tema cercetare
DESCRIPTION
cercetareTRANSCRIPT
-
UNIVERSITATEA POLITEHNICA din BUCURETI
FACULTATEA DE INGINERIE AEROSPAIAL
TEMA CERCETARE STIINTIFICA
STUDIU ASUPRA PILOTILOR AUTOMATI
PENTRU UAV-URI DE MICI DIMENSIUNI
MASTERAND:
Slt.ing. RADU Dragos-Madalin
-
Abstract:
Aceasta lucrare prezinta un studiu in legatura cu sistemele de pilot automat pentru UAV-uri
de mici dimensiuni din categoriile mini si micro. Obiectivul lucrarii este prezentarea succinta a
sistemelor de pilot automat comerciale, atat cele de tip off-the-shelf cat si cele open source
potrivite utilizatorilor de UAV-uri cu dimensiuni reduse. Lucrarea incepe prin prezentarea
principiilor de baza utilizate in controlul zborului. In continuare se prezinta sistemele de radio
control cat si sistemele de control ale pilotului automat din punctul de vedere hardware cat si
software. Dupa, se compara cateva sisteme de pilot automat din punct de vedere al pachetului de
senzori, al abordarii problemei cat si evidentierea unor puncte forte. Lucrarea continua prin
prezentarea unor sisteme de pilot automat de tip open source. Concluzia consta in rezumarea
pietei de piloti automati si o observatie privind dezvoltarea ulterioara.
-
Cuprins: 1. Introducere ..........................................................................................................................4
2. Bazele UAV ........................................................................................................................4
3. Bazele controlului UAV-urilor ............................................................................................5
4. Controlul radio ....................................................................................................................7
5. Controlul pilotului automat ..................................................................................................7
5.1 Hardware-ul Pilotului automat ...........................................................................................9
5.1.1 Senzori inertiali MEMS ..............................................................................................9
5.1.2 Configuratii poibile de senzori ....................................................................................9
5.2 Software-ul pilotului automat .......................................................................................... 10
5.2.1 Observarea starilor .................................................................................................... 11
5.2.2 Obiectivele de control ale pilotului automat .............................................................. 11
5.2.3 Estimarea starii ......................................................................................................... 11
5.2.4 Proiectarea controlui pilotului automat ...................................................................... 11
6. Piloti automati off-the-shelf tipici ...................................................................................... 12
6.1 Procerus Kestrel .............................................................................................................. 12
6.2 Seria MicroPilot MP ........................................................................................................ 13
6.3 Cloud Cap Piccolo ........................................................................................................... 14
6.4 UNAV 3500 .................................................................................................................... 15
6.5 Compararea specificatiilor ............................................................................................... 15
7. Piloti automati open source ............................................................................................ 16
7.1 Paparazzi ......................................................................................................................... 16
7.2 Crossbow MNAV+Stargate autopilot .............................................................................. 17
8. Comparatii si concluzii ...................................................................................................... 17
8.1 De ce am folosi UAV-uri de mici dimensiuni? ................................................................. 18
8.2 Proiectarea controlerelor pentru pilotul automat ............................................................... 18
8.3 Directii viitoare ale sistemelor de pilot automat pentru UAV-uri mici .............................. 18
8.4 Concluzii ......................................................................................................................... 19
Bibliografie ............................................................................................................................... 20
-
1. Introducere In ultima perioada, interesul asupra UAV-urilor de mici dimensiuni a crescut. Odata cu aparitia
acumulatorilor cu densitate mare de putere, micro-dispozitivelor radio cu raza mare si putere
scazuta, a fuzelajelor ieftine si a micro-procesoarelor puternice UAV-urile au devenit aplicabile
in domenii civile ca teledetectie, mapare, monitorizarea traficului, cautare si salvare. UAV-urile
mice au o anvergura relativ mica si o greutate scazuta. Acestea sunt sacrificabile, usor de
construit si de operat. Majoritatea pot fi operate de una sau doua persoane sau chiar transportate
si lansate manual. In fapt, UAV-urile mici sunt proiectate sa zboare la altitudinii mici (in mod
normal
-
aeronave radio comandate se incadreaza in aceasta categorie. De fapt, majoritatea UAV-urilor
pot fi controlate de la distanta pentru a preveni accidente cauzate de defectiuni majore.
Primul UAV a fost Q-2 construit de Ryan Aeronautical si a zburat in anii 1950 avand misiuni de
recunoastere militara. In zilele de azi, armata SUA foloseste multe UAV pentru a proteja viata
pilotilor in cazul misiunilor monotone, murdare sau periculoase. Multe UAV-uri din serviciul
militar cantaresc sute sau chiar mii de kilograme si pot zbura pana la inaltimi de 2000 m. Armata
foloseste de asemenea si mini si micro UAV-uri precum Dragon Eye, FPASS, Pointer sau
Raven. Aceste UAV-uri de dimensiuni reduse folosesc acumulatori pentru propulsie, cantaresc
sub 5 kg si zboara la altitudini care nu depasesc 300 m.
