Мультиагентная система для группы лёгких БПЛА

Курсы повышения квалификации по вопросам развития техносферы
Дополнительного образования детей
«Мехатроника: элементная база, микропроцессоры и
программное обеспечение для построения
современных систем управления мобильными
роботами»
(на примере перехода от детского авиамоделизма к БПЛА)
Рисунок ребенка с
конструктором – с
БПЛА
Амелин Константин:
канд. физ.-мат. наук, СПбГУ,
Ген. директор SmartFly ,LLC
Москва, 17 – 21 сентября
Мобильные роботы сейчас?
Москва, 17 – 21 сентября
2/28
Беспилотные мобильные роботы
Москва, 17 – 21 сентября
3/28
Типы беспилотных летательных аппаратов
Москва, 17 – 21 сентября
4/28
История развития БПЛА
1. Свободнолетающие самолёты. Носители боевого заряда.
2. Радиоуправляемые БПЛА. Дальность – предел видимости.
• Использовались, как носители заряда или мешени для учений.
3. Стабилизирующие устройства без обратной связи.
• Гироскопы
• Дальномеры
• Инфракрасные датчики.
4. Видео и фото регистраторы. Записывающие и передающие.
5. Внедрение микроконтроллера и системы навигации.
• Автопилот для возврата на базу и аварийной посадки.
6. Управление по камере.
7. Микроконтроллер. Автопилот.
• Управление исполнительными механизмами
• Выполнение поставленной задачи
“Bug”• – беспилотная
летательная
США 1910 г.
Отправка данных
на базовуюбомба.
станцию
Москва, 17 – 21 сентября
5/28
Перспективы БПЛА
• Растет популярность легких БПЛА в качестве
недорогих инструментов для разведки, поиска,
воздушных съемок, мониторинга местности,
охраны территории
• Растёт технологичность и функциональность
одиночных БПЛА
• Есть острая необходимость в разработке гибких
систем управления БПЛА, способных к
автономному решению задач, изменению
стратегии «на лету», мультиагентному
взаимодействию.
Москва, 17 – 21 сентября
6/28
Радиоуправляемые модели это…..
•
Детский кружок (техническая сфера)
•
Хобби
•
Технический вид спорта
•
Источник кадров
•
Формула 1 для сферы беспилотных мобильных
движущихся объектов
•
Элементная база для робототехники
7/28
Возможности радиоуправляемых моделей
• 407 км/ч скорость Р/У самолета (180 км/ч – авто, и 232
км/ч судомодель
• 2 сек до 100 км/ч
• 36 часов полет р/у планера без мотора
• Сервомеханизмы с тягой до 250 кг/см
• 5 кВ мощность бесколлекторного двигателя
• Аккумуляторы Li-Po с токоотдачей до 100 емкостей
Москва, 17 – 21 сентября
8/28
Схема построения систем управления
 Исполнительные механизмы
 Мотоустановка
 Приемник радиосигнала
 Телеметрия
 Дополнительные исполнительные механизмы
 Стабилизирующая электроника
 Автопилот
 Пульт управления
 Излучатель радиосигнала
 Прием телеметрии
 Базовая станция
 Средства связи (радиомодем, Wi-Fi, Bluetooth)
Москва, 17 – 21 сентября
9/28
Исполнительные механизмы
Характеристики:
• Размер: 10-23 мм, 24-45 мм, 45-50 мм, >50
• Материал редуктора: металл, пластик
• Скорость отработки: 0,04 – 0,25 сек/60
• Усилие на валу: от 0,7 – 50 кг/см
• Тип сигнала: аналоговый. Цифровой
Принцип передачи управляющего сигнала:
Приемник
Дешифратор
Радио сигнал
Генератор
ШИМ
Москва, 17 – 21 сентября
10/28
Мотоустановка
Мотор:
• Тип: Б/к или коллекторный
• Обороты
• Мощность
• Рабочее напряжение
Регулятор оборотов:
• Тип: Б/к или коллекторный
• Рабочее напряжение
• Рабочий и постоянный ток
• Встроенный стабилизатор напряжения
• Функциональность
Москва, 17 – 21 сентября
11/28
Аккумуляторные батареи
Характеристики:
• Тип: Ni-Cd, Ni-Mh, Pb, Li-ion, Li – Po, LiFePO4
• Токоотдача: от 1 – 100 ёмкостей
• Ёмкость: от 50 – 6500 mAh на1 элемент
• Рабочее напряжение: 1,2, 3,3, 3,6, 3,7, В
на 1 элемент
• Корпус: Алюминиевая фольга, Пластик
• Разъемы: Т-соединители, «бананы», JR разъемы
• Вес: от 120 – 300 гр. на элемент или спайку с напряжением в 7,4 и
2000 mAh емкостью
• Быстрый заряд: током до 2-3 ёмкостей
Москва, 17 – 21 сентября
12/28
Система стабилизации
Инерциальная система стабилизации:
• трехосный гироскоп
• трехосный акселерометр
• трехостный магнитометр
• система навигации ГЛОНАСС/GPS
• датчик давления
• эхолокатор
• трехосный ИК датчик
• оптический датчик
Централизованная
Модульная
Что же лучше? А как это в природе?
Москва, 17 – 21 сентября
13/28
«Живые» и электронные системы
Вычислительные
устройства
1011 –нейронов
108 –транзисторов
Устройства ввода
Глаза, уши, осязание, нос
…
Мышка, клавиатура,
микрофон, экран…
Тактовая частота
100 Hz
> 2 GHz
Потребляемая мощность
20 Ват
40-50 Ват
Москва, 17 – 21 сентября
14/28
Автопилот
Управление исполнительными механизмами и дополнительным оборудованием
6 Actuators

