В. И. Кортунов1,А. В. Мазуренко1, ватик мухаммед али хусейн
 Скачать 1.1 Mb.
|
|
Бортові системи керування 49 Автопилот «Pixhawk» (PX-4) компании 3D- robotics, Inc. (США). Автопилот «Pixhawk» (PX-4) это один из лучших на сегодняшний день так назы- ваемых «открытых проектов» (open source project), то есть проектов с открытым кодом и схемами [17]. Является развитием таких открытых проектов как Ardupilot, APM. Разрабатывается, поддерживается и тестируется большим количеством независимых разработчиков со всего мира. Изготавливается про- мышленно и продвигается на рынке авионики ком- панией 3D-robotics [18]. Имеет хорошие массогаба- ритные показатели: размеры основного модуля – 82х50х16 мм, вес – 38 г. В составе АП используется мощный современный ARM-микроконтроллер с вычислительным ядром Cortexтм-M4 с тактовой частотой 168 МГц. Реализована стандартная для такого класса АП функциональность. Ориентиро- вочная стоимость базового комплекта $450-$500. В открытости проекта есть и плюсы и минусы. Достоинства заключаются в доступности исходных кодов, которые «продвинутый» потребитель может адаптировать под свои задачи, а также то, что при большом количестве независимых разработчиков есть возможность оперативно расширять функцио- нальность, тестировать АП и устранять ошибки (но и добавлять свои). Расширяемость проекта для дру- гих пользователей приводит к повышенному уров- ню ошибок, так как не гарантируется 100%-я тесто- вая проверка внесенных изменений. Использование такого АП предполагает тщательное тестирование опытного образца в полете, выявление недоработок. Другая сторона открытости проекта таит в себе его недостаток. Он заключается в том, что управле- ние БпЛА с открытым кодом можно «перехваты- вать», что недопустимо при их использовании для решения специальных задач. Кроме того, «откры- тые» проекты, как правило, не обеспечивают доста- точной технической поддержки пользователя, кото- рый остается «один на один» с приобретенным АП или ищет «друзей» на форумах для решения воз- никшей проблемы. Автопилот «АП-АВИА» ООО «КБ АВИА» (Украина). Конструкторским бюро «АВИА» разра- ботан отечественный автопилот АП-АВИА (рис. 1), получен опыт его эксплуатации на БпЛА отечест- венного и зарубежного производства. Автопилот «АП-АВИА v3.x» выполнен на ос- нове бесплатформенной инерциальной навигацион- ной системы на интегрированных микромеханиче- ских датчиках с использованием оригинальных соб- ственных алгоритмов управления БпЛА. Построен по мини-модульной легко расширяемой структуре с использованием помехоустойчивого CAN-интер- фейса связи между модулями. Модульная структура его конструкции позволяет легко размещать автопи- лот в свободных местах не только мини-, но и мик- ро-БпЛА. «АП-АВИА» обеспечивает режимы автомати- ческого взлета, посадки, автоматического полета по заданному маршруту, а также автоматического воз- врата в район взлета при превышении заданной дальности, при снижении напряжения питания ниже критического уровня для всех типов БпЛА. Включа- ет легко модифицируемое, под потребности заказ- чика, программное обеспечение нижнего и верхнего уровней отечественной разработки. Поддерживают- ся различные типы ЛА от мультироторов с 3-мя мо- торами, до самолетно-вертолетных-гибридных ЛА. Достоинством также является постоянная техниче- ская поддержка на территории Украины. Рис. 1. Комплект автопилота «АП-АВИА v3.x» Кроме вышеперечисленных существует боль- шое количество коммерческих автопилотов, таких как, например, автопилоты серий Naza и WooKong фирмы DJI [19], «Panda» фирмы FeiYu Electronic Technology Co., Ltd. [20], автопилоты серий 35х1, 36х1 компании UNAV [21], автопилот RVOSD ком- пании и RangeVideo [22] и т.