Как мы приготовились к UAV Challenge 2016 / Хабр

Esc – электронные регуляторы скорости (оборотов)

Электронный регулятор скорости (ESC) — это электронная схема, установленная на каждом двигателе и предназначенная для изменения оборотов электродвигателя, его направления, а также торможения.

Электронные регуляторы скорости являются важным компонентом современных квадрокоптеров. Они предоставляют высокую мощность, высокую частоту и 3-фазный переменный ток для двигателей. Одновременно с этим, ESC очень маленькие и компактные. Квадрокоптеры и дроны полностью зависят от переменной скорости двигателей, приводящих в движение пропеллеры.

Бесколлекторный двигатель для quadcopter на алиэкспресс — купить онлайн по выгодной цене

Важность понимания того, как летает и работает квадрокоптер

С небольшим опытом управления полетом, квадрокоптер становится практически автоматическим. Вы перемещаете джойстики на пульте радиоуправления, направляющие дрон в любом направлении, в котором вы хотите, чтобы он летел. Нам не нужно думать о том, что делают двигатели или пропеллеры.

Теперь предположим, что мультикоптер полетел неправильно. Может быть, его тянет в каком-то направлении, и он не зависает на одном месте. Хорошее понимание того, как летает и работает квадрокоптер, поможет вам найти проблему с двигателем или пропеллером, особенно если визуальный осмотр не выявил неисправности.

Когда вы понимаете конструкцию пропеллеров (винтов) квадрокоптера и тягу двигателя, у вас появляется возможность внести изменения в свой дрон. Например, снять камеру и установить что-то другое, например датчик времени полета или лидар. Полеты с дополнительным весом влияют на контроль, полет и баланс беспилотника.

Если вы проектируете или создаете свой собственный квадрокоптер, то понимание конструкции двигателя и винта является важной информацией. Вам нужно подобрать правильную конфигурацию двигателя квадрокоптера, соответствующие пропеллеры, электронные схемы управления скоростью, а также IMU и GPS вместе с соответствующим корпусом.

Объяснение направления вращения двигателя и гребного винта Quadcopter

Вспомогательный летательный аппарат

Помимо описанного главного беспилотника, мы решили использовать вспомогательный, который бы отвечал за ретрансляцию в канале связи между наземной станцией оператора и главным летательным аппаратом. Действительно, если наш основной беспилотник удаляется от наземной станции на несколько километров, то поддержание прямой радиосвязи для получения телеметрийных данных и передачи команд становится проблематичным, как в силу убывания мощности сигнала с увеличением расстояния, так и из-за появляения препятствий на линии прямой видимости между антеннами на земле и на борту аппарата.

Справляться с трудностью установления прямой радиосвязи путем увеличения мощности сигнала не всегда представляется возможным, так как, во-первых, существуют государственные ограничения, определяющие максимальную позволенную мощность радиосигнала, и, во-вторых, увеличение мощности может не приносить позитивного результата, особенно когда летательный аппарат находится на малой высоте на большом удалении.

Главный летательный аппарат

В качестве основного беспилотника для выполнения миссии мы решили использовать квадро-самолет – комбинацию квадрокоптера и самолета классической компоновки. Необходимость обеспечения вертикального взлета и посадки сразу убрала из нашего внимания стандартные схемы с неподвижным крылом, так что основными альтернативами выбранному варианту были конвертоплан и вертолет.

Версия с конвертопланом была отвергнута из-за того, что при фиксированном шаге винта двигатели конвертоплана обречены на низкую эффективность, что для нас было неприемлемо в силу предполагаемой необходимой дальности полета; постройка же конвертоплана с переменным шагом винта предполагала степень механической сложности, с которой мы, как студенческая научная организация, не могли иметь дела в силу ограниченности ресурсов.

Для варианта с вертолетом мы также ожидали встретить трудности с механикой, но они не выглядели чересчур удручающими, и от этой опции мы отказались в значительной степени потому, что квадро-самолет выглядел, как более оригинальная и интересная платформа.

Двигатель и пропеллеры | квадрокоптеры

Задание челленджа

Чтобы дать понять масштаб задачи, имеет смысл коротко описать миссию, представленную для соревнований. Задачей команд ставилось доставить образец крови от Джо – жителя сельской местности, который, по легенде, внезапно почувствовал себя плохо, находять в своем доме за городом.

