सिंगल बोर्ड कंप्यूटर (SBC) टिंकर बोर्ड और Arduino DUE पर होममेड ऑटोपायलट

ऑटोपायलट बनाने का विचार लगभग 2 साल पहले आया था। मैं पूरी तरह से स्वायत्त तंत्र बनाना चाहता था जो टकराव से बचने और बाधाओं के चारों ओर उड़ने की संभावना के साथ बिंदु ए से बिंदु बी तक पहुंचने में सक्षम हो, जो जाम क्षेत्रों या उपग्रह सिग्नल की अनुपस्थिति को दूर करने में सक्षम हो। मैं माउस के साथ एक सुविधाजनक और सरल नियंत्रण भी चाहता था क्योंकि यह खेल (रणनीतियों) में कार्यान्वित किया जाता है जो बिंदुओं की मदद से विमान की गति को नियंत्रित करता है। मुझे इस लेख की तरह, स्क्रैच से सब कुछ शुरू करना था, इसलिए यदि त्रुटियां हैं, तो टिप्पणियों में इसके बारे में लिखें। मैं क्रम से शुरू करूँगा।

हार्डवेयर

प्रारंभ में, मुझे नहीं पता था कि इस परियोजना के लिए कौन से हार्डवेयर का उपयोग करना बेहतर है, लेकिन अंत में मैं इस निष्कर्ष पर पहुंचा कि सबसे अच्छा विकल्प माइक्रोकंट्रोलर (एमके) + सिंगल-बोर्ड कंप्यूटर का एक गुच्छा होगा। जहां एमके एक विमान (एलए) के स्थिरीकरण की समस्या को हल करता है, एक दिए गए पाठ्यक्रम और ऊंचाई पर इसका आंदोलन, और एक एकल-बोर्ड कंप्यूटर मार्ग के साथ नेविगेशन और आंदोलन की समस्या को हल करता है। चूंकि योजना टकराव से बचने के लिए थी, इसलिए कंप्यूटर को पर्याप्त शक्तिशाली होना चाहिए ताकि बाधा का पता लगाने वाले सेंसर से जानकारी संसाधित की जा सके, कॉम्पैक्ट और उस समय बहुत महंगा नहीं था, इस विवरण के लिए टिंकरबोर्ड सबसे उपयुक्त था, तब रास्पबेरी 3 बी + था और विशेषताओं में बहुत हीन था। एमके के रूप में, मैं एक arduino संगत नियंत्रक है क्योंकि चाहता था Arduino के पास तैयार किए गए रेखाचित्रों का एक बड़ा आधार था और इसलिए यह चुनाव DUE 84 MHz, 32bit ARM Cortex-M3 पर गिर गया क्योंकिवह सबसे शक्तिशाली था और मेरे हाथों की प्रत्यक्षता के लिए उसे क्षतिपूर्ति करनी थी))।

प्रारंभ में, मैंने ओरिएंटेशन सेंसर के रूप में एक माजेविक फिल्टर के साथ एमपीयू 9250 का उपयोग करने की योजना बनाई, इसके काम के परिणाम उत्कृष्ट थे। इस विकल्प का मुख्य लाभ यह था कि सेंसर (एक्सेलेरोमीटर, गायरोस्कोप और मैग्नेटोमीटर) के अंशांकन सहित सभी गणना एमके पर थीं। लेकिन एक समस्या थी, फ़िल्टर ने रैखिक त्वरण के लिए खराब मुआवजा दिया, जो लगातार झटके या पाठ्यक्रम के तेज बदलाव के दौरान होता है। यह पिच और रोल की रीडिंग में व्यक्त किया गया है, त्वरण के क्षण में वे दूर तैरने लगते हैं, और आनुपातिक अंतर (पीडी) नियामक और विशेष रूप से अंतर भाग के माध्यम से गुजरते हैं, जिससे अस्थायी समस्याएं पैदा होती हैं। इसलिए, मुझे पहले से ही लागू बीएनओ 055 फिल्टर के साथ एक सेंसर का उपयोग करना था।

