он запускался с помощью катапульты, был оснащен электромоторами и обладал размахом крыла в полтора метра. Первый успешный полет состоялся в 2011 году.

Известным решением также стала модель, разработанная командой инженеров, работающих в Научно-исследовательском центре передового производства при Университете Шеффилда. Данное устройство, являясь пока прототипом, имеет массу около 2 кг и размах крыльев 1,5 м, а его создание заняло не более 24 часов. В качестве материала для изготовления этого МБПЛА использовался только пластик ABS, а конструкция позволила разместить в его носовой части видеокамеру.

Стоимость производства одного такого аппарата пока не озвучена, но его создатели уже заявили, что эта цифра будет гораздо более низкой, чем средняя цена любого из нынешних коммерческих БПЛА, а в идеале такие аппараты можно будет создавать даже в домашних условиях при помощи 3D-принтеров потребительского класса вроде Velleman K8200. Также учеными изучается возможность использования в качестве основного материала для изготовления планера вместо термопластика (FDM технология 3D-печати) более легкий нейлон, с которым аппарат станет на 60 % легче при аналогичной прочности конструкции.

Рис. 1. Беспилотные летательные аппараты различных разработчиков: а - WASP - разведывательный БПЛА

Удешевление стоимости подобных одноразовых МБПЛА должно идти также в сторону снижения стоимости авионики, интеллектуальным ядром которой служит автопилот, содержащий измерительную и вычислительную системы. Основу любого автопилота составляет система ориентации, предназначенная для текущего определения угловых координат МБПЛА в пространстве и обеспечивающая автоматический полет по заданной летной программе, что особенно актуально в случае пропадания сигналов спутниковых навигационных систем.

Разработкой подобных автопилотов успешно занимаются многие зарубежные и отечественные кампании, такие, как «UAV Navigation», «Inertial Labs», «Crossbow technology inc.», «ОАО «Концерн радиостроения «ВЕГА», «Группа компаний «ZALA AERO» и т.д.

Многие компании разрабатывают способы мобильного управления БПЛА, т.е. использования мобильных телефонов и планшетов, работающих на операционной среде Android, в качестве наземной станции управления. Исходный код среды Android находится в открытом доступе, благодаря чему любой разработчик может создать свою версию этой мобильной операционной системы и создать приложения для реализации вычислительных алгоритмов любой сложности.

Надо отметить, что при всех достоинствах автопилотов, предлагаемых данными компаниями, ключевым становится их стоимость. Зачастую речь идет о десятках тысяч долларов или сотнях тысяч рублей. Совершенно очевидно, что их использование в дешевых МБПЛА одноразового применения совершенно не целесообразно.

Однако тот факт, что производители современных смартфонов и планшетов оснащают свои устройства интегрированными блоками, содержащими, как правило, 3-осевые гироскопы, акселерометры, магнитометры, бортовые цифровые процессоры, фотокамеры и прочие датчики первичной информации, позволяет рассматривать эти интеллектуальные платформы в качестве уже готовых прототипов автопилотов для управления движением недорогих МБПЛА однократного применения с временем полета, не превышающим 1 часа.

Целью настоящей статьи являются анализ возможности применения мобильных устройств, работающих на операционной среде Android, в качестве системы ориентации МБПЛА и оценка точности вырабатываемых параметров движения - углов рысканья, тангажа и крена.

Наличие инерциальных датчиков - микромеханических гироскопов (ММГ) и акселерометров (ММА), выполненных по технологии микросистемной техники (МСТ), позволяет реализовать известные алгоритмы построения систем ориентации.

Смартфон как автопилот БПЛА

Современный смартфон в зависимости от ценовой комплектации модели может включать самые разнообразные датчики. На рис. 2, 3 представлена материнская плата смартфона Apple iPhone 4, на которой размещены различные датчики движения [2,3].

Акселерометр (Accelerometer) - самый распространенный датчик, присутствующий даже в самых дешевых смартфонах. Задача акселерометра проста - отслеживать ускорение, которое придается устройству, в том числе и ускорение силы тяжести. При повороте смартфона изменяется его положение по отношению к вектору ускорения силы тяжести. Акселерометр реагирует на это изменение и на основе полученных от него данных запускает процесс, например, смены ориентации экрана. Датчик также используется для масштабирования страниц браузера при наклоне смартфона, обновления списка Bluetooth-устройств при встряске, в специфических приложениях, ну и, конечно же, в играх, особенно в симуляторах. Кроме этого, акселерометр используется в качестве карманного шагомера для подсчета количества шагов, сделанных пользователем.

