ПРОГРАММИРОВАНИЕ ГРУППЫ КВАДРОКОПТЕРОВ ДЛЯ АВТОНОМНОГО ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАЧ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается актуальность беспилотников в наше время и способы программирования автономного полета группы дронов для каких-либо задач.

Ключевые слова: БПЛА, квадрокоптеры, автономный полет, дроны.

Квадрокоптеры, доступные различным организациям, используются для решения конкретной задачи. Одни следят за состоянием сельскохозяйственных полей, регулярно летают над ними и фотографируют, другие умеют выборочно распылять удобрения. Дроны используются на строительных площадках в карьерах. Они летают по строительной площадке каждый день, делая фотографии, которые затем используются в облаке для создания 3D-модели, которую можно использовать для отслеживания ежедневных изменений.

Эти дроны обычно требуют автономного полета, а не ручного управления. Это связано с тем, что полеты, выполняемые компанией, обычно должны выполняться регулярно в одном и том же месте и по одному и тому же расписанию, которое можно запрограммировать для сокращения затрат на пилотов.

Изначально управление беспилотными летательными аппаратами осуществлялось дистанционно с земли, но современные беспилотные системы все чаще оснащаются автопилотом и бортовым компьютером, что позволяет им решать очень сложные задачи в автономном режиме. Использование автономных БПЛА также позволяет избежать многочасового ручного пилотирования человеком по заранее определенному маршруту, например, в задачах, где конечной целью является наблюдение за объектом с высоты птичьего полета.

Для автономного полета дрон должен как минимум с большой точностью знать свои координаты в пространстве. На открытом пространстве достаточно использовать GPS - точность достигается в пределах нескольких метров. Однако, если есть необходимость повысить точность позиционирования, дополнительная наземная станция и технология GPS RTK увеличат ее до нескольких сантиметров. Однако использование наземной станции не всегда возможно и стоит очень дорого. Обычного GPS вполне достаточно для определения маршрута полета над сельскохозяйственными полями, строительными площадками, трубопроводами, и в этих случаях дроны летают автономно. Этой функцией обладает каждый современный дрон, представленный на рынке.

В этом режиме безопасно летать только в открытом небе без препятствий. Когда дело доходит до обследования зданий, трубопроводов или внутренних помещений, вы не можете обойтись без дополнительных датчиков, определяющих расстояние до объектов. Они используют одномерные гидролокаторы, лидары, двумерные лидары, 3D-лидары и камеры глубины. На дроне предполагается установить дополнительный компьютер, который будет считывать данные с этих датчиков в реальном времени, строить трехмерную модель окружающего пространства и планировать там безопасный маршрут.

Рассмотрим тип программируемого квадрокоптера. Как правило, компоненты квадрокоптера – это механическая часть (рама, пропеллеры (рис. 1), плата управления, аккумулятор, электроприводы, контроллеры привода и различные датчики, в том числе камера). Вам также понадобится программируемая плата, непосредственно для программирования автономных полетов. А также на рисунке 2 изображена функциональная схема управления квадрокоптером. Он состоит из платы управления, аккумуляторного блока, электроприводов, контроллеров, приводов и различных датчиков.

Обратная связь по угловой ориентации обеспечивается инерциальным измерительным блоком (датчик MPU, от англ. Memory protection unit), представляющим комбинацию гироскопов, акселерометров и магнитометров для измерения углов (крена, тангажа и рыскания) и угловых скоростей. Для определения местоположения применяются датчики глобального позиционирования GPS и ГЛОНАСС. Дополнительно, квадрокоптер может быть оснащен компасом, альтиметром для измерения высоты полета, системой технического зрения, лазерным дальномером и другими датчиками

Рисунок 1. Механические части квадрокоптера

Рисунок 2. Функциональная схема управления

Целью данного исследования является разработка технологии, позволяющей создать систему для решения множества задач с использованием автономной группы БПЛА. Эта технология представляет собой спецификацию логической и физической архитектуры системы, спецификацию процесса разработки системы и программную среду, в которой могут быть реализованы агентские стратегии. Чтобы разработать общий подход к разработке беспилотных систем в рамках данной работы, необходимо описать примерную архитектуру такой системы и создать прототип программной среды. Далее использовать эту структуру для выполнения тестовой реализации системы управления группой БПЛА, которая решает проблему полета на большие расстояния при минимизации затрат на электроэнергию.

Считается, что несколько моделей помогут в решении этой задачи. Первая – это трехуровневая модель системы, которая включает высокоуровневую спецификацию задачи, возложенной на группу БПЛА, промежуточный уровень, реализующий логику поведения дронов, а также нижний уровень, отвечающий за управление системами самолета. Вторая – это алгоритм SLAM (одновременная локализация и сопоставление) также считается решением проблемы. С его помощью дрон может определять свои координаты на борту, обрабатывая видеопоток с бортовых камер, что упрощает полеты в замкнутом пространстве и между высотными зданиями. В потоке кадров с камеры алгоритм ищет особые точки (ресурсы), которые могут быть небольшими углами, какой-то неоднородностью. Точкам назначаются дескрипторы, так что, если мы найдем ту же точку в последующих кадрах, когда камера уже перемещалась в пространстве, ей будет назначен тот же дескриптор, и алгоритм сможет сказать: «Есть такая же точка. в этом кадре, как и в предыдущем».

Алгоритм не знает 3D-координаты отдельных точек и координаты камеры во время съемки изображений - он просто должен вычислить эти параметры. Он отслеживает изменения в пиксельных координатах характерных точек между кадрами и пытается выбрать такие параметры, чтобы при проецировании характерных точек на плоскость кадра получались наблюдаемые или измеренные пиксельные координаты. Результатом является оценка движения камеры в пространстве.

Список литературы:

1. Амелин К.С., Адаптивное управление автономной группой беспилотных летательных аппаратов / К.С. Амелин, Е.И. Антал, В.И. Васильев, Н.О. Граничина. Стохастическая оптимизация в информатике, СПбГУ, 2009, [с. 157–166].
2. Бесекерский В.А., Теория систем автоматического управления, / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. 4-е изд., СПб.: Профессия. 2007. [4, c. 771].
3. Каляев И.А. / И.А. Каляев, А.Р. Гайдук, С.Г. Капустян. Модели и алгоритмы коллективного управления в группах роботов, М.: Физматлит, 2009, [c. 280].