Dupa cum am mentionat si mai sus, majoritatea UAV-urilor timpurii au fost dezvoltate pentru
aplicatii militare. Acestea aveau costuri ridicate pentru dezvoltare si mentenanta, lucru care a
ingreunat utilizarea lor in domenii civile. Odata cu aparitia acumulatorilor cu densitate mare de
putere, in anii 1990, a echipamentelor miniaturizate, a dispozitivelor wireless UAV-urile mici au
devenit accesibile cercetatorilor si chiar pasionatilor. Pe baza formei aripilor si a structurilor
UAV-urile pot fi categorisite in UAV-uri cu aripa fixa si UAV-uri cu aripa rotativa.
3. Bazele controlului UAV-urilor O aeronava se poate roti in jurul a trei axe (x,y,z) relativ la centrul de greutate al acesteia.
Controlul pozitie UAV-ului se rezuma la controlul unghiurilor: ruliu (), tangaj () si giratie ().
Sistemului de referinta al miscarii unei aeronave este prezentat in figura 1.
Principalele suprafete de control ale unei aeronave cu aripa fixa pot include unele sau toate
suprafetele prezentate in continuare:
Eleroane: pentru controlul unghiului de ruliu
Profundor: pentru controlul unghiului de tangaj
Acceleratie: pentru controlul vitezei
Directia: pentru controlul unghiului de ruliu
Este posibil ca UAV-urile de mici dimensiuni sa nu detina toate aceste suprafete de control. Spre
exemplu, cadrul Unicorn are doar acceleratia si doua suprafete de control: eleron stanga si
dreapta care indeplinesc si functia de profundor. Eleroanele de acest tip se mai numesc si
elevoane.
-
Fig.1 Definirea axelor
Variabilele de stare ale unui UAV includ:
: pozitia inertiala (nord, est) si altitudinea
: vitezele relative fata de Pamant
vitezele pe cele trei axe relativ la axele aeronavei
, si : unghiurile de ruliu, tangaj si giratie
p, q si r: vitezele unghiulare relativ la axele aeronavei
v, si : viteza aerului, unghiul de atac si unghiul de alunecare
UAV-urile de mici dimensiuni sunt sisteme dinamice neliniare datorita incertitudinilor cauzate
de viteza, altitudine, greutate, masa, vant si turbulente. De aceea este greu de obtinut un model
complet nelinear. Totusi se pot folosi anumite modele lineare pentru a aproxima dimanica UAV-
urilor.
In mod normal UAV-urile au doua moduri de control: prin telecomanda radio sau prin pilotul
automat. Controlul prin telecomanda radio impune controlarea UAV-ului de catre un pilot uman
prin semnale radio, in timp ce pilotul automat il poate controla automat. Exista si modul de
control mixte in anumite aplicatii ale mini UAV-urilor, ca la Autopilot 3400 de la UNAV. Un
mod de control de acest tip implica controlul altitudinii de catre pilotul automat iar un operator
controleaza traiectul de zbor.
-
4. Controlul radio UAV-urile radio comandate sunt controlate in mod normal de un operator experimentat prin
intermediul unui radio transmitator si au imbarcat un radio receptor. Semnale transmise pot fi de
tip PPM (pulse position modulation) sau PCM (pulse code modulation). Semnalele PPM sunt
incluse in categoria modulatiei in frecventa (FM). Frecventa de operare a UAV-urilor radio
comandate este de 72MHz sau in banda de 2.4 GHz. In mod normal frecventa este setata pentru
transmitatorul/receptorul radio si pot fi transmise pana la opt canale de semnale PPM simultan.
Dupa ce receptorul decodeaza semnalele de la transmitator se genereaza semnale PWM (pulse
width modulation) pentru controlul servo.
De exemplu, Unicorn are doar trei suprafete de control incluzand acceleratia. De aceea, este
nevoie doar de trei canale PPM: canalul 1 pentru elevonul dreapta, canalul doi pentru elevonul
stanga si canalul trei pentru acceleratie. Dezvoltarea rapida a MEMS-urilor, acumulatorilor si a
tehnologiei wireless in combinatie cu cresterea numarului de pasionati de avioane radio-
comandate (RC) a dus la dezvoltarea unor UAV-uri pretabile unor misiuni civile sau de
cercetare.
Desi, avioanele RC se pot preta unor misiuni de supraveghere, este nevoie de continua
concentrare a unui pilot experimentat. De aceea, sistemele de pilot automat sunt necesare pentru
a elibera operatorii unami de misiuni ce implica rutina si o grad ridicat de concentrare. In plus,
aceste sisteme pot imbunatati precizia navigatiei si autonomia UAV-urilor.
5. Controlul pilotului automat
Un pilot automat este un sistem MEMS folosit pentru a ghida avionul fara asistenta din partea
operatorului uman, constand in componente hardware si respectiv software. Primul pilot automat
pentru aeronave a fost dezvoltat de Corporatia Sperry in 1912 si testat in zbor doi ani mai tarziu.
Sistemele de pilot automat sunt folosite la scara larga pe aeronave cat si pe nave moderne.
Obiectivele sistemelor de pilot automat pentru UAV-ul sunt asistarea acestuia in urmarirea unor
traiecte sau navigarea dupa anumite waypoint-uri (puncte intermediare). Un sistem de pilot
automat puternic poate asista UAV-ul in toate etapele inclusiv decolare, urcare, coborare,
urmarirea traiectului si aterizare.
