Автономия - Беспилотный летательный аппарат (БЛА, БПЛА,беспилотник,дрон) Квадрокоптер

Лекция

Это продолжение увлекательной статьи про беспилотный летательный аппарат.

...

/ data-auto-open loading="lazy" alt="Беспилотный летательный аппарат (БЛА, БПЛА,беспилотник,дрон) Квадрокоптер">

Общая физическая структура БПЛА

Самолеты одного типа с экипажем и без экипажа, как правило, имеют идентичные физические компоненты. Основное исключение - это кабина экипажа и система экологического контроля или системы жизнеобеспечения . Некоторые БПЛА несут полезную нагрузку (например, камеру), которая весит значительно меньше, чем взрослый человек, и в результате может быть значительно меньше. Несмотря на то, что они несут большую полезную нагрузку, вооруженные военные БЛА легче, чем их аналоги с экипажем и сопоставимым вооружением.

Небольшие гражданские БПЛА не имеют жизненно важных систем и, следовательно, могут быть построены из более легких, но менее прочных материалов и форм, и могут использовать менее надежные электронные системы управления. Для небольших БПЛА стала популярной конструкция квадрокоптера , хотя эта компоновка редко используется для самолетов с экипажем. Миниатюризация означает, что можно использовать менее мощные двигательные технологии, которые невозможны для самолетов с экипажем, такие как небольшие электродвигатели и батареи.

Системы управления БПЛА часто отличаются от систем управления кораблями с экипажем. Для дистанционного управления человеком камера и видеосвязь почти всегда заменяют окна кабины; радиопередачи цифровых команд заменяют физические органы управления кабиной. Программное обеспечение автопилота используется как на самолетах с экипажем, так и без экипажа, с различными наборами функций.

Корпус

Основное отличие самолетов - отсутствие зоны кабины и ее окон. Бесхвостые квадрокоптеры являются обычным форм-фактором для вертолетных БПЛА, в то время как хвостовые моно- и двухкоптеры - обычными для платформ с экипажем. [60]

Блок питания и платформа

В небольших БПЛА в основном используются литий-полимерные батареи (Li-Po), а в более крупных транспортных средствах часто используются обычные авиационные двигатели или водородные топливные элементы . Масштаб или размер самолета не являются определяющей или ограничивающей характеристикой энергоснабжения БПЛА. Плотность энергии современных Li-Po аккумуляторов намного меньше, чем у бензиновых или водородных. Рекорд путешествий БПЛА (построенного из пробкового дерева и майларовой кожи) через Северную часть Атлантического океана принадлежит бензиновой модели самолета или БПЛА. Манард Хилл в книге «В 2003 году, когда одно из его творений пролетело 1882 мили через Атлантический океан на менее чем галлоне топлива», держит этот рекорд. См .: [61]Электроэнергия используется, так как для полета требуется меньше работы, а электродвигатели тише. Кроме того, при правильной конструкции соотношение тяги к весу электрического или бензинового двигателя, приводящего в движение воздушный винт, может зависать или подниматься вертикально. Самолет Botmite является примером электрического БПЛА, способного взбираться по вертикали. [62]

Схема исключения батареи (BEC) используется для централизации распределения энергии и часто содержит микроконтроллер (MCU). Более дорогостоящее переключение BEC снижает нагрев платформы.

Вычисления

Вычислительные возможности БПЛА последовали за развитием вычислительной техники, начиная с аналогового управления и эволюционировав в микроконтроллеры, затем систему на кристалле (SOC) и одноплатные компьютеры (SBC).

Системное оборудование для небольших БЛА часто называют контроллером полета (FC), платой контроллера полета (FCB) или автопилотом.

Датчики

Датчики положения и движения дают информацию о состоянии самолета. Экстероцептивные датчики имеют дело с внешней информацией, такой как измерения расстояния, в то время как экспроприоцептивные датчики коррелируют внутренние и внешние состояния. [63]

Не взаимодействующие датчики могут обнаруживать цели автономно, поэтому они используются для обеспечения разделения и предотвращения столкновений. [64]

Степени свободы (DOF) относятся как к количеству, так и к качеству датчиков на борту: 6 DOF подразумевают 3-осевые гироскопы и акселерометры (типичный инерциальный измерительный блок - IMU), 9 DOF относятся к IMU плюс компас, 10 DOF добавляет барометр и 11 степеней свободы обычно добавляет приемник GPS. [65]

Актуаторы

Приводы БПЛА включают в себя цифровые электронные контроллеры скорости (которые контролируют частоту вращения двигателей), связанные с двигателями / двигателями и пропеллерами , серводвигателями (в основном для самолетов и вертолетов), оружием, исполнительными механизмами полезной нагрузки, светодиодами и динамиками.

Программное обеспечение

Программное обеспечение БПЛА называется полетным стеком или автопилотом. Целью полетного стека является получение данных от датчиков, управляющих двигателей для обеспечения устойчивости БПЛА и облегчения связи с наземным управлением и планированием миссии. [66]

БПЛА - это системы реального времени , которые требуют быстрого реагирования на изменение данных датчиков. В результате беспилотные летательные аппараты полагаются на одноплатные компьютеры для выполнения своих вычислительных задач. Примеры таких одноплатных компьютеров включают Raspberry Pis , Beagleboards и т. Д. , Защищенные NavIO , PXFMini и т. Д. Или разработанные с нуля, такие как NuttX , превентивная RT Linux , Xenomai , Orocos-Robot Operating System или DDS-ROS 2.0 .

