A MODELLREPÜLŐTŐL A ROBOTREPÜLŐIG

SZEKCIÓÜLÉS I. — ROBOTIKA ÉS ROBOTKUTATÁS

DR. MOLNÁR ANDRÁS

A MODELLREPÜLŐTŐL A ROBOTREPÜLŐIG

Az értekezés célja rámutatni azokra a lényegi különbségekre, melyek jellemzőek egy modellező által üzemeltetett hobby repülőgép és egy rendszerbe állított vagy állítható robotrepülőgép között. Napjainkban nagyon sok amatőr kezdett el foglalkozni modellrepülők átalakításával. Ezek az átalakítások első sorban a repülés során készíthető fedélzeti fényképek, videók készítését célozzák. Egyre több esetben találkozhatunk a repülés ideje alatt lesugárzott, úgynevezett on-line videókkal, illetve telemetriai adatokkal, melyek segítségével valós időben jeleníthető meg egy számítógép segítségével a modell pillanatnyi helyzete. Mindezek úgy jelennek meg egyes internetes portálokon, mint mikro robotrepülőgépek. Egy ilyen rendszer azonban alig több egy magas színvonalat képviselő hobby eszköznél. Ezekben az eszközökben sem a repülő konstrukció, sem az alkalmazott elektronika, sem a bennük lévő szoftver nem biztosítja a professzionális felhasználás minimális kritériumait. Ami még ettől is nagyobb baj az az, hogy az esetek döntő többségében a továbbfejlesztés elvi lehetősége sincs meg, mivel az alkalmazott technológiák és módszerek nem alkalmasak nagyobb hatósugarú bevetésekre, repülésbiztonsági kérdések megoldásaira, sorozatgyártásra stb.

The aim of the dissertation to point to the main difference between a modell airplane operated by a hobby modellist and an unmanned aerial vehicle applied or can be applied by military forces. Nowadays many amateur have begun converting model airplanes into UAVs. The aim of these conversions are mostly aerial photograply and video capturing. In more and more cases these systems provide live video and telemetry data that is used to display the current position by a pc. These are publicated as micro UAVs on various internet portals. Systems like these are barely more than a high quality hobby devices. Not the plane construction, nor the applied electronics nor the software in these devices provides the minimal criteria of the professional usage. The bigger problem is that in many cases the chance of further development is impossible due to the limits of the applied technologies and method in relation of longer range of mission, flight safety questions and mass productivity etc.

Néhány amatőr rendszer ismertetése A projekt nem csupán a repülőeszköz, hanem annak szinte teljes vonzatának fejlesztését tűzte ki célul úgy, hogy az eredmények mindenki számára ingyenesen elérhetőek legyenek. Ennek érdekében hozták létre 87


a „paparazzi.enac.fr” honlapot, amely szabad hozzáférést biztosít a kifejlesztett hardverekhez és szoftverekhez egyaránt. [1] A „Paparazzi” mini UAV projektben részt vesz a franciai ENAC (Ecole Nationale de l’Aviation Civile) Francia Polgári Repülési Egyetem.

1. kép A Parazzi oldalán található egyik fedélzeti elektronika elvi vázlata [1]

A honlapon igen fejlett amatőr robotrepülő megoldások találhatók. A szervezet célja, hogy a náluk publikált rendszerek legyenek nyíltak mind hardver, mind szoftver tekintetében. Ennek köszönhetően az érdeklődők szabadon letölthetik (regisztráció sem szükséges) a különféle robot elektronikák kapcsolási rajzait, nyomtatott áramköri terveit és a fedélzeti valamint a PCs szoftvereit. A szervezet nem titkolt célja, hogy a modellrepülőkből amatőr módon készített robotrepülők minél szélesebb körben terjedjenek el. A fejlesztések jelen fázisai azonban nem mutatnak túl a hobby megoldásokon. Az 1. képen látható blokkvázlat jól szemlélteti a robotrendszer egyes funkcióit. A rendszer csupa- vagy deltaszárnyas repülőeszközökhöz lett kialakítva. A repülés stabilizálását infra szenzoros egység biztosítja, amely a horizont alatti és feletti sugárzó hőmérséklet különbség alapján képes a vízszintestől való eltéréssel arányos jelet szolgáltatni. A projekt során a fejlesztők csak a valóban szükséges elemeket fejlesztették ki. Igyekeztek a lehető legtöbbet megtartani a modellekbe épített „gyári” elektronikákból. 88


Ennek megfelelően a repülés stabilizálására használt infraszenzort is az FMA [2] cég által gyártott modellekhez kifejlesztett eszközt választották.