Pilotul automat este parte a sistemului de control al zborului unui UAV cum se ilustreaza in
figura 2. Pilotul automat trebuie sa comunice cu statia de la sol pentru schimbarea modului de
control, sa primeasca informatii de la GPS in legatura cu pozitia curenta si sa trimita comenzi
catre servomotoarele imbarcate.
Un sistem de pilot automat este un sistem in bucla inchisa care consta in doua parti: observatorul
de stare si controller-ul. Cel mai comun observator de stare este micro sistemul inertial de
ghidare care include senzori giroscopici, de acceleratie si magnetici. De asemenea exista si alte
dispozitive de determinare a atitudinii precum pe baza de senzori infrarosii sau video. Datele de
-
la senzori combinate cu cele de la GPS pot fi trecute printr-un filtru pentru a genera o estimare a
starilor curente pentru a le folosi ulterior in control. Pe baza diferitelor strategii de control, pilotii
automati pentru UAV-uri pot fi categorizati in piloti automati pe baza PID, pe baza fuzzy, pe
baza NN si alte tipuri de piloti robusti.
Un sistem de pilot automat off-the shelf tipic este alcatuit din receptor GPS, micro sistem inertial
de ghidare si procesorul cum se ilustreaza in figura 3. Sistemul de pilot automat pentru UAV-uri
indeplinsete doua functii de baza: estimarea starii si controlul generarii de intrari pe baza
traiectelor de referinta si a starilor curente.
Fig.2 Sisteme de control al zborului
-
Fig.3 Structura functionala a pilotului automat
5.1 Hardware-ul Pilotului automat
Un sistem de pilot automat minim cuprinde pachetul de senzori pentru determinarea starii si
procesorum ambarcat pentru estimare si control, circuite periferice pentru servo si comunicare
prin modem. Datorita limitarilor fizice ale UAV-urilor de mici dimensiuni, hardware-ul trebuie
sa aiba dimensiuni reduse, masa mica si consum redus. Controlul precis al zborului unui UAV
necesita observarea precisa a starilor atitudinii UAV-ului in aer. In plus, pachetul de senzori
trebuie sa garanteze performance bune, in special, intr-un mediu mobil si cu temperatura
variabila.
5.1.1 Senzori inertiali MEMS
Senzorii inertiali se folosesc pentru determinarea pozitiei 3D si a atitudinii UAV-ului.
Tehnologia MEMS face posibila folosirea unor senzori foarte mici si usori pe micro-UAV-uri.
Senzorii MEMS inertiali disponibili includ:
Receptor GPS: pentru masurarea pozitiei absolute ( ) si vitezei relativ la Pamant
( )
Giroscoape de viteza: pentru a masura vitezele pe vitezele unghiulare relativ la axele
aeronavei (p, q si r)
Accelerometre: pentru a masura acceleratiile pe cele trei axe ( )
Senzori magnetici: pentru a masura campul magnetic care poate fi folosit la corectia
giratiei ()
Senzori de presiune: pentru a masura viteza aerului si altitudinea (h)
Senzori ultrasonici SONAR: pentru a masura inaltimea relativ la Pamant
Senzori infrarosii: pentru a masura unghiurile de atitudine ( si )
Camera RGB sau alti senzori optici: pentru inlocuirea unuia sau a mai multi din senzorii
prezentati mai sus.
GPS-ul joaca un rol esential in controlul autonom al UAV-urilor deoarece furnizeaza o masurare
a pozitiei absolute. Eroarea dintre masurarile GPS si pozitia reala are o valoare cunoscuta. Spre
exemplu, receptorul GPS u-blox 5 are o precizie de trei metri in modul 3D in cel mai bun caz
pentru aplicatiile civile in SUA. Totusi exista si unitati GPS care au precizii de ordinul
centimetrilor. Dezavantajul GPS-ului consta in vulnerabilitatea acestuia la conditiile meteo si
frecventa joasa de improspatare (4 Hz), care poate fi insuficienta pentru aplicatii de control al
zborului.
5.1.2 Configuratii poibile de senzori
Avand in vedere senzorii enumerati mai sus, se pot alege cateva combinatii de senzori pentru
diferite tipuri de UAV-uri pentru a indeplini navigatia waypoint la nivel de baza. Majoritatea
UAV-urilor au receptoare GPS onboard pentru un feedback al pozitie absolute. Principala
-
diferenta o constituie solutie folosita in determinarea atitudinii, care poate fi un sistem de masura
inertial (IMU), senzori infrarosii, senzori de imagine, etc.
Micro Inertial Guidance System (IGS): un sistem tipic IGS sau IMU include giroscop de
viteza si accelerometru pe trei axe care pot fi filtrate pentru a genera estimarea atitudinii
(, , ). IGS-ul este foarte raspandit in cadrul UAV-urilor mari. Pentru UAV-uri mai
mici o idee este folosirea unor micro sisteme IGS, care pot furniza un set de date complet.
MNAV de la Crossbow este sistem de genul micro IGS cu o frecventa de improspatare de
pana la 100 Hz pentru senzorii inertiali. MNAV are senzori magnetici, giroscopici si
accelerometrici pe trei axe. De asemenea exista pachete de senzori off-the-shelf si mai
simple cum este ET 301 de la Sparkfun care are doar doua giroscoape si un
accelerometru pe doua axe (tangaj si giratie).
