Система управления квадрокоптера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АННОТАЦИЯ

В рамках настоящей выпускной квалификационной работы была разработана система управления для беспилотного летательного аппарата квадрокоптер, которая может применяться в качестве материального обеспечения учебного процесса.

Содержание пояснительной записки изложено в четырех главах. В первой главе были рассмотрены основные функции квадрокоптера, а также сформулированы основные технические характеристики контроллера. На основании анализа технических характеристик во второй главе была определена структура устройства, а также принципы реализации основных функциональных блоков. По сформированной структуре была разработана принципиальная схема микропроцессорного блока контроллера. Ее основу составляет микроконтроллер ESP8266EX, совмещающий микропроцессор и контроллер интерфейса wi-fi. В четвертой главе была рассмотрена математическая модель летательного аппарата, а также в среде Simulink была построена имитационная модель, которая позволяет проверить работоспособность контроллера в различных режимах работы, для выбранного микроконтроллера была написана программа для обучения летательного аппарата полету.

Графическая часть работы включает в себя чертежи структурной и принципиальной электрических схем контроллера, а также чертеж блок-схемы алгоритма, результаты имитационного моделирования и нейросеть с графиком по обучению.

СОДЕРЖАНИЕ

АННОТАЦИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1. НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ БОРТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ ПОРТАТИВНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

1.1 Основы работы квадрокоптера

1.2 Современные полетные контроллеры. Требования к ним

1.3.Технические характеристики разрабатываемого контроллера

2. СТРУКТУРА И ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВА

2.1 Структура устройства

2.2 Принципы функционирования

2.2.1 Теория полета

2.2.2 Машинное обучение

3. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

3.1 Микроконтроллер ESP8266EX

3.2 Контроллер питания ADM1232

3.3 Прецизионный регулятор напряжения L78M05CDT

3.4 Стабилизатор напряжения BA178M05T

3.5 Источник питания аккумулятор LP4070100-PCM PoliCell

3.6 Датчики

3.7 Микродвигатели JJRC H8C

3.8 Двухпроводный последовательный интерфейс I2C

3.9 Интерфейс ввода/вывода общего назначения GPIO

3.10 Протокол LIN

3.11 Расчет массы устройства

3.12 Расчет ключа на биполярном транзисторе

4. АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

4.1 Основные понятия машинного обучения и нейронных сетей

4.2 Методы машинного обучения в системах управления

4.3 Стратегия обучения с подкреплением

4.4 Применение обучения с подкреплением в управлении электродвигателем

4.5 Математическая модель адаптивной системы управления

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Многовинтовые вертолёты разрабатывались ещё в первые годы вертолётостроения. Один из первых квадрокоптеров (англ.quadcopter, четырёх-роторный вертолёт), 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 рулевого винта и автомата перекоса положило конец этим попыткам. Новые разработки начались в 1950-е годы, но дальше прототипов дело не продвинулось.

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 [1].

Все большее распространение в различных сферах деятельности получают летающие роботы, или беспилотные летательные аппараты, в частности, квадрокоптеры, представляющие собой платформу с четырьмя несущими винтами, попарно вращающимися в противоположные стороны. Квадрокоптеры обладают рядом преимуществ (простота конструкции, большая маневренность, компактность и малая собственная масса при существенной массе полезной нагрузки) и могут быть использованы как недорогое и эффективное средство при картографировании, аэрофотосъемке в местах чрезвычайных ситуаций, доставке небольших грузов, а также для слежения за подвижными объектами (животные, люди, транспортные средства и т.п.).

1. НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ БОРТОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ ПОРТАТИВНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

1.1 Основы работы квадрокоптера

Квадрокоптер, по сути, родственник вертолета, радиоуправляемый беспилотный аппарат имеет 4 винта. Роторы вращаются в противоположных направлениях (2 - по часовой и 2 - против часовой стрелки), позволяя устройству легко держать баланс.

Маневрирует в воздухе такое приспособление благодаря изменению скорости вращения всех или отдельных винтов. Поворачивает устройство, если замедлить скорость винтов с одной стороны и увеличить с другой. Гаджет распознает жесты, а взлет и посадка выполняются всего одним нажатием.

Можно выделить несколько схожих особенностей конструкции вертолета и квадрокоптера:

Наличие гироскопа - в обоих вариантах такой прибор позволяет корректировать полет и упрощает управление.

Радиоуправления - пульт помогает пилотировать устройства на нужную высоту и в нужном направлении.

Аккумуляторный отсек - приспособления имеют небольшие, но надежные аккумуляторы, которые позволяют держаться в воздухе длительное время. Так, например, аккумулятор квадрокоптера DJI Mavic Pro имеет систему контроля уровня зарядки и может регулировать расход мощности в зависимости от температуры окружающей среды.

Главная способность девайсов - умение летать и превосходно маневрировать на высоте благодаря продуманной конструкции.

4 винта и GPS-датчик обеспечивают прибору отменный баланс в воздухе даже при сильном ветре. Но сложные фигуры в воздухе выписывать он не умеет.

Квадрокоптер выдерживает падения и удары. Если один из моторов выйдет из строя, то нагрузка будет распределена на исправные двигатели.

В целях безопасности на пропеллеры можно установить съемные защитные мягкие кожухи, что поможет защитить окружающих и сами винты.

Прибор не нуждается в стабилизации, самостоятельно балансирует в воздухе. Запускать устройство можно с любой удобной точки.

Квадрокоптер станет лучшим решением для аэросъемки, поскольку его строение позволяет прикрепить камеру, не нарушая общего баланса. Радио-вертолет быстрее реагирует на команды, поскольку оснащен всего парой двигателей и не нуждается в смене угла поворота четырех и более моторов.

Современный дрон квадрокоптер может подниматься на высоту 6 и более километров и находиться в воздухе примерно полчаса. Основное назначение этой техники - осуществление видеосъемки и доставка небольших грузов весом не более 6 кг с некоторыми моделями [2].

Задачи для квадрокоптера можно программировать в точных координатах и в точном времени.Связь с аппаратом осуществляется по радио. Видеосъемка транслируется на монитор пульта управления и может быть передана дальше по любому каналу связи, в том числе - в режиме онлайн.

