Помощь студентам в учебе
АППАРАТНО-ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА
|
Реферат
ВВЕДЕНИЕ 7
1 Объект управления, технологический процесс, система управления полетом . 9
1.1 Общие сведения об объекте исследования и имеющихся аналогах решения
выявленных проблем 9
1.2 Технологический объект управления 12
1.3 Система управления полетом 16
1.4 Сведения о технологическом процессе 22
1.4.1 Энергоресурсы системы 25
1.5 Выводы 27
2 Техническое оснащение системы управления полетом А2 29
2.1 Модули системы А2 и их внутреннее устройство 29
2.2 Протоколы обмена данными между модулями системы и полетным
контроллером 37
2.3 ПИД-регулятор в задачах стабилизации мудьтироторной платформы 40
2.4 Выводы 45
3 Методы решения выявленных проблем 48
3.1 Сравнение полетных контроллеров и систем управления 48
3.1.1 Анализ полученной информации 50
3.2 Исследование возможности внедрения дополнительного вычислительного
модуля в систему А2 55
3.3 Исследование совместимости системы А2 с выбранным модулем
вычисления MyRio 59
3.4 Анализ полученных результатов 71
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 73
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 76
ПРИЛОЖЕНИЕ А Структурная схема 78
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Функциональная схема 79
ПРИЛОЖЕНИЕ В Схема комплекса технических средств 80
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Интерфейс и листинг программы на языке G 82
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Схема подключений 84
ПРИЛОЖЕНИЕ И Листинг программы, реализующей протокол S.Bus 85
ВВЕДЕНИЕ 7
1 Объект управления, технологический процесс, система управления полетом . 9
1.1 Общие сведения об объекте исследования и имеющихся аналогах решения
выявленных проблем 9
1.2 Технологический объект управления 12
1.3 Система управления полетом 16
1.4 Сведения о технологическом процессе 22
1.4.1 Энергоресурсы системы 25
1.5 Выводы 27
2 Техническое оснащение системы управления полетом А2 29
2.1 Модули системы А2 и их внутреннее устройство 29
2.2 Протоколы обмена данными между модулями системы и полетным
контроллером 37
2.3 ПИД-регулятор в задачах стабилизации мудьтироторной платформы 40
2.4 Выводы 45
3 Методы решения выявленных проблем 48
3.1 Сравнение полетных контроллеров и систем управления 48
3.1.1 Анализ полученной информации 50
3.2 Исследование возможности внедрения дополнительного вычислительного
модуля в систему А2 55
3.3 Исследование совместимости системы А2 с выбранным модулем
вычисления MyRio 59
3.4 Анализ полученных результатов 71
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 73
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 76
ПРИЛОЖЕНИЕ А Структурная схема 78
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Функциональная схема 79
ПРИЛОЖЕНИЕ В Схема комплекса технических средств 80
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Интерфейс и листинг программы на языке G 82
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Схема подключений 84
ПРИЛОЖЕНИЕ И Листинг программы, реализующей протокол S.Bus 85
В последнее время широкое распространение получили беспилотные летательные аппараты, в частности такие, как мультикоптеры. Существует множество данных устройств, изготовленных из самых различных материалов и имеющих различную конструкцию. Наиболее важным вопросом в отношении использования данных устройств является проблема выбора подходящей системы управления. На данном этапе развития в мировой практике управления БЛА представлено множество решений, большинство из которых не предоставляют пользователю возможности доработки приобретенной системы. К сожалению, зачастую системы управления имеют существенные недостатки, например: низкий уровень надежности, ограниченное количество режимов полета, низкий уровень стабилизации летательного аппарата и прочие. Решением этих недостатков могла бы послужить возможность доработки имеющейся системы.
Несмотря на то, что системы, позволяющие организовать на их основе собственные разработки, все же существуют, они во многом не позволяют создать надежную и отвечающую собственным требованиям систему одновременно.
Для данной работы предметом исследования послужил полетный контроллер от производителя DJI Innovations - А2. Данное устройство имеет один из самых высоких уровней надежности среди имеющихся систем. Однако, контроллер А2 является закрытой разработкой производителя: внутренняя структура элементов и доработка исходного кода не доступны для пользователя. Контроллер имеет несколько видов режимов полета, изменение которых не предусмотрено производителем. Разумеется, при современных возможностях есть множество способов вскрыть элементы данной системы с целью выяснения их структуры, но в виду того, что устройство является дорогостоящим, а любое повреждение ее компонентов может привести к неисправной работе, данный шаг будет рискованным.