Senzorii infrarosii: o alta solutie pentru determinarea atitudinii este folosirea unei baterii
de senzori infrarosii. Ideea de baza a senzorilor infrarosii de atitudinea este masurarea
diferentei de temperatura dintre doi senzori pe aceeasi axa pentru a determina unghiul
UAV-ului deoarece Pamantul emite mai multa caldura decat cerul. Grupul Paparazzi
Open Source Autopilot a folosit asemenea senzori infrarosii ca senzori principali de
atitudine. Senzorii infrarosii pot fi folositi pentru stabilizarea UAV-ului. Un pachet
similar este Copilot si este ilustrat in figura 4.
Senzori video: Senzorii video pot fi folositi pentru determinarea atitudinii singuri sau in
combinatie cu alte masurari inertiale. Ruliul si tangajul pot fi determinate pe baza
imaginilor onbord sau a fluxului de imagini transmis. Eperimentele asupra navigarii si
evitarii obstacolelor doar pe baza de imagini s-au realizat doar pe aeronave cu aripa
rotativa. Navigatie pe baza de imaginii pentru aeronave cu aripa fixa este un subiect la
care inca se lucreaza si care mai necesita multa munca pentru a ajunge la maturitate.
Fig. 4 Senzori infrarosii de atitudine
5.2 Software-ul pilotului automat
Toate masurarile inertiale de la senzori sunt trimise procesorului ambarcat pentru filtrare si
pentru procesarea controlului.
-
5.2.1 Observarea starilor
Procesorul pilotului automat trebuie sa adune toate datele de la senzori in timp real iar dupa
aceea toate aceste informatii sunt pasate pentru procesare ulterioara.
5.2.2 Obiectivele de control ale pilotului automat
Majoritatea UAV-urilor pot fi tratate ca platforme mobile pentru o varietate de senzori. Sarcina
de navigare dupa waypoint de baza poate fi descompusa in cateva subsarcini cum ar fi:
Mentinerea atitudinii unghiului de tangaj
Mentinerea altitudinii
Mentinerea vitezei
Decolarea si aterizare automata
Intoarecere coordonata
Mentinerea directiei
5.2.3 Estimarea starii
Pentru a realiza obiectivele de control de mai sus, este necesara cunoasterea a diferite stari ale
sistemului cu frecventa relativ ridicata (in mod normal 20 Hz pentru UAV-uri mici). Totusi,
poate oferi date cu un anumit zgomot la o frecventa de 4 Hz. Filtrul Kalman poate fi folosit
pentru a realiza o estimare optimala ( ) a starilor curente incluzand locatia UAV-ului, viteza si
acceleratia acestuia. Utilizatorul trebuie sa defineasca o matrice de estimare a zgomotului, care
reprezinta cat de mult estimarea se poate abate de la valorile reale ale starilor. Filtrul Kalman
necesita o manipulare matriceala considerabila care adauga o sarcina in plus procesorului. De
aceea se impune simplificarea tehnicii filtrului Kalman in functie de aplicatie. Pe langa acestea,
trebuiesc eliminate si cateva alte probleme ca derapajele giroscoapelor si zgomotul de inalta
frecventa al senzorilor.
5.2.4 Proiectarea controlui pilotului automat
Majoritatea pilotilor automati disponibili si in faza de dezvoltare se concentreaza pe navigatie
waypoint pe baza GPS-ului. Urmarirea traiectului poate fi impartita in cateva sarcini diferite:
Bucla interioara pe ruliu si tangaj pentru atitudine
Bucla exterioara pe giratie, altitudine pentru traiect sau urmarirea waypoint-ului
Navigarea waypoint
Controlul zborului unui UAV are doua controlere de baza: controlerul altitudinii, si controlerul
vitezei si directiei. Controlerul altitudinii are ca scop controlul altitudinii la care zboara UAV-ul,
inclusiv fazele de decolare si aterizare. Controlerul vitezei si directiei are ca scop ghidarea UAV-
ului dupa anumite waypoint-uri. Pentru a obtine cerintele de control de mai sus pot fi folosite
diferite strategii de control inclusiv PID, retea neurala adaptiva, logica Fuzzy, control de ordin
fractional, etc.
-
Abordarea PID: Majoritatea pilotilor automati folosesc controlere PID. Avand date
coordonatele waypoint-ului de referinta si datele de stare estimate ale UAV-ului,
parametrii controlerului pot fi modificati prima data off-line si remodificati in timpul
zborului. Majoritatea pilotilor automati comerciali folosesc controlere PID deoarece sunt
usor de implementat pe platforme de UAV-uri mici dar acestea au limitari din punct de
vedere al optmizarii si robustetii. Pe langa acestea, modificarea parametrilor este dificila
in anumite circumstante.
Piloti automati bazati pe logica Fuzzy: Cercetarile asupra pilotilor automati pentru UAV-
uri mici sunt destul de active in ce priveste alte strategii de control moderne. Sistemele de
control ce au la baza logica Fuzzy pot fi folosite la numeroase aplicatii inclusiv controlul
zborului. In total sunt trei controlere fuzzy, unul pentru control lateral si doua pentru
control longitudinal. Pentru a fi mai robust se adauga un controler pentru viteza si un
block de atenuare a perturbarilor datorate vantului. Hardware-ul acestui pilot automat
include un o placa de procesare PC 104 ca procesor si un micro IGS ca unitate de senzori.