2. kép A Parazzi oldalán található egyik fedélzeti elektronika összeállítása [1]

A bemutatott repülő szerkezeteknek van néhány vitathatatlan haszna. Általuk tapasztalatokat lehet szerezni a különféle repülő konstrukciók speciális tulajdonságairól, amik iránymutatók lehetnek később robotrepülőgépek sárkányszerkezeteinek kialakítása során. A lesugárzott képek alapján körvonalazhatók a kamerák látószögeinek, nagyítási képességeinek, fényérzékenységeinek, dinamikatartományuknak szükséges mértékei.

Néhány saját kísérlet ismertetése A REKA1 kísérleti repülőgép célja egy nagyon kistömegű (300-400 gramm), távirányítható repülő kamera megvalósítása volt. A csupaszárny konstrukció a legmodernebb építési technikákkal és anyagokkal valósult meg. A teherviselő elemek szénszálas, műgyanta erősítésű csövekből, a hordfelületek (szárnyak) és stabilizátorok pedig, zártcellás, extrudált polisztirol habból készültek. A repülőgép energiaellátását 8 darab, sorba kapcsolt „AAA” jelzésű, 750 mA kapacitású, NiMh akkumulátor biztosítja. A 400 gramm össztömegű eszköz repülési ideje, a szükséges manőverektől, valamint az időjárástól függően 10-15 perc. A fedélzeti kamerát és a video adót egy független, 8,4 V-os NiMh, vagy egy 9 V-os alkáli elem táplálja. 89


3. kép A REKA1 repülő kamera

4. kép A REKA1 géppel készült videofelvétel

5. kép A MAND4 repülőgép

A REKA1 kézből indítható, nem igényel repülőteret, repülése rendkívül stabil. Az irányítás úgynevezett elevonokkal (kombinált, csűrő-magassági kormányfelületek) valósult meg. Ez a megoldás némileg eltér a hagyományos repülőgépekétől, de csupaszárnyak, illetve deltaszárnyak esetében elterjedt. A MAND4 geometriáját két szempont határozta meg.

Alapvető cél volt a gép könnyű vezethetősége, és a kézből eldobható startolási képessége. Mindezeket döntően a szárny profilja határozza meg. A profil kiválasztását egy adatbázis segítségével végeztem [I.6.], ahol a gép tömege és tervezett sebessége ismeretében lehet az adott profilok különböző adatait tanulmányozni. A második szempont volt, hogy a gép alkalmas legyen fedélzeti kamera hordozására. Erre a legkedvezőbb helynek a gép orra bizonyult úgy, hogy a kamerát 30 fokos szögben lefelé megdöntve. Hogy a kamera szabad kilátása érdekében a légcsavart nem kerüljön a látótérbe, a kétmotoros konstrukció előnyös megoldást kínált. Kedvező megoldásnak kínálkozott két húzómotor felszerelése a szárnyakra a törzstől 200200 mm-re. A gép kormányzása csűrő, magassági és motorszabályozással lehetséges. Az egyszerűség érdekében a függőleges vezérsíkok rögzítettek, kormányzásuk nem lehetséges. 90


6. kép A MAND4 géppel készült videofelvétel részlete

A nagyobb stabilitás érdekében a gép két függőleges vezérsíkkal, valamint 3 fokos „V” szárnytöréssel rendelkezik. Az alkalmazott villanymotorok Graupner Speed-400 típusúak. Az energiaellátást 2400 mA/óra kapacitású, 8 cellás (9,6V) akkumulátor biztosítja. A videokamera és a 100 mW-os, 2,4 GHz-es adó táplálását a motor és vezérlőrendszer akkumulátorától külön, két párhuzamosan kapcsolt, 9 V-os elem biztosítja.