Способы использования мультикоптера. Несомненно, для многих пользователей мультикоптеров главной целью является получение удовольствия во время полетов, однако существуют и «серьезные» (полезные) способы использования мультикоптеров, описанные ниже.

Видео и фотографирование с воздуха. Мультикоптер может быть использован как дешевое и безопасное средство для получения фото и видео изображений с воздуха для многих целей, таких как:

снимки археологических участков;

видео и фотографии для топографической съемки как Google Earth или Maps;

снимки с воздуха актуальных новостей и событий для размещения в различных сервисах, таких как YouTube;

инспекция крыш и труб;

снимки для создания 3D поверхностей (позиционирование камеры осуществляется при помощи возможностей основной платы);

контроль популяций диких животных;

контроль условий сельскохозяйственных угодий (полей).

Полетно-измерительная платформа. Без пилота на борту, мультикоптер может летать в места и на территории небезопасные для человека:

загрязненные радиоактивным излучением;

химически загрязненные;

с загрязнением воздуха.

Помощь в обеспечении безопасности. В случаях естественных или технологических катаклизмов, на территорию которых доступ людей ограничен в связи с пожаром, наводнением или землетрясением, мультикоптеры, как любые беспилотные аппараты, способные нести видеокамеру, могут быть использованы в качестве воздушной разведки для помощи в обследовании и нахождении потерпевших, а также для координации спасательных действий.

Небольшой полезный груз, который могут нести мультикоптеры (около 500-700 гр.) - еда, медицинские препараты и др. могут быть с помощью мультикоптеров переправлены людям, доступ спасателей к которым ограничен, а использование вертолетов невозможно и опасно.

Мультикоптеры могут обеспечивать мобильный беспроводной доступ к удаленным местам. Для этого необходимо использовать два мультикоптера, для обеспечения непрерывного обслуживания (с поочередной сменой и зарядкой батарей).

Имеется много других случаев, при которых снимки с воздуха, таких объектов как лесные и другие большие пожары, происшествия могут быть полезны для поддержки служб спасения и документирования нанесенного ущерба.

Строительство мостов. Мультикоптеры могут быть использованы для протяжки первых тонких веревок через реки и каньоны, которые потом будут использованы для натяжения крепких мостовых тросов.

Установка объектов. Возможные способы использования:

установка отражателей радаров на лед для более легкого обнаружения льдин кораблями;

исследование кратеров вулканов и размещение сенсоров предупреждения об извержениях.

В случае недоступности обычных каналов информирования населения, мультикоптеры могут применяться в качестве альтернативного способа информирования. Для примера: «Не пейте воду из этой реки - заболеете!». Для этого необходимо загрузить мультикоптеры листовками, которые они поднимут и донесут до необходимого места, после чего сбросят и ветер сделает остальное.

Судя по количеству винтов, расход энергии у квадрокоптера должен быть выше, соответственно, время полета более ограничено. Стоит помнить, что вертолет расходует ресурсы на вращение винта и на стабилизацию, гашение колебаний. Если использовать аккумуляторы с одинаковыми характеристиками, то вертолет будет ненамного дольше работать, чем квадрокоптер. Грузоподъемность квадрокоптера значительно выше, чем у вертолета. Само строение устройства делает его удобным для перевозки груза. Закрепив нужный предмет по центру конструкции, можно быть уверенным в ровном балансировании в воздухе.

Среди плюсов летающего аппарата стоит выделить:

Возможность съемки качественного видео. Встроенная камера позволяет использовать аппарат на различных мероприятиях. Благодаря симметричной конструкции устройство отлично держится в воздухе, не портя изображение резкими колебаниями.

Возможность прикрепить дополнительные датчики. Это делает прибор универсальным.

Стабильность летных качеств. Предполагает устойчивость аппарата к легкому ветру и ровное передвижение в воздушном пространстве.

Простота эксплуатации. Освоить азы управления в короткие сроки способен даже ребенок.

Нюанс, на который стоит обратить внимание ? стоимость комплектующих. Ремонт в случае повреждения вертолета может обойтись дороже из-за более усложненной конструкции. Также приспособлению понадобится дополнительная настройка. Для квадрокоптера после крушения обычно достаточно заменить вышедший из строя моторчик или сломанные винты.

Проблемы, требующие разрешения:

Увеличение полетного времени - при проведении спасательных операций требуется увеличение полетного времени, хотя бы до 45 минут;

Увеличение всепогодности и дальности использования мультикоптеров;

Автоматизация некоторых операций по применению мультикоптеров;

Повышение безопасности - безопасное приземление при потере связи, защита пропеллеров и т.д.)

Вот несколько распространенных задач, для решения которых используется квадрокоптер с видеокамерой:

видеосъемка видовая, общего назначения с высоты птичьего полета;

осмотр и съемка труднодоступных объектов на высоте;

определение и съемка точек, заданных координатами.

Можно использовать квадрокоптер с камерой для подъема в том числе и на небольшие высоты, например - для осмотра транспортных средств сверху. Помимо этого его можно использовать для осмотра на больших высотах, например - оголовков дымовых труб, это в значительной степени удешевит и ускорит этот опасный для человека вид работ.

Польза от радиоуправляемой видеокамеры в работе спецслужб и военном деле не требует комментариев.

Принцип действия квадрокоптера основан на парной работе пропеллеров, которые вращаются в разные стороны. Управляя силой вращения каждой пары, можно добиться разных направлений движения.

У квадрокоптера пары пропеллеров вращаются в противоположном направлении. Передний и задний пропеллеры вращаются по часовой стрелке, в то время как левый и правый пропеллеры вращаются против часовой стрелки. Чтобы парить, все пропеллеры вращаются на одной скорости. Так как равное число пропеллеров вращаются одновременно в противоположные стороны, то силы между ними уравниваются и это позволяет квадрокоптеру устойчиво парить в воздухе, не вращаясь вокруг своей оси [3].

Чтобы лететь в каком-либо направлении, квадрокоптер должен выйти из баланса, для чего увеличивается скорость вращения пропеллеров, противоположных необходимому направлению движения. Это заставляет квадрокоптер наклониться и начать движение в этом направлении.

