AI-QUADRO - Stanowisko do badania sys. ster. platform wielowirnikowych

Cześć wszystkim,

Chciałbym przedstawić zrealizowany na Politechnice Śląskiej (w ramach trzech równoległych prac magisterskich) projekt grupowy. Jego celem było opracowanie stanowiska laboratoryjnego do badania systemów sterowania wielowirnikowych bezzałogowych obiektów latających. Docelowo systemów sterowania tolerujących uszkodzenia.

Podział prac magisterskich:

• zaprojektowanie i wykonanie platformy quadrocoptera o możliwości celowego wprowadzania wybranych uszkodzeń (moja część),
• opracowanie aplikacji na urządzenie mobilne (tablet) umożliwiającej sterowanie platformą, zadawanie uszkodzeń oraz prowadzenie telemetrii,
• wykorzystanie środowiska symulacyjnego (V-REP) do testowania zachowania platformy przy wprowadzanych uszkodzeniach oraz do testowania opracowanych algorytmów sterujących.

W skrócie więc: platforma quadrocoptera wyposażona została w układy pozwalające na wprowadzanie trzech uszkodzeń (każde innego typu): uszkodzenie fragmentu śmigła, uszkodzenie sterownika silnika, utrata komunikacji. Wykorzystując tablet jesteśmy w stanie połączyć się z symulatorem quadrocoptera. Możemy sterować, wprowadzać uszkodzenia. Przy użyciu tego samego tabletu (bez konieczności modyfikacji aplikacji) łączymy się do rzeczywistej platformy, gdzie możemy zrobić dokładnie to samo plus dochodzi tutaj również telemetria.

Po co wprowadzać uszkodzenia?

W celu sprawdzenia jak zachowuje się obiekt pod ich wpływem. W trakcie przeprowadzania eksperymentów dane zapisywane są na zewnętrznym nośniku. Dane te mogą następnie zostać wykorzystane np. w Matlabie. Można na ich podstawie starać się opracować algorytmy, które będą tolerować uszkodzenia.

Platforma quadrocoptera

Quadrocopter został wykonany z użyciem zarówno gotowych jak i autorskich komponentów. Komponenty oznaczone jako dostępne są to układy, w które wyposażona jest większość platform multiwirnikowych. Wyjątkiem jest tutaj urządzenie mobilne, którego użycie nie byłoby możliwe bez opracowania własnych modułów. Ponieważ głównym celem pracy nie było opracowanie własnego kontrolera lotu, wykorzystano układ DJI Naza-M Lite (2). Do tego zaprojektowane zostały: moduł zasilający (4), moduł nawigacyjny (5) oraz moduł z czujnikami (6). Moduły te zaprojektowane zostały przy wykorzystaniu oprogramowania Altium Designer, a wyprodukowane dzięki uprzejmości gliwickiej firmy KONO, za co im serdecznie dziękuję.

Moduł zasilający

Jego zadaniem jest zasilanie modułu nawigacyjnego, modułu z czujnikami + 2 dodatkowe wyjścia. Wykorzystano tutaj dwie przetwornice ST1S10 które mogą mieć jedno wspólne, bądź dwa odrębne źródła zasilania. Uwzględnione zostało tutaj zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją zasilania. Istnieje również możliwość rozłączenia mas i zasilania (zworki). Napięcie wejściowe 10 - 20V i wyjściowe 5V.

Moduł nawigacyjny

Jest to brakujące ogniwo pomiędzy urządzeniem mobilnym a kontrolerem lotu. Wyposażony został w 32-bitowy mikrokontroler STM32F103 o maksymalnej częstotliwości taktowania 72 MHz. Na obwodzie znajduje się układ BTM-222, oraz wyprowadzone złącza UART dla modułu z czujnikami, oraz dodatkowe np. dla minikomputera.

Telemetria (obecnie): stan naładowania akumulatora, orientacja platformy w przestrzeni (yaw, pitch, roll).

Zapisywane dane na karcie SD: aktualny czas systemowy (uaktualniany przy nawiązywaniu połączenia z tabletem), komendy sterujące (z tabletu), orientacja platformy, stan naładowania akumulatora, stan poszczególnych uszkodzeń.

Układ awaryjnego przejmowania kontroli: przy użyciu jednego z kanałów aparatury radiowej mamy możliwość przełączania użytkownika (np. gdy zawiesi się aplikacja tabletu, zerwana zostanie łączność Bluetooth). Funkcja ta została zrealizowana całkowicie w sposób sprzętowy, bez wykorzystania mikrokontrolera.

Timelapse projektowania tego ukłądu:

Moduł z czujnikami

Układ ten wyposażony został w mikrokontroler STM32F407 o maksymalnej częstotliwości taktowania 168 MHz. Zaimplementowany został tutaj system operacyjny czasu rzeczywistego Free RTOS V8.2.1.

