Rendszer és Irányításelméleti Kutató Labor
Rendszer és Irányításelméleti Kutató Labor Laborvezető:
Prof. Bokor József az MTA rendes tagja
Beágyazott és Autonóm Rendszerek Labor Vezető: Soumelidis Alexandros, PhD Kutatók:
Egy. hallgatók:
Edelmayer András, MTA Dr Gáspár Péter, MTA Dr
Dvorzsák Alexander Gőzse István Héjj András Pintér Gyula
Bartha Tamás, PhD Fazekas Zoltán, PhD Szabó Zoltán, PhD Vanek Bálint, PhD Varga István, PhD
Bótor Dávid László Csatári Tamás Kapelner Tamás Lember Mátyás Maróti Árpád Varga Balázs Varga Tibor
Bauer Péter Bakos Ádám Regula Gergely 40 MHz antenna
aileron
PPM receiver 40 MHz FM
elevator PWM signals
On-board Computer 2.4 GHz antenna
Serial line (UART)
rudder
PWM signals
PhyCore MPC555
Wireless Data Modem
MUX
On-board Sensor Unit
BLDC contr. Digi XStream 2.4 GHz
BLDC motor
Crossbow MNAV100
Thrust Roll
Pitch Yaw
Rendszer és Irányításelméleti Kutató Labor Aerospace research in MTA-SZTAKI Bálint Vanek MTA SZTAKI is working in collaboration with University of Minnesota (USA) and The University of Sannio (Italy) on unmanned aerial vehicles. Our goal is to demonstrate modern model based flight control algorithms, fusion of various navigation sensor sources and protect the vehicle by keeping it in the safe flight envelope, calculated based on the health of the aircraft. Conventional autopilots are not suitable for these research purposes, they do not have open access to their source code and have limited computational capabilities. The aim of the collaboration is to develop a platform on which the novel navigation, guidance and control theoretic algorithms developed by the three universities can be tested in real world environment. The Hardware in the Loop (HIL) simulator, developed jointly by the University of Minnesota and SZTAKI, is the ultimate testbed for hardware and software components of the UAV before they can be flight tested. In essence, a HIL simulator generates synthetic data as if it was from the onboard sensors. This data is sent to the actual fight avionics which in turn, produces control commands. These control commands are relayed back to the simulator thus closing the control loop. This allows testing both hardware and software components without jeopardizing the airplane in flight. ADDSAFE an EU FP7 research project is directly related to this topic. It involves detecting actuator or sensor faults on the complex aircraft system. Fault detection is based on analytical redundancy when the predicted behavior of the vehicle is compared with the measurements obtained from sensors. Safety of flight can be significantly enhanced by detecting actuator malfunctioning or engine flameout and reconfiguring the flight control system to account for the fault. To enter the national airspace the unmanned aerial vehicles have to be able to detect and avoid another airborne object within their sight and to be able to respond so that a collision is avoided. For this purpose a low cost, vision only, system is proposed for the ONR. The aim of the research is to explore the fundamental limitations of a vision only sense and avoid system and provide guidelines for the legislation developing rules governing the minimum equipment and environmental conditions required on unmanned aerial vehicles entering the airspace. To further deepen the aforementioned research areas, a more advanced unmanned aerial platform is under development, where the overall system reliability and safety-criticality is part of the architecture, taking into consideration the requirements necessary to enter the commercial airspace. This platform is able to demonstrate navigation, control, fault-detection and reconfiguration tasks, based on its distributed multi-core architecture. Handling various system component failures can be demonstrated and the platform is also capable of carrying advanced electro-optical or gas analyzer sensors, as well as serve as a communication relay for wider scientific purposes.
