Министерство образования и науки Российской Федерации
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования
«Иркутский государственный университет»
(ФГБОУ ВО «ИГУ»)
Физический факультет
Выпускная квалификационная работа бакалавра по направлению 03.03.03 Радиофизика
«Радиоэлектронные устройства, методы обработки сигналов и автоматизации»
Тема: «Автоматизация системы управления квадрокоптера»
Содержание
Введение
. Беспилотные мультироторные летательные аппараты
.1 Базовые принципы полета квадрокоптера
.2 ПИД регуляторы
.3 Полетный контроллер
.4 Фильтр Калмана
. Технология компьютерного зрения
.1 Введение в компьютерное зрение
.2 Методы обработки изображений в компьютерном зрении
. Библиотека OpenCV
.1 Примитивные типы данных в OpenCV
.2 Классы библиотеки OpenCV
.Разработка системы управления квадрокоптером на базе IMU и ультразвукового дальномера HC-504
.1 Сборка устройства и код для получения данных
.2 Преобразование данных
. Разработка ПО для распознавания жестов руки с видеосигнала методами библиотеки OpenCV
.1 Постановка задачи и проектирование программного обеспечения
.2 Захват видеосигнала
.3 Обработка изображения
.4 Выделение контуров
.5 Нахождение дефектов обводящего контура
.6 Фильтрация точек дефектов
.7 Обработка результатов
. Формирование сигналов и передача полученных данных
.1 Передача данных через серийный порт
.2 Передача данных на бортовой контроллер
Заключение
Список использованных источников
Приложение
Введение
На сегодняшний день беспилотные летательные аппараты (БПЛА) - бурно развивающаяся область техники. БПЛА выполняют широкий спектр как военных, так и гражданских задач. В последние годы большую популярность приобрели мультироторные БПЛА (мультикоптеры) по причине доступности и простоты эксплуатации. Мультикоптеры используются для доставки грузов, фото- и видеосъемки, поисковых работ, наблюдения за природными явленими и многого другого.
Разработки в этой области активно ведутся как коммерческими предприятиями, так и любителями. В данной работе описан проект, цель которого - автоматизировать систему управления мультикоптера с четырьмя роторами, сделать управление интуитивно понятным и отзывчивым. В результате было разработано устройство, способное передавать «с Земли» всю информацию, необходимую для пилотирования мультикоптера, используя лишь жесты одной руки. Разработка устройства от проектирования и до готового кода велась самостоятельно и в ней, кроме всего прочего, были использованы источники с открытым исходным кодом - платформа Arduino ибиблиотека компьютерного зрения OpenCV.Устройство является прототипом, но имеет перспективы к развитию и реальному использованию.
1. Беспилотные мультироторные летательные аппараты
Квадрокоптер (разновидность мультикоптера) - это летательный аппарат построенный по вертолётной схеме с четырьмянесущими винтами.
Многовинтовые вертолёты разрабатывались ещё в первые годы вертолётостроения. Один из первых квадрокоптеров, который реально оторвался от земли и мог держаться в воздухе, был создан Георгием Ботезатом и испытан в 1922 году. Недостатком этих аппаратов была сложная трансмиссия, передававшая вращение одного мотора на несколько винтов. Изобретение хвостового винта и автомата перекоса положило конец этим попыткам. Новые разработки начались в 1950-е годы, но дальше прототипов дело не продвинулось. беспилотный квадрокоптер контроллер
Новое рождение мультикоптеры получили в XXI веке, уже как беспилотные аппараты. Благодаря простоте конструкции квадрокоптеры часто используются в любительском моделировании. Мультикоптеры удобны для недорогой аэрофото- и киносъёмки - громоздкая камера вынесена из зоны действия винтов.
Квадрокоптеры имеют четыревинта постоянного шага (автомата перекоса, в отличие от одно- и двухвинтовых аппаратов, нет). Каждый винт приводится в движение собственным двигателем. Половина винтов вращается по часовой стрелке, половина - против, поэтому хвостовой винт квадрокоптеру не нужен. Маневрируют квадрокоптеры путём изменения скорости вращения винтов. Например:
· ускорить все винты - подъём;
· ускорить винты с одной стороны и замедлить с другой - движение в сторону;
· ускорить винты, вращающиеся по часовой стрелке, и замедлить вращающиеся против - поворот.
Микропроцессорная система переводит команды радиоуправления в команды двигателям. Чтобы обеспечить стабильное зависание, мультикоптеры в обязательном порядке снабжают тремя гироскопами, фиксирующими крен аппарата. Как вспомогательный инструмент, иногда, также используется акселерометр, данные от которого позволяют процессору устанавливать абсолютно горизонтальное положение, и бародатчик, который позволяет фиксировать аппарат на нужной высоте. Также, применяют сонар для автоматической посадки и удержания небольшой высоты, а также для облёта препятствий.