Обзор стека полета
Слой	Требование	Операции	пример
Прошивка	Критичный ко времени	От машинного кода до выполнения процессора, доступ к памяти	ArduCopter-v1, px4
Промежуточное ПО	Критичный ко времени	Управление полетом, навигация, радиоуправление	Cleanflight, ArduPilot
Операционная система	Компьютерно-интенсивный	Оптический поток, обход препятствий, SLAM, принятие решений	ROS, Nuttx, дистрибутивы Linux, Microsoft IOT

Стекы с открытым исходным кодом для гражданского использования включают:

ArduCopter
- DroneCode (разветвленный от ArduCopter)
CrazyFlie
KKMultiCopter
MultiWii
- BaseFlight (разветвленный от MultiWii)
  - CleanFlight (разветвлен от BaseFlight)
    - BetaFlight (разветвленный от CleanFlight)
    - iNav (разветвлен от CleanFlight)
    - RaceFlight (разветвлен от CleanFlight)
OpenPilot
- dRonin (разветвлен из OpenPilot)
- LibrePilot (разветвлен от OpenPilot)
- TauLabs (разветвлен от OpenPilot)
Папарацци
PX4

Из-за того, что программное обеспечение БПЛА имеет открытый исходный код, его можно настроить для конкретных приложений. Например, исследователи из Технического университета Кошице заменили алгоритм управления автопилотом PX4 по умолчанию. [67] Эта гибкость и совместные усилия привели к появлению большого количества различных стеков с открытым исходным кодом, некоторые из которых являются ветвями других, например CleanFlight, который является ветвлением BaseFlight и из которого созданы три других стека.

Принципы цикла

Типовые контуры управления полетом мультикоптера

БПЛА используют архитектуры управления с открытым, закрытым или гибридным контуром.

Разомкнутый контур - этот тип обеспечивает положительный управляющий сигнал (быстрее, медленнее, влево, вправо, вверх, вниз) без учета обратной связи от данных датчиков.
Замкнутый контур - этот тип включает в себя обратную связь датчика для регулировки поведения (уменьшите скорость, чтобы отразить попутный ветер, переместитесь на высоту 300 футов). ПИД - регулятор является общим. Иногда используется прямая связь , что устраняет необходимость в дальнейшем замыкании цикла. [68]

Управление полетом

БПЛА можно запрограммировать для выполнения агрессивных маневров или посадки / усаживания на наклонных поверхностях [69], а затем для подъема в направлении более удобных мест связи. [70] Некоторые БПЛА могут управлять полетом с помощью различной модели полета [71] [72], например, конструкции VTOL.

БПЛА также могут сидеть на плоской вертикальной поверхности. [73]

Связь

Большинство БПЛА используют радио для дистанционного управления и обмена видео и другими данными . Ранние БПЛА имели только узкополосный канал связи. Нисходящие каналы появились позже. Эти двунаправленные узкополосные радиолинии передавали удаленному оператору данные управления и контроля (C&C) и телеметрические данные о состоянии систем самолета. Для полетов на очень большие расстояния военные БПЛА также используют спутниковые приемники в составе спутниковых навигационных систем. В случаях, когда требуется передача видео, БПЛА будут реализовывать отдельную аналоговую радиолинию видео.

В большинстве современных приложений БПЛА требуется передача видео. Таким образом, вместо двух отдельных каналов для C&C, телеметрии и видеотрафика используется широкополосный канал для передачи всех типов данных по одному радиоканалу. Эти широкополосные каналы могут использовать методы качества обслуживания для оптимизации трафика C&C для уменьшения задержки. Обычно эти широкополосные каналы несут трафик TCP / IP, который может быть маршрутизирован через Интернет.

Радиосигнал со стороны оператора может исходить из:

Наземное управление - человек, управляющий радиопередатчиком / приемником, смартфоном, планшетом, компьютером или исходным значением военной наземной станции управления (GCS) . В последнее время управления от носимых устройств , [74] распознавание движения людей, мозговые волны человека [75] было также продемонстрированы.
Удаленная сетевая система, такая как спутниковые дуплексные каналы передачи данных для некоторых военных держав . [76] Нисходящее цифровое видео по мобильным сетям также вышло на потребительские рынки, [77] в то время как прямое управление восходящим каналом БПЛА через сотовую сеть и LTE было продемонстрировано и находится в стадии испытаний. [78]
Другой самолет, выполняющий роль ретранслятора или мобильной станции управления, - военный пилотируемый беспилотный комплекс (МУМ-Т). [79]
Протокол MAVLink становится все более популярным для передачи данных управления и контроля между наземным пультом управления и автомобилем.

По мере того, как с годами производительность и надежность мобильных сетей увеличивались, дроны начали использовать мобильные сети для связи. Мобильные сети могут использоваться для слежения за дронами, удаленного пилотирования, обновления по воздуху [80] и облачных вычислений. [81]

Современные сетевые стандарты явно рассматривают дроны и поэтому включают оптимизацию. Стандарт 5G требует сокращения задержки в плоскости пользователя до 1 мс при использовании сверхнадежной связи с малой задержкой. [82]