Acest pilot poate realiza navigare waypoint.
Pilot automat pe baza NN: controlerele pe baza de retele neurale adaptive nu necesita un
model matematic exact si sunt potrivite pentru contrlul multivariabil al zborului. Desi
aceste tipuri de piloti automati au fost dezvoltate pentru controlul elicopterelor fara pilot,
pot fi adaptate si pentru UAV-uri cu aripa fixa.
Piloti automati pe baza de LQG/LTR si : atat pilotii automati PID cat si NN nu au la
baza un model iar optimalitatea si robustetea acestora nu poate fi garantata. Cum
majoritatea UAV-urilor de mici dimensiuni sunt sisteme nelineare si nu se poate obtine
un model nelinear exact pentru ele, se poate folosi un sistem linear pentru a aproxima
dinamica UAV-urilor. Pentru a obtine un control al altitudinii mai performant se foloseste
o combinatie de controler Linear Quadratic Gaussian si filtru Kalman. Pentru a ameliora
efectele zgomotului si a schimbarii de circumstance in ceea ce priveste sarcina utila pe
UAV-uri cu aripa fixa se pot utiliza si bucle de tip .
6. Piloti automati off-the-shelf tipici In aceasta sectiune sunt prezentati si comparati in termeni de configurare a senzorilor, a estimari
starilor si a puterii controlerelor cativa piloti automati disponibili off-the-shelf. Majoritatea
pilotilor automati pentru UAV-uri au senzori, procesoare si circuite periferice integrate intr-o
singura placa pentru a reduce gabaritul si greutatea. Din motive comerciale, cateodata este
imposibila o comparatie completa in ceea ce priveste detaliile de implementare software.
6.1 Procerus Kestrel
Pilotul automat Procerus Kestrel a fost special proiectat pentru mini si micro UAV-uri, cantarind
numai 16.7 g (fara modem si receptor GPS) si este ilustrat in figura 5 iar specificatiile sunt
prezentate in tabelul 1. Kestrel 2.2 beneficiaza de un set complet de senzori inertiali:
accelerometre si senzori de viteza unghiulara pe trei axe, magnetometru pe doua axe, un senzor
-
de presiune statica si unul de presiune dinamica. Cu ajutorul compensatorului de temperatura
poate estima atitudinea UAV-ului si viteza vantului destul de precis.
Kestrel are un procesor Rabbit 3000 de 29 Mhz cu 512K RAM. Are incluse abilitati de decolare
si aterizare autonoma, navigatie dupa waypoint, mentinerea si vitezei si altitudinii. Algoritmul de
control al zborului este bazat pe bucle PID. Pilotul automat beneficiaza de controlere separat pe
tangaj, acceleratie si eleroane. Controlerul pe tangaj asigura stabilitatea longitudinala si
stabilitatea vitezei. Controlerul acceleratie asigura viteza constanta la zbor orizontal. Controlul
eleroanelor asigura stabilitatea laterala. Procerus asigura optiunea modificarii coeficientilor de
amplificare ai PID-urilor cu grafice de performanta timp real.
De asemenea beneficiaza de verificari ale senzorilor si mecanisme de siguranta integrate in
pachetul software.
Fig.5 Pilot automat Procerus Kestrel
6.2 Seria MicroPilot MP
MicroPilot o serie de piloti automati pentru UAV cu aripa fixa sau rotativa de dimensiuni mici la
un pret care variaza intre $2000 si $8000. Pentru o comparatie corecta, alegem MP2028 datorita
pretului, care este prezentat in figura 6. Specificatiile si optiunile sunt prezentate in tabelul 1. MP
2028 are un pachet de senzori similar cu cel al lui Kestrel doar ca nu are magnetometru.
Receptorul GPS este integrat in placa de baza la MP 2028, ceea ce reduce dimensiunile pilotului
automat. Totusi, deoarece receptorul GPS este integrat, interferentele electro-magnetice pot duce
la cresterea erorilor de pozitie. GPS are o frecventa de improspatare standard de 1 Hz.
Pilotul automat MP 2028 accepta mentinerea altitudinii, a vitezei si navigatia waypoint. De
asemenea suporta si decolare si aterizare autonoma, inclusiv lansarea din mana sau bungee,
-
decolarea pe pista, aterizare in picaj abrupt, etc. Frecventa PID-urilor este de 30 de Hz iar servo-
urile se pot modifica cu o frecventa de pana la 50 Hz.
Fig.6 Pilot automat MP2028
6.3 Cloud Cap Piccolo
Familia de piloti automati Piccolo pentru UAV-uri de la Cloud Cap furnizeaza cateva pachete
pentru diferite aplicatii. PiccoloPlus este un pilot automat pentru UAV-uri cu aripa fixa cu toate
optiunile. Piccolo II este beneficiaza si de o interfata pentru sarcina utila. Piccolo LT este un
pilot automat optimizat pentru UAV-uri electrice de mici dimensiuni prezentat in figura 7.
Acesta include senzori inertiali si barometrici, GPS, unitate de procesare, legatura radio, toate
intr-o incinta inchisa. Pachetul de senzori include trei giroscoape si accelerometre, un senzor de
presiune dinamica si unul de presiune barometrica. Piccolo are o sectiune speciala de configurare
a senzorilor pentru a corecta erori ca decalaje dintre IMU si antena GPS, orientarea avionicii
relativ la fuselajul UAV-ului.