Существует три основных способа управления движением аппарата:

одинаковое вращение всех винтов одновременно отвечает за поднятие вверх - чем сильнее их вращение, тем выше поднимается квадрокоптер;

более сильное вращение одной пары дает возможность совершить разворот;

сильное вращение одного мотора позволяет наклонить аппарат.

Рисунок 1.1 - Принцип полета квадрокоптера

Чтобы полететь вперед, задний пропеллер должен крутиться быстрее. Это называют "pitch" или "nick". В микрокоптерном сообществе слово "nick" используется как название для движения аппарата вперед или назад. Движения влево или вправо называют "rolls". Поворот на месте назван "yaw", на немецком языке - "gieren". Чтобы осуществить "yaw", нужно нарушить баланс скорости между передним/задним и левым/правым пропеллерами: чтобы повернуть аппарат вокруг своей оси по часовой стрелке, передний/задний пропеллеры должны вращаться быстрее, а левый/правый пропеллеры немного замедляться. Таким образом осуществляется поворот квадрокоптера по часовой стрелке с сохранением высоты, на которой находится аппарат.

Для обеспечения устойчивого полета необходим контроллер, главная задача которого состоит в том, чтобы управлять стабилизацией летающей платформы в воздухе в горизонтальном положении путем подачи управляющих сигналов двигателям. Он использует данные от нескольких датчиков и вычисляет скорость для каждого отдельного пропеллера. Контроллер также компенсирует внешние воздействия, такие как ветер, например [4].

Нужно уметь совершать основные маневры:

взлет;

развороты;

зависание;

посадка.



Рисунок 1.2 - Траектории движения квадрокоптера

Есть несколько режимов, в которых могут летать квадрокоптеры:

ручной;

стабильный;

с помощью системы GPS.

Отдельные модели предусматривают управление квадрокоптером с планшета или смартфона с помощью wi-fi. Для этого необходимо загрузить специальное программное обеспечение. Основное удобство заключается в понятном интерфейсе, который основан на движении пальцем по экрану. Но главный недостаток такого управления в небольшом расстоянии действия сигнала wi-fi. Пульт управления имеет большую дальность действия.

Особых сложностей в работе с аппаратом не возникает, если это хорошо спроектированное устройство с продуманной системой обработки сигналов, большим количеством датчиков и системой стабилизации на основе многоосевого гироскопа. Чем больше у него осей, тем аккуратнее будет управление и послушнее устройство квадрокоптера. При этом степень сложности может заключаться и в опытности оператора, занимающегося его перемещением в пространстве. Для этого используется аппаратура, иногда с трансмиттером и собственным аккумулятором (или питающаяся от батареек).

Винты, поднимающие его в воздух, управляются парными синхронными двигателями, которые могут быть коллекторными и бесколлекторными. Расположенные по крайним противоположным точкам диагоналей пропеллеры двигаются в одном направлении (по часовой стрелке или наоборот). Два других аналогичных элемента двигаются в противоположную сторону. За их работу отвечает блок управления (плата) и аккумулятор, питающий их. Посредством приемника управляющая плата получает сигналы от дистанционного пульта. Пультом, в свою очередь, управляет пользователь, находящийся на удалении от аппарата. Сигнал, подаваемый от аппаратуры, дает команду управляющему блоку, и он усиливает или ослабляет работу двигателей [5].

К функциям полетного контроллера относятся:

стабилизация аппарата в воздухе;

удержание высоты (при помощи барометра) и позиции (при помощи GPS);

автоматический полет по заданным заранее точкам (опционально);

передача на землю текущих параметров полета с помощью модема или Bluetooth (опционально);

обеспечение безопасности полета (возврат в точку взлета при потере сигнала, автопосадка);

подключение дополнительной периферии: OSD, светодиодной индикации и прочее.

1.2 Современные полетные контроллеры. Требования к ним

MultiWii. Полетный контроллер MultiWii: популярен своей дешевизной и открытостью исходных кодов. Компиляция программы производится с помощью бесплатной среды разработки Arduino IDE. Последние версии Multiwii имеют большинство функций, необходимых для полета, в том числе полёт по точкам. Проект некоммерческий и поддерживается энтузиастами. Название MultiWii произошло от самых первых контроллеров, использовавших платы от Wii Nunchuck (сейчас они давно уже не используются). При выборе контроллера следует обратить внимание на тип установленных датчиков, наиболее современными (на 2012-13й год) являются акселерометр MPU6050 и барометр MS5611, платы с этими датчиками имеют наиболее стабильный полет, по сравнению с предыдущими моделями.

ArduCopter. Полетный контроллер ArduCopter: наиболее функциональный из полетных контроллеров с открытым исходным кодом. Имеет все необходимые для полета функции, включая автоматический полет по точкам, наложение параметров полета на видео (OSD), удержание позиции и пр. Контроллеры выпускаются компанией 3D Robotics (платы APM 2.5, 2.6), их цена составляет около 150$. Существуют также китайские клоны (HKPilot 2.5), идентичные по «железу» и совместимые по прошивкам, их цена около 50$. Плата APM имеет лишь базовую функциональность, остальные модули (GPS, OSD, модем и пр) приобретаются отдельно.

Контроллер Rabbit. Rabbit -- китайский клон MultiWii, со своей программой для настройки и управления. Имеет закрытый исходный код, более высокую цену чем у MultiWii, при меньшем количестве функций. У пользователей также есть нарекания на некоторые ошибки встроенного ПО и нестабильность работы. В настоящее время покупка нецелесообразна.

Контроллеры DJI. Полетные контроллеры DJI выпускаются компанией DJI Innovations, имеют закрытые прошивки и схему. В настоящее время выпускается 3 вида контроллеров:

DJI Naza-M Lite: базовая версия, имеет режимы стабилизации полета, и основные GPS-функции (удержание и возврат домой). Не поддерживает возможность подключения внешних модулей, в остальном функциональность аналогична старшей модели DJI Naza-M V2. Цена около 250$.

DJI Naza-M V2: более новая версия, отличается возможностью подключения OSD, модуля Bluetooth или наземной станции, цена около 400$.

DJI Wookong: профессиональная версия, цена около 1000$.

