Адамовский В.В., Фетисов В.С.

Уфимский государственный авиационный технический университет, Россия

Автоматическая посадка мультикоптера

С недавних пор внимание разработчиков БПЛА привлекают мультикоптеры (многороторные платформы) – аппараты вертолетного типа с несколькими несущими винтами, которые имеют явные преимущества для задач мониторинга перед обычными вертолетами. Обычно задачи мониторинга включают сбор информации, измерение некоторых параметров объекта или окрестностей локальной зоны и (или) отображение собранных данных.

Обычно бортовой источник энергии – аккумуляторная батарея, которая обеспечивает типичное время полета 30-40 минут, но этого времени недостаточно для исследования объектов [1]. Зачастую требуется длительный полет мультикоптера. Организация длительного режима наблюдения была бы возможна при наличии наземной зарядной станции и группы БПЛА. Актуальной проблемой здесь является заход БПЛА на посадку и его точное позиционирование на зарядной станции.

Рисунок 1 – Квадрокоптер

В основном системы автоматической посадки квадрокоптера на зарядную станцию основаны на использовании видеокамер для отслеживания положения БПЛА относительно зарядной станции. Так, в работе [1] предлагается система, состоящая из двух инфракрасных видеокамер, расположенных на земле. Инфракрасные камеры модели IRT301 компании IRay Technology имеют разрешение съемки 320x256 пикселей при скорости съемки 50 кадров в секунду. Система отслеживает положение БПЛА во время процесса посадки. Для увеличения угла обзора используется панорамный наклонный модуль (PTU).Инфракрасная камера выбрана в качестве отслеживающего датчика по двум причинам: во-первых она может использоваться круглосуточно, практически при любых погодных условиях, во-вторых инфракрасная цель может быть легко отслежена при помощи функции ИК спектра, что более выгодно в вычислительном смысле по сравнению с классическими алгоритмами слежения.

Рисунок 2 – Наземная система посадки БПЛА основанная на двух ИК видеокамерах

В исследовании [2] предлагается в качестве основного датчика использовать расположенные на борту БПЛА контроллер Wii Remote совместно с инфракрасной камерой. Система не имеет связи с наземной станцией и работает под управлением бортового 8-ми битного микроконтроллера. Система способна оценивать относительное положение БПЛА и посадочной платформы с частотой приблизительно в 50 Гц. Это позволяет БПЛА выполнять маневр посадки полностью автономно, непрерывно производя визуальное отслеживание посадочной платформы. Основная идея данной системы посадки заключается в отслеживании Т-образного шаблона инфракрасного излучения, закрепленного на месте посадки, для оценки текущего положения БПЛА. Поскольку ИК камера требует прямой видимости ИК излучения, рабочий диапазон действия системы ограничен в области от 15 до 250 см перед шаблоном. Отслеживаемый шаблон состоит из четырех инфракрасных светодиодов Vishay TSAL6200

Рисунок 3 – Шаблон с четырьмя ИК светодиодами

Авторами данного исследования предлагается система автоматической посадки квадрокоптера, основанная на использовании инфракрасного светодиода в качестве источника оптического излучения, приемниками которого будут четыре фотодиода, совмещенные с интегральной микросхемой.

Фотоприемники располагаются на балках рамы квадрокоптера и направлены вниз к земле. Фотоприемники будут воспринимать излучение источника и выдавать электрический сигнал, величина которого зависит от смещения центра масс квадрокоптера относительно источника излучения. Так, если квадрокоптер находится непосредственно над оптическим маяком, т.е. проекция его центра масс на землю совпадает с местоположением источника излучения, электрический сигнал на выходе фотоприемника будет максимальным. Чем больше смещение квадрокоптера относительно источника, тем меньшую мощность излучения воспримет фотоприемник и соответственно выдаст меньший сигнал. Зная величины воспринимаемых сигналов на всех четырех фотодиодах, можно сделать вывод о местоположении квадрокоптера относительно оптического маяка и выдать соответствующие команды на контроллеры двигателей. На рис. 4 показан квадрокоптер и расположенные на нем 4 фотоприемника. Красным цветом обозначен оптический маяк, находящийся в центре посадочной площадки, зеленым цветом показаны диаграммы направленности фотодиодов, представляющие собой конусы, вершиной которых является фотодиод, а центром основания является проекция фотодиода на горизонтальную плоскость.

Рисунок 4

Литература:

1. Weiwei Kong, Daibing Zhang, Xun Wang, Zhiwen Xian and Jianwei Zhang, “Autonomous Landing of an UAV with a Ground-Based Actuated Infrared Stereo Vision System,” International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) November 3-7,2013. Tokyo, Japan.

2. K. E. Wenzel, P. Rosset, and A. Zell, “Low-cost visual tracking of a landing place and hovering flight control with a microcontroller,” Journal of Intelligent and Robotic Systems, vol. 57, no. 1-4, pp. 297– 311, Jan 2010.