Файл: Автопилот беспилотного летательного аппарата на базе смартфона.pdf

Известия ТулГУ
Таким образом, информация может быть получена на основе обходимо предварительно при условии, что смартфон
Для проведения калибровки устанавливался планшет
AndroSensor в течение 20 тангажа
+45…80º и крен даны на компьютер для их дике
. Результаты расчетов
Рис
. 8. Графики углов
по
Данные эксперименты метрической системы ориентаци
Гироскопическая система
Данная система основана скопов
, которые по своим угловой скорости. Каждый ловую скорость
X
ω
,
Y
ω
рысканья
ψ
, тангажа
ϑ
и крена дующих соотношений:
Известия ТулГУ. Технические науки. 201
5. Вып. 3
144
образом
, информация об углах тангажа и крена получена на основе показаний акселерометров, из предварительно устранить смещение нулей по формулам
8
,
9
)
(
),
(
),
(
−
=
∆
=
∆
=
∆
Z
Z
Y
Y
X
X
A
mean
a
A
mean
a
A
mean
a
что смартфон
/
планшет расположен в
плоскости ведения калибровки акселерометров на неподвиж планшет и
производилась запись с
помощью течение
20 секунд
Далее планшет был повернут крена
+45…70º.
Затем полученные данные компьютер для их анализа и
калибровки по указанной
Результаты расчетов приведены на рис
. 8.
Графики
углов тангажа и крена планшета, полученные
по
сигналам акселерометров
эксперименты подтверждают работоспособность системы ориентации
, точность которой составила
Гироскопическая
система ориентации
система основана на интегрировании сигналов которые по своим измерительным свойствам являются скорости Каждый из гироскопов измеряет соответствующую
Y
,
Z
ω
По информации о
данных проекциях и
крена
γ
могут быть определены на основании тангажа и крена планшета акселерометров
, из которых не
- нулей по формулам
(4) плоскости горизонта акселерометров на неподвижный стол с помощью программы был повернут на углы данные были пере
- по указанной выше мето
-
планшета
, полученные
аботоспособность акселеро
- которой составила
1…2°. интегрировании сигналов трех гиро
- свойствам являются датчиками измеряет соответствующую уг
- данных проекциях углы определены на основании сле
-

Приборостроение, метрология
где
0
T
– период дискретности
Перед использованием ровать гироскопы для оценки должны исключаться. Алгоритм поворачивался на + 25, +35 возвращался в исходное положение на рис. 9. Точность воспроизведения
При длительном использовании тации
БПЛА наблюдается званное остаточной недокалибровкой
Рис
. 9. Графики улов
полученные
Комплексирование
Каждая в отдельности ройства или любого другого необходимым характеристикам смотренных выше систем ориентации ствами и недостатками.
Преимуществами электронного денции к накоплению погрешностей магнитный север. К недостаткам ствию внешнего магнитно
метрология и
информационно-
измерительные приборы
145
,
,
,
0 1
0 1
0 1
Yk
k
k
Xk
k
k
Zk
k
k
T
T
T
ω
+
γ
=
γ
ω
+
ϑ
=
ϑ
ω
+
ψ
=
ψ
+
+
+
дискретности
;
,...
1,
0
=
k
– дискретные отсчеты использованием соотношений (5) необходимо также гироскопы для оценки их смещений нуля, которые затем исключаться
. Алгоритм (5) испытывался на планшете
, +35 и +40° по углам рыскания, тангажа исходное положение. Результаты экспериментов произведения углов составила несколько длительном использовании гироскопов для определения наблюдается накапливание погрешностей со временем остаточной недокалибровкой и шумами.
Графики
улов рыскания, тангажа и крена планшета
полученные
по сигналам гироскопов
Комплексирование
датчиков
в отдельности взятая система ориентации мобильного любого другого подвижного объекта не удовлетворяет характеристикам точности и надежности. Каждая выше систем ориентации обладает определенными недостатками и
электронного компаса являются отсутствие накоплению погрешностей и избирательность к направлению вер К недостаткам можно отнести подверженность магнитного поля и шум магнитометров.
измерительные приборы и системы
(5) дискретные отсчеты необходимо также калиб- которые затем в полете на планшете
, который рыскания тангажа и крена и экспериментов приведены составила несколько градусов. определения углов ориен- погрешностей со временем, вы-
крена
планшета,
ориентации мобильного уст- не удовлетворяет всем надежности
. Каждая из рас- определенными преимуще- тся отсутствие тен- избирательность к направлению на подверженность воздей-

