Тимошенко Максим Александрович
Факультет: Компьютерныx информационных технологий и автоматики
Кафедра: Электронной техники
Специальность: «Электронные системы»
Тема магистрской работы: Исследование и обоснование структурной схемы системы распознавания препятствий применительно к конвертоплану
Научный руководитель: доц. к.т.н., Сенько Виктор Федорович
Реферат по теме выпускной работы
Введение
На данный момент существует множество различных средств для физического перемещения того или иного объекта. Если в качестве объекта брать человека, то этот перечень начинается с велосипедов, роликов, мотоциклов, автомобилей, и заканчивается самолетами, вертолетами, пилотируемыми космическими кораблями. Если же в качестве объекта взять, например, видео или фото камеры, любой другой небольшой груз – этот список рациональнее будет начать с радиоуправляемых наземных и воздушных моделей. Но, как правило, такие модели не снабжают системами автопилота, да и автопилот, по сути, не динамичен.
Автопилот – устройство или программно-аппаратный комплекс, ведущий транспортное средство по определённой, заданной ему траектории [1]. Данное определение предусматривает статическую траекторию полета. Это еще можно применять на больших высотах, но как быть с низкими, или вообще наземными передвижениями? Тут статические траектории не помогут, т.к. ситуация постоянно меняется. Сегодня была равнина – завтра мегаполис, сегодня тут не было столба – завтра он есть. Все меняется, а технологии автопилота несколько устарели.
В данном случае не обойтись без системы, которая бы обнаруживала препятствия на своем пути и меняла траекторию движения, чтобы задавались лишь конечные координаты, а весь процесс перемещения был динамичен и рационален. Для этого, так или иначе, будет необходим массив различных датчиков, т.к. препятствия бывают различных типов, и не все датчики смогут их зафиксировать.
Конвертоплан
Конвертоплан – летательный аппарат с поворотными винтами, которые на взлёте и при посадке работают как подъёмные, а в горизонтальном полёте – как тянущие (при этом подъёмная сила обеспечивается крылом самолётного типа). Конструкция по сути очень близка к самолёту вертикального взлёта и посадки (СВВП), но обычно их относят к винтокрылым летательным аппаратам из-за конструктивных особенностей винтов и их большого диаметра, сравнимого с размахом крыла. Большие винты конвертоплана помогают ему при вертикальном взлете, однако в горизонтальном полете они становятся менее эффективными по сравнению с винтами меньшего диаметра традиционного самолета [2].
В настоящее время в США эксплуатируется действующий образец конвертоплана V-22 Osprey с полётной массой 27,4 т и скоростью полёта в самолётном режиме 463 км/ч, а в вертолётном режиме 185 км/ч.
Конвертоплан с поворотными винтамиКонвертоплан с поворотными винтами (tiltrotor) – летательный аппарат, совмещающий вертикальный взлёт/посадку по вертолётному принципу с перемещением со скоростью турбовинтового самолёта.
Обычно поворотными являются не сами винты, а гондолы с винтами и двигателями (как у Bell V-22 Osprey), но встречаются также и конструкции, у которых поворачиваются только винты, а двигатели (например, расположенные в фюзеляже) остаются неподвижными. Примером винтокрыла, у которого поворачиваются только винты, является Bell XV-3 [3].
Нужно отметить, что термин тилтротор не является эквивалентом конвертоплану, поскольку является конкретной схемой реализации конвертоплана.
Конвертоплан с поворотным крыломСуществует вариант конвертоплана, называемый конвертоплан с поворотным крылом (Tiltwing, от tilt – поворачивать и wing – крыло), когда поворачивается всё крыло, а не только законцовки, как у тилтротора [4].
Недостатком поворотного крыла является большая сложность, достоинством же то, что при вертикальном взлёте крылья не затеняют воздушный поток от винтов (увеличивая тем самым эффективность работы винтов).
Конвертоплан с винтами в кольцевых каналахСамолёты с вертикальной (или укороченной) взлёт-посадкой с винтами в кольцевых каналах могут относиться как к имеющим поворотные винты, так и к имеющим поворотное крыло.