Помимо указанных недостатков система имеет еще один достаточно весомый: чтобы БЛА перемещался на местности по точкам, которые
пользователь хочет задать на карте, необходимо дополнительное приобретение соответствующего программного обеспечения, которое к тому же имеет ограниченное количество точек в маршруте полета.
Исходя из всего вышесказанного, целью данной работы является исследование возможностей создания собственных алгоритмов управления объектом, в роли которого выступает гексакоптер DJI S800 EVO, на базе полетного контроллера DJI А2.
Соответственно необходимо решить следующие задачи:
1) провести сравнение существующих систем управления;
2) исследовать контроллер А2 и оценить возможность создание собственных алгоритмов на его базе;
3) исследовать и оценить возможность замены контроллера А2 другим контроллером при использовании датчиков из комплекта А2;
4) исследовать возможность внедрения в систему дополнительного вычислительного модуля;
5) сделать обоснованные вывода исходя из полученных данных.
Следовательно, работа содержит подробное сравнение имеющихся систем управления БЛА с выявлением достоинств и недостатков каждой и обоснованным выбором системы, которая подойдет для реализации собственных алгоритмов. Для выбранного контролера проведено исследование совместимости его с модулями системы А2. Кроме того, было проведено исследование на возможность внедрения модуля вычисления в систему, который позволит решить выявленные проблемы без замены контроллера.
Несмотря на то, что системы, позволяющие организовать на их основе собственные разработки, все же существуют, они во многом не позволяют создать надежную и отвечающую собственным требованиям систему одновременно.
Для данной работы предметом исследования послужил полетный контроллер от производителя DJI Innovations - А2. Данное устройство имеет один из самых высоких уровней надежности среди имеющихся систем. Однако, контроллер А2 является закрытой разработкой производителя: внутренняя структура элементов и доработка исходного кода не доступны для пользователя. Контроллер имеет несколько видов режимов полета, изменение которых не предусмотрено производителем. Разумеется, при современных возможностях есть множество способов вскрыть элементы данной системы с целью выяснения их структуры, но в виду того, что устройство является дорогостоящим, а любое повреждение ее компонентов может привести к неисправной работе, данный шаг будет рискованным.
Помимо указанных недостатков система имеет еще один достаточно весомый: чтобы БЛА перемещался на местности по точкам, которые
пользователь хочет задать на карте, необходимо дополнительное приобретение соответствующего программного обеспечения, которое к тому же имеет ограниченное количество точек в маршруте полета.
Исходя из всего вышесказанного, целью данной работы является исследование возможностей создания собственных алгоритмов управления объектом, в роли которого выступает гексакоптер DJI S800 EVO, на базе полетного контроллера DJI А2.
Соответственно необходимо решить следующие задачи:
1) провести сравнение существующих систем управления;
2) исследовать контроллер А2 и оценить возможность создание собственных алгоритмов на его базе;
3) исследовать и оценить возможность замены контроллера А2 другим контроллером при использовании датчиков из комплекта А2;
4) исследовать возможность внедрения в систему дополнительного вычислительного модуля;
5) сделать обоснованные вывода исходя из полученных данных.
Следовательно, работа содержит подробное сравнение имеющихся систем управления БЛА с выявлением достоинств и недостатков каждой и обоснованным выбором системы, которая подойдет для реализации собственных алгоритмов. Для выбранного контролера проведено исследование совместимости его с модулями системы А2. Кроме того, было проведено исследование на возможность внедрения модуля вычисления в систему, который позволит решить выявленные проблемы без замены контроллера.
