ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ как управление беспилотным летательным аппарато

Муниципальное учреждение дополнительного профессионального образования
«Информационно-методический центр»

142100, Московская область, Г.о. Подольск, ул. Комсомольская, д.73
тел.: [phone] E-mail: [e-mail]

КОНФЕРЕНЦИЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ «ШАГ В НАУКУ»

СЕКЦИЯ «ФИЗИКА»

Тема: «ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ
как управление
беспилотным летательным аппаратом».

ЛОБИН Фёдор Сергеевич,

ученик 5 «А» класса

МОУ СОШ №13 Г.о. Подольск

Научный руководитель:

СУРОВА Мария Михайловна,

Учитель физики

МОУ СОШ №13 Г.о. Подольск

Т. [phone]

Городской округ ПОДОЛЬСК
2019 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

I. ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................... 3............................................................................................................................ 3
Проблема потери управляющего сигнала. ......................................................... 3
Потери на земле. ................................................................................................ 3

Цели, задачи, актуальность проекта. .................................................................. 3

II. ГЛАВА 1. УПРАВЛЕНИЕ САМОЛЕТОМ:............................................... 4............................................................................................................................ 4
Крен, курс, тангаж. ............................................................................................. 4
Спутниковая система ГЛОНАСС ...................................................................... 4
Понятие инерции. ............................................................................................... 5
Гироскоп и акселерометр - основа инерциальной навигационной системы. ..... 5
Определение координат БПЛА при изменении скорости. ................................. 6
Правило определения координат БПЛА при изменении направления. ............. 6
III. ГЛАВА 2.  ГИРОСТАБИЛИЗИРОВАННАЯ ПЛАТФОРМА
И БЕСПЛАТФОРМЕННЫЕ СИСТЕМЫ ..................................................... 7
Виды гироскопов. .............................................................................................. 7
Применение трехстепенных гироскопов. ........................................................... 7
Двухстепенные гироскопы и их преимущества. ................................................ 7
Сложности программирования и экономическая выгода бесплатформенных систем. ............................................................................................................................ 7
Обоснование возможности применения микроэлектромеханических систем (МЭМС) ............................................................................................................................ 8

IV. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ........................................................................ 9............................................................................................................................ 9
Создание и монтаж действующей установки для визуализации работы акселерометра БПЛА. ................................................................................................................ 9

V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................... 14

Выдвижение идеи создания самоуправляющей системы БПЛА. .................... 14............................................................................................................................. . ............................................................................................................................ 9

VI. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 15

VII. ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................... 16

Результаты проверки на плагиат ...................................................................... 16

Фотодемонстрация работы макета ................................................................... 17

ВВЕДЕНИЕ

В области использования радиоуправляемых моделей самолетов существует проблема потери управляющего сигнала. Если это случится, то модель продолжит движение в последнем заданном направлении до израсходования горючего или до момента, когда батарея разрядится. Ситуация может возникнуть при неисправности в передающей или принимающей аппаратуре, а чаще всего, при удалении на расстояние, когда сигнал не «достает». В любом  случае, такой неуправляемый полет приводит к потере модели, ее повреждению и даже к разрушениям на земле и травмам.

По сообщению британской «Ежедневной почты», тринадцатилетняя девочка погибла, эксплуатируя радиоуправляемую модель самолета. [3] В Нью-Йорке умер 19-летний парень, запускавший свой радиоуправляемый вертолет. [4]

Что же делать в ситуациях потери управления моделью?

Цель проекта: создать безопасную модель беспилотника даже в случае потери им управляющего сигнала с земли.

Задачи проекта:

А) Рассмотреть более сложную систему управления, которая могла бы принимать его сигналы, а при исчезновении такового, перехватывать управление и возвращать самолет в зону, где оно действует, или посадить беспилотный летательный аппарат в безопасном строго определенном месте.

Б) Написать управляющую программу микроконтроллера.

В) Создать и смонтировать действующую установку для визуализации работы акселерометра БПЛА.

Актуальность проекта заключается в решении проблемы существования полностью безопасной радиоуправляемой модели и сокращении затрат на возможное восстановление аппарата.

Глава I.

УПРАВЛЕНИЕ САМОЛЕТОМ

Модель радиоуправляемого самолета. Когда его видишь, сразу хочется поднять его в воздух. Но, управление самолетом требует специфических умений.

 Для управления самолетом надо, например, менять обороты двигателя. Чтобы он летел быстрее или медленнее, надо наклонять его на то или другое крыло - это приведет к тому, что часть подъемной силы крыла начнет отклоняться  в сторону. Если правое крыло ниже левого, самолет начнет поворачивать вправо, а если левое ниже правого — поворачивает влево. Такие наклоны называются креном.