Современные мультикоптеры используют бесколлекторные электродвигатели и литий-полимерные аккумуляторы в качестве источника энергии. Это накладывает определённые ограничения на их полётные характеристики: типичная масса мультикоптера составляет от 1 до 4 кг, при времени полёта от 10 до 30 минут (30-50 минут у уникальных единичных экземпляров). Поднимаемый полезный груз моделями мультикоптеров среднего размера и грузоподъёмности - от 500 г до 2-3 кг, что позволяет поднять в воздух небольшую фото или видеокамеру. Существуют и достаточно крупные модели мультикоптеров, с количеством роторов порядка 6-8 (гекса и октокоптеры), способные поднять в воздух груз массой до 20-30 кг. Для увеличения грузоподъёмности применяют соосное расположение несущих роторов, что в случае гексакоптера, например, даёт 12 моторов и 12 пропеллеров, расположенных попарно на 6 несущих лучах. Скорость полёта мультикоптера может быть от нуля (неподвижное висение в точке) до 100-110 км/ч. Запас энергии батарей позволяет отдельным моделям мультикоптеров улетать на расстояние до 7-12 км, на практике же радиус действия (максимальное расстояние, на которое они способны улететь с последующим возвратом в точку взлёта) обычно ограничено прямой видимостью (100-200 м при ручном управлении) либо дальностью действия аппаратуры радиоуправления и видеолинка. При этом лучшие образцы подобной аппаратуры, использующие усилители мощности радиосигнала и систему направленных антенн, способны обеспечивать стабильные радиоуправление и видеолинк на расстояния до 100 км. Таким образом, наибольшее ограничение на радиус действия мультикоптеров накладывает именно время полёта.
1.1 Базовые принципы полета квадрокоптера
Квадрокоптер состоит из нескольких принципиальных элементов, без большинства из которых стабилизированный полет невозможен. Во-первых, это полетный контроллер, который обрабатывает всю поступающую информацию и преобразует в сигналы для двигателей. Контроллер принимает входящую информацию чаще всего как цифровой сигнал с широтно-импульсной модуляцией. Для полной ориентации в воздухе достаточно четырех каналов: газ, рыскание, тангаж и крен. В некоторых моделях полетных контроллеров также предусмотрена возможность использования режимов полета - тогда во входном сигнале появляются дополнительные каналы. Также к входам контроллера подключены датчики, описывающие положение борта в воздухе. Исходя из этих данных, контроллер автоматически вносит корректировки в выходной сигнал.
После сигнал обрабатывается таким образом, чтобы на выходе получить соответствующие величины напряжений, пропорциональных скорости каждого из четырех винтов. С выхода контроллера сигнал, так же широтно-импульсно промодулированный, поступает на так называемый ПИД-регулятор, который управляет сигналом большой мощности, подавая его непосредственно на сам двигатель.
Рис.1. Принципиальная схема квадрокоптера
Базовые принципы полетов любой техники описывает аэродинамика и квадрокоптеры не являются исключением. Три оси вращения абсолютно однозначно задают ориентацию квадрокоптера в пространстве и направление его полета. Причем направление движения никак не зависит от расположения самого квадрокоптера в воздухе.
Три перечисленных выше оси или угла принято правильно называть тангажом (pitch), креном (roll) и рысканьем (yaw). Разберем их более подробно.
Рис.2. Углы Эйлера - крен, тангаж и рыскание
Под тангажом понимают поворот аппарата вокруг продольной оси, рысканием - вокруг вертикальной оси, а креном - продольной оси.
Если брать в рассмотрение вертолет, то его главный винт имеет влияние на тангаж и крен, а хвостовой компенсирует вращающий момент и от того, с какой скоростью он вращается и в каком положении находится, зависит рыскание.
В случае квадрокоптера все обстоит иначе. Здесь имеются целых четыре винта, два из которых вращаются по часовой стрелке, а два других в противоположном направлении. Соответственно если все из винтов квадрокоптера имеют одинаковую скорость вращения, то все параметры будут скомпенсированы. При увеличении скорости вращения одного из винтов квадрокоптера баланс нарушается. При этом, если скорость винта с обратным направлением вращения будет пропорционально уменьшена, то рыскание не поменяется, но изменится тангаж или крен[1].
Если же увеличивать обороты одновременно на обоих винтах, которые вращаются в одном направлении и уменьшить на других, то угол рыскания будет изменен.
Управление двигателями квадрокоптера, а, следовательно, и скоростью вращения его винтов, осуществляется с пульта дистанционного управления, сигнал с которых поступает на бортовой компьютер квадрокоптера и к ним добавляются необходимые коррекции от гироскопа, акселерометра и так далее.
При проектировании и создании квадрокоптера следует выполнить все необходимые расчеты с целью нахождения оптимального баланса между массой аппарата, мощностью установленных на него двигателей и целого ряда других факторов.
1.2 ПИД регуляторы
Сигнал с полетного контроллера поступает не напрямую на двигатель, а на так называемый ПИД-регулятор, который исходя из входного сигнала выдает двигателю соответствующее напряжение. ПИД-регулирование - необходимая технология для управления квадрокоптером.