д. Разработка собствен- ного автопилота мини и микро-БпЛА является не простой научно-технической задачей для различных специалистов от математиков, программистов до механиков и испытателей. Обзор радиоканалов связи и управления используемых современными АП В зависимости от режимов полета и решаемых задач, которые может обеспечивать АП, для его функционирования на борту БпЛА могут использо- ваться следующие типы каналов связи: канал ручного радиоуправления – радиоканал пульта управления (или джойстика) для управления БпЛА в ручном или полуавтоматическом режимах полета. В автоматическом режиме может использо- ISSN 1814-4225. РАДІОЕЛЕКТРОННІ І КОМП’ЮТЕРНІ СИСТЕМИ, 2016, № 1 (75) 50 ваться на этапе предполетной подготовки БпЛА или для перехода в ручной\полуавтоматический режим полета; канал командно-телеметрической радиолинии – используется во всех АП мини и микро-БпЛА, основной канал связи БпЛА с НСУ. Через этот ка- нал управления и связи с борта БпЛА в режиме ре- ального времени передаются текущие полетные па- раметры, а с НСУ могут передаваться команды управления для БпЛА во всех режимах полета; радиоканал полезной нагрузки – может ис- пользоваться при решении некоторых пользова- тельских задач для передачи видео изображения в реальном масштабе времени на наземную прием- ную аппаратуру. В качестве пульта ручного управления мини и микро-БпЛА, как правило, используются унифици- рованные авиамодельные пульты [23, 24], которые передают ШИМ-сигналы управления ручных мани- пуляторов (ручек управления, дискретных переклю- чателей) с помощью широкополосной модуляции несущей. Как правило, используется диапазон час- тот 2,4 ГГц. Используется также диапазон 30- 40МГц, а в некоторых случаях для увеличения даль- ности действия применяются ВЧ-усилители с пере- носом на несущую частоту 433МГц. Радиус действия стандартного пульта ручного управления составляет десятки – сотни метров, при использовании ВЧ-усилителей может увеличиваться до 3-50 км. В качестве основного канала КТЛ применяются низко- и среднескоростные радиомодемы различных диапазонов частот, мощности, модуляции, техноло- гии передачи данных. Наиболее часто используемые диапазоны частот – безлицензионные (в большинст- ве стран) диапазоны 2,4 ГГц, 900 МГц, 433 МГц, 868 МГц. При этом, как правило, используются промышленные радиомодемы, подключаемые по интерфейсу UART, например [25, 26]. Для передачи видео по радиоканалу чаще всего используются аналоговые радиомодемы. Их досто- инство - малые габариты и цена. Недостатки - не- большой радиус действия (порядка нескольких ки- лометров, в зависимости от мощности передатчика) и низкое качество изображения (высокий уровень помех). В случае использования цифровых видеока- налов качество изображения существенно лучше, но возрастают цена и массогабаритные параметры. Для увеличения дальности действия радиока- налов АП кроме увеличения мощности радиопере- дающих устройств могут использоваться направ- ленные антенны наземной аппаратуры с большим коэффициентом усиления. В этом случае требуется применение так называемого следящего антенно- поворотного устройства (АПУ). Разработанное в Национальном аэрокосмиче- ском университете им. Н. Е. Жуковского «ХАИ» АПУ позволяет отслеживать угловое местоположе- ние БпЛА с точностью ±3º, по информации бортово- го GPS-приемника, получаемой по каналу КТЛ. Раз- работанное АПУ способно вращать две антенны (КТЛ и видеоканала) общей массой до 2,5кг. Функциональное обеспечение АП Современные мини и микро-БпЛА выдвигают достаточно жесткие требования не только к техни- ческим параметрам автопилотов, а также их функ- циональности. Функции САУ направлены на решение