Piccolo LT are un microcontroller MPC555 de 40 de MHz. piccolo are un controler universal
configurat in functie de utilizator care include care contine controler pentru configuratii cu aripa
fixa, de tip elicopter, aripa fixa de generatia a doua etc. Controlerul pentru configuratie cu aripa
fixa de generatia a doua este cel mai folositcontroler de zbor pe UAV-uri conventionale cu aripa
fixa. Acesta include suport pentru mentinerea altitudinii, flapsurilor, inclinatiei, directiei si
vitezei verticale dar si decolare si aterizare autonoma. Pilotul automat Piccolo suporta o statie de
sol care controleaza mai multi piloti automati.
Fig.7 Pilot automat Piccolo LT
-
6.4 UNAV 3500
Cei de la UNAV au variante ieftine de piloti automati pentru incepatori in domeniul UAV-urilor.
Picopilot-SP costa doar $400 si are doar functiile de baza pentru navigatie cu mod de
autoprogramare. Adica UAV-ul poate reproduce traiectul pe care a fost pilotat manual in modul
inregistrare. UNAV construieste si pilotul automat 3500 care are un set de senzori mai bogat, trei
senzori giroscopici, doua accelerometre si senzori barometrici. UNAV 3500 comunica cu in
receptor GPS extern printr-un port serial prin protocolul NMEA 0183. UNAV foloseste
giroscoape electronice care sustin ca pot preveni devierile giroscopice in timpul unei inclinari
sustinute.
Un avantaj al lui UNAV 3500 este stabilitatea cu adevarat autonoma, ceea ce inseamna ca nu are
nevoie sa comunice constant cu statia de la sol in modul autonom. UNAV 3500 are doua versiuni
3500 FW pentru configuratie cu aripa fixa si 3500 HL pentru configuratie de tip elicopter.
6.5 Compararea specificatiilor
Caracteristicile fizice ale pilotului automat sunt importante deoarece UAV-urile de mici
dimensiuni nu ofera nici spatiu si nici putere prea mare. Dimensiunile, masa si consumul sunt
prezentate in tabelul 1. Informatiile despre senzori sunt prezentate in tabelul 2. Caracteristicile
functionale sunt prezentate in tabelul 3.
Tabel 1. Compararea caracteristicilor fizice
Dimensiuni (cm)
Masa (g)
w/o radio Consum Pret
(k USD) DC In
(V) CPU Memorie
(K) Kestrel 2.2 5.08*3.5*1.2 16.7 500mA(3.3 or 5V) 5 6-16.5 29MHz 512 MP 2028g 10*4*1.5 28 [email protected] 5.5 4.2-26 3MIPS -
Piccolo LT(w.modem) 13*5.9*1.9 45 4W - 4.8-24 40MHz 448 Unav 3500 10.16*5.08*2.03 42.45 100mA@6V 3/5(FW/HL) 5-7 40MIPS 256
Tabel 2. Comparare spectrului
de functionare a senzorilor
Kestrel MP 2028g Piccolo LT Unav 3500
Temperatura de operare(oC) -40 +85 - -40 +80 0 +60 Viteza unghiulara maxima(Deg/s) 300 150 - 150
Acceleratie maxima(g) 10 2 - 2 Magnetometru(G) 1 - - -
Altitudine(m) -13.7 3414 0 12000 - 0 4876.8 Viteza(mile/hour) 0 130 0 311 - -
Table 3. Compararea functiilor pilotului automat.
Kestrel MP 2028g Piccolo LT Unav 3500
Navigatie waypoint Y Y Y Y Decolare aterizare autonoma Y Y Y N
Mentinere altitudine Y Y Y Y Mentinere viteza Y Y Y Y
Suport multi-UAV Y N Y N Bucla de control al atitudinii - 30Hz - 50 Hz
Frecventa control servo - 50Hz - 50 Hz Frecventa telemetrie - 5Hz 25Hz or faster 1 Hz
Frecventa de inregistrare
-
7. Piloti automati open source Odata cu scaderea pretului senzorilor inertiali MEMS, a aeronavelor RC, cateva proiect de piloti
automati open source pentru UAV au avut parte de un mare interes din partea cercetatorilor din
intreaga lume. Avantajul pilotilor automati open source il reprezinta flexibilitatea atat hardware
cat si software. Cercetatorii pot modifica cu usurinta pilotul automat conform propriilor nevoi.
7.1 Paparazzi
Pilotul automat Paparazzi este un proiect foarte popular dezvoltat de cercetatorii de la
universitatea ENAC din Franta. Senzorii infrarosii (IR) combinati cu un receptor GPS reprezinta
unitatea senzoriala principala. Desi, senzorii IR nu ofera decat o estimare bruta a atitudinii, daca
sunt reglati bine sunt destul pentru controlul unui zbor constant. Tiny 13 este hardware-ul
pilotului automat care contine si un receptor GPS integrat si este ilustrat in figura 8. Paparazzi au
si pilotul automat Tiny Twong care are doua porturi seriale libere ce pot fi folosite pentru
conectarea unei IMU si a unui modem. Un filtru Kalman ruleaza in cadrul pilotului automat
pentru o furnizare mai rapida a atitudinii pe baza GPS-ului.