Например, имеется дрон которому необходимо повернуться на 60 градусов относительно центра масс. Движение вокруг центра осуществляется подачей на его привода требуемой угловой скорости вращения. Для того, чтобы повернуться именно на 60 градусов необходимую угловую скорость надо подавать по определённому закону. В момент, когда разность между текущим углом и требуемым ещё значительна, угловая скорость должна быть высокой. При уменьшении же разности должна уменьшаться и скорость. Когда разность окажется равна 0, угловая скорость также должна равняться 0. Однако, такой закон не представляется возможным определить заранее, потому что квадрокоптер обладает моментом инерции, и он способен просто пролететь необходимое положение, а в этом случае придётся подавать скорость в обратном направлении. Самое стандартное решение в такой ситуации - сообщать необходимую скорость как разность требуемого положения и текущего, умноженную на определённую неотрицательную постоянную. Подобный алгоритм называется П регулятором. Однако, такой алгоритм обладает существенным недостатком: в случае, когда требуемое угловой положение вращается с определённой угловой скоростью, то дрон никогда не догонит эту точку. Рано или поздно наступит момент, когда угловая скорость, выверенная П регулятором, будет равна угловой скорости вращения необходимого положения. Для качественного решения данной задачи рекомендуется сложить скорость от П регулятора со скоростью, рассчитанной как интеграл по времени ошибки по углу, умноженный на определённую неотрицательную постоянную. В такой ситуации необходимая скорость будет тем выше, чем дольше дрон не способен занять требуемое угловое положение. Данный алгоритм является ПИ регулятором. Но и этот алгоритм можно доработать. В момент, когда ошибка по углу будет равняться 0, дрон под действием сил инерции пролетит нужное положение, при условии, что его скорость до этого была относительно высокой. Чтобы этого избежать необходимо совершать торможение чуть быстрее, когда ещё ошибка мала, а именно - к требуемой скорости от ПИ регулятора добавить производную ошибки по времени, которая в свою очередь умножается на положительную постоянную. Это и есть ПИД регулятор.
Пропорционально-интегральное-дифференциальное управление может быть представлено следующей схемой:
Рис.3. Принципиальная схема ПИД-регулятора
В блокеprocess содержится описание объекта управления (его модель), в центральной части схемы представлен сам регулятор, который отрабатывает сигнал ошибки(рассогласования) задающего сигнала и измеренного значения с объекта управления. Ошибка в данной схеме поступает одновременно на все три блока параллельно, при этом:
· в блоке P происходит умножение соответствующего коэффициента пропорциональной составляющей на величину ошибки;
· в блоке I происходит интегрирование ошибки и умножение полученной величины на коэффициент
;· в блоке D происходит дифференцирование ошибки с умножением на коэффициент
;Уравнение ПИД регулятора:
,(t) - выходная величина регулятора;(t) -сигнал рассогласования(ошибка);, I, D - пропорциональная, интегральная и дифференциальная составляющие;
- коэффициенты ПИД регулятора;Распространены также следующие модификации уравнения ПИД регулятора:
,
,Взаимосвязь коэффициентов, входящих в выражения и существует, но отсутствие общепринятой системы параметров почти всегда приводит к путанице. Если происходит замена одного ПИД регулятора на другой или же если происходит настройка параметров - это нужно учесть.
Пользуясь преобразованием Лапласа при нулевых начальных условиях, представим передаточную функцию ПИД регулятора в операторной форме:
,
.На рис. 4 изображены амплитудно-частотная(АЧХ) и фазо-частотная(ФЧХ) характеристики операторной передаточной функции. В области нижних частот АЧХ и ФЧХ определяются интегральным членом, в области средних частот - пропорциональным, в области высоких - дифференциальным[3].
Рис.4. АЧХ и ФЧХ ПИД-регулятора
Вид АЧХ и ФЧХ регулятора определяет его точность и запас устойчивости. Из рисунка 2 следует, что при уменьшении интегральной составляющей
, происходит увеличение модуля коэффициента усиления регулятора на нижних частотах (то есть при приближении к установившемуся режиму), следовательно, погрешность «e» начинает снижаться.При повышении дифференциальной компоненты
происходит усиление на высоких частотах, что влечёт за собой усиление шумов измерений и внешних возмущений. Исходя из этого следует, что дифференциальную составляющую используют только для улучшения формы переходного процесса в системе, тогда как её практическая реализация зачастую содержит фильтр высоких частот(ФВЧ).
Рис.5. ПИД-регулятор в системе с шумом и внешними возмущениями f(t)
Повышение пропорционального коэффициента K влечёт за собой увеличение модуля петлевого усиления контура регулирования, а также увеличение точности во всём диапазоне частот, однако запас по фазе и усилению начинает снижаться, что ухудшает робастность и качество регулирования системы, а при дальнейшем увеличении пропорциональной составляющей K возникают периодические колебания (система теряет устойчивость). Воздействие помех измерений f и шума снижается с ростом петлевого усиления и пропорционального коэффициента.
1 2 3 4 5 6 7 8