Дом Джо отрезан от города паводками, поэтому, чтобы достичь его и прилететь обратно, летательному аппарату нужно вцелом преодолеть до пятидесяти одного километра воздушного пространства по непрямолинейной траектории. Кроме того, положение Джо известно только с точностью до ста метров, и с целью близкого призмеления и избежания нанесения вреда человеку летательный аппарат должен локализовать его более точно уже будучи на месте.

Также усложняет ситуацию тот факт, что нет почти никаких гарантий по поводу ландшафта как в месте начала миссии, так и в окресностях Джо, так что беспилотник должен обладать возможностью вертикальных или условно-вертикальных взлета и посадки, а также системой, позволяющей с достаточной степенью надежности выбрать подходящее место для приземления.

Организаторы челленджа поощряют как можно более автономное поведения беспилотника, так что лучший возможный подход заключается в полном исключении действий пилота из миссий, начиная от вылета с места старта и заканчивая приземлением с пробой крови на том же месте.

Помимо главного, “доставочного”, беспилотника в миссии может принимать участие вспомогательный летательный аппарат. К обоим аппаратам предъявляется довольно широкий ряд требований с целью обеспечить их как можно более безопасный полет и корректное поведение в непредвиденных ситуациях.

Карта с обозначенными местом отправления, местом назначения и позволенной областью полета

Как летает квадрокоптер

Изменения на пульте дистанционного управления, посылают сигналы на центральный полетный полета. Центральный контроллер полета передает эту информацию в электронные регуляторы скорости (ESC) каждого двигателя, которые, направляют каждый двигатель на увеличение или уменьшение скорости.

Движение ручки дистанционного управления → Центральный контроллер полета → Электронные схемы управления скоростью (ESC) → Двигатели и пропеллеры → Движение квадрокоптера или зависание.

Как работает квадрокоптер

Как квадрокоптер зависает или летит в любом направлении, поднимается или опускается в одно мгновение, от прикосновений к ручке пульта дистанционного управления. Дроны способны летать автономно через запрограммированное программное обеспечение для навигации по маршрутным точкам и летать в любом направлении от точки к точке. Давайте рассмотрим используемые технологии в мультикоптерах в подробностях.

Направление вращения пропеллеров наряду со скоростью двигателя дрона, что делает возможным его полет и маневренность. Пульт радиоуправления квадрокоптером отправляет информацию контроллеру на беспилотнике, и передает данные двигателям через их электронные схемы управления скоростью (ESC) о тяге, оборотах, и направлении.

Несмотря на то, что современные технологии беспилотных летательных аппаратов и квадрокоптеров являются современными, они все еще используют старые принципы парного полета, гравитации, действия и реакции.

При изготовлении квадрокоптеров, винтов и конструкции двигателя учитываются основные 4 силы, влияющие на весь полет: вес, подъем, тяга и также являются важными факторами. Математика используется для расчета тяги двигателя квадрокоптера, в то время как аэродинамика самолета используется для расчета винта и движения воздуха над, под и вокруг квадрокоптера.

Колчество магнитов

Иногда в маркировке мотора можно увидеть еще такое обозначение (12N14P). Число перед N означает количество электромагнитов (зубьев) в моторе, а число перед P – количество постоянных магнитов. В большинстве своем, моторы для квадрокоптеров имеют именно такую конфигурацию.

Моторы с меньшим KV могут иметь немного меньшее количество магнитов, для более эффективного набора тяги, но сильно этот параметр на крутящий момент не влияет. поэтому чаще всего данный параметр упускается из обозначений и обращать особого внимание на него не стоит.

Конструкция

Перед проектированием “серьезной” модели квадро-самолета мы собрали пробную модель – аппарат, который мы назвали “Уродец”. Этот гибрид был сделан на основе готового купленного модельного самолета и был предназначен для проверки работоспособности самой идеи квадро-самолета, а также всех адаптируемых нами нововведений в контроллере полета.

Тестовый летательный аппарат

С самого начала разработки было ясно, что коптерные винты и двигатели будут создавать дополнительные сопротивление и дисбаланс в самолетном режиме, поэтому мы решили постараться сделать конструкцию самого самолета как можно менее “тормозящей” и как можно более устойчивой.

Кроме того, нашим исходным требованием было сохранить максимум пространства в корпусе самолета, так чтобы там поместилось оборудование системы компьютерного зрения и литий-полимерные батареи с емкостью достаточной для выполнения целой миссии (летательный аппарат – полностью электрический).