В ходе выполнения работы было произведено исследование имеющихся источников о мультироторных платформах и системах управления данными платформами. В частности, рассматривался гексакоптер DJI S800 EVO и система управления для него DJI A2 Flight Controller. Оба продукта являются разработками фирмы DJI Innovations. Система А2 пользуется большой популярностью имеет высокие показатели качества и надежности. Данная система имеет различного рода преимущества: множество различных режимов полета, в том числе режимы, предусматривающие экстренную посадку при потере связи и возврат в точку взлета при малом уровне заряда батареи. Все составные части системы имеют надежный корпус, датчики, используемые всистеме обеспечивают контроллер необходимой информацией для формирования управляющих воздействий на объект. Однако, несмотря на все достоинства у системы имеются и недостатки: ситуации с низким уровнем стабилизации, кратковременные потери связи, прерывистое движение объекта. Кроме того, для осуществления мультикоптером полета по заданной траектории, необходимо приобрести дополнительную аппаратуру и программное обеспечение. У программного обеспечения имеются ограничения по дальности полета. А также у пользователя нет возможности подключиться к системе А2 по каналу Bluetooth, если он не использует смартфон или планшет под управлением платформы iOS.
Обнаружив данные недостатки возникает необходимость в их устранении. Однако, для этого необходимо более подробно изучить систему А2 и выяснить, как она устроена. В виду того, что фирма DJI Innovations не распространяет никакой информации о своей продукции, кроме как коммерческой, то выяснить внутреннюю структуру, а также алгоритмы управления достаточно проблематично.
В ходе выполнения работы были предприняты попытки обнаружить какую-либо информацию о структуре системы А2. В итоге, удалось узнать составные части модуля GPS-компас и информацию о передаче данных между данным модулем и полетным контроллером. Что касается остальных частей системы, то найденные изображения их внутреннего устройства не принесли желаемых результатов, т.к. производитель предусмотрительно основные части покрывает веществом, скрывающим всю маркировку. Что касается программного обеспечения системы, то все прошивки для А2, которые фирма регулярно совершенствует, обновляются в онлайн режиме при помощи программы Software Assistant, которая служит для настройки полетных параметров мультикоптера.
Соответственно, проанализировав всю имеющуюся информацию, очевидно, что не имея данных о составных частях модулей сложно оценить, каким образом выполнять их доработку. Например, чтобы решить проблему со стабилизацией необходимо доработать алгоритм для ПИД-регулятора, а сделать этого без нужной информации не представляется возможным. Сделав подобные выводы, целесообразно предположить, что данную систему необходимо заменить на более подходящую для реализации собственных решений на ее базе. Однако, как уже указывалось, данная системы предлагается в комплекте с гексакоптером S800 EVO, а также является высоконадежной и качественной. Именно поэтому было решено рассмотреть возможность замены одного лишь полетного контроллера.
Было проведено исследование наиболее популярных и подходящих систем управления для мультироторных платформ. В качестве основных критериев выбора были совместимость с гексакоптером S800 EVO, надежность и возможность разработки собственных решений. Таким образом был выбран полетный контроллер ArduPilot Mega 2.6. Данная система обладает наиболее хорошими и подходящими характеристиками, поддерживает возможность управления гексакоптером, а также возможность разработок собственных алгоритмов управления для нее. Данный проект является открытым и его доработка приветствуется производителем.
Но исследования совместимости данного контроллера с остальными блоками системы управления полетом А2 показали, что внедрение данного контроллера может привести к необратимым последствиям, таким как неисправности системы. Кроме того, обойти проблему использования разных протоколов передачи в системе А2 и в ArduPilot Mega 2.6 довольно сложно. Если использовать шину I2C, то это приведет к значительному снижению качества работы системы и ее надежности, так как передача данных по шине I2C характеризуется как малонадежная, высока вероятность потери пакетов, связанной с несовершенством и устаревшими технологиями, использованными в данной шине. Если же попытаться адаптировать новый контроллер на работу по шине CAN, которая используется в системе А2, то это так же приведет к снижению надежности системы в целом, так как адаптация нового контроллера тоже работа довольно трудоемкая и нет никакой гарантии, что успешная.
В виду найденных очевидных данных, указывающих на минусы использования метода замены контроллера, было принято решение рассмотреть возможность внедрения блока вычисления в систему А2. В качестве такого блока рассматривалась плата National Instruments MyRio. Она является довольно простой и легко адаптируемой платой для задач роботостроения. Исследования показали, что внедрение дополнительного модуля, который будет заниматься обработкой исходных данных управления, а затем дальнейшей передачей модифицированных данных приемнику контроллера А2, гораздо более подходящее решение выявленной проблемы системы А2.