Особенностью же их является то что винты расположены внутри особого кольца, которое иногда называется «кольцевым» крылом, в авиа моделировании же такой винт в кольцевом канале, часто называется термином «вентиляторным» движителем (в авиа моделировании такой винт обычно прячут внутри макета реактивного двигателя). Данный тип движителя обладает очень высокой скоростью отбрасываемого винтом воздушного потока, что позволяет обойтись очень маленькими крылышками, обеспечивая высокую компактность конвертоплана. Это же достоинство оборачивается серьёзным недостатком при выполнении функций вертолёта, вследствие чего финансирование разработок подобных конвертопланов прекращалось, как только речь заходила об их способности полностью заменить вертолёт.
Примерами подобных конвертопланов являются Bell X-22A, VZ-4DA и Nord 500 [5].
СВВП с вертикальным положениемСамолёт вертикального взлёта и посадки с вертикальным положением корпуса (tailsitter, от tail – хвост и sitter – сидящий) – вариант компоновки СВВП. Такой самолёт осуществляет взлёт и посадку на свой хвост подобно взлёту и посадке вертолёта, а затем переходит в горизонтальный «самолётный» полёт. Несмотря на невозможность посадки «по самолётному», конвертопланом не является, так как при переходе в горизонтальный режим полёта не происходит поворота винтов относительно крыла и фюзеляжа летательного аппарата.
Сложность схемы состоит в организации управления на режимах вертикального и горизонтального полетов, а также переходных – летчику сложно сориентироваться, потому как одни и те же органы управления выполняют разные функции на разных режимах, кроме того затруднен обзор при вертикальных режимах. Тем не менее отсутствие больших поворотных частей, а также единая силовая установка для режимов вертикального и горизонтального полёта позволяли упростить конструкцию аппарата и эта схема долгое время была популярна у конструкторов. Данную схему использовали как реактивные, так и винтовые СВВП. Немногие построенные по этой схеме СВВП так и остались экспериментальными прототипами.
Автопилот
Существует несколько основных методов для обнаружения препятствий, это:
- Светодиодный;
- Лазерный;
- Ультразвуковой;
- Радиоволновой;
- Техническое зрение.
Все методы, кроме последнего, действуют по принципу локации (рис. 1), разный у них лишь источник сигнала и его приемник.
Рисунок 1 – Принцип действия локатора, 1 – передатчик, 2 – приемник. Анимация состоит из 17 кадров с задержкой в 200мс между кадрами; задержка до повторного воспроизведения так-же составляет 200мс т.к. анимация бесконечного циклического типа.
Светодиодный и лазерный методы локации отличаются между собой тем, что лазерный диод обладает большей точностью, чем светодиод, но эффективен на дальних дистанциях т.к. ширина луча крайне мала. Светодиод же наоборот, эффективен на ближних дистанциях, и в связи с тем что луч гораздо шире – точность не велика. Схожесть методов в том, что принцип действия у них одинаковый. Излучатель испускает поток световых частиц, некоторая их часть хаотично рассеивается средой, но большая часть, если достигает непрозрачного тела в пределах радиуса действия – возвращается в приемник. Далее измеряется время отклика – время, за которое сигнал преодолевает путь из излучателя в приемник, при наличии непрозрачного тела в радиусе действия дальномера. Как светодиод, так и лазерный диод могут работать в одном из трех диапазонов электромагнитного излучения – инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый. Наибольшую популярность приобрели инфракрасные и красные излучатели.
Ультразвуковой и радиоволновой методы отличаются друг от друга гораздо больше, если радиоволновой использует радиоизлучение, что является подвидом электромагнитного излучения, то ультразвуковой метод использует физические колебания для определения местонахождения объекта. В авиации используется радиоволновой метод, а некоторые живые организмы используют ультразвуковой метод.
Техническое зрение отличается от всех перечисленных выше методов. Для его реализации необходима видеокамера и программный или аппаратный блок обработки изображений. Суть заключается в том, что имитируется зрение человека, что несет за собой свои преимущества и недостатки.