микроконтроллер

триада инерциальных датчиков
(пьезогироскопы по трем осям)

трехосный магнитометр (определение азимута
движения)

трубка Прандтля (скорость и высота)

GPS модуль U-Box LEA-5E с частотой 4 Hz

датчики горизонта

автопилот

дешифратор ШИМ
Двигатель: Аккумулятор: Регулятор
Оборотов:
Маячёк:
-Li-Po 150mAh
- 6 g.
Парашют
Москва, 17 – 21 сентября
15/28
Дополнительный микрокомпьютер
Микрокомпьютер
Автопилот
Датчики
O.S. Linux
Корпус
План
полета
Рули крена
Направление
Wi-Fi
Bluetooth
GSM
MAС
Данные
План
полета
SPI
Руль высоты
Фильтр
Обороты двигателя
Курс и высота
ПИД
Регулятор
Руль направления
ШИМ
Рули крена
Исполнительные
механизмы
Москва, 17 – 21 сентября
16/28
Дополнительный микрокомпьютер
Gumstix Over Air
Процессор: ARM Cortex-A8
Тактовая частота: 600 MHz
Память: 256MB RAM
256MB Flash
Средства связи: Wi-Fi 802.11
Bluetooth
Micro SD card slot
Размеры: 17mm x 58mm x 4.2mm
Мобильная платформа с
OS Android
Процессор: ARM
Тактовая частота: 450 MHz
Память: 128MB RAM
256MB Flash
Средства связи: Wi-Fi 802.11
Bluetooth
Micro SD card slot
Модуль GPS
Камера
Москва, 17 – 21 сентября
17/28
Пример
Москва, 17 – 21 сентября
18/28
БПЛА
•
•
•
•
•
•
Размеры: Размах крыла 2 м. Длинна 1,2 м.
Полётный вес: от 2 – 2,1кг.
Полезная нагрузка: 0,6 кг.
Дальность полёта: 100-150км.
Время полёта: до 5 ч.
Высота полёта: до 1 км.
• Материалы: углепластик, Бальса (дерево),
стеклоткань, EPP (вспененный пенополиэтилен)
• Двигатель: электрический б/к.
• АКБ: LiPo, LiFePO4 (2,1- 5 mAh)
Москва, 17 – 21 сентября
19/28
Корпус
Планер
Квадрокоптер
Управляющие исполнительные механизмы
Сервопривод
Момент , кгс/см: 2.2
Скорость: 0.11/60
Напряжение, В: 4.8-6
Длина, мм: 23.6
Ширина, мм: 11.6
Высота, мм: 24
Вес, г.: 11.9
Регулятор оборотов
Рабочий ток, А: 45
Максимальный
ток, А: 55
Тип и количество
элементов
батареи: 2-6 LiPo или
LiFePO4
Двигатель
Обороты, об./В: 800
Рабочий ток, А: 30
Макс мощность, Вт:
924
Москва, 17 – 21 сентября
Аккумулятор
Тип: LiFePO4
Рабочие
температуры:
«+30» – «-30»
Быстрый заряд:
30 мин.
20/28
Две основные задачи
 Мониторинг местности:
• мониторинг экологической ситуации местности
• поиск источников сигналов
• спасательные работы
• воздушные съёмки
• военная, геологическая и метерологическая разведка
• исследование труднодоступных или опасных местностей
 Оптимизация полёта
Москва, 17 – 21 сентября
21/28
Что же дальше?
Группа мобильных роботов
 Беспилотные летательные аппараты:
• обмениваются данными (метеоданные, информация
критическая для решения задач);
• могут иметь разное оснащение;
• общаются с базовой станцией
 Реализация новых распределенных стратегий для
коллективного решения задач группой БПЛА позволяет
обеспечить:
• больше гарантий выполнения задачи;
• выигрыш по времени и увеличение надёжности системы;
• Более эффективное решение задач.
Москва, 17 – 21 сентября
22/28
Как это работает?
Москва, 17 – 21 сентября
23/28
Где это можно применить,
кроме БПЛА?
Москва, 17 – 21 сентября
24/28
Футбол роботов
Международные соревнования
Москва, 17 – 21 сентября
25/28
Car-to-car
Москва, 17 – 21 сентября
26/28
Основные моменты
 Роботы на основе радиоуправляемых моделей – возможно!
 Разрабатываем не железо, а учимся управлять и создаем ПО!
 Р/У моделизм это уже не игрушки!
Универсальная модульная структура построения систем управления!
 Возможность постепенно двигаться от простого к сложному!
 Хорошая площадка для апробации ПО!
Москва, 17 – 21 сентября
27/28
Благодарю за внимание!
Вопросы?
Константин Амелин
[email protected]
+79045105109
Москва, 17 – 21 сентября
28/28