7. kép A GEOBAT repülőgép

8. kép A GEOBAT géppel készült videofelvétel részlete

91


A GEOBAT egy speciális konstrukció. Célja egy nagy terhelhetőségű, de kisméretű repülő test vizsgálata volt. A modell mindössze 760 gramm (kamerával és lesugárzóval együtt), 38 dm2 felületű és 80 cm fesztávú szerkezet. Köszönhetően a nagy terhelhetőségek, nagy teljesítményű lesugárzó egység alkalmazható a fedélzeten, így a modellről sugárzott valós idejű videójel, több mint 1000 méterről fogható. Ez a modell alkalmas lehet további eszközök szállítására is. Ilyenek lehetnek a fedélzeten elhelyezett GPS készülék, kameramozgató mechanika, illetve egyszerű navigációs robot elektronika. A speciális aerodinamikai konstrukció igen stabil repülést biztosít, így a felvétel stabilizált kamera használata nélkül is nyugodt, jól megfigyelhető. Az alacsony repülési sebesség és a nagy stabilitás kiváló tesztelési lehetőséget biztosít a fedélzeti kamera képe alapján történő vezetés jellegzetességeinek vizsgálatára.

A repülőgépek irányítása A modellrepülők irányításához szükséges, hogy a kormányfelületek a távirányító jeleinek megfelelően mozgathatók legyenek. Ezt a feladatot a modellekbe épített szervókkal a legegyszerűbb megvalósítani. A szervók a fedélzeten elhelyezett vevőből kapják a vezérlőjelet. A távirányítás feltétele, hogy repülés teljes időtartama alatt zavartalan legyen a pilóta kezében lévő távirányító és a fedélzeti vevő közti összeköttetés.

9. kép Egy modellrepülő fedélzeti elektronikájának blokkvázlata

92


Mivel a távirányítású modelleket kizárólag látótávolságon belül alkalmazzák, a távirányító RF teljesítménye, illetve a vevő érzékenysége úgy van beállítva, hogy kb. 1-2 km sugarú körben biztosítson összeköttetést. Az 9. képen egy általános motoros repülőmodell fedélzeti elektronikájának blokkvázlata látható. A modell irányítása a magassági-, az oldal-, a csűrőkormányok, valamint a motor fordulatszámának változtatásával biztosított. Speciális esetekben egyes kormányok elhagyhatók, illetve bonyolultabb modellek esetén további kormányok lehetségesek. Az ábra alapján látható, hogy egy modellrepülőgép nem rendelkezik fedélzeti szenzorokkal, valamint szabályzó elektronikával. A repülés kizárólag a pilóta által valósul meg. Tekintettel arra, hogy a modern elektromotorok és akkumulátorok képesek a belsőégésű motorokhoz hasonló teljesítmények leadására, igen sok elektromos hajtású modellrepülőgép képes 100-200 gramm (esetenként ettől is nagyobb) további terhet szállítani. A kereskedelemben szabadon kapható kisméretű megfigyelő kamerák tömege épp ebbe a tartományba esik. Ezek felszerelése egy kisméretű, akár elektromos hajtású modellrepülőre nem okoz problémát.

10. kép Egy videó lesugárzással ellátott modellrepülő fedélzeti elektronikájának blokkvázlata

Az 10. képen egy valós idejű videó lesugárzására alkalmas modellrepülőgép elektronikus blokkvázlatát szemlélteti. Jól látható, hogy a repülőgép 93


irányítása, valamint a képalkotó és továbbító rendszer egymástól teljesen független. Az ábrán szemléltetett megoldás nem csak képet, hanem a fedélzetre szerelt GPS készülék által szolgáltatott pozíció adatokat is továbbít. Az ilyen egységgel felszerelt repülőgéphez szerkeszthető egy PS-s program, amely képes a kép mellett a repülőgép pillanatnyi helyzetét, az addig megtett útvonalát, valamint sebességi és magassági adatait is megjeleníteni. Igen sok amatőr alkalmazza a 10. képen látható megoldást úgy, hogy a kamera képét egy speciális szemüveg segítségével a pilóta látómezejére vetíti. A szemüvegen keresztül a modell a fedélzeti kép alapján vezethető majdnem úgy, mintha a modellező a repülőgép pilótafülkéjében ülne. Ezek a kísérletek igen hasznosak lehetnek egy valóságos robotrepülőgép földi irányítórendszerének megtervezése során.