Известия ТулГУ. Технические науки. 2015. Вып. 3
146
Акселерометрическая система ориентации также не имеет тенден- ции к накоплению погрешностей, избирательна к плоскости горизонта, но подвержена ускоренному перемещению, и выходной сигнал содержит вы- сокочастотный шум.
Гироскопическая система ориентации не требует никакой внешней информации
, позволяет определять все три угла ориентации объекта. К не- достаткам системы следует отнести тенденцию к накоплению погрешно- стей и неизбирательность к направлению на север и к плоскости горизонта.
В
связи с этим датчики объединяют в комплексные (корректируе- мые
) измерительные системы, превосходящие качество каждой в отдель- ности взятой системы. Коррекция посредством гироскопической системы ориентации по акселерометрам позволяет устранить накопление погреш- ностей по углам тангажа и крена и придать системе свойство избиратель- ности 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 ре- зультате фильтрации удается оценить погрешность гироскопической сис- темы ориентации, которая затем исключается.
Рис
. 10. Блок-схема комплексирования гироскопической
и
акселерометрической систем ориентации
В
работе производилось экспериментальное подтверждение работо- способности схемы комплексирования. Планшет устанавливался на горизонтальный стол и поворачивался по крену. После возвращения планшета в исходное положение по планшету наносилось импульсное воз- действие
. Одновременно производилась запись сигналов гироскопов и
акселерометров. Затем полученные данные передавались на настольный компьютер и с помощью программы Mathcad обрабатывались в соответст- вии со схемой на рис. 9. Результаты расчета угла крена приведены на рис. 11.

Приборостроение, метрология
Рис
. 11. Графики
и
акселерометрам
Анализ графиков метрическая система ориентации грешностей
, но подвержена пическая система ориентации цию к накоплению погрешностей ный угол крена для сравнения метрическим
(рис. 12, б) углом ванный угол крена лишен ческой систем, взятых в отдельности комплексирования датчиков
Рис
. 12. Комплексированный
и
акселерометрическим
метрология и
информационно-
измерительные приборы
147
Графики
углов крена, полученные по гироскопу
акселерометрам
соответственно
графиков на рис. 11 позволяет сделать вывод что система ориентации не имеет тенденции к накоплению подвержена шуму и импульсному воздействию система ориентации лишена этих недостатков, но имеем накоплению погрешностей
. На рис. 12 приведен комплексирова крена для сравнения с гироскопическим (рис. 12, а б
) углом крена. Как видно из рис. 12, комплексир крена лишен недостатков гироскопической и акселерометр взятых в отдельности, что подтверждает целесобразность комплексирования датчиков
Комплексированный
угол в сравнении с гироскопическим
акселерометрическим
(б) углом крена
измерительные приборы и системы
по гироскопу
сделать вывод
, что акселеро- тенденции к накоплению по- воздействию
. Гироско- недостатков но имеем тенден- приведен комплексирован- рис
. 12, а) и акселеро- из рис
. 12, комплексиро- гироскопической и акселерометри- подтверждает целесобразность
гироскопическим
(а)

Известия ТулГУ. Технические науки. 2015. Вып. 3
148
Заключение
В
работе показана целесообразность использования смартфона в качестве автопилота беспилотного летательного аппарата. Приведены и апробированы алгоритмы акселерометрической, гироскопической и магни- тометрической систем ориентации. Выявлены преимущества и недостатки каждой из систем. Разработана схема комплексирования датчиков, позво- ляющая 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 ин- тегрированные навигационные системы» Ч. I. Системы ориентации на мо- бильных устройствах: учеб. пособие для вузов/под общ. ред. В.В. Матвее- ва
. 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.] // Automa- tion and Remote Control. 2013. Vd. 74. № 12. P. 2189-2193.
Матвеев Валерий Владимирович, канд. техн. наук, доц.,
tgupu@yandex.ru
, Рос-
сия, Тула, Тульский государственный университет,
Погорелов Максим 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