Ca procesor principal, Paparazzi folosesc un cip LPC 2148 ARM7. Partea de software, acesta
poate indeplini urmarirea waypoint-urilor, decolare si aterizare automata si mentinerea
altitudinii. De asemenea se poate configura si controlerul de zbor daca se folosesc giroscoape de
viteza pentru urmarirea unghiurilor de ruliu si tangaj, mai ales in cazul micro-UAV-urilor. Totusi
acest pilot automat nu are un control al vitezei din moment ce nu beneficiaza de senzori
barometrici. Paparazzi este autonom, deoarece nu se bazeaza pe o statie la sol. De asemenea are
si o gramada de functii de siguranta in cazul pierderii legaturii radio, sau la iesirea din raza
predefinita, pierderea semnalului GPS, etc.
Fig.8 Pilot automat Paparazzi
-
7.2 Crossbow MNAV+Stargate autopilot
Sistemul de pilot automat MNAV+Stargate, ilustrat in figura 9 este dezvoltat de compania
Crossbow pentru UAV-uri de mici dimensiuni. MNAV este un micro sistem inertial, un receptor
GPS, drivere servo si interfata PPM. MNAV100CA include urmatorii senzori: accelerometre si
senzori de viteza unghiulara pe trei axe, senzori de presiune dinamica si statica. Stargate este un
calculator puternic implementat intr-o singura placa cu un procesor de PXA255 400MHz si 64M
SDRAM. Puterea mare de calcul asigura procesarea in timp real a filtrului extrins Kalman si
controlul pilotului automat. Acest pachet furnizeaza cateva interfete de rezerva ca I/O generala,
porturi seriale, USB, PCMCIA si compact flash pentru ca cercetatorii sa poata adauga cu
usurinta senzori specifici.
In software este dezvoltat un algoritm de navigatie waypoint autonoma iar codul sursa este
accesibil utilizatorilor. Controlerul pilotului automat foloseste un controler PID pe trei niveluri
pentru a realiza navigatia waypoint in o anumita altitudine. Nivelul exterior rmareste pozitia x-y
a UAV-ului si converteste pozitia de referinta in giratie. Nivelul mijlociu stabilizeaza giratia si
altitudinea iar nivelul interior stabilizeaza unghiurile de atitudine.
Pilotul automat MNAV+Stargate are o marime medie si nu are o greutate chiar potrivita pentru a
fi imbarcat pe un UAV de mici dimensiuni. Totusi, partea buna o reprezinta faptul ca, codul
sursa este deschis in Linux. Mai mult, Stargate este un procesor puternic iar porturile I/O ofera
utilizatorilor flexibilitate in dezvoltare.
Fig.9 Crossbow MNAV
8. Comparatii si concluzii UAV-urile de mici dimensiuni reprezinta un subiect destul de activ in ultimii ani. Multe UAV-
uri mici cu aripa fixa sau rotativa zboara sub ghidarea sistemelor de pilot automat. Datorita
limitarilor in materie de dimensiuni si sarcina utila a UAV-urilor, caracteristicile fizice, ca
gabaritul, greutate sau consumul sunt principalele probleme care trebuiesc luate in considerare in
vederea proiectarii unui pilot automat. Un pilot automat bun trebuie sa fie mic, usor si sa aiba o
anduranta mare. Proiectarea unui hardware care sa indeplineasca cerintele unui pilot automat nu
este asa dificila. Constrangerile principale in proiectarea unui pilot automat constau in principal
-
in partea software. Pilotul automat pentru aeronave clasice ajuta pilotii umani la transportul unor
persoane sau a unor marfuri dintr-un oras intr-altul. Totusi, in cadrul UAV-urilor aceasta functie
nu este de ajuns. Deci, ce fel de functii trebuie sa indeplineasca un pilot automat? Pentru a
raspunde la aceasta intrebare, primul lucru la care ar trebui sa ne gandim este misiunea pe care
trebuie sa o indeplineasca un UAV de mici dimensiuni.
8.1 De ce am folosi UAV-uri de mici dimensiuni?
Pasionatii de avioane RC au ca scop mai de graba acrobatiile aeriene decat posibilitatea
controlului printr-un pilot automat dincolo de zborul la vedere. Dar acrobatiile pot sa nu
constitue prioritatea dezvoltatorilor de piloti automati. Principalele misiuni ale UAV-urilor mici
le constituie teledetectia cu ajutorul unei camere, monitorizarea traficului, a granitelor, misiuni
de cautare si salvare, etc.
Desi majoritatea pilotilor automati au posibilitatea navigarii autonome dupa waypointuri, pentru
anumite aplicatii emergente nu este indeajuns. De exemplu, am putea dori sa observam modul in
care se dezvolta un incendiu de padure. Deci, trebuie construit un nou strat de navigare pe baza
datelor dinamice peste navigarea waypoint.
8.2 Proiectarea controlerelor pentru pilotul automat
Multe sisteme comerciale de pilot automat off-the-shelf folosesc algoritmi de control de tip PID.