основ- ных задач комплекса – выполнение полетного зада- ния (ПЗ) и обеспечение безопасности при эксплуа- тации. Однако различные сферы применения дик- туют и различное исполнение по функциям вследст- вие следующих причин: - ограничение стоимости, так как на «дешевый» БпЛА логично установить «дешевый» АП с ограни- ченными функциями; - готовность к обучению операторов АП, их образовательный уровень определяет не только уро- вень пользовательского интерфейса, но и перечень функций и их содержательность. Например, выпол- нение геодезических задач с помощью БпЛА требу- ет тщательной подготовки ПЗ, необходимо учесть возможности ЛА, погодных условий, рельефа по- верхности съемки, характеристик фотокамеры. Как правило, эту задачу решают высокопрофессиональ- ные специалисты, для которых упрощение САУ яв- ляется несущественным даже в части интерфейса. Но если необходимо упростить управление БпЛА и применять непродолжительное обучение операто- ров, как в случае со специальным применением, то перечень функций АП расширяется как при выпол- нении миссии, так и при подготовке к полету; - необходимость длительного хранения, когда требуется не только заменить аккумуляторы после хранения, но и провести калибровки основных дат- чиков АП. В этом случае АП должен иметь набор функций по их самотестированию и калибровке; - разнообразие используемых карт, также из- меняет набор функций по подготовке миссии. Ино- гда можно обойтись онлайн-картами, но при специ- альном применении БпЛА необходима электронная карта высокого разрешения в памяти компьютера НСУ; - необходимостью вмешательства оператора в выполнение ПЗ, например, прервать полет по по- годным условиям, остановить БпЛА в текущей точ- ке маршрута, а потом продолжить полет, обеспече- ние безопасности при снижении электропитания, Бортові системи керування 51 потери связи, превышения дальности полета и др. Функции ПЗ обеспечиваются пользовательским интерфейсом подготовки к полету, набор специаль- ных команд управления, а также интерфейсом управления БпЛА на этапе выполнения ПЗ. Они включают предполетную диагностику бортового оборудования и прекращение выполнения ПЗ при возникших отказах в АП с выполнением возврата домой или экстренной посадки. Например, в разработке «КБ АВИА» для муль- тироторного БпЛА используется семь команд (авто- матический взлет, полет на точку и зависание, полет на точку с заданным курсом, полет на точку с вра- щением вокруг своей оси, облет точки с заданным радиусом, возврат домой, автоматическая посадка), которые позволяют организовать фотосъемку оди- ночных и площадных объектов. Также предлагаются дополнительные функциональные возможности: адаптируемое ПО наземной станции (с возможно- стью настройки интерфейса под заказчика); отсут- ствие ограничений по дальности применения; мо- дульный принцип построения с возможностью раз- несения модулей (связь модулей по CAN интерфей- су); возможность написания нетиповых команд по желанию заказчика; возможность настройки АП под различные радиомодемы (с интерфейсами UART, USART, CAN); сохранение полетных данных на microSD-карту памяти с частотой 20 Гц; возмож- ность адаптации ПО АП под любой тип аппарата (самолет/вертолет/мультиротор/конвертоплан и др.). В таблице 1 приведена сравнительная характе- ристика некоторых современных АП по основным техническим и функциональным характеристикам. Таблица 1 Сравнительная характеристика некоторых современных автопилотов Характеристика АП-АВИА Pixhawk MP2128 g2 Kestrel v3.0 YS-X4V2 Поддерживае- мые типы БпЛА самолет, верто- лет, трикоптер, квадро-, гекса-, октокоптер самолет, верто- лет, трикоптер, квадро-, гекса-, октокоптер самолет, трикоп- тер, квадро-, гекса-, октокоп- тер, вертолет (отдельная вер- сия) самолет, верто- лет, трикоптер, квадрокоптер квадро-, гекса-, октокоптер Режимы управ- ления ручной, полу- авт., авт. полет по маршруту ручной, полу- авт., авт. полет по маршруту ручной, полу- авт., авт. полет по маршруту ручной, полу- авт., авт. полет по маршруту ручной, полу- авт., авт. полет по маршруту Точность опре- деления позиции (для МР) 1,5 m (горизонт.) 