एमपीयू 9250 के विपरीत, बीएनओ में एकीकृत कॉर्टेक्स एम 0 एमके ऑनबोर्ड है, जो तुरंत यूलर कोणों में अभिविन्यास की गणना करता है, पूर्ण अभिविन्यास क्वाटरनिन और रैखिक त्वरण की गणना करता है, हालांकि इस सेंसर के कई नुकसान भी हैं। इस सेंसर की मुख्य समस्या ऑटो-कैलिब्रेशन है, या यों कहें कि इसे बंद नहीं किया जा सकता है, यह इस सेंसर का ऐसा "फिट" है और इस कैलिब्रेशन में गायब होने के लिए एक अप्रिय संपत्ति है, कभी-कभी बिल्कुल बिना किसी आंदोलन के सिर्फ एक जगह पर। यह मुख्य रूप से उस यव में परिलक्षित होता है जो इस सेंसर में मैग्नेटोमीटर से जुड़ा होता है और इसे चुंबकीय उत्तरी ध्रुव (कोर्स) को दिशा दिखाना चाहिए, लेकिन कभी-कभी यह स्ट्रेन में 100 डिग्री दिखाता है, और फिर इसे कैलिब्रेट करने के बाद वापस जा सकता है))। अन्य मामलों में, जीपीएस के साथ सिंक्रनाइज़ेशन का उपयोग करके पाठ्यक्रम की समस्या अभी भी हल की जा सकती है। अन्यथा, सेंसर ठीक काम करता है,वह हमेशा पिच और रोल को सही तरीके से निर्धारित करता है, और रैखिक त्वरण उसके काम को बहुत प्रभावित नहीं करता है, जब तक कि निश्चित रूप से, त्वरण 2 जी से अधिक नहीं होता है, क्योंकि इस दहलीज का उपयोग गुरुत्वाकर्षण वेक्टर को मापने और गायरोस्कोप के बहाव की भरपाई के लिए किया जाता है।

लोहे के बाकी सेट निम्नानुसार हैं: USB आउटपुट के साथ GPS Ublox Neo M8N,
जमीनी उपलब्धता और अधिक सटीक ऊर्ध्वाधर गति पर डेटा प्राप्त करने के लिए BMP 280 बैरोमीटर, HSCR 04 सोनार, अंशांकन डेटा और PID सेटिंग्स, Neoway M509E GSM मॉड्यूल भेजने के लिए EEPROM 24c16 दुर्घटना के मामले में विमान के निर्देशांक के बारे में संदेश।

कार्यात्मक आरेख चित्र 1 में दिखाया गया है:


चित्र 1 - ऑटोपायलट का कार्यात्मक आरेख ।

सॉफ्टवेयर

सॉफ्टवेयर विकास के लिए, मैं क्यूटी क्रिएटर आईडीई के साथ-साथ क्यूटी का उपयोग करता हूं। वह मेरे लिए सबसे अधिक परिचित है, और क्रॉस-प्लेटफॉर्म कार्यक्षमता के लिए भी धन्यवाद, मैं डेबियन के साथ एक एकल-बोर्ड पीसी और विंडोज के साथ एक डेस्कटॉप पर अपने कार्यक्रम चला सकता हूं, जो बहुत सुविधाजनक है। माइक्रोकंट्रोलर सॉफ्टवेयर के विकास के लिए, Arduino IDE का उपयोग किया जाता है। स्पष्टता के लिए, मैं चित्रा 2 में सभी वर्गों को प्रस्तुत करने की कोशिश करूंगा।


चित्रा 2. - एपी का आर्किटेक्चर (बीएनओ 080 भविष्य के लिए जोड़ा गया)।

1) ग्राफिकल कंट्रोल इंटरफेस - एक उपग्रह मानचित्र है जिसकी सहायता से विमान को नियंत्रित किया जाता है। उपग्रह छवि प्रदर्शन कार्यक्रम मेरा नहीं है, यह मेरे द्वारा यहां चुराया गया था (इसके लेखक ने भी कुछ ऐसा ही करने की कोशिश की थी)।