Рис. 2. Материнская плата iPhone 4

Рис. 3. Материнская плата iPhone 4

139

Гироскоп (Gyroscope Sensor) - следующий по популярности датчик смартфона. История возникновения гироскопа берет свое начало еще в середине XIX века, когда Л. Фуко демонстрировал прибор для регистрации суточного вращения Земли. Затем гироскопы начали применяться во флоте в качестве морских гирокомпасов, а потом получили широкое распространение и в авиации. По своей конструкции гироскоп в мобильных телефонах мало напоминает классические роторные гироскопы. В гироскопах мобильных устройств, называемых микромеханическими (ММГ) или микроэлектромеханическими системами (МЭМС), нет быстровращающегося ротора-волчка, а присутствуют специальные чувствительные элементы, совершающие колебательное движение. Амплитуда таких колебаний является мерой угловой скорости смартфона.

Магнитометр (Magnetic Field Sensor), как и привычный магнитный компас, отслеживает ориентацию устройства в пространстве относительно магнитного поля Земли (МПЗ). Информация, полученная от компаса, используется в картографических и навигационных приложениях.

На базе акселерометров, гироскопов и магнитометров может быть реализован автопилот БПЛА. Облик системы автопилот-БПЛА приведен на рис. 4.

Рис. 4. Облик системы автопилот-БПЛА на смартфоне

На смартфоне, содержащем магнитометры, гироскопы и акселерометры, реализуются алгоритмы ориентации БПЛА, вычисляющие углы курса, тангажа и крена. Смартфон по каналу WI-FI передает информацию об углах ориентации на блок управления, который воздействуя на органы управления (руль направления, элероны, рули высоты), стабилизирует БПЛА на траектории или заставляет лететь БПЛА по заданной программе. Кроме того, видеокамера смартфона передает панораму местности на наземный пункт.

Беспилотный летательный

аппарат i Смартфон

управления

Магнитометрическая система ориентации

Магнитометрическая система ориентации основана на показаниях магнитометрических датчиков. Если смартфон/планшет установлен на поверхности, близкой к горизонтальной, то по сигналам магнитометров Hx и HY может быть однозначно определен азимут, т.е. угол между его осью Y и направлением на магнитный север. Азимут изменяется от 0 до 360° и отсчитывается от направления на магнитный север по часовой стрелке. Знаки сигналов магнитометров Hx и HY могут служить информацией о том, в каком квадранте находится ось продольная У смартфона/планшета. Азимут смартфона может быть вычислен по следующей формуле [3, 4]:

180

Нх / Ну), если Нх < 0, Ну > 0,

A =

p i on

360--arctg(HX / HY), если HX > 0, HY > 0,

p

1 80

180 - — arctg(HX / HY), если HY < 0, p

90, если HX < 0, HY = 0,

270, если HX > 0, HY = 0.

Для подтверждения работоспособности формулы (1) проводился эксперимент на планшетном компьютере ASUS ME302C, содержащем магнитометры, гироскопы и акселерометры компании Invensense. Исходные сигналы магнитометров содержат погрешности типа «смещение нуля», вызванные различными сторонними полями планшета. Для устранения указанных погрешностей необходимо выполнить калибровку для оценки величин «смещения нуля». Суть калибровки заключается в следующем: планшет устанавливается на горизонтальный стол и приводится во вращательное движение. В этом случае показания магнитометров будут модулироваться горизонтальной составляющей магнитного поля Земли (МПЗ). Если в сигналах магнитометра нет смещения, то построенный в декартовой системе координат график сигналов горизонтальных магнитометров образует окружность с центром в точке начала координат. Если же в сигналах магнитометра наблюдается смещение, то и окружность будет смещена относительно начала координат.

Для считывания данных с магнитометров использовалась бесплатное приложение AndroSensor (рис. 5). Для обработки этих даных была использована программа Mathcad.

Планшет устанавливался на гладкий горизонтальный стол вдали от электроприборов, чтобы избежать еще больших погрешностей. Затем была запущена программа AndroSensor в режим записи показаний магнитометров, и планшет был приведен во вращательное движение. После совершения двух оборотов запись была остановлена, и файл, в который записыва-

лись данные, передавался на компьютер для их анализа и калибровки по указанной выше методике. Графики «сырых» и калиброванных данных магнитометров приведены на рис. 6, а, где пунктирная линия - «сырые» данные, а сплошная линия - откалиброванные значения.

ш » а а к

' \J | AndroSensor

АКСЕЛЕРОМЕТР: (0.0mA) х:-0,3404 m/s!

Ш у:+0.4893 m/s1 z:-19,6060 m/s5

1м-Т9,6151 m/s»_

ГИРОСКОП: (5,5rnA) Х:+2,7965 rad/s Y:-0,92Ü5 rad/s Z:+0,4912 rad/s

Рис. 5. Окно программы АМгоБетог

а

б

Рис. 6. Обработка данных магнитометров планшета: а - калибровка магнитометров; б - вычисление азимута

По калиброванным данным вычислялся азимут планшетного компьютера в соответствии с формулой (1) (рис. 6-б). Точность вычисления азимута составила несколько градусов, что приемлемо для использования в БПЛА.