Felderítésre alkalmas, nagyfelbontású videojel GPS adatok (pozíció, sebesség, magasság) Videojel Akkufeszültségi szintek

Kapott jelek továbbítása (RS-232, USB)

1. ábra A robotrepülő rendszertechnikai diagramja

A telemetriai egységhez kifejlesztésre került egy személyi számítógépeken működtethető programcsomag, amely grafikusan képes megjelení94


teni a telemetriai adatokat, valamint képes azok archiválására is. A program célja egy mindenki által egyszerűen kezelhető kezelői és repülésellenőrzési felület kialakítása, melyen keresztül valós időben szerezhet információt a repülőgép kezelője.

A repülőegység A modul fő feladata, hogy a fedélzeti GPS egységtől érkező adatokat, valamint az analóg jeladók adatait illessze egy rádiófrekvenciás adómodulhoz. Modulátor (1. kép)

1. kép A modulátor egység és a hozzá kapcsolt RF adó

Ezt a feladatot egy PIC 16F628 típusú mikrokontroller látja el. A mikrokontroller beépített soros portján keresztül érkeznek a GPS adatok. Az analóg jelek a kontroller analóg portjaihoz csatlakoznak és egy beépített 10 bites A/D konverter digitalizálja. A továbbításra előállított adatcsomagot a modulon elhelyezett modulátor áramkör szinkronjelére ütemezve továbbítja a kontroller. Az átvitel sebessége 4880 baud, ami megegyezik a legtöbb GPS soros kommunikációs sebességével. A tesztelési tapasztalatok alapján a rendszer jó minőségű adatkapcsolatot biztosított számos repülés során. Mivel az adatok sebessége megegyezik a GPS adatszolgáltatási sebességével, a valós mérések során adatkésés nem volt tapasztalható. A modul programozását követően nem igényel semmiféle további karbantartást. Használata kényelmes. Tekintettel arra, hogy a modul a GPS minden adatát továbbítja, lehetőség van a földi egységen olyan szerviz információk megtekin95


tésére és elemzésére is, amiket egy „kézben tartott” GPS is lehetővé tesz. Ilyenek például a látott, illetve használt holdak adatai, az éledés folyamata, az aktuális GDOP (geometria pontosság) értéke, stb.

A földi egység A modul főfeladata az RF vevőtől érkező jel demodulálása. Demodulátor (2. kép) A modul képes az adó oldalon továbbított adatcsomagok előállítására és azok soros porton történő továbbítására Az egységen elhelyezett PIC 18F2820 típusú mikrokontroller a demodulátor áramkör szinkronjelére előállítja az adó által elküldött adatcsomagokat.

2. kép A demodulátor egység és a hozzá kapcsolt RF vevő

Az adatcsomagokat részben a beépített soros portján keresztül továbbítja egy feldolgozó egység (személyi számítógép) felé, részben pedig felhasználja azokat a vevő antennájának forgatása céljából. Az RS232 szabványú port sebessége 4800 baud. Biztonsági megfontolásból a modul minden dekódolt adatot továbbít. Az adatok szűrését a személyi számítógépen „futó” program végzi, de az archiválás a szűretlen alapadatokkal történik. Ennek az az oka, hogy a hibás adatcsomagok között is lehet hasznos rész, ami különösen a repülőgép egy előre nem látott eseményének utólagos vizsgálata során lehet hasznos. A modul programozását követően nem igényel további karbantartást. Az egység, bekapcsolás után azonnal üzemképes. A kis méret és az alacsony fogyasztás lehetővé teszi, hogy az áramkör közvetlenül a vevő közelében kapjon helyet, és annak tápegységéről üzemeljen. 96