По отзывам пользователей, контроллеры DJI имеют весьма хорошую стабильность полета, превосходящую более дешевые модели. Хотя функциональность самих контроллеров довольно-таки ограничена, её можно значительно расширить с помощью внешних модулей (кроме DJI Naza-M Lite). Например, для получения возможности беспроводной настройки нужно приобрести дополнительно модуль Bluetooth (50$), для ведения расширенных полетных логов необходим DJI iOSD MARK ll (255$), для полета по точкам, передачи телеметрии или управления с планшета iPad (поддержки Android/Windows на данный момент нет) необходим 2.4G Bluetooth Datalink & iPAD Ground Station (300$). Таким образом главным недостатком этих контроллеров является высокая стоимость как самого контроллера так и дополнительных модулей [6].

Контроллеры Zero UAV. Полетные контроллеры Zero UAV производства компании Zero UAV Intelligence Technology, имеют закрытые прошивки и схему. Выпускается 2 вида контроллеров:

Zero UAV YS-X4: базовая версия, имеет практически все полетные режимы, включая полеты по точкам, ведение логов полета, передачу телеметрии и пр. Версия имеет ограничение по количеству точек автоматического полета и расстоянию между ними. Контроллер более функционален чем DJI Naza при примерно той же цене (~400$). Один из недостатков это большой вес контролера, с GPS модулем около 300г, что делает невозможным использование на легких моделях. Так же есть нарекания на низкую надежность

Zero UAV YS-X6: профессиональная версия, цена контроллера около 1000$. Существуют разные версии контроллеров, в зависимости от количества доступных точек автономного полета цена может колебаться в диапазоне 1000--2500$.

Контроллеры XAircraft. XAircraft был одним из первых полетных контроллеров, предоставляющих (2-3 года назад) удобную программу для настройки с компьютера и GPS-функции. Однако на качество реализации были нарекания пользователей, и в настоящее время модели этого типа (XAircraft 450 и XAircraft 650) приобретать нецелесообразно.

Недавно вышла новая версия контроллера XAircraft SuperX, в которой прежние недостатки вроде бы учтены, однако владельцев этой системы пока слишком мало для получения достоверных отзывов. Стоимость контроллеров XAircraft SuperX составляет 400--600$ в зависимости от конфигурации.

Контроллеры Fyetech. Контроллеры Fyetech производятся компанией FeiYu Electronic Technology. Одним из первых был контроллер FY-91, на качество реализации ряда функций были нарекания, сейчас его приобретение нецелесообразно. В настоящее время выпускаются контроллеры FY-41AP, FY-DOS и FY-30A. Их отличительной особенностью является возможность использования как на мультикоптере, так и на самолете. Отличительной особенностью FY-41AP является встроенная OSD.

Контроллеры KK. Контроллеры семейства KapteinKuk исторически одни из первых и недорогих контроллеров для квадрокоптеров. Имеют открытый исходный код, минимальный набор датчиков и периферии, за счет чего имеют минимальную цену, составляющую 20-30$. Количество настроек и возможностей также минимально, однако благодаря простоте и дешевизне эти модели имеют своих поклонников и определенную нишу рынка. По большому счету, сейчас приобретение контроллеров этого вида нецелесообразно.

Контроллеры GAUI. Квадрокоптер GAUI-330 и контроллер GU-344 были первой системой, доступной для любителей на рынке. На сегодняшнее время покупка этого контроллера нецелесообразна, он имеет лишь историческую ценность. Компания также выпустила контроллер GU-INS, однако он не получил распространения из-за высокой цены.

В 2006 г. немецкие энтузиасты Holger Buss и Ingo Busker создали микрокоптер (mikrokopter), вокруг которого собралось большое сообщество увлеченных людей - моделистов, конструкторов, программистов. Уже в середине 2007 г., благодаря усилиям создателей и всего микрокоптерного сообщества MK уже устойчиво парил и проворно перемещался в воздухе.

Микрокоптер представляет собой радиоуправляемую летающую платформу с 4, 6, 8, 12 бесколлекторными двигателями с пропеллерами. В полете платформа занимает горизонтальное положение относительно поверхности земли, может зависать над определенным местом, перемещаться влево, вправо, вперед, назад, вверх и вниз. В настоящее время, благодаря разработанному дополнительному оборудованию микрокоптер имеет возможность осуществлять фактически полуавтономные полеты.

Для обеспечения устойчивого полета необходим контроллер, главной задачей которого является управление стабилизацией летающей платформы в воздухе в горизонтальном положении путем подачи управляющих сигналов двигателям. Он использует данные от нескольких датчиков и вычисляет скорость для каждого отдельного пропеллера [6].

1.3 Технические характеристики разрабатываемого контроллера

Исходя из приведенного общего описания, а также требований техники безопасности можно сделать вывод о том, что разрабатываемый контроллер для обеспечения функционирования летательного аппарата должен выполнять следующие функции:

Управление двигателями;

Контроль ключевых параметров полета;

2.1. Угол крена;

2.2.Угол тангажа;

2.3.Угол рыскания;

2.4.Текущая высота;

3.Стабилизация положения аппаратов в пространстве;

4.Связь с пультом управления (ЭВМ верхнего уровня);

С учетом класса летательного аппарата можно сформулировать основные технические характеристики разрабатываемого устройства следующим образом:

1.Регулирование скорости вращения двигателей;

1.1.Точность +,- 1%;

2.Измерение ключевых углов и высоты;

2.1.Диапазон измерения углов от 00 до 1800;

2.2.Точность измерения углов ± 10;

2.3.Диапазон изменения высоты от 0 до 4 м;

2.4.Точность измерения высоты ±2 см;

3.Получение команд от ЭВМ верхнего уровня;

3.1.Род связи - беспроводная;

3.2.Скорость передачи данных не менее 500 Кбит/с;

4.Питание от аккумуляторной батареи;

4.1.Напряжение питания не более 5В;

4.2.Обеспечение контроля питающего напряжения;

5. Применение стратегии обучения с подкреплением в системе управления. В качестве метода обучения с подкреплением использовать алгоритм Q - обучения.