Określanie orientacji platformy: realizowane na podstawie pracy doktorskiej pana S. O. Madgwicka. Aktualnie pracuje w konfiguracji czujnika IMU, tj. z wykorzystaniem akcelerometru i żyroskopu MPU6050. Na obwodzie znajduje się wyprowadzenie dla modułu GPS i kompasu (do dalszego rozwoju). Włączając do filtru dane z kompasu możliwe jest uzyskanie absolutnej wartości kąta yaw.

Moduł jako kontroler lotu: obwód posiada również odpowiednie złącza sygnałów wejściowych i wyjściowych, dzięki czemu istnieje możliwość rozwoju algorytmów stabilizujących. Układ ten może zatem również pełnić rolę autopilota.

Dodatkowe układy: zewnętrzna pamięć EEPROM, barometr, złącze dla czujnika ultradźwiękowego, podczerwonego, brzęczyka, diody RGB. Obecnie wykorzystywany jest jedynie ułamek możliwości tego obwodu.

Timelapse projektowania tego ukłądu:

Aplikacja mobilna

Interfejs aplikacji mobilnej posiada trzy główne zakładki: zakładkę sterowania, zakładkę stacji naziemnej oraz zakładkę do zadawania uszkodzeń i telemetrii. Łączy się z modułem nawigacyjnym poprzez łączę Bluetooth. Aplikacja została napisana w języku Java z wykorzystaniem środowiska Eclipse dla systemu operacyjnego Android. Projektowana była na urządzenia o przekątnej ekranu powyżej 5 cali. Minimalną wersją Androida, którą obsługuje aplikacja, jest 4.2.

Zakładka sterowania: Jednym z założeń było opracowanie interfejsu sterującego podobnego do aparatury radiowej. Aplikacja wysyła ramki sterujące z częstotliwością 50 Hz, podobnie jak w przypadku aparatury. Dane te zawierają procentowe wypełnienie każdego z czterech kanałów (yaw, throttle, pitch, roll) i w module nawigacyjnym konwertowane są na odpowiednie sygnały PWM. Ramki sterujące wysyłane są z częstotliwością 50 Hz, podobnie jak ma to miejsce w przypadku aparatury radiowej. Problemem występującym w przypadku sterowania z poziomu tabletu jest brak fizycznego czucia drążków sterujących, co powoduje konieczność odwrócenia wzroku od platformy raz na jakiś czas w celu spojrzenia na tablet. Może to być niebezpieczne 🙂

Zakładka stacji naziemnej: ma na celu wizualizacje wzajemnej odległości pomiędzy quadrocopterem, a pilotem.

Zakładka zadawania uszkodzeń: oprócz wizualizacji danych na wykresach, posiada funkcje umożliwiające zadanie uszkodzenia. Aktywowanie jednej z trzech kontrolek spowoduje pojawienie się okna dialogowego na którym można wybrać czas, po którym zostanie zadane i/lub anulowane uszkodzenie.

Stanowisko badawcze

Jednym z problemów było opracowanie odpowiedniego stanowiska do testowania platformy. Wprowadzanie uszkodzeń w powietrzu mogłoby się udać, ale byłyby to próby jednorazowe 🙂 Wykorzystano imadło przegubowe, którego szczęki zastąpiono wydrukowanym na drukarce 3D elementem. Jest on przykręcany do dolnej płyty quadrocoptera. Stanowisko to posiada 3 stopnie swobody, umożliwiając obrót pitch i roll w zakresach ok. -40° ÷ 40° oraz nieograniczony obrót yaw. Możliwe jest również wykorzystanie zasilacza laboratoryjnego do prowadzenia testów/eksperymentów. Stanwoisko przedstawione zostało w filmach na końcu.

To chyba tyle. Zamieszczony opis, zdjęcia i filmy nie oddają ilości czasu spędzonego przy tym projekcie, ani liczby wykonanych prototypów. Na PCB znalazłem tylko 2 niewielkie błędy, które udało się w prosty sposób naprawić. Wisienką na torcie z mojej perspektywy byłoby opracowanie własnego kontrolera lotu i pozbycie się gotowego - ale to może innym razem 🙂 Jeżeli kogoś interesują szczegóły wprowadzania uszkodzeń, sterowania, protokołu komunikacyjnego, wyniki badań itp. to dołączam do załączników moją pracę magisterską (schematy na końcu).

Autorzy projektu: Łukasz Szustak (symulator), Michał Stobiński (aplikacja mobilna), Grzegorz Wójcik (platforma quadrocoptera).

PDM_Grzegorz_Wojcik.pdf