С указанными исходными данными о конструкции и предположением о массе летательного аппарата, мы приступили к разработке. Сперва при помощи приложения Profili 2.0 был выбран подходящий вариант профиля главного крыла самолета, после чего в XFLR5 мы уточнили форму крыла и оперения в объеме.

Кроме того, в ANSYS Fluent мы проверили, что расположенные в непосредственной близости от крыла коптерные двигатели и пропеллеры не вносят критического изменения в характер воздушного потока на крыле. По выполнению указанных процедур мы перешли к более детальной проработке всей конструкции в SOLIDWORKS.

Проверка потока на коптерных винтах в ANSYS Fluent

При работе над конструкцией особое внимание пришлось уделить корпусу самолета и крылу, так как они имеют максимальное количество деталей и оказывают наибольшее влияние на грузоподъемность и динамику самолета. Специальный подход к этим элементам был необходим не только во время разработки, но и во время сборки, так как нужно было сделать их как можно более легкими, сохранив при этом их достаточную прочность.

Крыло самолета было сделано из трех составных частей: центроплана и правой и левой консолей. Основой для констукции крыла являлся экструдированный пенополистирол. Части крыла были спроектированы таким образом, чтобы их поверхность была прямолинейной, и благодаря этому для точной резки полиэстирола можно было задействовать проволочный ЧПУ станок.

После, заготовки из полиэстирола были подвергнуты дополнительной обработке для того, чтобы повысить их прочность и улучшить аэродинамические характеристики. Так, болванка центроплана была заламинирована при помощи углеволокна и полиэфирной смолы; для того, чтобы заготовка сохранила гладкую и ровную поверхность, на время ламинирования она была обернута плексигласом, помещена в вакуумный мешок и закреплена в пенополистироловом негативе.

Для изготовления консолей крыла не представлялось возможным использовать углеволокно, в том числе по той причине, что в этих деталях необходимо было разместить радиопередающее оборудование (уголь создает интерференцию), поэтому консоли были заламинированы слоем стеклоткани и слоем бальсы.

На краях элементов были сделаны крепления для их сборки в цельную конструкцию крыла. Также в крыле было вырезано место для размещения радио-трансивера, приводов для элеронов, проводов и иного оборудования; в необходимых местах в вырезы были вклеены распечатанные на 3D принтере крепления для оборудования.

В местах, где консоли крыла соединяются с центропланом, также были предусмотрены крепления для продольных балок, на концах которых расположены коптерные двигатели. Крепления консолей крыла, коптерных балок и оперения были напечатаны нейлоном по технологии SLS с повышенной точностью. Крепления коптерных моторов были вырезаны лазером из фанеры и склеены полиэфирной смолой.

Центроплан в процессе изготовления

Каркас корпуса также был изготовлен из фанеры. Необходимые детали были вырезаны из фанеры лазером, после чего склеены в единую конструкцию при помощи цианакрилатного клея. Каркас был оклеен бальсой, усилен на носу и на изгибах углеволокном, и после этого заламинирован стеклотканью.

В конструкции были предусмотрены места для расположения камеры со стабилизатором (передняя часть корпуса), батарей (задняя часть корпуса), а также бортового копмьютера и контроллера полета (середина корпуса). Кроме того, были проработаны соединения для крыла и хвостовой балки, которые позволили удобно расположить силовые и сигнальные провода внутри конструкции самолета.Стабилизатор и руль высоты были сделаны по методу аналогичному изготовлению крыла самолета.

Каркас корпуса беспилотника

Маркировка бесколлекторных моторов.

Давайте рассмотрим на примере популярного мотора A2212 1000KV 12N14P

2212 (BLDC) BRUSHLESS DC MOTOR – безколлекторный мотор постоянного тока, работающий на высоких оборотах, специально разработанный для применения в квадрокоптерах, самолетах и других моделях техники. Данные моторы построены по схеме OUTRUNNER, т.е. вращающаяся внешняя часть и стационарная внутренняя.