2. СТРУКТУРА И ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВА

В данной главе рассматривается структура полетного контроллера и принципы функционирования устройства.

2.1 Структура устройства

На основе анализа информации, изложенной в предыдущей главе, в частности, технических характеристик, можно сформировать обобщенную структуру разрабатываемого устройства. Данная структура будет включать в себя следующие основные блоки, описанные в таблице 1.

Таблица 1.1 - Функции блоков структурной схемы

№	Наименование блока	Выполняемая функция
1	Микроконтроллер	Сбор и обработка информации, реализация закона управления
2	Блок управления двигателями	Управление двигателями
3	Блок связи	Получение команд от управляющей ЭВМ, передача текущего состояния
4	Блок питания	Стабилизация и контроль напряжения АКБ
5	Датчик крена	Первичное преобразование информации об его угле
6	Датчик тангажа	Первичное преобразование информации об его угле
7	Датчик рыскания	Первичное преобразование информации об его угле
8	Датчик высоты	Первичное преобразование информации о высоте

Перечисленные выше блоки образуют следующую структурную схему:

Рисунок 2.1 - Структурная схема квадрокоптера

На приведенной схеме информация с датчиков (ДК-датчик крена, ДР- датчик рыскания, ДТ-датчик тангажа, ДВ-датчик высоты) поступает в микроконтроллер, который на ее основании а также в соответствии с актуальной командой управляющей ЭВМ формирует воздействие на блок управления двигателями. Данный блок преобразует полученный сигнал в скорость вращения вала четырех двигателей. Полученные данные, дополненные информацией о состоянии аккумуляторной батареи, поступают на блок связи, который осуществляет передачу в управляющую ЭВМ.

2.2 Принципы функционирования

На основе анализа структурной схемы, можно сформировать функциональную схему разрабатываемого устройства. Данная схема будет включать в себя следующие основные блоки, отвечающие за выполнение тех или иных функций, которые описаны в таблице 2.

Таблица 2.1 - Принципы функционирования

№	Наименование блока	Выполняемая функция
1	Модуль связи	Прием и передача сообщений
2	Контроллер интерфейса	Получение команд от управляющей ЭВМ, передача текущего состояния
3	П-регулятор	Реализация закона управления
4	Стабилизатор напряжения	Стабилизация напряжения АКБ
5	Контроллер питания	Контроль напряжения АКБ
6	Блок управления двигалелями	Управление двигателями
7	Порты ввода-вывода	Сбор информации
8	Датчик крена	Первичное преобразование информации об его угле
9	Датчик тангажа	Первичное преобразование информации об его угле
10	Датчик рыскания	Первичное преобразование информации об его угле
11	Датчик высоты	Первичное преобразование информации о высоте

Перечисленные выше блоки образуют следующую функциональную схему:

Рисунок 2.1 - Функциональная схема квадрокоптера

На приведенной схеме информация с датчиков (датчика крена, датчика рыскания, датчика тангажа, датчика высоты) через порты ввода-вывода поступает в P-регулятор.

На основании информации с датчиков крена, рыскания, тангажа и высоты, а также в соответствии с актуальной командой управляющей ЭВМ P-регулятор формирует воздействие на блок управления двигателями.

В качестве блока управления двигателями выбран ключ на биполярном транзисторе.

Рисунок 2.2 - Схема ключа на биполярном транзисторе с общим эмиттером и временные диаграммы входного и выходного напряжения

Транзисторный ключ выполняет функции быстродействующего ключа и имеет два основных состояния: разомкнутое, которому соответствует режим отсечки транзистора (транзистор заперт), и замкнутое, которое характеризуется режимом насыщения транзистора или режимом, близким к нему.

До момента времени t1 эмиттерный переход транзистора заперт и транзистор находится в режиме отсечки. В этом режиме iк=-iб=Iко (где iб - ток базы, iк - ток коллектора, Iко - обратный ток коллектора), iэ?0. Малым током Iко часто можно пренебречь и считать, что iк = iб ?0. При этом uRб ? uRк ? 0, uбэ ? -U2,, uкэ ? -Eк.

В промежутке времени t1..t2 транзистор открыт. Для того, чтобы напряжение на транзисторе uкэ было минимальным, напряжение U1 обычно выбирают так, чтобы транзистор находился или в режиме насыщения, или в пограничном режиме, очень близком к режиму насыщения. Токи для рассматриваемого отрезка времени iб=(U1-uбэ)/Rб ?U1/Rб, iк=(Ек-uкэ)/Rк ?Ек/Rк. Ток коллектора в режиме насыщения Iк.нас = Eк/Rк. Напряжение в режиме насыщения у транзисторов разного типа различно. Обычно оно лежит в пределах 0,08..1 В.

Для оценки глубины насыщения пользуются так называемым коэффициентом насыщения qнас, показывающим, во сколько раз реальный ток базы больше того минимального значения тока базы, которое необходимо для обеспечения режима насыщения. Очевидно, что минимальный ток базы Iб.нас.мин, необходимый для режима насыщения, определяется выражением

Iб.нас.мин = Iк.нас/вст= Eк/(Rк* вст)

Поэтому

qнас= iб/ Iб.нас.мин ?(U1/Rб)/(Eк/Rквст)

При выборе значения коэффициента насыщения для конкретного транзисторного ключа обычно используют следующие соображения:

Режим насыщения должен быть обеспечен для различных экземпляров транзисторов выбранного типа при работе ключа в заданном диапазоне температуры

Увеличение тока базы в режиме насыщения уменьшает напряжение между коллектором и эмиттером, что уменьшает мощность, выделяющуюся в выходной цепи транзистора, но это уменьшение практически прекращается при qнас?3

Чрезмерное увеличение тока базы приводит к заметному увеличению мощности, выделяемой во входной цепи транзистора

Кроме этих соображений, относящихся к установившемуся режиму, учитывают влияние величины тока базы на длительность переходных процессов. Чем больше ток базы, тем быстрее включается (т.е. входит в режим насыщения) транзисторный ключ, но длительность переходного процесса выключения транзистора при этом увеличивается [7].

В течение процесса переключения транзистор работает в активном режиме. Процессы в ключевом каскаде носят нелинейный характер.