आप डॉट्स (मार्कर) या WADS बटन का उपयोग करके विमान को नियंत्रित कर सकते हैं। बिंदुओं को नियंत्रित करने के लिए, हरे रंग के मार्करों के साथ उड़ान मार्ग रखना आवश्यक है, उन्हें माउस (आरएमबी) के साथ रखा जाता है, और लोड मार्ग पर क्लिक करें, या (लाल) तत्काल चाल मार्कर (एलएमबी) का उपयोग करें और फिर वर्तमान स्थिति से विमान इस बिंदु पर उड़ान भरेंगे, इसके संचालन के लिए इसे सेट करना आवश्यक है। आकस्मिक क्लिकों से "मैनुअल" चेकबॉक्स में चेकबॉक्स।

सभी मार्कर पैरामीटर फॉर्म में उपयुक्त क्षेत्रों में दर्ज किए जाते हैं, आप मार्करों को मध्य माउस बटन पर डबल-क्लिक करके हटा सकते हैं, जबकि वे अभी भी विमान की मेमोरी में बने रहेंगे, आपको मेमोरी से हटाने के लिए डिलीट रूट बटन का उपयोग करना होगा। बिंदु पर पहुंचने पर, जैसा कि विमान की रणनीतियों में, यह इसके चारों ओर घूमेगा। बटन नियंत्रण WADS सीधे पीडी नियंत्रक का उपयोग करके स्टीयरिंग पहियों को नियंत्रित करता है। जब प्रत्येक बटन दबाया जाता है, तो एक मूल्य नियंत्रक के इनपुट पर इनपुट होता है, उदाहरण के लिए, जब एस दबाया जाता है, तो पिच 30 और जब जारी किया जाता है 0. जब डब्ल्यू -30 दबाया जाता है, आदि। WADS को चेकबॉक्स का उपयोग करते हुए चालू किया जाता है: "मैनुअल", "बटन"। यह मोड शुरू करने से पहले सभी पतवारों की कार्यक्षमता की जांच करने में मदद करता है। ग्राफिकल इंटरफ़ेस लैपटॉप पर चलता है, टीसीपी सॉकेट का उपयोग करके ग्राफिकल इंटरफ़ेस से कंट्रोल कमांड को कर्नेल में स्थानांतरित किया जाता है। चित्रमय नियंत्रण इंटरफ़ेस चित्र 3 में दिखाया गया है:


चित्र 3 - आलेखीय प्रबंधन इंटरफ़ेस।

2) ऑटोपायलट का मूल सॉफ्टवेयर का वह हिस्सा है जिसकी गणना टिंकरबर्ड सिंगल बोर्ड कंप्यूटर पर की जाती है। मार्ग के साथ नेविगेशन और संचलन के लिए कर्नेल जिम्मेदार है। ऐसा करने के लिए, एक जीपीएस सेंसर कंप्यूटर से जुड़ा होता है। इसका उपयोग करके, आप विमान की वर्तमान स्थिति (अक्षांश और देशांतर) प्राप्त कर सकते हैं और इस स्थिति की तुलना उड़ान मार्ग में क्या है के साथ कर सकते हैं। इस ऑपरेशन के परिणामस्वरूप, लक्ष्य के लिए अज़ीमथ प्राप्त किया जाता है, जिसे बाकी उड़ान मापदंडों के साथ माइक्रोकंट्रोलर को भेजा जाता है। भविष्य में, कर्नेल को एएनएन को लागू करने के लिए अपने आईएमयू सेंसर से लैस किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, आप बीएनओ 080 को एकीकृत करने, गति देने और गति प्राप्त करने के लिए उपयोग कर सकते हैं और गति को एकीकृत करके दूरी प्राप्त कर सकते हैं। एएनएन से प्राप्त की गई दूरी को अज़ीमुथ की गणना में इसके उपयोग के लिए जीपीएस समन्वय प्रणाली (अक्षांश और देशांतर) में अनुवाद करने की आवश्यकता होगी।