Наименование таких моторов обычно выглядит так: 2212 13T 1000KV 2-4S 12N14P

• 22 – Диаметр статора, 22мм в данном случае. Чем больше диаметр статора, тем выше его крутящий момент, тем большего диаметра пропеллер можно установить на модель, тем больше тяга на одних и тех же оборотах, тем меньше энергопотребление необходимое для развития той же мощности, чем для более мелких моторов. Сплошные плюсы 😉
• 12 – Длина статора, 12мм в данном случае. Не путать с высотой мотора. Это высота элемента (зуба), на который накручен проводник внутри мотора.
• 13T – Число витков, оборотов проводника на каждом зубе мотора. Меньшее количество витков означает большую скорость мотора, но меньший крутящий момент, и наоборото, больше витков – меньше скорость и больший крутящий момент.
• 1000KV – количество оборотов мотора на 1 вольт подающегося напряжения. Если на этот мотор подать 10В, то он будет вращаться со скоростью 10 000 об/мин. (RPM) Но помните, это скорость обращения пустого вала, если на вал будет установлен пропеллер или какой-то элемент редуктора, то скорость вращения вала может, и обязательно будет, иной, явно меньшей.
• 2-4S – рабочее напряжение мотора, указывается в количестве банок аккумулятора, подробнее читайте в LI-PO АККУМУЛЯТОРЫ. МАРКИРОВКА.

Материалы

UAV Challenge Medical Express 2023.

от организаторов челленджа о статистике и истории соревнований.

успеха Canberra UAV от Эндрю Триджелла — идейного лидера команды.

Направление двигателя для рыскания

На квадрокоптере, таком как DJI Mavic Pro или последняя версия Mavic 2 Pro, рыскание управляется правой ручкой управления на пульте дистанционного радиоуправления. Перемещение джойстика влево или вправо приведет к повороту квадрокоптера влево или вправо.

Движение на пульте передают сигналы на полетный контроллер, который отправляет данные на регуляторы скорости квадрокоптера, управляющие конфигурацией и скоростью каждого двигателя.

Чтобы увидеть, как это на самом деле работает, взгляните на диаграмму конфигурации пропеллеров выше. На схеме изображен квадрокоптер DJI Phantom 3, вид сверху с роторами, обозначенными от 1 до 4.На приведенной схеме, вы можете видеть конфигурацию двигателя квадрокоптера:

Угловой момент является вращательным эквивалентом линейного импульса и рассчитывается путем умножения угловой скорости на момент инерции. Какой момент инерции? Это похоже на массу, но только он имеет дело с вращением. Угловой момент зависит от того, как быстро вращаются роторы.

Концептуально момент инерции можно рассматривать как представление сопротивления объекта изменению угловой скорости.

Если на двигателях квадрокоптера крутящий момент отсутствует, то общий угловой момент должен оставаться постоянным, равным нулю. Чтобы понять угловое движение вышеуказанного квадрокоптера, представьте, что 2-й и 4-й ротор, имеют положительный угловой момент, а 1-й и 3-й имеют отрицательный угловой момент. Назначим каждому двигателю значение -4, 4, -4, 4, что в сумме равно нулю.

Чтобы повернуть дрон вправо, нужно уменьшить угловую скорость двигателя 1, чтобы иметь угловой момент -2 вместо -4. Если бы ничего не случилось, общий момент импульса квадрокоптера теперь был бы 2. Так вот, этого не может быть. Дрон теперь будет вращаться по часовой стрелке, так что его корпус имеет момент импульса -2.

Уменьшение вращения ротора 1 действительно привело к вращению дрона, но также вызывает проблему. Это также уменьшило тягу от двигателя 1. Теперь направленная вверх сила не равна силе гравитации, и квадрокоптер опускается.

Кроме того, тяга двигателя квадрокоптера не одинакова, поэтому квадрокоптер становится неуравновешенным. Квадрокоптер наклонится вниз в направлении двигателя 1.

Чтобы вращать дрон без создания вышеуказанных дисбалансов, необходимо уменьшить вращение двигателей 1 и 3 с увеличением вращения вращающихся роторов 2 и 4.

Угловой момент вращения роторов по-прежнему не равен нулю, поэтому корпус дрона должен вращаться. Однако общая сила остается равной силе гравитации, и дрон продолжает зависать. Поскольку нижние упорные роторы расположены по диагонали друг от друга, дрон может оставаться в равновесии.

Направление пропеллеров – рыскание, тангаж, крен

Прежде чем углубиться в настройку двигателя и пропеллеров квадрокоптера, давайте немного объясним терминологию, используемую, когда он летит вперед, назад, вбок или вращается при зависании.

Рыскание (Yaw)— это вращение или поворот квадрокоптера вправо или влево. Это основное движение для вращения мультикоптера. На большинстве дронов это достигается с помощью левой ручки газа влево или вправо.