Оператором вводятся команды, которые поступают для дальнейшей обработки в ПО, далее информация поступает через линии интернета по специально-проложенному физическому каналу связи. Это может быть проводная связь, оптоволокно, радиоканал, и т. п. В некоторых случаях может быть использована существующая инфраструктура физических линий связи. После чего информация поступает в транспортный протокол, который является протоколом для «один-к-одному» связи и смоделированный сигнал управления через линии wi-fi (в переводе "беспроводная передача данных") посредством контроллера интерфейса поступают непосредственно на блок микроконтроллера, а именно на ПИ.

Применяемые в сетях Wi-Fi приемники и передатчики напоминают устройства, используемые в сотовых телефонах и дуплексных портативных радиостанциях. Они передают и принимают радиоволны, а также преобразовывают цифровой сигнал в радиоволны и наоборот. Отличие устройств Wi-Fi от аналогичных устройств состоит в том, что они используют частоты 2,4 ГГц или 5 ГГц, которые существенно выше, что позволяет передавать больше данных. Схема Wi-Fi сети содержит точку доступа и клиента. 0,1 Мбит/с -- наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi.

Далее сигнал попадает в P - регулятор для поддержания заданного значения измеряемого параметра разрабатываемого устройства и через порты ввода-вывода попадает на блок управления двигателями, вследствие чего двигатели приходят в движение. На входе пропорционального регулятора данные от датчиков крена, тангажа, рыскания, высоты и повторителя интерфейса, а на выходе должны получить команду для управления датчиками, вследствие чего устройство осуществит необходимые движения.

При использовании только пропорциональной составляющей нужно учитывать, что во-первых, эффект от нашего воздействия наступает не моментально, а с запаздыванием, и, во-вторых, пропорциональная составляющая никак не учитывает воздействие окружающей среды на объект.

П-регулятор представляет собой одно из самых простых и распространенных устройств и алгоритмов управления. П-регулятор - это устройство в обратной связи, которое формирует управляющий сигнал. П-регулятор выдает выходной сигнал, пропорциональный входному, с коэффициентом пропорциональности К.

Выходной сигнал, вырабатываемый пропорциональной частью П-регулятора, противодействует отклонению регулируемой величины от данного значения, которое наблюдается в данный момент. Выход П-регулятор выдаст тем больше, чем больше отклонение.

Если П-регулятор имеет входной сигнал, который равняется заданному значению, то выходной равен 0.

Данный блок преобразует полученный сигнал в скорость вращения вала четырех двигателей. Полученные данные, дополненные информацией о состоянии аккумуляторной батареи, поступают через порты ввода-вывода на контроллер интерфейса, который осуществляет передачу в управляющую ЭВМ.

К аккумуляторной батарее подключен стабилизатор напряжения для обеспечения устойчивой работы системы. Стабилизатор дает 5В. Так же к аккумуляторной батарее подключен регулятор напряжения. Регулятор дает 3.3 В.

От контроллера питания информация поступает на микроконтроллер в целях предотвращения аварийных ситуаций.

2.2.1 Теория полета

Полёт -- самостоятельное перемещение объекта в газообразной среде или вакууме.

Это перемещение может осуществляться с применением реактивной тяги или других двигательных средств либо без этого (по инерции).

Контроль высоты полёта в поле тяготения на скорости ниже орбитальной требует, помимо придания поступательного движения, применения средств поддержания -- статических или динамических; в первом случае это может быть архимедова сила атмосферы (если она есть) тела-источника тяготения, магнитное поле; во втором -- подъёмная сила газового потока, обтекающего тело, форма которого позволяет создавать такую силу в этом потоке, либо реактивная тяга, электромагнитная сила, и тому подобное [8].

Принцип полёта определяется тем, каким образом и за счёт чего создаётся подъёмная сила. В настоящее время техническое значение имеют следующие принципы полёта, в которых подъёмная сила определяется:

аэростатический -- архимедовой силой, равной силе тяжести вытесненной телом массы воздуха;

аэродинамический -- подъёмная сила создаётся через силовое взаимодействие движущегося сквозь воздушную среду летательного аппарата. Таким образом, сила тяжести преодолевается благодаря аэродинамической силе, как силе реакции на отбрасывание вниз части воздуха, обтекающего несущие поверхности летательного аппарата.

инерционный -- силой инерции летящего тела за счёт начального запаса скорости или высоты, поэтому такой полет называют также пассивным;

ракетодинамический -- реактивной силой за счёт отбрасывания части массы летящего тела. В соответствии с законом сохранения импульса системы возникает движение при отделении от тела с какой-либо скоростью некоторой части его массы;

В безвоздушном пространстве летательный аппарат может совершать инерциальный полёт или полет на других физических принципах (например, с помощью солнечного паруса, на площадь которого оказывает давление звёздный ветер, либо получением ускорения после витка между относительно массивными планетами, выполнив гравитационный манёвр).

Для полётов мультикоптера необходимо минимум 4 канала аппаратуры управления.

1 канал -- Элероны (aileron) -- это канал, который отвечает за направление влево-вправо.

2 канал -- Элеватор (elevator) -- это канал, отвечающий за движение вперед-назад.

3 канал -- Газ (throttle) -- это канал газа. Отвечает за набор и снижение высоты.

4 канал -- Рысканье (rudder) - отвечает за вращение вокруг своей оси.

Остальные каналы в аппаратуре используются для управления осями подвеса камеры, для складывания шасси, надстройки уровня чувствительности аппарата к внешним условиям (PID параметры в полётном контроллере, отвечающие за силу и скорость реакции коптера на сигналы управления, сопротивление погодным условиям), для переключения режимов полёта (к примеру GPS, Attitude, Manual, Failsafe, Home lock, Course Lock). Как говорят опытные авиамоделисты, много каналов не бывает, поэтому у них есть одно важное правило - покупать сразу хорошую надёжную аппаратуру известных брендов. Лучшими считаются производители: Futaba, Spectrum, JR.