Акселерометрическая система ориентации

Как известно, акселерометры позволяют материализовать в пространстве вертикаль места или, что то же самое, плоскость горизонта подобно строительному уровню или отвесу, что позволяет определить углы тангажа и крена смартфона/планшета, а следовательно, и БПЛА. Пусть XYZ - система координат, жестко связанная со смартфоном/планшетом, причем ось X- поперечная ось, Y- продольная ось смартфона, Z - перпендикулярна плоскости экрана и дополняет две предыдущие до правой системы координат (рис. 7). Введем неподвижную систему координат X0Y0Z0,

у которой оси Х^0 лежат в плоскости горизонта, а ось Z0 направлена по вертикали вверх. Система координат XYZ повернута последовательно на углы тангажа Ф и крена у относительно системы координат X0Y0Z0.

Рис. 7. Неподвижная система координат X0Y0Z0 и система координат XYZ, связанная со смартфоном/планшетом

В соответствии с рис. 7 показания акселерометров определяются следующими отношениями:

Ax = -g cos J sin g,

Az = gcos J cos g.

Из соотношений (2) углы тангажа J и крена g БПЛА определяются следующим образом:

х

Ay = g sin J,

Таким образом, информация об углах тангажа и крена планшета может быть получена на основе показаний акселерометров, из которых необходимо предварительно устранить смещение нулей по формулам

Dax = mean( Ax ),

Aay = mean

Daz = mean( Az ) - 9,8 при условии, что смартфон/планшет расположен в плоскости горизонта.

Для проведения калибровки акселерометров на неподвижный стол устанавливался планшет и производилась запись с помощью программы AndroSensor в течение 20 секунд. Далее планшет был повернут на углы тангажа +45... 80° и крена +45... 70°. Затем полученные данные были переданы на компьютер для их анализа и калибровки по указанной выше методике. Результаты расчетов приведены на рис. 8.

&

* -а

и (к

К ~ ~

и Н

SO 40 20 0 -20 -40 -60 -S0 100

112.5

1 1 / л i Тангаж --•Крен

1 t 1 1 t t / \

/ / l t / \

% t * t 1 \

\ : * t \ j I

V l 1 t % 1 \

'.I II >

225 337.5

450 к

562.5

675

787.5

900

Отсчеты

Рис. 8. Графики углов тангажа и крена планшета, полученные

по сигналам акселерометров

Данные эксперименты подтверждают работоспособность акселеро-метрической системы ориентации, точность которой составила 1.. .2°.

Гироскопическая система ориентации

Данная система основана на интегрировании сигналов трех гироскопов, которые по своим измерительным свойствам являются датчиками угловой скорости. Каждый из гироскопов измеряет соответствующую угловую скорость к>х, оу, . По информации о данных проекциях углы рысканья у, тангажа Ф и крена у могут быть определены на основании следующих соотношений:

У к+1 = У к + То^к,

к+1 =к + Т0™ Хк ,

У к+1 = Ук + Т0^Ук, где Т0 - период дискретности; к = 0,1,... - дискретные отсчеты.

Перед использованием соотношений (5) необходимо также калибровать гироскопы для оценки их смещений нуля, которые затем в полете должны исключаться. Алгоритм (5) испытывался на планшете, который поворачивался на + 25, +35 и +40° по углам рыскания, тангажа и крена и возвращался в исходное положение. Результаты экспериментов приведены на рис. 9. Точность воспроизведения углов составила несколько градусов. При длительном использовании гироскопов для определения углов ориентации БПЛА наблюдается накапливание погрешностей со временем, вызванное остаточной недокалибровкой и шумами.

45 40

35

13030

Фк-—

71

130 3

13015 -

71

10

- 1 1 1 -Угол рысканья - - • Угол тангажа.    Угол крена

* ч / * ;

( * 1 » .

1 » *

1 1 1

1 1 1 % В

/ * •

1 %

» — —

3.5 7 10.5 14 17.5 21 24.5 23 31.5 35 к ТО

Время. с

Рис. 9. Графики улов рыскания, тангажа и крена планшета, полученные по сигналам гироскопов

Комплексирование датчиков

Каждая в отдельности взятая система ориентации мобильного устройства или любого другого подвижного объекта не удовлетворяет всем необходимым характеристикам точности и надежности. Каждая из рассмотренных выше систем ориентации обладает определенными преимуществами и недостатками.

Преимуществами электронного компаса являются отсутствие тенденции к накоплению погрешностей и избирательность к направлению на магнитный север. К недостаткам можно отнести подверженность воздействию внешнего магнитного поля и шум магнитометров.