Тангаж (Pitch)— это движение квадрокоптера вперед или назад. Подача вперед обычно достигается нажатием ручки газа вперед, что заставляет квадрокоптер наклоняться и двигаться вперед от вас. Шаг назад достигается перемещением ручки газа назад.

Крен (Roll)- Большинство людей путают крен с рысканием. Крен заставляет квадрокоптер лететь вбок, влево или вправо. Он управляется правой ручкой газа, заставляя его летать слева направо.

Большинство высокотехнологичных дронов, таких как квадрокоптер Yuneec Q500 4k, позволяют управлять им двумя различными способами. Вы можете летать на дроне, как будто вы пилот и на самом деле в квадрокоптере. Вы управляете ручками по-разному относительно крена, в зависимости от того, приближается ли дрон к вам или улетает от вас.

Вот короткое видео, которое очень просто показывает вам, каковы движения крена, тангажа и рыскания.

Направление пропеллеров для вертикального подъем

Вертикальный подъем зависит от направления вращения пропеллеров. Для того чтобы дрон поднялся в воздух, необходимо создать подъемную силу, равной силе гравитации или превышающей ее. Это основная идея взлета самолетов, которая сводится к контролю восходящей и нисходящей силы.

Квадрокоптеры используют конструкцию двигателя и направление вращения винта для создания требуемой тяги, чтобы управлять силой тяжести, воздействующей на летательный аппарат.

Вращение винтов приводит к вытеснению воздуха. Все силы приходят парами (Третий Закон Ньютона), что означает, для каждой силы действия существует равная (по размеру) и противоположная (по направлению) сила противодействия. Поэтому, когда ротор толкает воздух вниз, воздух толкает ротор вверх. Чем быстрее вращаются роторы, тем больше подъемная сила и наоборот.

Дрон может делать три вещи в вертикальной плоскости: зависать, подниматься или опускаться.

Зависание на месте – для зависания, тяга четырех роторов толкает дрон вверх и должна быть точно равна силе гравитации, притягивающей его вниз.

Подъем вверх – достигается путем увеличения тяги (скорости) четырех роторов квадрокоптера так, чтобы сила, направленная вверх, была больше веса и силы тяжести.

Вертикальный спуск или падение вниз – требует выполнения полной противоположности подъему. Уменьшается тяга, чтобы сила была направлена вниз.

Направление пропеллеров и двигателей квадрокоптера

Направление пропеллеров квадрокоптера для тангажа и крена

Поскольку большинство квадрокоптеров симметричны (например, DJI Phantom 4 Pro v2, Autel X-Star и Holy Stone HS 100 Drone), нет никакой разницы между движением вперед или назад. То же самое относится и к движению из стороны в сторону. Как лететь вперед также объясняет, как летать назад или вбок.

Чтобы лететь вперед, необходимо увеличить число оборотов двигателя квадрокоптера (скорость вращения) роторов 3 и 4 (задние двигатели) и уменьшить частоту вращения роторов 1 и 2 (передние двигатели). Общая сила тяги останется равной весу, поэтому дрон останется на том же вертикальном уровне.

Кроме того, поскольку один из задних роторов вращается против часовой стрелки, а другой по часовой стрелке, увеличенное вращение этих двигателей будет по-прежнему создавать нулевой угловой момент. То же самое относится и к передним роторам, поэтому дрон не вращается.

Большая сила в задней части дрона означает, что он наклонится вперед. Теперь небольшое увеличение тяги для всех роторов приведет к созданию силы тяги, которая уравновешивает вес вместе с движением вперед.

Организация связи

Нужно заметить, что добавление дополнительного летательго аппарата в систему для увеличения зоны покрытия связи п риводит к проблеме организации самой связи, так как в этом случае, помимо анализа телеметрии от основного беспилотника и отправки команд ему же, базовая станция должна поддерживать полномасштабную коммуникацию со вспомогательным летательным аппаратом.

Конечно, эта коммуникация может быть организована путем добавления двух дополнительных радиомодемов (один – для вспомогательного беспилотника, другой – для наземной станции), работающих в канале, не интерферирующим с уже имеющимся в системе оборудованием.

Этот вариант, однако, не является оптимальным в силу дополнительных затрат и отсутствия гибкости масштабирования при добавлению в систему новых беспилотников. Лучшей опцией выглядит использование для коммуникации со вспомогательным летательным аппаратом уже имеющегося на нем радио-приемопередатчика. В таком случае схема связи в системе выглядит так, как показано на схеме ниже.