При движении стика газа вверх на аппаратуре управления, коптер просто прибавляет обороты на всех двигателях и происходит набор высоты. Чтобы полететь вбок, аппарат кренится в нужную сторону, увеличивая обороты двигателей с одной стороны и снижая с другой. При этом, за счет датчиков, соединенных с ПК (полётным контроллером), аппарат кренится только до ограниченного в прошивке контроллера угла, чтобы не перевернуться. Вперед и назад летает, соответственно, тем же принципом. А вот вращение вокруг своей оси происходит за счет того, что двигатели через один крутятся в противоположные стороны и пропеллеры должны быть соответствующие -- одни загребают воздух под себя, вращаясь по часовой стрелке, другие -- против. Получается, чтобы аппарат развернулся в нужную нам сторону, он увеличивает обороты двигателей вращающихся в одну сторону и ровно настолько же уменьшает обороты двигателей, вращающихся в противоположную [10].

2.2.2 Машинное обучение

Машинное обучение -- класс методов искусственного интеллекта, характерной чертой которых является не прямое решение задачи, а обучение в процессе применения решений множества сходных задач. Для построения таких методов используются средства математической статистики, численных методов, методов оптимизации, теории вероятностей, теории графов, различные техники работы с данными в цифровой форме [11].

Машинное обучение находится на стыке математической статистики, методов оптимизации и классических математических дисциплин, но имеет также и собственную специфику, связанную с проблемами вычислительной эффективности и переобучения. Многие методы индуктивного обучения разрабатывались как альтернатива классическим статистическим подходам. Многие методы тесно связаны с извлечением информации и интеллектуальным анализом данных.

Машинное обучение -- не только математическая, но и практическая, инженерная дисциплина. Чистая теория, как правило, не приводит сразу к методам и алгоритмам, применимым на практике. Чтобы заставить их хорошо работать, приходится изобретать дополнительные эвристики, компенсирующие несоответствие сделанных в теории предположений условиям реальных задач. Практически ни одно исследование в машинном обучении не обходится без эксперимента на модельных или реальных данных, подтверждающего практическую работоспособность метода.

Общая постановка задачи обучения по прецедентам

Дано конечное множество прецедентов (объектов, ситуаций), по каждому из которых собраны (измерены) некоторые данные. Данные о прецеденте называют также его описанием. Совокупность всех имеющихся описаний прецедентов называется обучающей выборкой. Требуется по этим частным данным выявить общие зависимости, закономерности, взаимосвязи, присущие не только этой конкретной выборке, но вообще всем прецедентам, в том числе тем, которые ещё не наблюдались. Говорят также о восстановлении зависимостей по эмпирическим данным -- этот термин был введён в работах Вапника и Червоненкиса.

Наиболее распространённым способом описания прецедентов является признаковое описание. Фиксируется совокупность n показателей, измеряемых у всех прецедентов. Если все n показателей числовые, то признаковые описания представляют собой числовые векторы размерности n. Возможны и более сложные случаи, когда прецеденты описываются временными рядами или сигналами, изображениями, видеорядами, текстами, попарными отношениями сходства или интенсивности взаимодействия, и т. д.

Для решения задачи обучения по прецедентам в первую очередь фиксируется модель восстанавливаемой зависимости. Затем вводится функционал качества, значение которого показывает, насколько хорошо модель описывает наблюдаемые данные. Алгоритм обучения (learning algorithm) ищет такой набор параметров модели, при котором функционал качества на заданной обучающей выборке принимает оптимальное значение. Процесс настройки (fitting) модели по выборке данных в большинстве случаев сводится к применению численных методов оптимизации [12].

Нынешний успех машинного обучения и всеобщее признание стали возможны благодаря трем обстоятельствам:

1. Возрастающее в геометрической прогрессии количество данных. Оно вызывает потребность в анализе данных и является необходимым условием для внедрения систем ML. Одновременно это количество данных открывает возможность для обучения, поскольку порождает большое количество образцов (прецедентов), и это достаточное условие.

2. Сформировалась необходимая процессорная база. Известно, что решение задач ML распадается на две фазы. На первой выполняется обучение искусственной нейронной сети (тренировка). На протяжении этого этапа нужно параллельно обработать большое количество образцов. На данный момент для этой цели нет альтернативы графическим процессорам GPU, в подавляющем большинстве случаев используют GPU Nvidia. Для работы обученной нейронной сети могут быть использованы обычные высокопроизводительные процессоры CPU. Это распределение функций между типами процессоров вскоре может претерпеть существенные изменения. Во-первых, уже в 2017 году Intel обещает выпустить на рынок специализированный процессор Nervana, который будет на порядок производительнее, чем GPU. Во-вторых, появляются новые типы программируемых матриц FPGA и больших специализированных схем ASIC, и специализированный процессор Google TensorFlow Processing Unit (TPU).

3. Создание библиотек для программного обеспечения ML. По состоянию на 2017 год их насчитывается более 50. Вот только некоторые, наиболее известные: TensorFlow, Theano, Keras, Lasagne, Caffe, DSSTNE, Wolfram Mathematica. Список можно продолжить. Практически все они поддерживают прикладной интерфейс OpenMP, языки Pyton, Java и C++ и платформу CUDA.

Будущая сфера применения ML, без всякого преувеличения, необозрима. В контексте Четвертой промышленной революции наиболее значимая роль ML заключается в расширении потенциала области Business Intelligence (BI), название которой условно переводится как «бизнес-аналитика».

В дополнение к традиционному в большей мере количественному для BI вопросу: «Что происходит в бизнесе?», с помощь ML можно будет отвечать и на такие: «Что и почему мы делаем?», «Как можем делать это лучше?», «Что нам следует делать?» и подобные качественные и содержательные вопросы.

Обучение с подкреплением (reinforcement learning). Роль объектов играют пары «ситуация, принятое решение», ответами являются значения функционала качества, характеризующего правильность принятых решений (реакцию среды). Как и в задачах прогнозирования, здесь существенную роль играет фактор времени. Примеры прикладных задач: формирование инвестиционных стратегий, автоматическое управление технологическими процессами, самообучение роботов, и т.д.

3. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Принципиальная схема является наиболее полной электрической схемой устройства, на которой изображают все электрические элементы и устройства, необходимые для осуществления контроля в устройстве заданных электрических процессов, все связи между ними, а также элементы подключения (разъёмы, зажимы), которыми заканчиваются входные и выходные цепи.