Rendszer és Irányításelméleti Kutató Labor UAV research in MTA-SZTAKI The UAV Fleet Péter Bauer
1. GOAL: to create an aircraft platform suitable to investigate UAV dynamics for control. The concept is to do first principle and data based model and system identification. So, the acquired data is to be used in system identification, which provides the low and high fidelity models for control design. 2. AIRCRAFT: the system setup is based on a commercial model airplane which is completed with an inertial measurement unit, GPS receiver, onboard computer, wireless communication modem and an SD card based data acquisition unit. A ground antenna with a notebook and ground station software gives the supervisory and monitoring part of the system. 3. RESULTS: data in manual and automated flight for system identification were measured. Stabilizing and reference tracking autopilots were designed and tested. 1. CÉL: egy olyan repülőgép platform létrehozása, mely lehetőséget biztosít a repülőgép dinamikájának szabályozás célú tanulmányozására. A gyűjtött adatok alapján, fizikai elveken nyugvó és modellillesztést használó rendszer identifikáció végezhető. Az identifikált egyszerű és összetett modellek képezik a robotpilóta tervezés alapját. 2. REPÜLŐGÉP: alapja egy kereskedelmi forgalomban kapható repülőgép modell, melyet elláttunk inerciális mérőrendszerrel, GPS vevővel, fedélzeti számítógéppel, vezeték nélküli kommunikációval és egy SD kártyás adatgyűjtővel. A rendszer felügyeletét egy laptop biztosítja a földi antennával és szoftverrel. 3. EREDMÉNYEK: kézi és robotpilótás repülések során gyűjtött adatok, melyek felhasználhatók a rendszer identifikációban. Stabilizáló és referenciajel követő robotpilóták tervezése és tesztelése.
Robotrepülőgépes Együttműködés UAV Lab: Peoplemind a Robotrepülőgépek képességeinek kiterjesztése szabályozáselmélet, mind a navigáció területén, boltban kapható alkatrészeken alapuló, nyílt forráskódú filozófiával.
Balas, G.
Bokor, J. Borelli, F.
1
SZTAKI 2010 Március 31.
SZTAKI SCL
HWIL Szimulátor • Teljes körű szimuláció a szabályozási, navigációs valamint rendszer működéshez szükséges algoritmusok tesztelésére • Robotrepülőgép hardver és szoftver elemeinek biztonságos tesztelése • Valós idejű működés vizsgálata a repülő elvesztése nélkül Æ gyorsabb fejlesztés
2
SZTAKI 2010 Március 31.
SZTAKI SCL
• Addsafe: EU FP7 projekt modellalapú hibadetektálás repülőipari alkalmazásokhoz
3
SZTAKI 2010 Március 31.
SZTAKI SCL
Látni és Elkerülni Rendszer • ONR támogatott együttműködés Prof. Roska és Prof. Bokor között • Multi-processzoros fedélzeti architektúrán megvalósított csatolt becslési és irányításelméleti probléma
4
SZTAKI 2010 Március 31.
SZTAKI SCL
Biztonságkritikus Robotrepülő • • • • •
Biztonságkritikus rendszer Járműdinamika Szabályozás Navigáció Mikroszámítógép arch.
• Okos aktuátorok • Elosztott hálózat • Hiba detektálás • Rekonfigurálás • Rendszer identifikáció • Egyéb hasznos teher (kamera) 5
SZTAKI 2010 Március 31.