Схема связи между летательными аппаратами и станцией оператора

Как было написано выше, в системе всего три радиомодема, которые ответственны за разрешение конфликтов передачи при доступе к единственному используемому ими радиоканалу. Две базовые станции, используемые для мониторинга и управления каждым из летательных аппаратов, осуществляют прием и передачу через один и тот же радиомодем, доступ к которому регулируется приложением-коммутатором, установленным на одной из станций (таким приложением в нашем случае было mavproxy). Обмен пакетами между приложениями мониторинга/управления и приложением-коммутатором осуществляется при помощи UDP.

Особо следует отметить роль модуля “Маршрутизатор” в приведенной выше схеме коммуникации. Этот модуль просто пропускает через себя пакеты, приходящие от подключенного к нему контроллера полета или базовой станции, а по поводу пакетов, приходящих от подключенного радиомодема принимает одно из следующих решений: игнорировать пакет, отправить пакет обратно радиомодему, отправить пакет подключенному контроллеру полета или базовой станции.

Маршрутизатор игнорирует пакет в том случае, если он уже встречался данному маршрутизатору ранее. Если же пакет ранее не встречался, но не предназначен устройству, к которому подключен маршрутизатор, то такой пакет отправляется обратно на радиомодем.

В остальных случаях пакет отправляется подключенному к маршрутизатору устройству. Во время наших последний тестов, в силу допущений о взаимном положении летательных аппаратов, в маршрутизаторах на главном беспилотнике и базовой станции мы отключали опцию отправки пакета обратно на радиомодем, чтобы снизить нагрузку на радиоканал.

Что касается проблемы определения маршрутизатором, предназначен ли полученный пакет данному устройству – решение не совсем тривиально. Дело в том, что для сообщения с летательными аппаратами мы используем протокол mavlink, который является де-факто стандартом для пользовательских беспилотников.

В заголовках mavlink отсутствует информация о получателе пакета, хотя есть идентификатор системы и подситемы отправителя. В нашем случае интерпретацией команд от “Базовой Станции 1” должен заниматься только контроллер полета вспомогательного аппарата, а от “Базовой Станции 2” – только контоллер полета главного аппарата, поэтому мы могли сортировать пакеты имея только идентификатор отправителя. Такое решение работает довольно надежно, но, опять же, маломасштабируемо и нуждается в дальнейшей переработке.

Маршрутизатор, осуществляющий фильтрацию пакетов, приходящих от радио-модема

В качестве радиомодемов мы использовали RFD 868 . Маршрутизаторы были сделаны нами на основе STM32 Nucleo, к которому мы добавили шилд, чтобы упростить подключение питания к плате, расширить возможности коммуникации и индикации.

Принципиальная схема бесколлекторного мотора.

БК моторы подключаются тремя проводами,в каждую единицу времени напряжение подается на две соседние (любые две) обмотки, что заставляет мотор переместиться на один такт (фазу) в нужную сторону. Например подавая напряжение на обмотки W1, W2 (L1, L2) мы заставим мотор сместиться вправо или влево.

Прямое или обратное вращение (cw/cww)

Маркировка у моторов может иметь значения CW и CCW, что означает Clockwise (По часовой стрелке — Прямое), Counter Clockwise (Против часовой стрелки — Обратно). Но это не означает, что мотор может вращаться только в определенном направлении, об этом мы поговорим ниже.

Тут речь идет о направлении резьбы на валу мотора, если она имеется. Резьба на валу чаще всего встречается на моторах для квадрокоптеров или самолетов/крыльев, где предусмоттрена установка пропеллеров. Направление резьбы в определенную сторону не дает раскручиваться гайкам крепящим пропеллер.

Силовая часть

Для переноса ретранслирующего оборудования мы использовали летающее крыло, сделанное на основе довольно популярной платформы Skywalker X8. Летающее крыло в данном случае вписывается в ограничения, обусловленные неизвестностью ландшафта стартовой площадки, так как может быть запущено с легкой катапульты или с банджи, и может приземляться автоматически, не требуя для этого значительного открытого пространства.

Для того, чтобы самолет мог приземляться без шасси, не получая значительных повреждений, мы заламинировали нижнюю часть корпуса кевларом и стеклотканью. Кроме того, чтобы увеличить прочность конструкции и обеспечить возможность полета на повышенных скоростях, стеклотканью была также заламинирована передняя кромка крыла.