В работе были получены универсальные результаты, которые в дальнейшем помогут адаптировать плату MyRio для работы с системой А2 и реализовывать требования пользователя по модификации А2. Кроме того, такое решение позволяет сохранить один из важных факторов системы управления полетом - надежность.
Таким образом, можно заключить, что в работе приведены возможные методы решения обозначенных проблем, цели работы были достигнуты.
Обнаружив данные недостатки возникает необходимость в их устранении. Однако, для этого необходимо более подробно изучить систему А2 и выяснить, как она устроена. В виду того, что фирма DJI Innovations не распространяет никакой информации о своей продукции, кроме как коммерческой, то выяснить внутреннюю структуру, а также алгоритмы управления достаточно проблематично.
В ходе выполнения работы были предприняты попытки обнаружить какую-либо информацию о структуре системы А2. В итоге, удалось узнать составные части модуля GPS-компас и информацию о передаче данных между данным модулем и полетным контроллером. Что касается остальных частей системы, то найденные изображения их внутреннего устройства не принесли желаемых результатов, т.к. производитель предусмотрительно основные части покрывает веществом, скрывающим всю маркировку. Что касается программного обеспечения системы, то все прошивки для А2, которые фирма регулярно совершенствует, обновляются в онлайн режиме при помощи программы Software Assistant, которая служит для настройки полетных параметров мультикоптера.
Соответственно, проанализировав всю имеющуюся информацию, очевидно, что не имея данных о составных частях модулей сложно оценить, каким образом выполнять их доработку. Например, чтобы решить проблему со стабилизацией необходимо доработать алгоритм для ПИД-регулятора, а сделать этого без нужной информации не представляется возможным. Сделав подобные выводы, целесообразно предположить, что данную систему необходимо заменить на более подходящую для реализации собственных решений на ее базе. Однако, как уже указывалось, данная системы предлагается в комплекте с гексакоптером S800 EVO, а также является высоконадежной и качественной. Именно поэтому было решено рассмотреть возможность замены одного лишь полетного контроллера.
Было проведено исследование наиболее популярных и подходящих систем управления для мультироторных платформ. В качестве основных критериев выбора были совместимость с гексакоптером S800 EVO, надежность и возможность разработки собственных решений. Таким образом был выбран полетный контроллер ArduPilot Mega 2.6. Данная система обладает наиболее хорошими и подходящими характеристиками, поддерживает возможность управления гексакоптером, а также возможность разработок собственных алгоритмов управления для нее. Данный проект является открытым и его доработка приветствуется производителем.
Но исследования совместимости данного контроллера с остальными блоками системы управления полетом А2 показали, что внедрение данного контроллера может привести к необратимым последствиям, таким как неисправности системы. Кроме того, обойти проблему использования разных протоколов передачи в системе А2 и в ArduPilot Mega 2.6 довольно сложно. Если использовать шину I2C, то это приведет к значительному снижению качества работы системы и ее надежности, так как передача данных по шине I2C характеризуется как малонадежная, высока вероятность потери пакетов, связанной с несовершенством и устаревшими технологиями, использованными в данной шине. Если же попытаться адаптировать новый контроллер на работу по шине CAN, которая используется в системе А2, то это так же приведет к снижению надежности системы в целом, так как адаптация нового контроллера тоже работа довольно трудоемкая и нет никакой гарантии, что успешная.
В виду найденных очевидных данных, указывающих на минусы использования метода замены контроллера, было принято решение рассмотреть возможность внедрения блока вычисления в систему А2. В качестве такого блока рассматривалась плата National Instruments MyRio. Она является довольно простой и легко адаптируемой платой для задач роботостроения. Исследования показали, что внедрение дополнительного модуля, который будет заниматься обработкой исходных данных управления, а затем дальнейшей передачей модифицированных данных приемнику контроллера А2, гораздо более подходящее решение выявленной проблемы системы А2.
В работе были получены универсальные результаты, которые в дальнейшем помогут адаптировать плату MyRio для работы с системой А2 и реализовывать требования пользователя по модификации А2. Кроме того, такое решение позволяет сохранить один из важных факторов системы управления полетом - надежность.
Таким образом, можно заключить, что в работе приведены возможные методы решения обозначенных проблем, цели работы были достигнуты.