इस तरह के एएनएन का उपयोग उपग्रह के साथ संचार के अस्थायी नुकसान के मामले में एक जीपीएस सेंसर के साथ संयोजन के रूप में किया जा सकता है ताकि विमान एक बिंदु पर "बारी" न हो। जीपीएस से संचालन के समय, ANN को लगातार उसके रीडिंग द्वारा समायोजित किया जाएगा और जीपीएस सेंसर को अपडेट करने की अवधि के बीच अंतराल में भरा जाएगा। उसी तरह, मशीन दृष्टि एल्गोरिदम या एसएलएएम को बिंदु की ऊंचाई को बदलकर और गणना किए गए एज़िमथ के पूर्वाग्रह बनाकर समायोजित किया जाना चाहिए। मार्ग की गणना पूरी होने के बाद, कर्नेल UART डेटा भेजता है: azimuth, ऊंचाई, हमले के कोण, बिंदु का प्रकार, और यह भी कि क्या इस बिंदु के चारों ओर रोटेशन आवश्यक है।

3) माइक्रोकंट्रोलर कोर कमांड करता है, एमके का मुख्य कार्य किसी दिए गए ऊंचाई पर दिए गए पाठ्यक्रम का पालन करना है। इसके लिए, MKU IMU BNO 055 सेंसर, एक bmp 280 बैरोमीटर और एक सोनार से सुसज्जित है। पाठ्यक्रम के साथ आंदोलन के लिए, कोर से प्राप्त अजीमथ का उपयोग किया जाता है, वर्तमान दर के साथ तुलना की जाती है और परिणामस्वरूप बेमेल को यव और रोल के लिए पीडी नियंत्रकों को प्रेषित किया जाता है। पिच नियंत्रण 2 पीडी नियंत्रकों द्वारा किया जाता है: 1 वर्तमान और पूर्वनिर्धारित ऊंचाइयों के बेमेल को निर्धारित करता है, जिसे 2 नियंत्रक के इनपुट को खिलाया जाता है, जबकि ऊंचाई नियंत्रक का उत्पादन इसके सेट को नियंत्रित करने के लिए हमले के वर्तमान कोण द्वारा सीमित होता है। यदि ग्राफिकल इंटरफ़ेस में टेकऑफ़ या लैंडिंग के लिए बिंदु का प्रकार चुना जाता है, तो ऊंचाई निर्धारित करने के लिए सोनार का उपयोग किया जाता है। उनकी गवाही बैरोमीटर के डेटा के साथ संयुक्त है,सबसे सटीक रूप से जमीन की दूरी और ऊर्ध्वाधर गति का निर्धारण। बुनियादी कार्यों के अलावा, एमके आईएमयू सेंसर के संचालन के बारे में टेलीमेट्री भी एकत्र करता है, वर्तमान दिशा और ऊंचाई, उन्हें कर्नेल में स्थानांतरित करता है, जहां ये डेटा जीपीएस से डेटा द्वारा पूरक होते हैं और ग्राफिकल इंटरफ़ेस दर्ज करते हैं।

निष्कर्ष

फिलहाल, ऑटोपायलट अभी भी उड़ान परीक्षण के चरण में है और पूरी तरह से कॉन्फ़िगर नहीं किया गया है। हालांकि, मैंने केवल दो शुरुआत खर्च की और अभी तक नियामकों के लिए गुणांक नहीं उठाया है।

सामान्य तौर पर, पीडी रेगुलेटर मुझे अस्थिर लगते हैं और मैं उन्हें कुछ अधिक विश्वसनीय के साथ बदलना चाहता हूं, खासकर जब से वे पहले से ही पुराने हैं। चतुर्भुज में गणना के साथ यूलर कोण के साथ गणना को बदलना भी आवश्यक है, क्योंकि 120 डिग्री से अधिक के कोण पर विमान को मोड़ने और हवा के दौरान उड़ने पर उत्तरार्द्ध अधिक कठोर व्यवहार करता है।

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