X8 было оборудовано двигателем на 710 KV, номинально рассчитанным на работу с литийполимерной батареей из пяти ячеек, и батареей для этого двигателя на 16 амперо-часов из шести ячеек. Из-за того, что мы использовали батарею с напряжением выше номинального напряжения двигателя, пришлось обеспечить в конструкции дополнительный влет воздуха для охлаждения.

Для двигателся использовался регулятор скорости на 70 А и складывающийся пропеллер 9.5×8. На элевонах мы поставили высококачественные серва HS-5625MG от Hitec; серва обладают значительным запасом по характеристикам, что должно минимизировать возможность потери управляющих поверхностей, каждая из которых в случае летающего крыла является критически важной.

Кроме того, на борту были расположены дополнительные малые батареи для авионики и системы аварийного прекращения полета, а также контроллер полета (Pixhawk). В итоге характеристики аппарата оказались следующими: масса — 3,5 килограмма, максимальная скорость — 35 м/с, крейсерская скорость — 25 м/с, время полета — до 55 минут, покрываемое расстояние — более 80 км.

Вспомогательный летательный аппарат во время тестовых испытаний

Система компьютерного зрения

Важной частью главного летательного аппарата для нас была бортовая система компьютерного зрения, без которой найти Джо и выполнить миссию невозможно. Основными элементами системы были выбраны RGB камера JAI GO 2400 с полнокадровым переносом и разрешением Full HD, и мощный мини-компьютер GIGABYTE BXi7-5775.

Камера была закреплена на стабилизирующем подвесе нашей оригинальной механической конструкции под управлением контроллера Alexmos – это позволило нам получать изображения с постоянным уровнем наклона относительно земли, так что силуэт человека на них был отчетливо различим.

Компьютер был соединен с контроллером полета для обеспечения возможности получения телеметрийных данных и отправки команд. Кроме того, при помощи 4G модема компьютеру был предоставлен доступ к FTP-серверу, через который осуществлялось сообщение со станцией оператора системы компьютерного зрения. Алгоритм программы, запущенной нами на борту, коротко описан в следующем параграфе.

После получения изображения с камеры, к нему немедленно привязывается последний полученный от контроллера полета пакет телеметрийных данных, так что для каждого пикселя на изображении можно примерно вычислить его геокоординаты. После этого происходит поиск областей интереса: для этого строится гистограмма изображения, и в ней выбираются уровни, количество пикселей для которых больше некоторого порогового значения – это уровни “неинтересных” регионов, и соответствующие им пиксели далее не рассматриваются.

На оставшихся “интересных” пикселях проводится операция морфологической эрозии, так что остаются только пиксели, объединенные в группы – эти группы сортируются по концентрированности, размеру и цвету, и в итоге мы получаем ранжированную группу областей на изображении, которые хоть как-то могут быть похожи на человека.

После этого для каждой из таких областей мы вычисляем HOG-дескриптор и при помощи вектора опорных векторов классифицируем ее, как человека или не-человека. Если область классифицирована, как человек, это не значит, что мы сразу действительно считаем ее таковым – она просто получает значительный плюс в рейтинге.

После, изображения всех найденных областей интереса высылаются на FTP-сервер в порядке, соответствующем их рейтингу. В файл каждого такого изображения включена информация о геоположении области и идентификатор полного изображения, с которого взята область.

Приложение на станции оператора позволяет просмотреть загруженные аппаратом на FTP-сервер изображения областей интереса совместно с картой местности, над которой летит аппарат, и отсортировать их по рэйтингу и времени. Если какая-то область интереса вызывает у оператора подозрения, то он, опять же через FTP-сервер, может отправить запрос летательному аппарату, так что тот загрузит на сервер полную фотографию, соответствующую выбранной области интереса.

Приложение на станции оператора

Машина опорных векторов для классификации человека была обучена нами на примерах фотографий, сделанных во время тестовых полетов. Перед вычислением HOG-дескриптора каждой из областей интереса, мы выполняем над областью некоторые геометрические трансформации, так чтобы привести потенциального человека на изображении в вертикальную позицию, так как традиционный HOG хорошо работает для классификации человека только в стоящем положении.