Avantajele pilotilor automati pe baza de bucle PID includ:
Simplitate si usurinta in ce priveste proiectarea si intelegerea
Pot fi implementate strategii de control pe nivele superioare
Necesita putina memorie si putine resurse de procesare
Totusi, pilotii automati pe baza de PID si si anumite dezavantaje:
Robustetea: parametrii PID-urilor trebuiesc modificati la schimbari ale sarcinii utile
Stabilitatea: Controlul PID poate deveni instabil in anumite cazuri precum tulburari ale vantului
Modificarea dificila a parametrilor, mai ales in cazul incepatorilor
Printr-o cercetare mai avansata in modelarea UAV-urilor cu aripa fixa de mici dimensiuni, pot fi
incercate strategii mai complexe de control pentru imbunatatirea performantelor.
8.3 Directii viitoare ale sistemelor de pilot automat pentru UAV-uri mici
Analiza robustetii. Majoritatea pilotilor automati actuali nu au nevoie de un model dinamic
precis si sunt greu de testat in conditii de tulburi mecanice sau vant.
-
Interfete om-UAV mai prietenoase. Pilotii automati complet autonomi pentru UAV-uri pot sa nu
constituie o alegere buna pentru misiuni de supraveghere deoarece utilizator datelor poate avea
cerinte specifice in ceea ce privesteinformatiile precum dimensiunea filmarii sau acuratetea.
Proiectarea controlului pilotului automat in functie de date dinamice. Majoritatea pilotilor
automati se concentreaza in principal pe navigatie waypoint dar scopul suprem al zborului unui
UAV il constituie colectarea de date din zonele care prezinta interes. Cum pot fi incorporate
datele de la senzori ca intrari pentru pilotul automat reprezinta o sarcina destul deimportanta.
Unele cercetari au fost efectuate in acest domeniu dar mai este nevoie de eforturi pentru a
raspunde la aceasta intrebare in aplicatii reale ale UAV-urilor.
Posibilitatea cooperarii intre sistemele de piloti automatipoate fi adaugata. Sarcini ca maparea
sau culegerea de informatii intr-o zona mai mare necesita mai multe UAV-uri. Deci, pilotul
automat va trebui sa dispuna de functii de control care sa realizeze cooperarea. Chiar daca cativa
cercetatori au realizat niste experimente in acest domeniu, putini piloti automati dispun de functii
multiple ca zborul in formatie sau urmarirea video in cooperare.
8.4 Concluzii
In aceasta lucrare, atat pilotii automati comerciali cat si cei in dezvoltare sunt trecuti in revista si
comentati in detaliu cu o evidentiere a componentelor hardware. Intregul sistem de pilot automat
include cateva parti ca observatorul de stare, estimatorul de stare si controlul zborului. In sfarsit,
sunt comparate diferite sisteme de pilot automat si sunt prezise directiile viitoare de dezvoltare.
-
Bibliografie
[1] S. A. Cambone, K. J. Krieg, P. Pace, and L. Wells, USAs Unmanned Aircraft Roadmap,
2005-2030, National Defense, 2005.
[2] H. Wu, D. Sun, and Z. Zhou, Micro air vehicle: Configuration, analysis, fabrication, and
test, IEEE/ASME Trans. on Mechatronics, vol. 9, no. 1, pp. 108-117, 2004.
[3] J. M. Sullivan, Evolution or revolution? The rise of UAVs, IEEE Technology and Society
Magazine, vol. 25, no. 3, pp. 43-49, 2006.
[4] H. Chao, M. Baumann, A. Jensen, Y. Q. Chen, Y. Cao, W. Ren, and M. McKee, Band-
reconfigurable multi-UAV-based cooperative re-mote sensing for real-time water management
and distributed irrigation control, Proc. IFAC World Congress, pp. 11744-11749, 2008.
[5] J. Pappalardo, Unmanned aircraft roadmap re-flects changing priorities, National Defense,
vol. 87, no. 392, pp. 30, 2003.
[6] B. L. Stevens and F. L. Lewis, Aircraft Control andSimulation, John Wiley & Sons, Second
edition, 2003.
[7] M. Liu, G. K. Egan, and Y. Ge, Identification of attitude flight dynamics for an
unconventional UAV, Proc. IEEE/RSJ Int. Conf. Intelligent Robots and Systems, pp. 3243-
3248, 2006.
[8] www.u-nav.com.
[9] www.sparkfun.com.
[10] P. Brisset, A. Drouin, M. Gorraz, P. S. Huard, and J. Tyler, The Paparazzi solution, Proc.
of MAV2006, Sandestin, Florida, 2006.
[11] G. K. Egan, The use of infrared sensors for abso-lute attitude determination of unmanned
aerial ve-hicles, Tech. Rep. MECSE-22-2006, Monash Uni-versity, Australia, 2006.
[12] www.fmadirect.com.
[13] A. J. Calise, E. N. Johnson, M. D. Johnson, and J. E. Corban, Applications of adaptive
neural-network control to unmanned aerial vehicles, Proc. of AIAA/ICAS Int. Air and Space
Symposium and Ex-position: The Next 100 Years, Dayton, OH, 2003.
[14] D. Damien, B. Wageeh, and W. Rodney, Fixed-wing attitude estimation using computer
vision based horizon detection, Proc. Australian Int. Aerospace Congress, Melbourne Australia,
2007.
[15] www.micropilot.com.
[16] www.cloudcaptech.com.