Функциональные задачи технического зрения, характерные для робототехнических приложений, можно условно разделить по уровню их относительной сложности, в данной работе достаточно первого уровня – элементарного. К ним обычно относят: обнаружение наличия обьекта; измерение расстояния до обьекта, его линейных или угловых перемещений, скорости; измерение геометрических параметров обьекта; определение физических характеристик излучения от обьекта; подсчет числа обьектов и др [6].
Польза системы заключается в высокой скорости работы, возможности 24-часовой работы и точности повторяемых измерений. Так же преимущество технического зрения перед людским заключается в отсутствии утомляемости, болезней или невнимательности. Тем не менее, люди обладают тонким восприятием в течение короткого периода и большей гибкостью в классификации и адаптации к поиску других проблем [7].
Применение технического зрения в системе обнаружения препятствий весьма сложно, т.к. сгруппировать объекты как препятствия по какому-то одному принципу практически невозможно, правда это зависит от ситуации. Самый часто используемый пример применения технического зрения как системы распознавания препятствий, это метод бинаризации. Данный метод заключается в преобразовании изображения в серых тонах в бинарное (белые и черные пиксели) с дальнейшей обработкой. Но это лишь один из возможных методов построения карты препятствий, нужно также применять метод сегментации (используется для поиска и/или подсчета деталей), метод измерения (измерение размеров объектов в дюймах или миллиметрах), и метод обнаружения краев.
Для исследования и реализации примеров разных систем распознавания препятствий существуют различные соревнования, например RoboCup, Умник-Бот, Робофест, VEX Robotics и другие [8].
На данный момент, вопросам распознавания препятствий в контексте автопилотирования уделяют слишком мало внимания, хотя направление весьма перспективно для автоматизации процессов передвижения наземных и воздушных объектов различных размеров и назначений.
Автопилоты беспилотных летательных аппаратов (БПЛА)
Задачи, решаемые в настоящее время с помощью беспилотных летательных аппаратов(БПЛА) требуют их полноценного приборного оснащения. Современный БПЛА по уровню технического оснащения зачастую превосходит пилотируемый самолет. Наличие полноценного автопилота – этим отличается беспилотный летательный аппарат от дистанционно управляемой модели [9].
В состав бортового комплекса навигации и управления БПЛА входят:- Интегрированная навигационная система;
- Приемник спутниковой навигационной системы;
- Модуль автопилота БПЛА.
- Автоматическое управление БПЛА при полёте по заданной траектории;
- Стабилизация углов ориентации БПЛА в полете;
- Определение навигационных параметров (координат, углов ориентации, параметров движения БПЛА);
- Выдача телеметрической информации о навигационных параметрах, углах ориентации и параметрах управления БПЛА;
- Управление бортовым оборудованием.
Автопилот БПЛА осуществляет выработку управляющих команд в виде ШИМ (широтно-импульсно модулированных) сигналов, сообразно законам управления, заложенным в его вычислитель.
Помимо навигации и управления БПЛА, автопилот программируется на управление бортовой аппаратурой:
- Стабилизация видеокамеры;
- Синхронизированное по времени и координатам срабатывание затвора фотоаппарата;
- Выпуск парашюта;
- Сброс груза или отбор проб в заданной точке;
- Другие функции.
В память автопилота может быть занесено до 255 поворотных пунктов маршрута. Каждая точка характеризуется координатами, высотой прохождения и скоростью полета. В полете автопилот также обеспечивает выдачу телеметрической информации для слежения за полетом БПЛА.
Управление БПЛАУправление БПЛА – задача для хорошо подготовленного профессионала. В армии США операторами БПЛА становятся действующие пилоты ВВС после годовой подготовки и тренинга. Во многих аспектах это сложнее, чем пилотирование самолета, и, как известно, большинство аварий беспилотных ЛА вызваны ошибками пилота-оператора [10].
Автоматические системы БПЛА, оснащенные полноценным автопилотом, требуют минимальной подготовки наземного персонала, при этом решают задачи на большом удалении от места базирования, вне контакта с наземной станцией, в любых погодных условиях. Они просты в эксплуатации, мобильны, быстро развертываются и не требуют наземной инфраструктуры. Высокие характеристики систем БПЛА, оснащенных полноценным автопилотом, снижают эксплуатационные издержки и требования к персоналу.