A „Virtuális pilótafülke” program A program feladata, hogy a repülőgépen mért adatok alapján valós időben képes legyen minden olyan információt megjeleníteni, ami a gép pillanatnyi állapotát valósághűen tükrözi. Ennek érdekében a gép GPS koordinátái alapján a program megjeleníti a megfelelő térképszelvényt és jelzi rajta a repülőgép pillanatnyi pozícióját, illetve a repülés addigi nyomvonalát. A képernyőn helyet kaptak a repülés szempontjából alapvető műszerek is. Ezek segítségével a kezelő azonnali és átfogó képet kap a repülőgép állapotáról. Ilyen műszerek a föld feletti és a levegőhöz viszonyított sebességmérők, a tengerszint feletti és a starthely feletti magasságmérők, a fedélzeti akkumulátorok feszültségmérői és a műhorizont. Ez utóbbi megjelenhet a repülőgépen elhelyezett kamera képe alapján, mint valóságos horizont, illetve a fedélzeten elhelyezett giroszkóp adatai alapján megrajzolt mesterséges horizont formájában.

A térképmodul A térkép megjelenítésének feltétele, hogy a program rendelkezzen a pillanatnyi GPS koordinátának megfelelő, kalibrált „bitmap” alapú térképszelvénnyel. A térképszelvények tagolása tetszőleges, a felhasználó által meghatározott mértékű lehet. Az egyes szelvények kalibrációja egy erre a célra elkészített segédprogram segítségével oldható meg.

3. kép. A repülés nyomvonalának különböző megjelenítési lehetőségei

Tekintettel arra, hogy a megjelenítendő térkép egy tetszőleges „bitmap” állomány lehet, lehetőség van a hagyományos térképek helyett, megfelelően feldolgozott légi fotókat (ortofotó) is megjeleníteni (3. kép). 97


A gép repülése során a program folyamatosan rögzíti és megjeleníti annak pontos helyét és az addig megtett útjának nyomvonalát. A felhasználó tetszőleges időpillanatban készíthet nyomtatást (nyomtatóra fagy fájlba) a képernyőn látott adatokról. A nyomtatás alkalmával a repülés során érintett térképszelvények mindegyike rögzítésre kerül (a képernyőn csak a repülés egy kisebb környezete látható), így egy jól áttekinthető kép keletkezik. A térképmodul folyamatosan figyeli a repülőgép pozícióját és ha az, az éppen megjelenített térképrészletet elhagyná, automatikusan megjeleníti az adott szelvény megfelelő részletét úgy, hogy a repülőgép a megjelenített részlet közepére kerüljön. Ennek köszönhetően a térképváltások nem zavaróak, mivel a váltást követően is látható a repülőgép addig megtett útjának utolsó szakasza. Egy adott térképszelvényen belül az aktuális térképrészletek megjelenítése (váltása) gyors, mivel a szelvény teljes terjedelmében a memóriában található. Amennyiben a repülőgép elhagyja az aktuális térképszelvényt, úgy a képváltás kis mértékben lassulhat, mert a program be kell, hogy töltse az új szelvényt a memóriába. Ez a folyamat az alkalmazott szelvény méretétől és az adott számítógép sebességétől függ. Tapasztalatok szerint a szelvényváltás okozta lassulás észrevehető, de nem zavaró. Előfordulhat olyan repülési útvonal, amely két térképszelvény határán lett kijelölve. Ekkor gyakori szelvényváltások keletkezhetnek, amik már zavaró lassulással párosulnak. Ennek elkerülése érdekében a program mindig két, egymással szomszédos (a legutóbb használt és az aktuális) szelvényt tárol az operatív tárban.

Magasság és sebesség diagram A repülés folyamatainak ellenőrzése érdekében a program egy diagramon is megjeleníti a gép sebességi és magassági adatait. A diagram jól szemlélteti az elmúlt időszak értékeit, így láthatóak a gép viselkedéseinek tendenciái (emelkedés, gyorsulás, stb). A megjelenítés FIFO (First-In FirstOut, azaz elsőnek-be, elsőnek-ki) jellegű, így a megfigyelhető adatok mindig a repülés utolsó 120 másodpercét szemléltetik. Lehetőség van a repülés teljes idejében mért adatainak rögzítésére is. A program az adatokat (az összes adatot, ami a telemetriai modultól érkezik) egy szöveges állományba menti. Az így rögzített állomány adatai később valós kapcsolat nélküli (Offline) újra lejátszhatók. 98


Virtuális „analóg” műszerek A virtuális műszerek célja, hogy a kezelő egyetlen szempillantással megállapíthassa a gép a gép főbb repülési paramétereit [6]. A kijelzésnek nem célja az adatok abszolút pontosságú leolvashatósága (szükség esetén a pontos adatok a rögzített adatállományból kiolvashatók). A vett adatok egy medián és egy predikciós szűrő után kerülnek kijelzésre. A szűréseknek köszönhetően a kijelzés gyakorlatilag mentes a téves mérésekből adódó hibáktól. A program jelenlegi állapota (4. kép) 13.