При крене самолет будет немного снижаться, ведь часть подъемной силы крыла ушла на поворот. Управляя самолетом по крену, можно направить самолет в нужную сторону.

Направление движения относительно севера называется курсом. И наконец, направляя нос самолета к земле, мы заставляем его снижаться и наоборот — эти наклоны называются тангаж.

Когда мы управляем самолетом с пульта, все понятно: есть ручка, двигай — управляй. Но вот сигнал пропал — дальше сам. На помощь нам приходит спутниковая система определения координат ГЛОНАСС. Она может сообщить системе управления текущие координаты самолета, его курс, скорость и даже высоту. Казалось бы, осталось повернуть самолет в безопасную область и перехватить управление, когда радиоуправление восстановится… Но не все так просто. Ведь в момент потери сигнала самолет может находиться в любом положении, например, пикировать.  Тут рули не рули — впереди земля. Значит, нам надо знать пространственное положение нашего самолета: курс, крен и тангаж. И уже, выравнивая машину, аккуратно возвращать ее. В этом нам поможет инерциальная навигация.

Инерция -  свойство физического тела сопротивляться воздействию внешних сил: большой железный брусок на колесиках трудно сдвинуть с места, а сдвинув и разогнав, трудно остановить. Теперь давайте поместим этот брусок на колесах в автомобиль и посмотрим, что будет: машина тронулась с места и начала разгоняться — брусок поехал на машине, но в машине по полу он перемещается назад — сопротивляется разгону машины. Автомобиль затормозил — брусок поехал вперед — не хочет останавливаться.

 На этом свойстве основан принцип работы прибора под названием акселерометр, он измеряет изменения скорости. Прикрепив к бруску пружинки, по его отклонению от нейтрального положения можно судить разгоняется объект или тормозит. Теперь возьмем игрушку юлу и раскрутим ее. Поместим крутящуюся юлу в тот же автомобиль и поедим: пока мы едим по ровной дороге, ничего не происходит, но вот впереди горка - и верхний конец юлы начинает наклоняться вперед; а когда машина начинает спускаться с горки, наоборот - к задней части машины. Юла сопротивляется наклонам. На этом свойстве основан принцип работы другого прибора — гироскопа. Гироскоп и акселерометр - это основа инерциальной навигационной системы, ее чувствительные элементы. [1]

Чтобы определить расстояние, которое проехал «велосипедист», надо его скорость помножить на время в пути — известная задачка из учебника. «Велосипедист», отъехавший от дома и едущий со скоростью 10 км в час и движущийся по прямой, через час будет за 10 км от дома, или нет? А через 6 минут после начала движения за 1 км? А через 3,6 секунды за 10 метров? Он же еще разогнаться не успеет… Получается, чтобы точно определять расстояние, надо считать иначе. Нужно определять пройденное расстояние за очень короткие промежутки времени, и чем короче будут эти промежутки, тем точнее мы определим координаты. Расстояние равно произведению скорости на время, получается, если построить график скорости от времени, то пройденное расстояние будет равно площади фигуры под графиком скорости. Здорово — мы можем определять координаты, даже если скорость будет меняться! Просто берем скорость за малый промежуток времени и умножаем на этот самый промежуток времени, получаем смещение, складываем с начальной координатой и знаем где наш объект. А как узнать скорость?  Смотрим на акселерометр и также умножаем показания нашего акселерометра на тот малый промежуток времени, за который считаем, что показания не меняются, складываем с предыдущим значением скорости.

Мы рассматривали движение объекта в одном направлении (например, на север) если наш самолет полетит на юг, то, получается, смещение мы должны не прибавлять, а вычитать.

Глава II.

ГИРОСТАБИЛИЗИРОВАННАЯ ПЛАТФОРМА И БЕСПЛАТФОРМЕННЫЕ СИСТЕМЫ

Теперь разберемся с направлениями. Гироскопы бывают трехстепенными и двухстепенными. Трехстепенные гироскопы сделаны так, что ротор (наша юла) может поворачиваться в любом направлении или, как говорится, имеет, 3 степени свободы (крутится вокруг 3х осей, которые перпендикулярны друг другу). Двухстепенные могут поворачиваться только вокруг 2х осей, то есть имеют 2 степени свободы.

Трехстепенные следят за положением объекта в пространстве, они будут сохранять свое положение независимо от того куда летит наш самолет. Если выставить его положение перед взлетом, например, на север и строго в горизонтальной плоскости, то в любой момент времени мы будем знать куда направляется наш самолет. Мы получили, так называемую, гиростабилизированную платформу, расположив на ней три акселерометра, которые направлены в трех взаимно перпендикулярных осях. Таким образом, можно получать координаты по направлению на север-юг, запад-восток и вверх-вниз, углы отклонения от севера (курс), наклоны крыльев (крен) и наклоны носа вверх-вниз (тангаж). [1] [2] Еще следя за акселерометрами, можно определить скорость самолета. Это все необходимые данные, чтобы вернуть наш самолет в нужное место и избежать аварии.

