Аннотация
Перечень условных обозначений 7
Введение 8
1 Мультироторный летательный аппарат 10
1.1 Общее описание БПЛА 10
1.1.1 Принципы работы мультироторных летательных аппаратов 10
1.1.2 Системы координат 13
1.2 Инструментарий для автономного полета модели квадрокоптера 15
1.2.1 Мета-операционная система Robot Operating System (ROS) 15
1.2.2 Протокол MAVLiNK 17
1.2.3 Автопилот PX4 18
1.2.4 Программа контроля для наземной станции QGroundControl 21
1.3 Датчик-дальномер LiDAR 22
1.4 Сравнительный анализ существующих решений 24
1.4.1 Обзор решений, потребительский рынок 25
1.4.2 Обзор решений, военный рынок 27
2 Разработка виртуальной модели автономного квадрокоптера 28
2.1 Концепции и способы коммуникации в Robot Operation System 28
2.1.1 Работа со средством обмена сообщений Topic 31
2.2 Пакет MAVROS (MAVLiNK + ROS) 31
2.2.1 Порты UDP 32
2.2.2 Описание используемых коммуникативных концепций типа
«Topic» и «Service» 34
2.3 Симуляция квадрокоптера и окружающей среды 35
2.4 Имитация датчиков определения локальной позиции и ориентации
аппарата 37
2.4.1 Датчик IMU 39
2.4.2 Система GPS 40
2.5 Программный комплекс автономного управления квадрокоптером. Узлы
ROS 41
2.5.1 Программный код для имитации лазерного дальномера
LiDAR_node.py 43
2.5.2 Скрипт для моделирования движения БПЛА и алгоритма
определения препятствий control_node.py 44
2.5.3 Программный код для обработки миссии mission_node.py 49
3 Визуализация модели в тестовом полигоне 50
3.1 Визуализация модели 50
3.2 Параметры модели 51
4 Тестирование разработанной модели 53
4.1 Тестирование модели на тестовом полигоне 53
4.2 Тестирование модели на тестовом полигоне с препятствиями 60
4.3 Выводы по проведенному тестированию 66
Заключение 67
Список использованных источников и литературы 68
Приложение A Скрипт для запуска системы 71
Приложение Б ROS-Ноды системы 76
Приложение В Скрипт визуализации модели 84
Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) с автономными системами навигации - наиболее перспективная модель решения задач в сферах, связанных с потребностями обзора процессов, объектов и ландшафта в таких областях, как сельское хозяйство, управление техническими процессами, транспортировка легких грузов, военное дело (определение дислокации военной техники, слежение за перемещением противника).
Реализация и производство таких автономных БПЛА производится с помощью средств робототехники.
Робототехника является наиболее востребованным направлением развития автоматизированных технологических систем. Она активно используется в различных отраслях: промышленность, здравоохранение, образование, телекоммуникация и т.д.
Наиболее выгодной конструктивной реализацией беспилотного летательного аппарата (БПЛА) являются мультикоптеры, построенные по вертолетной схеме и имеющие 3 и более несущих винта.
В данной работе создается виртуальная модель 4-х роторного автономного мультикоптера на базе мета-операционной системы Robot Operating System (ROS) и производится тестирование на виртуальном тестовом полигоне.
Такая модель способна существенно снизить затраты при производстве реального летательного аппарата, ввиду заблаговременного моделирования как самого БПЛА и условий его функционирования, так и виртуального окружающего пространства.
Большая точности виртуализации окружающего пространства и факторов, способных влиять на полет позволяет создать адекватные модели БПЛА и среды в многовариантном режиме.
Что позволяет испытать каждый вариант и на основе результатов испытания выбрать лучшую для реализации в производстве модель летательного аппарата.
Модульная система виртуализации, создаваемая в данной работе, обеспечивает большую гибкость параметров под разные технические нужды и варианты использования квадрокоптеров.
Цель настоящей работы: разработать виртуальную модель
квадрокоптера со средствами автономной навигации, отражающую все технические свойства и возможности БПЛА и позволяющую определить лучшие параметры и полетные свойства создаваемого летательного аппарата с системой автоматического взлета, полета и посадки, способную с помощью алгоритма определения препятствий пройти тестовые испытания без столкновений.
Задачи:
1. Изучить принцип работы мультироторных летательных аппаратов;
2. Изучить инструментарий для моделирования полета квадрокоптера с использованием пакетов и концепций мета-операционной системы Robot Operating System;
3. Изучить принципы работы датчиков дальномера LiDAR;
4. Создать модель квадрокоптера со средствами автономной навигации;
5. Разработать алгоритм определения препятствий с помощью датчиков дальномера LiDAR;
6. Собрать SD-визуализацию в виртуальной среде Gazebo;
7. Испытать автономность модели и работоспособность алгоритма определения препятствий.
В данной работе были выполнены все поставленные задачи:
1. Изучен принцип работы мультироторных летательных аппаратов;
2. Изучен инструментарий для моделирования полета квадрокоптера с использованием пакетов и концепций мета-операционной системы Robot Operating System;
3. Изучен принципы работы датчиков дальномера LiDAR;
4. Создана модель квадрокоптера со средствами автономной навигации;
5. Разработан алгоритм определения препятствий с помощью датчиков дальномера LiDAR;
6. Собрана SD-визуализация в виртуальной среде Gazebo;
7. Испытана автономность модели и работоспособность алгоритма определения препятствий.
Дальнейшие перспективы развития, модернизации, использования и улучшения данной разработки предполагают:
1. Создание визуального интерфейса для изменения параметров системы, которое должно обеспечить облегчение использования данной разработки для производства различных БПЛА;
2. Возможность внедрения разработки на производстве;
Таким образом, цель - разработать виртуальную модель квадрокоптера со средствами автономной навигации, отражающую все технические свойства и возможности БПЛА и позволяющую определить лучшие параметры и полетные свойства создаваемого летательного аппарата с системой автоматического взлета, полета и посадки, способную с помощью алгоритма определения препятствий пройти тестовые испытания без столкновений - достигнута.