Классификация регионов интереса на борту беспилотника: красный контур — регион классифицирован, как не-человек; зеленый контур — регион классифицирован, как человек

Так как задачей ставилось не только найти человека, но и выбрать подходящее место для приземления, помимо вышеописанных операций система компьютерного зрения на главном летательном аппарате была запрограммирована на выполнение классификации территории, над которой летит аппарат.

Среди возможных классов были определены: земля, асфальт, трава, кусты и деревья, неспецифицированные препятствия; классификация проводится на основе информации о цвете и неоднородности изображения в данном месте. Когда оператору рабочей станции необходимо принять решение о месте посадки, он может запросить у летательного аппарата информацию о классификации интересующего участка карты.

Классификация регионов поверхности земли вдоль траектории летательного аппарата: светло-зеленый — трава, темно-зеленый — деревья и кусты, фиолетовый — асфальт

Центральный полетный контроллер

Теперь центральный полетный контроллер также получает информацию от IMU, гироскопа, модулей GPS и датчиков обнаружения препятствий, если они установлены на квадрокоптере. Он выполняет вычислительные расчеты с использованием запрограммированных параметров полета и алгоритмов, а затем отправляет эти данные в электронные контроллеры скорости.

Фактически, большинство полетных контроллеров включают в себя IMU, GPS, гироскоп и множество других функций для контроля полета и стабильности квадрокоптера. Довольно часто они имеют второй резервный инерциальный измерительный модуль и другие функций безопасности, такие как возврат на точку взлета.

Примером полетного контроллера послужит новый DJI N3 Flight Controller. Он имеет множество функций и может работать с различными двигателями.

Заключение

Согласно требованиям конкурса для прохождения в финальную часть каждый из описанных летательных аппаратов вылетал более пяти часов; в ходе этих испытательных полетов нами было выявлено и устранено много мелких и значительных неполадок и ошибок. Наш видео-отчет для этого этапа выглядел так:

Одной из самых неприятных погрешностей механической конструкции, которая была замечена нами во время подготовительных полетов, была значительная ассиметрия нагрузки на коптерные моторы при конверсии из самолетного режима в коптерный. Дело в том, что положительный угол атаки крыла самолета на низких скоростях отклоняет балки с коптерными моторами назад, так что два мотора ближе к хвосту самолета получают при конверсии большую нагрузку.

Кроме того, реактивный момент от винта самолета создает дополнительную нагрузку на моторы с левой стороны, так что левый задний мотор оказывается наиболее напряженно работающим. В нашем случае такая неравномерность несколько раз приводила к сбоям в работе силовой установки и неустойчивому поведению летательного аппарата, что один раз закончилось падением с сильным повреждением корпуса.

К тому моменту, когда мы идентифицировали причину такого некорректного поведения аппарата (за три месяца до конкурса), вносить изменения в механику или пытаться корректировать программу конверсии было уже поздно, поэтому мы пошли на риск продолжать участие в челлендже, зная, что наша конструкция не обладает редундантностью на случай аварии.

К сожалению, предпринятых нами мер предосторожности оказалось недостаточно, и наш квадро-самолет потерпел крушение во время одного из тестовых полетов, который мы совершали в Австралии для того, чтобы проверить исправность конструкции после сборки аппарата на месте соревнований.

При крушении вся конструкция понесла значительные повреждения, так что починить аппарат и попробовать выполнить хотя бы часть миссии не представлялось возможным. Организаторы, однако, с пониманием отнеслись к нашей ситуации и дали нам позволение выполнить полет вспомогательным аппаратом, чтобы проверить дальность действия нашей радиосвязи и возможность управления аппаратом за линией прямой видимости.

В конце стоит сказать, что ни одной из команд в этом году не удалось целиком выполнить миссию соревнований, что было связано с потерей летательных аппаратов по разным причинам: крушение, возгорание, вылет за пределы отведенного летного пространства и, стандартно, зависание на дереве.

Наиболее отметились во время челленджа команда из TU Delft (оригинальная механическая конструкция и испытательный образец системы компьютерного зрения от Parrot, видео о беспилотнике тут) и Canberra UAV (доставили пробу крови, но разбили вспомогательный вертолет, видео о беспилотнике тут).

Для нас, как и для других команд, челлендж послужил отличной площадкой для того, чтобы попробовать свои силы, и пообщаться с профессионалами в области беспилотников со всего мира. Мы получили огромный опыт и собрали много материала, который поможет нам в дальнейшем в наших личных проектах и в подготовке к следующим соревнованиям.