Двухстепенные гироскопы устроены иначе, они следят за скоростью поворота объекта в определенном направлении, как и акселерометры, только определяют не координаты, а углы. За двухстепенными гироскопами приходится постоянно следить и проводить расчеты, но и устроены они проще. С помощью двухстепенных гироскопов не получится сделать платформу для акселерометров, но можно создать ее модель при помощи математики. Получаем более сложную в математическом плане модель, но и более простую в плане конструкции. Такие системы называются бесплатформенными. А так как конструкцию делать надо для каждого объекта свою, а математику привел к определенному решению один раз  и пользуешься полученной формулой постоянно, то получается, что бесплатформенные системы выгоднее.

Вообще, гироскопы представляют из себя очень сложную конструкцию. Чего только стоит двигатель, раскручивающий ротор: он должен обеспечивать огромную скорость вращения — тысячи оборотов в секунду! На таких скоростях даже простая задача закрепления ротора на оси представляет большую трудность — обычный подшипник просто сгорит. Такая конструкция для простой модели не подходит. [1] К счастью, в век электроники эта проблема разрешима, промышленность выпускает так называемые микроэлектромеханические системы (МЭМС). МЭМС включают в себя и гироскопы, и акселерометры, и магнитные датчики, которые можно использовать в качестве электронного компаса. Существуют датчики, которые уже выдают непосредственно сигналы, адаптированные для обработки компьютером, а есть такие, которые дают напряжение пропорциональное перемещениям модели. Такие сигналы надо сначала измерить, а потом уже обрабатывать компьютером. МЭМС гироскопы и акселерометры мы можем встретить в телефонах и планшетных компьютерах. [2]

Координаты, как говорилось ранее, проще всего определять при помощи спутниковой навигационной системы (ГЛОНАСС, GPS или GALILEO). Они дают нам координаты на карте (широту и долготу места), текущий курс и скорость по направлению движения, с некоторой точностью высоту. [2] Совмещая показания спутниковой системы и показания инерциальной навигационной системы, можно определить как нам действовать при потере связи, а точнее, не нам, а нашей управляющей системе.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Практическая часть данной работы имеет целью создать действующий макет для визуализации работы акселерометра, как части предлагаемого механизма управления БПЛА в условиях потери управляющего сигнала.

Для реализации данной задачи нами был изготовлен функциональный стенд. Он демонстрирует работу одной из разновидностей датчиков акселерометра, выполненного по MEMS технологии. Собранный макет состоит из трехосного акселерометра (ADXL345) и микроконтроллера, предназначенного для приема данных от датчиков и передачи этих значений в ПК.

Датчик предполагается расположить следующим образом: ось Х направлена вдоль продольной оси БПЛА от хвоста к носу, ось Y - вдоль крыла и Z -  перпендикулярно плоскости крыльев модели самолёта.

Таким образом, была получена возможность фиксировать, а в будущем (после калибровки) и измерять проекции линейного ускорения, возникающего в процессе полета.

Проведена серия опытов, которая демонстрирует принцип работы акселерометра. Для проведения опытов используется персональный компьютер, на который установлены драйвера для виртуального COM порта микроконтроллера STM32. Для визуализации данных используется программа Terminal. Подключим стенд к USB разъему ПК при помощи микро USB – USB A кабеля. Запустим программу Terminal, в поле COM port выберем номер порта соответствующий нашему VCP, в случае недоступности порта необходимо нажать кнопку ReScan. Нажмем кнопку Connect, в поле Receive должны появиться данные от МК, для их корректного отображения селектор должен быть установлен в значение ASCII. Рис.1

Разберем полученную информацию: данные выводятся в формате Axis data X-> xxxx xxxx Y-> yyyy yyyy Z-> zzzz zzzz, где xxxx xxxx - значения ускорения, действующие вдоль оси X датчика. Данные выводятся как 16 разрядные в дополнительном коде, т.е. значение 0000 0001 = 1, значение 255 255 = - 1. Изменив пространственную ориентацию нашего стенда, мы видим, что данные по осям меняются. Таким образом, отображается результирующее ускорение модели в проекции на данную ось в зависимости от времени.

В начальный момент ускорение свободного падения отражается только на ось Z (малые значения по другим осям вызваны малыми отклонениями датчика внутри конструкции стенда и могут быть скомпенсированы начальной программной установкой). При отклонении стенда от горизонта наблюдается увеличение или уменьшение, в зависимости от направления отклонения стенда, значений по осям X и Y и уменьшение значения по оси Z. Проекция ускорения свободного падения «перетекает» с оси Z на другие оси.