SZTAKI SCL
Rendszer és Irányításelméleti Kutató Labor
Moduláris GPS/INS alapú jármőnavigációs rendszer Fejlesztık:
Bakos Ádám Gızse István Héjj András
Egy jármő intelligens irányításához elengedhetetlen különbözı mennyiségek mérése és a navigáció megvalósítása. A kereskedelemben kapható ilyen eszközök többnyire nem elégítik ki egy kutatás során felmerülı összes igényt. A Labor ezért belekezdett egy saját navigációs mérırendszer kifejlesztésébe. A navigációs rendszer moduláris felépítéső, így könnyen illeszthetı az adott földi, légi, stb. jármővek igényeihez. Az egyes modulok különbözı fizikai mennyiségek mérésérét felelısek, képesek inerciális mennyiségek (gyorsulások, szögsebességek), földi mágneses tér, abszolút és realív nyomások mérésére, GSP jelek vételére és vezetéknélküli kommunikációra. A mérımodulokat egy központi egység fogja össze, amely a modulok vezérléséért, a külvilággal folytatott kommunikációért, és különbözı számításokért felelıs. Ez utóbbit egy nagy számítási teljesítményő processzor teszi lehetıvé, amely képes bonyolult számítások elvégzésére is, például kalibrációs és Kalman-szőrı algirutmusok futtatására, GPS/INS integrációra. A rendszer emellett képes további kiegészítı funkciók megvalósítására, többek közt helyi adatgyőjtés és –mentésre. A rendszer a pontossága, rugalmassága és teljes mértékő kézbentarhatósága miatt a jövıben eredményesen használható automatizált földi és légi jármővek navigációjához és irányításához.
Rendszer és Irányításelméleti Kutató Labor
Jármű forgalmi rendszerek irányítása: elektromos meghajtású modellautó A rendszer fejlesztői: Dr. Soumelidis Alexandros, Szabó Gergely, Maróti Árpád, Lember Mátyás, Csatári Tamás, Dvorzsák Alexander
A forgalmi irányítási környezet része egy központ és az autókba integrált autonóm fedélzeti rendszer. Labor célja: egy távirányítós kisautó vázára épülő modellautót építeni, amit ezután a forgalmi rendszerben lehet használni. Kezdetben a kormánymű vezérlését és a kerékhajtást ellátó motorokon kívül nem tartalmazott elektronikus alkatrészeket az alapnak vett jármű. A rendszer központját ATNGW100 típusú alaplap képezi, melyen található egy 32 bites mikrovezérlő. A kártyán található három darab 36 tüskés csatlakozó, a rendszer vezérlését végző mikroáramkörhöz ezeken a lábakon illeszkednek a perifériák. Az alaplap képes kezelni a Linux operációs rendszert, így a fejlesztés C programozói nyelven folyik a Linux C könyvtárainak segítségével. Az autóhoz illesztett perifériák: optikai elven működő fordulatszámmérő a hátsó keréken, optoelektronikus távolságmérő az autó elején, három irányú gyorsulás és elfordulás érzékelő, a kormánymű vezérlését és a kerékhajtást végző elektromos motorok, vezeték nélküli kommunikációra alkalmas modul. Jelenleg ultrahangos pozíció meghatározó rendszer, valamint digitális kamera építése és illesztése folyik, mivel a helymeghatározó rendszer az irányítási laboron belül helyezkedik el, így a forgalmi helyzetek szimulációja a laborban történik majd.
Rendszer és Irányításelméleti Kutató Labor Ultrahang alapú beltéri pozicionáló rendszer fejlesztése Fejlesztők: Dr. Soumelidis Alexandros, tud. főmunkatárs Lember Mátyás, közlekedésmérnök hallgató
Ultrahang adók
Rádiófrekvenciás szinkronizálás
Ultrahang vevő
A laborban folyó jármű-modell kísérletek támogatására különböző elvű beltéri pozicionáló rendszerek álnak fejlesztés alatt. Ezek a rendszerek a szabadban alkalmazható GPS rendszer beltéri modelljét hivatottak megvalósítani. Egyik ezek közül az ultrahangok véges terjedési sebességét használja ki, amely segítségével megmérhető egy objektum több ultrahang-forrástól való távolsága, és ennek alapján háromszögelési technikával meghatározható pillanatnyi pozíciója. A távolságmérés rádiófrekvenciás jelekkel szinkronizált időmérés alapján történik. A rádiófrekvenciás kommunikáció emellett az ultrahangforrások azonosítását is lehetővé teszi. A pozíció-meghatározás a mozgó objektumokon történik egy beágyazott mikroszámítógépen megvalósított program segítségével. A pozícióértékeket a fedélzeti számítógép közvetlenül fel tudja használni navigáció és irányítás megvalósítására, illetve vezeték nélküli kommunikáció alkalmazásával el tudja küldeni egy központi számítógépnek. Megvalósítható pontosság: kb. 1 cm Időbeli felbontás: 100 ms.