7. 1.

12.

2.

6.

5.

4.

3. 9. 8.

10.

11.

4. kép. A „virtuális pilótafülke” képe

1. 2. 3. 4. 5.

Térkép a követett objektum útvonalával Sebességmérő Magasságmérő Műhorizont (implementálás alatt) Repülési diagram 99


6. 7. 8. 9. 10. 11.

Akkumulátor feszültségi szintek Kamerakép Megtett távolság méterben Magasság nullázó gomb (relatív/abszolút magasság beállítása) Naplózást irányító gombok (indítás/megállítás, megtekintés) A kommunikációs port beállítása (sorosport száma, státuszjelző „LED”) 12. Video rögzítés indítása/megállítása, élő közvetítés ki/bekapcsolása 13. Felső menü  File: útvonal kezelési lehetőségek (betöltés, mentés)  Beállítások: Az alkalmazás testre szabása (színek, megjelenítési skin stb.) A program jelenleg biztosítja a térképes megjelenítést szelvénykezeléssel együtt. A magassági, sebességi adatok is megjelennek mind az „analóg” műszereken, mind a diagramon. A videofelvétel élőben látható és rögzíthető [7]. A naplózási és az útvonalmentési szolgáltatás is elérhető. A szűrés hiánya miatt eleinte problémák adódtak a megjelenítéssel, de ezek implementálása után minden az elvárt módon működik. A műhorizont megjelenítése még fejlesztési fázisban van, a program felülete még nem konfigurálható és a nyelvi beállítások sem érhetők el. Ezen funkcióktól eltekintve a valós körülmények közötti tesztméréseken az alkalmazás működőképesnek bizonyult. A tesztek Dunakeszin folytak.

Tapasztalatok, eredmények A kísérletek során bebizonyosodott, hogy a telemetriai modul egyszerűen és gyorsan beszerelhető a projektben előirányzott paraméterű repülőgépekbe. Kis tömegének köszönhetően a repülések során a modul nem okozott érzékelhető változást a repülési tulajdonságokban. Az átvitel igen megbízhatónak bizonyult. Nem okozott gondot a jelek „leszakadása” sem. Amint a kapcsolat létrejött, az adatfolyam helyreállt és a rendszer hibátlanul üzemelt tovább. A vett adatok a jelek a CRC ellenőrzések ellenére esetenként hibás tartalommal jelentek meg a rendszerben. Ennek kiküszöbölése érdekében medián (az impulzusszerű zajok kiszűrésére) és predikciós (a nem valós adatok kiszűrésére) szűrők kerültek beépítésre (5. kép). A szűrők valós időben képesek az adatok kezelésére, így a megjelenítő program érzékelhető időveszteség nélkül képes az információk megjelenítésére. 100


Szűrő nélküli mérés

Mérés szűrővel

5. kép A szűrők hatása a nyomvonal megjelenítésére

101


Felhasznált irodalom [1]

Field Report on Raven, Shadow UAVs From the 101st, Defense Industry Daily, 15-Nov-2005

[2]

Syracuse becomes Predator territory, GuardTimes, May-June 2005, Volume 14

[3]

Mary Ann Barraco Klement: Agile Support Project–Global Hawk Program

[4]

B-HUNTER ATC integration and other futures — UAV NET Meeting #8 - SONACA - 22-23.09.2003

[5]

Molnár András: A polgári és katonai robotjárművek fejlesztésében alkalmazott új eljárások és technikai megoldások. PhD-értekezés, ZMNE, Budapest, 2006.

[6]

Airplane instruments and systems, Revision 4 — 0105, Five By Five, Inc.

[7]

Don R. Giandomenico: Wireless Video for Remote Control Aircraft

102

A MODELLREPÜLŐTŐL A ROBOTREPÜLŐIG

Recommend Documents