Исходя из анализа технического задания и разработанной ранее функциональной схемы беспилотного летательного аппарата, была разработана принципиальная схема. (рисунок 3.1)

Особенностью данной схемы является то, что модуль связи и микроконтроллер объединены в одной интегральной микросхеме ESP8266EX. Данная микросхема характеризуется низким энергопотреблением также высокой компактностью за счет высокой степени интеграции. В частности, для полноценного использования интерфейса Wi-fi необходимо лишь добавить в микросхеме блок антенны. В связи с тем, что условие эксплуатации разрабатываемого контроллера предполагают автономное использование, строгие требования предъявляются к питающему напряжению, поэтому для контроля его величины был применен супервизор питания. Питание же устройства осуществляется от литий-ионной батареи. Блок управления двигателями реализован на основе схемы ключа на биполярном транзисторе. Опрос датчиков углов Эйлера происходит по интерфейсу I2C. Информация с датчика высоты поступает в аналоговом виде на встроенный аналого- цифровой преобразователь.



Рисунок 3.1 - Принципиальная схема полетного контроллера

3.1 Микроконтроллер ESP8266EX

Для выполнения технического задания, а именно обеспечения беспроводной связи со скоростью передачи данных не менее 500 Кбит/с, запустить/остановить моторы, опросить датчики прекрасно подходит ESP8266EX.

ESP8266 -- микроконтроллер китайского производителя Espressif с интерфейсом Wi-Fi. Помимо Wi-Fi микроконтроллер отличается возможностью исполнять программы из внешней флеш-памяти с интерфейсом SPI.

Рисунок 3.1 - Структурная схема микроконтроллера ESP8266EX

Микроконтроллер привлек внимание в 2014 году в связи с выходом первых продуктов на его базе и их необыкновенно низкой цене.

Весной 2016 года началось производство ESP8285, совмещающей ESP8266 и флеш-память на 1 МБайт. Осенью 2015 года Espressif представила развитие линейки -- микросхему ESP32.

Выбранный микроконтроллер обладает следующими основными характеристиками:

80 MHz 32-bit процессор Tensilica Xtensa L106. Возможен негарантированный разгон до 160 МГц.

IEEE 802.11 b/g/n Wi-Fi. Поддерживается WEP и WPA/WPA2.

14 портов ввода-вывода(из них возможно использовать 11), SPI, IІC, IІS, UART, 10-bit АЦП.

Питание 2,2…3,6 В. Потребление до 200 мА в режиме передачи, 60 мА в режиме приема, 40 мА в режиме ожидания. Режим пониженного потребления с сохранением соединения с точкой доступа ~1 мА, режим глубокого сна 0.1 мкА.

Микроконтроллер не имеет на кристалле пользовательской энергонезависимой памяти. Исполнение программы ведется из внешней SPI ПЗУ путём динамической подгрузки требуемых участков программы в кэш инструкций. Подгрузка идет аппаратно, прозрачно для программиста. Поддерживается до 16 МБ внешней памяти программ. Возможен Standard, Dual или Quad SPI интерфейс.

Производитель не предоставляет документации на внутреннюю периферию микроконтроллера. Вместо этого он дает набор библиотек, через API которых программист получает доступ к периферии. Поскольку эти библиотеки интенсивно используют ОЗУ контроллера, то производитель в документах не указывает точное количество ОЗУ на кристалле, а только приблизительную оценку того количества ОЗУ, что останется пользователю после линковки библиотек -- порядка 50 кБ. Энтузиасты, исследовавшие библиотеки ESP8266, предполагают, что он содержит 32 кБ кэша инструкций и 80 кБ ОЗУ данных.

Электрические параметры, цоколевки, схемы включения можно найти в документах «0A-ESP8266EX__Datasheet» и «0B-ESP8266__System_Description» из Espressif SDK [12].

Источник исполняемой программы ESP8266 задается состоянием портов GPIO0, GPIO2 и GPIO15 в момент окончания сигнала Reset (то есть подачи питания). Наиболее интересны два режима: исполнение кода из UART (GPIO0 = 0, GPIO2 = 1 и GPIO15 = 0) и из внешней ПЗУ (GPIO0 = 1, GPIO2 = 1 и GPIO15 = 0). Режим исполнения кода из UART используется для перепрошивки подключенной флеш-памяти, а второй режим -- штатный рабочий.

Рисунок 3.1 - Схема включения ESP8266EX

Схема имеет встроенный предусилитель LNA, который предназначен для:

Компенсации потерь

Увеличения зоны приема

Улучшения стабильности приема

Предусилитель может увеличить дальность на 15-20% [13].

3.2 Контроллер питания ADM1232

Регулирует процесс подачи электрического тока к батарее вашего летательного устройства. Достаточно технологичен, чтобы определить, например, что уровень заряда аппарата ниже допустимого. В таком случае процесс подачи энергии просто останавливается, а на дисплее смартфона появляется надпись, которая сообщает о том, что аккумулятор вашего устройства заряжен. Возможно, он также предохраняет аппарат от более высокого напряжения, не давая устройству выйти из строя. [13]

Технические характеристики;

Регулируемый прецизионный порог контроля напряжения: 4.5В и 4.75В.

Регулируемый интервал контроля стробирующего импульса 150мс, 600мс или 1.2с.

Не требует внешних компонентов.

Гарантированные характеристики в температурном диапазоне от -400С до +850С.

Осуществляет следующие функции контроля:

Контроль напряжения питания микропроцессора.

Контроль попадания микропроцессора в состояние блокировки.

Контроль внешних прерываний.

Рисунок 3.2 - Схема включения ADM1232

В данной схеме на вход VCC подается положительное напряжение от аккумуляторной батареи, на выход RESET подается команда сброса на микроконтроллер при малом заряде аккумуляторной батареи, через порт SD_CLK осуществляется предупреждение микроконтроллера о низком заряде батареи [14].

3.3 Прецизионный регулятор напряжения L78M05CDT

управление квадрокоптер беспилотный контроллер

Для стабильной работы микроконтроллера необходимо обеспечить высокую стабильность его питающего напряжения. Данная задача решается применением в устройстве регуляторов напряжения.