Rendszer és Irányításelméleti Kutató Labor Beltéri pozícionáló rendszer Gőzse István
1. ábra A rendszer prototípusa
A kutatás célja: laboratóriumi körülmények közt kísérleti légijármű-modellek helyének (helyzetének) meghatározása. A pontos helymeghatározás alapvetően fontos az automatikus járművek szempontjából, ezért egy megbízható pozícionáló rendszer szükséges ezen járművek mozgáspályájának méréséhez. A rendszer három fő elemből épül fel: jeladó, képmátrix, vevő. A jeladó egy vagy több LED a Vevő ennek megfelelően egy optoérzékelő (fototranzisztor) Módszer: a mérendő eszközön elhelyezünk egy LED-et, amely az adó szerepét játssza. Az adó és a vevő közé tesszük a képmátrixot, amely az egyes képpontjaiban képes fény áteresztővé, vagy átlátszatlanná válni, attól függően, hogy milyen képet jelenítünk meg rajta.(lényegében a közforgalomban kapható LCD vagy TFT monitorok felhasználhatók erre a célra a háttérvilágítás elhagyásával) Ha a vevő és az adó közötti egyenesbe átlátszatlanná tesszük a képernyőt, akkor pontosan tudhatjuk, hogy a LED milyen irányba van a vevőtől. Ha kettő egymástól kellő távolságban elhelyezett érzékelőt alkalmazunk, akkor a térbeli pozíció meghatározható geometriai módszerekkel. Ha az adó és a vevő összehangolt optokaput alkot, akkor lehetőség van több adó használatára, és az eszköz alkalmazására általános fényviszonyok közt.
Rendszer és Irányításelméleti Kutató Labor Ember nélküli légi járművek fedélzeti irányítórendszerének fejlesztése Regula Gergely
A Rendszer és Irányításelméleti Kutató Labor a Minnesotai Egyetemmel közösen végez kutatásokat ember nélküli légi járművek irányítása terén. Ennek részeként a labor végzi a repülőgép identifikációját, amelynek eredményei szabályozási célokra hasznosíthatók. Emellett fedélzeti navigációs és irányítási algoritmusok fejlesztése folyik, valamint feladat. A feladataim túlnyomó részt ez utóbbi feladatkörbe illeszkednek. Ezek közül a két legjelentősebb az UAV-hez (ember nélküli modellrepülőgép) és a négyrotoros helikopterhez kapcsolódik. A járművek magas szintű irányítását különböző architektúrájú fedélzeti számítógépek végzik, AVR, ARM, PowerPC típusúak. A fedélzeti irányítórendszer a központi egységen kívül több alegységet is tartalmaz, amelyek egymással és a földi állomással CAN-buszon, ill. vezetékes, vagy vezekét nélküli soros csatornán keresztül kommunikálnak. A szabályozási és navigációs algoritmusok, valamint a kommunikáció megvalósításával foglalkozom az említett processzortípusokon és csatornákon. A szabályozások beágyazott megvalósítása előtt előzetes szimulációk elvégzése szükséges, melyek során a hardverkomponenseket fokozatosan illesztjük be a tesztkörnyezetbe (softwarein-the-loop és hardware-in-the-loop technikák). Ezekkel a módszerekkel ellenőrizhető az algoritmusok stabilitása, ill. a valós idejű megvalósíthatósága a járművek és a környezet veszélyeztetése nélkül. A fejlesztés felgyorsítása érdekében az eljárást érdemes a lehető legnagyobb mértékben automatizálni. Matlab Simulink környezetben egy ilyen fejlesztórendszer kialakításán dolgozom, célként kitűzve, hogy az algoritmusokból automatikus kódgenerálás és fordítás után kerüljön a futtatható kód a célprocesszorra.