0,5 m (верт.) 1,5 m (горизонт.) 0,5 m (верт.) неизвестн. неизвестн. 1,5 m (горизонт.) 0,5 m (верт.) Точность опре- деления углово- го положения ± 0,3º (крен, тангаж) ± 0,5º (курс) ± 0,3º (крен, тангаж) ± 0,5º (курс) ± 2º ± 5º (крен, тангаж) неизвестн. Частота обнов- ления сигналов управления 100 Гц (200 Гц, 300Гц, 400 Гц) 200 Гц 30 Гц, 400 Гц неизвестн. 100 Гц Поддерживае- мые каналы КТЛ Безлиценз. (433, 868, 900МГц, 2,4ГГц), GSM (GPRS/3G) Безлиценз. (433, 868, 900МГц, 2,4ГГц) Безлиценз. (433, 868, 900МГц, 2,4ГГц), Inmarsat Безлиценз. (433, 868, 900МГц, 2,4ГГц) WiFi Поддержка ги- ростабилизиро- ванного подвеса да да да да да Интегрирован- ный симулятор БпЛА да нет неизвестн. да нет Оценивание ветра да нет неизвестн. да нет Возврат домой при отказе GPS да да неизвестн. да да Интегрирован- ный демпфер да нет нет нет да Рабочая темпе- ратура -5ºC .. +60ºC -5ºC .. +60ºC -20ºC .. +65ºC -40ºC .. +80ºC -5ºC .. +60ºC ISSN 1814-4225. РАДІОЕЛЕКТРОННІ І КОМП’ЮТЕРНІ СИСТЕМИ, 2016, № 1 (75) 52 Анализ возможностей современных АП Анализируя представленные данные по указан- ным АП, можно сделать следующие выводы. Все АП можно условно разделить на несколько классов: - «профессиональные»: «Vector» (UAV Navіgatіon), «Piccolo SL» (Cloud Cap Technology), «MP2x28» (Micropilot), «GNC1000» (Moog Crossbow's), «Kestrel» (Procerus Technologies), «АП-АВИА» (ООО «КБ АВИА»); - «среднего» класса: «Pixhawk (PX-4)» (3D-robotics), «Naza» (DJI), «YS» (Zero UAV Intelli- gent Technology), «Panda» (FeiYu Electronic Technol- ogy Co). - «любительского» уровня: 35х1, 36х1 (UNAV), RVOSD (RangeVideo) и др. Для большинства профессиональных решений требуется разрешение на экспорт из страны произ- водителя и достаточно высокая цена. Большинство существующих АП используют однотипные (или одинаковые) микромеханические и радиоэлектронные сенсоры, поэтому качество ре- шения навигационных задач зависит от алгоритмов работы АП, наличия температурной компенсации и качества калибровки датчиков. Чтобы не зависеть от поставки датчиков, а также для возможности даль- нейшего расширения функциональности АП жела- тельно иметь возможность установки нескольких типов датчиков. Такой возможностью на сегодняш- ний день обладают автопилоты «АП-АВИА» и, в меньшей степени, – «Pixhawk», для других АП такая возможность либо отсутствует, либо отсутствует точная информация об этом. Для БпЛА малых размеров важны не только размеры модулей АП, а также возможность раз- дельной установки модулей (в свободном месте ЛА). Такую возможность, среди представленных АП, имеет только «АП-АВИА». Для динамичных («быстрых») БпЛА (особенно для ЛА мультироторного типа), безусловно, важна скорость реакции АП на изменяющуюся полетную обстановку, поэтому важным параметром является частота дискретизации (частота решения задачи управления). Чем она выше, тем лучше, хотя для динамики современных БпЛА увеличивать частоту дискретизации выше 1кГц особого смысла не имеет. Для большинства представленных АП частота дис- кретизации не превышает 200 Гц, хотя некоторые АП, такие как «MP2x28», «АП-АВИА», позволяют устанавливать частоту дискретизации до 400 Гц. Этот параметр непосредственно связан с часто- той обновления данных датчиков. У «АП-АВИА», например, она составляет 800Гц. Это