Файл: Автопилот беспилотного летательного аппарата на базе смартфона.pdf

Известия ТулГУ. Технические науки. 2015. Вып. 3
136
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 ле- тательных аппаратов (БПЛА), которые могут быть применены для реше- ния 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 судо- ходства
, 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 приме- нения
, 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 привле- кательна
«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 разви- тию бизнеса в одной из ведущих израильских компании UVision Амит Мо- раг
. Это перекликается и с мнением директора по развитию бизнеса про- грамм 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 це- лью
… продолжать снижать стоимость».
В
настоящее время появляются интересные решения по созданию
МБПЛА
методами 3D-печати. Первым в мире МБПЛА, выполненным пол- ностью по технологии 3D-печати, стал самолет Саутгемптонского универ- ситета
, 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.

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
137
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 позволи- ла 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 по- мощи
3D-принтеров потребительского класса вроде Velleman K8200. Так- же учеными изучается возможность использования в качестве основного материала для изготовления планера вместо термопластика (FDM техноло- гия
3D-печати) более легкий нейлон, с которым аппарат станет на 60 % легче при аналогичной прочности конструкции.
а
б
в
г
Рис
. 1. Беспилотные летательные аппараты различных
разработчиков
: а – WASP – разведывательный БПЛА (США);
б
– RQ-14 Dragon Eye – разведывательный БПЛА, разработан
лабораторией
военно-морских сил США; в – Aladin –
разведывательный
БПЛА (Германия); г – Boomerang –
разведывательный
БПЛА, разработан компанией BlueBird (Израиль)

Известия ТулГУ. Технические науки. 2015. Вып. 3
138
Удешевление стоимости подобных одноразовых МБПЛА должно идти также в сторону снижения стоимости авионики, интеллектуальным ядром которой служит автопилот, содержащий измерительную и вычисли- тельную системы. Основу любого автопилота составляет система ориента- ции
, предназначенная для текущего определения угловых координат
МБПЛА
в пространстве и обеспечивающая автоматический полет по за- данной 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 радиострое- ния
«ВЕГА», «Группа компаний «ZALA AERO» и т.д.
Многие компании разрабатывают способы мобильного управления
БПЛА
, т.е. использования мобильных телефонов и планшетов, работаю- щих на операционной среде Android, в качестве наземной станции управ- ления
. Исходный код среды Android находится в открытом доступе, благо- даря чему любой разработчик может создать свою версию этой мобильной операционной системы и создать приложения для реализации вычисли- тельных алгоритмов любой сложности.
Надо отметить, что при всех достоинствах автопилотов, предлагае- мых данными компаниями, ключевым становится их стоимость. Зачастую речь идет о десятках тысяч долларов или сотнях тысяч рублей. Совершен- но очевидно, что их использование в дешевых МБПЛА одноразового при- менения совершенно не целесообразно.
Однако тот факт, что производители современных смартфонов и планшетов оснащают свои устройства интегрированными блоками, содер- жащими
, 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 пре- вышающим
1 часа.
Целью настоящей статьи являются анализ возможности применения мобильных устройств, работающих на операционной среде Android, в ка- честве 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 микросис- темной техники (МСТ), позволяет реализовать известные алгоритмы по- строения систем ориентации.

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
139
Смартфон
как автопилот БПЛА
Современный смартфон в зависимости от ценовой комплектации модели может включать самые разнообразные датчики. На рис. 2, 3 пред- ставлена материнская плата смартфона Apple iPhone 4, на которой разме- щены различные датчики движения [2,3].
Акселерометр
(Accelerometer) – самый распространенный датчик, присутствующий даже в самых дешевых смартфонах. Задача акселеромет- ра 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. Акселеро- метр реагирует на это изменение и на основе полученных от него данных запускает процесс, например, смены ориентации экрана. Датчик также ис- пользуется для масштабирования страниц браузера при наклоне смартфо- на
, 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 (передняя сторона)
Рис
. 3. Материнская плата iPhone 4 (задняя сторона)

Известия ТулГУ
Гироскоп
(Gyroscope Sensor
смартфона
. История возникновения редине
XIX века, когда Л
суточного вращения Земли в
качестве морских гирокомпасов нение и в авиации. По своей нах мало напоминает классические бильных устройств, называемых электромеханическими системами тора
-волчка, а присутствуют вершающие колебательное ется мерой угловой скорости
Магнитометр
(Magnetic
компас
, отслеживает ориентацию магнитного поля Земли (МПЗ
пользуется в картографических
На базе акселерометров реализован автопилот БПЛА
на рис. 4.
Рис
. 4. Облик системы
На смартфоне, содержащем метры
, реализуются алгоритмы курса
, тангажа и крена. Смартфон об углах ориентации на блок управления
(руль направления
БПЛА
на траектории или застав
Кроме того, видеокамера земный пункт.
Известия ТулГУ. Технические науки. 201
5. Вып. 3
140
Gyroscope Sensor
) – следующий по популярности
История возникновения гироскопа берет свое начало века когда
Л. Фуко демонстрировал прибор для вращения Земли
. Затем гироскопы начали применяться морских гирокомпасов
, а потом получили широкое авиации По своей конструкции гироскоп в мобильных напоминает классические роторные гироскопы. В гироскопах устройств называемых микромеханическими (ММГ
электромеханическими системами (МЭМС), нет быстровращающегося ствуют специальные чувствительные элементы колебательное движение. Амплитуда таких колебаний угловой скорости смартфона.
Magnetic Field Sensor
), как и привычный отслеживает ориентацию устройства в пространстве относительно поля Земли
(МПЗ). Информация, полученная от картографических и навигационных приложениях акселерометров
, гироскопов и магнитометров автопилот
БПЛА. Облик системы автопилот-БПЛА
Облик
системы автопилот-БПЛА на смартфоне
смартфоне
, содержащем магнитометры, гироскопы реализуются алгоритмы ориентации БПЛА, вычисляющие и крена
. Смартфон по каналу WI-FI передает информацию ориентации на блок управления, который воздейству руль направления
, элероны, рули высоты), стабилизируе траектории или заставляет лететь БПЛА по заданной видеокамера смартфона передает панораму местности по популярности датчик начало еще в се- прибор для регистрации начали применяться во флоте получили широкое распростра- гироскоп в мобильных телефо- гироскопы В
гироскопах мо- микромеханическими ММГ
) или микро- быстровращающегося ро- чувствительные элементы, со- таких колебаний явля- и привычный магнитный пространстве относительно полученная от компаса, ис- приложениях магнитометров может быть
БПЛА
приведен
на смартфоне
гироскопы и акселеро-
БПЛА вычисляющие углы передает информацию который воздействуя на органы
, стабилизирует по заданной программе. панораму местности на на-