Акселерометрическая система ориентации также не имеет тенденции к накоплению погрешностей, избирательна к плоскости горизонта, но подвержена ускоренному перемещению, и выходной сигнал содержит высокочастотный шум.

Гироскопическая система ориентации не требует никакой внешней информации, позволяет определять все три угла ориентации объекта. К недостаткам системы следует отнести тенденцию к накоплению погрешностей и неизбирательность к направлению на север и к плоскости горизонта.

В связи с этим датчики объединяют в комплексные (корректируемые) измерительные системы, превосходящие качество каждой в отдельности взятой системы. Коррекция посредством гироскопической системы ориентации по акселерометрам позволяет устранить накопление погрешностей по углам тангажа и крена и придать системе свойство избирательности по отношению к местному горизонту. В работе рассмотрен вариант коррекции гироскопической системы ориентации посредством акселеро-метрической (рис. 10), в котором сигналы каждой из систем сравниваются, а разностный сигнал подается в фильтр нижних частот (ФНЧ). Последний, ослабляет высокочастотные погрешности акселерометрической системы и пропускает низкочастотную погрешность гироскопической системы. В результате фильтрации удается оценить погрешность гироскопической системы ориентации, которая затем исключается.

Рис. 10. Блок-схема комплексирования гироскопической и акселерометрической систем ориентации

В работе производилось экспериментальное подтверждение работоспособности схемы комплексирования. Планшет устанавливался на горизонтальный стол и поворачивался по крену. После возвращения планшета в исходное положение по планшету наносилось импульсное воздействие. Одновременно производилась запись сигналов гироскопов и акселерометров. Затем полученные данные передавались на настольный компьютер и с помощью программы Mathcad обрабатывались в соответствии со схемой на рис. 9. Результаты расчета угла крена приведены на рис. 11.

Рис. 11. Графики углов крена, полученные по гироскопу и акселерометрам соответственно

Анализ графиков на рис. 11 позволяет сделать вывод, что акселеро-метрическая система ориентации не имеет тенденции к накоплению погрешностей, но подвержена шуму и импульсному воздействию. Гироскопическая система ориентации лишена этих недостатков, но имеем тенденцию к накоплению погрешностей. На рис. 12 приведен комплексирован-ный угол крена для сравнения с гироскопическим (рис. 12, а) и акселеро-метрическим (рис. 12, б) углом крена. Как видно из рис. 12, комплексиро-ванный угол крена лишен недостатков гироскопической и акселерометри-ческой систем, взятых в отдельности, что подтверждает целесобразность комплексирования датчиков.

-16

-24

-32

-40

...... Комплексировэнный угол крена — Акселерометрический угол крена

-

, 1

1 1 1

!

О 4.5

13.5 18 22.5 27 31.5 36 40.5 45

Время, с

Рис. 12. Комплексированный угол в сравнении с гироскопическим (а) и акселерометрическим (б)углом крена

Заключение

В работе показана целесообразность использования смартфона в качестве автопилота беспилотного летательного аппарата. Приведены и апробированы алгоритмы акселерометрической, гироскопической и магнитометрической систем ориентации. Выявлены преимущества и недостатки каждой из систем. Разработана схема комплексирования датчиков, позволяющая устранить недостатки каждой в отдельности взятой системы.

Список литературы

1. Распопов В.Я. Микросистемная авионика: учеб. пособие. Тула: «Гриф и К», 2010. 248 с.

2. J. Dixon-Warren Motion sensing in the iphone 4: mems accelerometer [Электронный ресурс] // Mems Journal: [сайт]. [2010]. URL: http://www.memsjournal.com/2010/12/ (дата обращения: 25.12.2014).

3. Лабораторный практикум по дисциплине «Инерциальные и интегрированные навигационные системы» Ч. I. Системы ориентации на мобильных устройствах: учеб. пособие для вузов/под общ. ред. В.В. Матвеева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 100 с.

4. The impact of sensor parameters on the accuracy of a strapdown iner-tial vertical gyroscope / V. Ya. Raspopov, M.G. Pogorelov [ef al.] // Automation and Remote Control. 2013. Vd. 74. № 12. P. 2189-2193.

Матвеев Валерий Владимирович, канд. техн. наук, доц., tgupu@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

ПогореловМаксим Георгиевич, канд. техн. наук, доц., tgupu@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

AUTOPILOT UNMANNED AERIAL VEHICLES BASED ON MOBILE V.V. Matveev, M.G. Pogorelov

The paper discusses the basis of construction autopilot UAV on smartphone.

Key words: autopilot, gyro, accelerometer, magnetometer, attitude control system.

Matveev Valery Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, tgu-pu@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Pogorelov Maxim Georgievich, candidate of technical sciences, docent, tgu-pu@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University