позволяет производить дополнительную обработку (например, дополнительную фильтрацию) сигналов датчиков. Частота дискретизации также зависит от быст- родействия (тактовой частота работы) БЦВМ, кото- рая должна за один такт дискретизации выполнять все операции по обработке сигналов датчиков и вы- работке сигналов управления. По производительно- сти БЦВМ бесспорным лидером является АП «Pixhawk», который использует в качестве БЦВМ микроконтроллер с процессорным ядром ARM CortexTM -M4 с тактовой частотой 168МГц. Это позволяет реализовать очень сложные и требова- тельные к вычислительной мощности алгоритмы обработки и управления, хотя по результатам прак- тического тестирования загрузка центрального про- цессорного устройства АП «Pixhawk» (даже с уче- том использования в нем операционной системы реального времени) не превышает 30-40%. То есть БЦВМ этого АП выбрана с значительным запасом по вычислительной мощности (на перспективу). Выполнение полетов в сложных климатиче- ских условиях (при температурах ниже 0°С и выше +35°С) возможно только при наличии термокомпен- сации сигналов датчиков. Для этого на этапе произ- водства должна производиться температурная ка- либровка датчиков. Расширенным диапазоном рабо- чих температур обладают только АП профессио- нальной серии, например, «MP2x28» и «Kestrel». Точность управления БпЛА определяется точ- ностью датчиков, которые используются в АП. С учетом того, что большинство АП используют однотипные (часто одинаковые) датчики качество управления в первую очередь и функциональные возможности определяются алгоритмами обработки сигналов датчиков и выработки сигналов управле- ния. И здесь уже на первый план выходит про- граммное обеспечение вычислительных устройств (БЦВМ и вспомогательных микропроцессорных устройств). Точность определения угловой ориента- ции для «АП-АВИА» и «Pixhawk» почти на порядок выше, чем для «MP2x28» и «Kestrel». Расширение функциональных возможностей АП может осуществляться при наличии достаточно- го количества интерфейсов для подключения внеш- них устройств. Для большинства БпЛА достаточ- ным для управления является наличие 4-5 входных и выходных каналов с управлением ШИМ-сигна- лами, но в некоторых случаях могут понадобиться дополнительные каналы управления (например, для управления полезной нагрузкой). Среди рассмот- ренных наибольшим количеством (24 выходных канала) обладает «MP2x28» с дополнительным мо- дулем расширения, хотя в «АП-АВИА» также воз- можно увеличение количества ШИМ-выходов при использовании дополнительных плат расширения. Также отличительной чертой «MP2x28» и Бортові системи керування 53 «АП-АВИА» является возможность использования дополнительного канала телеметрии – радиоканала спутниковой связи и GPRS/3G-канала, соответст- венно. Заключение Рассмотренный состав бортового оборудования БпЛА позволяет обеспечить решение широкого кру- га задач по мониторингу местности и других задач в интересах человека. Однако специфика задач по применению БпЛА требует вариативности, как по функциональному обеспечению, так и техническому исполнению. Одни задачи требуют упрощенного исполнения (для дешевых ЛА), другие выдвигают жесткие условия эксплуатации, третьи требуют за- щищенности каналов связи и т.д. Поэтому разнооб- разие по исполнению, функциональным возможно- стям автопилотов расширяет сферы использования БпЛА. Развитие или совершенствование бортового оборудования современных БпЛА авторам видится уже не в расширении аппаратных возможностей, так как используемые микроконтроллеры с запасом «справляются» с разнообразным программным обес- печением, а в расширении функциональных возмож- ностей, в том числе функций безопасности БпЛА. |