Рис.2 (проекция ускорения на ось ОХ)

Также в стенде реализована визуализация данных по отдельным осям. Для того чтобы отобразить данные с оси X в поле Transmit программы Terminal введем «x» (икс), нажмем Send и в поле Settings нажмем кнопку Graph. Дождемся обновления экрана. Теперь, отклоняя стенд вдоль оси X, мы можем наблюдать изменение значений - это меняется проекция ускорения свободного падения на ось X. Если нос самолета направлен вниз, то мы видим положительные данные, если вверх – отрицательные, амплитуда значений характеризует угол отклонения. Аналогично введя «Y» (игрек) в поле Transmit и нажав Send, мы видим проекцию ускорения свободного падения на ось Y. Отклонение стенда по оси X не будет менять отображаемые данные (малые отклонения вызваны тем, что невозможно менять направление только по оси X, малые наклоны вдоль Y всё равно будут происходить). Рис.3 (проекция ускорения на ось ОY)

Теперь введем «z» в поле Transmit и нажмем Send. Мы видим изначальную амплитуду, ускорение свободного падения отображается на ось Z, любые отклонения от нейтрального положения приводят к уменьшению значений, график идет вниз, если стенд перевернуть, то график уйдет вниз.

Рис.4 (проекция ускорения на ось ОZ)

Таким образом, на стенде продемонстрирован принцип работы акселерометра выполненного по MEMS технологии на примере отображения ускорения свободного падения. Для возврата в режим отображения информации в виде текста введем «t» Transmit Send.

Если стенд отпустить в свободное падение, то можно наблюдать нули т.е. будет происходить компенсация ускорения «g»   и  собственного ускорения  модели (наблюдаем невесомость).

Результатом практической работы явилась демонстрация принципов работы одного из видов инерциальных датчиков – акселерометра, показанного на стенде.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, пропала связь: управляющая система первым делом должна определить снижаемся мы или нет, смотрим на угол тангажа, нос самолета не должен быть направлен к земле, если не так - выравнивает. Далее смотрим за высотой: она должна быть безопасной для полета. Для ее определения используем данные СНС и ИНС. Если не так - увеличивает тангаж, при этом следит за скоростью: самолет не должен потерять управление (свалиться). Здорово! Полет безопасен, теперь будем возвращать самолет.

Используя данные о координатах самолета, координатах места посадки и текущий курс определяем куда поворачивать и начинаем менять крен в сторону поворота. При повороте следим за высотой, нельзя допустить опасного снижения. Когда курс приблизится к заданному, выравниваем самолет и летим до точки. При этом мы имеем возможность корректировать  полет, компенсировать ветер и вертикальные потоки. Приведя самолет к точке, можно перехватить управление и посадить его по радио каналу, или выключить двигатель и спустить его на парашюте, а можно даже посадить, используя наше автономное управление - это конечно сложнее всего, но осуществимо.

СПИСОК
ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
И ЛИТЕРАТУРЫ

1.     Конспект лекций по введению в специальность ИУ2 «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Лектор: Герди Владимир Николаевич, 1996 г.

2.     Материалы из Википедии — свободной энциклопедии: радиоуправление; гироскоп; акселерометр; инерция.

3.     http://www.dailymail.co.uk/news/article-177139/Teenager-killed-hit-model-plane.html

4.     https://www.pcmag.com/article2/0,2817,2424072,00.asp; How dangerous are RC Helicopters?

ПРИЛОЖЕНИЯ

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕРКИ НА ПЛАГИАТ

Работа полностью оригинальна.

Изменяю наклон системы по оси Х

Изменяю наклон системы

по оси Y

 

Внутреннее устройство макета

Разъем подключения к ПК

Плата процессора         Плата акселерометра ADXL345     Гибкий шлейф

Краткое описание документа:

В области использования радиоуправляемых моделей самолетов существует проблема потери управляющего сигнала. Если это случится, то модель продолжит движение в последнем заданном направлении до израсходования горючего или до момента, когда батарея разрядится. Ситуация может возникнуть при неисправности в передающей или принимающей аппаратуре, а чаще всего, при удалении на расстояние, когда сигнал не «достает». В любом случае, такой неуправляемый полет приводит к потере модели, ее повреждению и даже к разрушениям на земле и травмам.

По сообщению британской «Ежедневной почты», тринадцатилетняя девочка погибла, эксплуатируя радиоуправляемую модель самолета. [3] В Нью-Йорке умер 19-летний парень, запускавший свой радиоуправляемый вертолет. [4]

Что же делать в ситуациях потери управления моделью?