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
141
Магнитометрическая
система ориентации
Магнитометрическая система ориентации основана на показаниях магнитометрических датчиков. Если смартфон/планшет установлен на поверхности, близкой к горизонтальной, то по сигналам магнитометров
X
H
и
Y
H
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 часо- вой стрелке. Знаки сигналов магнитометров
X
H
и
Y
H
могут служить ин- формацией о том, в каком квадранте находится ось продольная Y смартфо- на
/планшета. Азимут смартфона может быть вычислен по следующей формуле
[3, 4]:











=
>
=
<
<
π
−
>
>
π
−
>
<
π
−
=
0
,
0
если
,
270
,
0
,
0
если
,
90
,
0
если
),
/
(
180 180
,
0
,
0
если
),
/
(
180 360
,
0
,
0
если
),
/
(
180
Y
X
Y
X
Y
Y
X
Y
X
Y
X
Y
X
Y
X
H
H
H
H
H
H
H
arctg
H
H
H
H
arctg
H
H
H
H
arctg
A
(1)
Для подтверждения работоспособности формулы (1) проводился эксперимент на планшетном компьютере ASUS ME302C, содержащем маг- нитометры
, гироскопы и акселерометры компании Invensense. Исходные сигналы магнитометров содержат погрешности типа «смещение нуля», вы- званные различными сторонними полями планшета. Для устранения ука- занных погрешностей необходимо выполнить калибровку для оценки ве- личин
«смещения нуля». Суть калибровки заключается в следующем: планшет устанавливается на горизонтальный стол и приводится во враща- тельное движение. В этом случае показания магнитометров будут модули- роваться горизонтальной составляющей магнитного поля Земли (МПЗ).
Если в сигналах магнитометра нет смещения, то построенный в декартовой системе координат график сигналов горизонтальных магнитометров обра- зует окружность с центром в точке начала координат. Если же в сигналах магнитометра наблюдается смещение, то и окружность будет смещена от- носительно начала координат.
Для считывания данных с магнитометров использовалась бесплат- ное приложение AndroSensor (рис. 5). Для обработки этих даных была ис- пользована 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 магнитомет- ров
, и планшет был приведен во вращательное движение. После соверше- ния двух оборотов запись была остановлена, и файл, в который записыва-

Известия ТулГУ
лись данные, передавался указанной выше методике магнитометров приведены данные
, а сплошная линия
Рис
. 5. Окно
а
Рис
. 6. Обработка
а
– калибровка магнитомет
По калиброванным пьютера в соответствии с азимута составила несколько в
БПЛА.
Известия ТулГУ. Технические науки. 201
5. Вып. 3
142
передавался на компьютер для их анализа и калибровки выше методике
. Графики «сырых» и калиброванных приведены на рис. 6, а, где пунктирная линия сплошная линия
– откалиброванные значения.
Рис
. 5. Окно программы AndroSensor
б
Обработка
данных магнитометров планшета
калибровка
магнитометров; б – вычисление азимута
калиброванным данным вычислялся азимут планшетного соответствии с формулой (1) (рис. 6-б). Точность составила несколько градусов, что приемлемо для использования анализа и калибровки по калиброванных данных пунктирная линия
– «сырые»
планшета
:
вычисление
азимута
азимут планшетного ком-
Точность вычисления приемлемо для использования

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
143
Акселерометрическая
система ориентации
Как известно, акселерометры позволяют материализовать в про- странстве вертикаль места или, что то же самое, плоскость горизонта по- добно 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 – перпен- дикулярна плоскости экрана и дополняет две предыдущие до правой сис- темы координат (рис. 7). Введем неподвижную систему координат
0 0
0
Z
Y
X
, у
которой оси
0 0
Y
X
лежат в плоскости горизонта, а ось
0
Z
направлена по вертикали вверх. Система координат XYZ повернута последовательно на углы тангажа
ϑ
и крена
γ
относительно системы координат
0 0
0
Z
Y
X
Рис
. 7. Неподвижная система координат X
0
Y
0
Z
0
и система
координат
XYZ, связанная со смартфоном/планшетом
В
соответствии с рис. 7 показания акселерометров определяются следующими отношениями: cos cos
,
sin
,
sin cos
γ
ϑ
=
ϑ
=
γ
ϑ
−
=
g
A
g
A
g
A
Z
Y
X
(2)
Из соотношений
(2) углы тангажа
ϑ
и крена
γ
БПЛА
определяются следующим образом
: arctg
180
,
arcsin
180






π
−
=
γ






π
=
ϑ
Z
X
Y
A
A
g
A
(3)