Ticari dronların uçuş algılama teknolojisi
Editörün notu: Bu makalenin içeriği, LHUAS'ın Ar-Ge departmanından bir mühendis olan Zhou Pengyue tarafından Leifeng.com'un "Yeni Akıllı Üretim" sütunu tarafından düzenlenen ve Leifeng.com'un zorlu açık sınıfındaki bir paylaşımından geliyor.
Zhou Pengyue
İHA'nın uçuş algılama teknolojisi ağırlıklı olarak iki amaç için kullanılmaktadır.Birincisi uçuş kontrol sistemini sağlamaktır.Uç kontrol sisteminin temel işlevi, uçağı istenen konum ve uzay konumuna ulaşmak için kontrol etmek olduğundan, algılama teknolojisinin bu kısmı ağırlıklı olarak uçak hareketini ölçer Durumla ilgili fiziksel büyüklükler, dahil edilen modüller arasında jiroskoplar, ivmeölçerler, manyetik pusulalar, barometreler, GNSS modülleri ve optik akış modülleri bulunur. Diğer bir amaç, dronlar için otonom navigasyon sistemleri, yani yol ve engellerden kaçınma planlama sistemleri sağlamaktır, bu nedenle engellerin konumu gibi çevredeki ortamı algılaması gerekir.İlgili modüller arasında değişen modüller, nesne algılama ve izleme modülleri vb. Yer alır. .
Vücut hareket durumu algısı
Gyro
Şu anda, MEMS teknoloji jiroskopları, küçük boyutları ve düşük fiyatları nedeniyle ticari dronlarda yaygın olarak kullanılmaktadır ve IC'ler şeklinde paketlenebilirler. MEMS jiroskopları genellikle kendi ekseni etrafında dönen cismin açısal oranını ölçmek için kullanılır. Yaygın olarak kullanılan modeller 6050A (Invensense) ve ADXRS290'dır (ADI). Jiroskop performansını ölçmek için göstergeler arasında ölçüm aralığı (aralık), hassasiyet ve kararlılık (sapma) bulunur. Ve sinyal-gürültü oranı.
Yukarıdaki, jiroskopun sıcaklık kaymasının test sonuçlarının bir grafiğidir.Test ortamı 25 ° C'den 50 ° C'ye ısıtılır.Jiroskop tüm işlem boyunca hareketsiz tutulur.Jiroskobun doğru çıkışı sabit bir değer olmalıdır. Ancak sonuçlardan, iki sensörün gerçek çıkışı sıcaklık değişikliklerinden etkilenir. Karşılaştırıldığında, ADXRS290'ın (ADI) çıktı değeri, temelde 0,5 civarında küçük bir değişim aralığına sahiptir.
İvmeölçer
İvmeölçer, cismin hareketinin doğrusal ivmesini ölçer, ancak dünyanın yerçekimi nedeniyle ölçülen değer, bazı kullanım durumlarında çıkarılması gereken yerçekimi ivmesi bileşenini de içerecektir. Yaygın olarak kullanılan MEMS ivmeölçer sensörü modelleri 6050A (Invensense) ve ADXL350'dir (ADI). Yonga entegrasyonunu iyileştirmek için, bazı sensör üreticileri, 6050A (Invensense) gibi altı eksenli sensörler olarak adlandırılan jiroskopları ve ivmeölçerleri birlikte paketler.
Manyetik pusula
Manyetik pusula ile ölçülen fiziksel miktar, uçağın ekseni boyunca dünyanın manyetik alan kuvvetinin bileşenidir ve uçağın rota açısı buna göre hesaplanır. Yaygın olarak kullanılan MEMS manyetik pusula sensörü modelleri, her ikisi de benzer performansa sahip HMC5983L (Honeywell) ve QMC5883L (Silikon Çekirdek) 'dir. Birincisi üretimden kaldırılmıştır. Manyetik pusulanın ana performans parametreleri arasında hassasiyet, kararlılık (kayma) vb. Bulunur.
Barometre
Barometre tarafından ölçülen fiziksel miktar, mutlak rakımın hesaplanabileceği atmosferik basınç değeridir. Yaygın olarak kullanılan barometre sensörü modelleri arasında MS5611 (MEAS), MS5607 (MEAS) ve BMP180 (Bosch) bulunur. Barometrenin kullanımıyla ilgili sorun, yere yakın uçarken, "yer etkisinin" varlığı, uçağın etrafındaki hava basıncı dağılımının dinlenme halindeki atmosferden farklı olmasına neden olacak ve yüksekliği ölçmek için barometrenin kullanılmasını imkansız hale getirecektir. Genel çözüm, ultrasonik sensörler veya lazerli uzaklık ölçerler gibi diğer sensörleri kalkış veya iniş sırasında kullanmaktır.
GNSS modülü
GNSS modülü tarafından ölçülen fiziksel büyüklükler, esas olarak coğrafi koordinatlar (enlem ve boylam), rakım, doğrusal hız ve yön açısı (RTK sistemi) dahil olmak üzere nispeten zengindir. Yaygın olarak kullanılan GNSS modülü üreticileri arasında İsviçre'nin U-BLOX'u ve Kanada'nın NOVATEL'i bulunmaktadır. GNSS modülünü kullanırken, uydu sinyali alıcı anteninin yerleşimi, elektromanyetik parazit korumasına dikkat etmelidir.Bazı güçlü tam makine üreticileri, uydu sinyali alıcı antenini uçak modeline göre özelleştirecektir.
Optik akış modülü
Optik akış modülü, yatay yönde yer değiştirme hızının ölçülmesi gibi vücudun hareket durumunu algılamak veya engellerden kaçınma amacıyla çevredeki ortamı algılamak için kullanılabilen özel bir modüldür. Daha yaygın optik akış modülü, açık kaynaklı PX4FLOW'dur. Optik akış modülleri genellikle iç mekanlarda, özellikle zayıf iç mekan uydu sinyalleri sorununu çözmek için kullanılır ve zeminin fotoğrafının çekilmesi için belirli bir doku deseni gereklidir.
Çevreye duyarlılık
Değişen modül
Yaygın olarak kullanılan beş modül şunlardır: ultrasonik, kızılötesi TOF, lazer, milimetre dalga radarı ve derinlik algılama kamerası.
Ultrasonik ve kızılötesi TOF her açıdan benzer performansa sahiptir Örneğin, ultrasonik ölçüm mesafesi genellikle yaklaşık 4 metre olduğu gibi ölçüm mesafesi nispeten yakındır. Ek olarak, bu iki sensörün kullanım aralığı gerçek ortamla kolayca sınırlandırılır.Örneğin kızılötesi TOF, ölçülen nesnenin yüzeyine kırmızı ışık yayar ve yansıtır.Cam gibi düşük kırmızı ışık yansıtma özelliğine sahip bir nesne ile karşılaşırsa başarısız olur. Ancak bu iki sensör türü, düşük maliyetin en büyük avantajlarından birine sahiptir ve modül boyutu nispeten küçüktür, bu nedenle tüketici drone'larında yaygın olarak kullanılmaktadırlar.
Lidar genellikle uzaktadır, çoğu ürün 100 metreden daha fazla uzağa ulaşabilir, ancak şiddetli yağmur ve sis hava ortamı ölçüm sonuçlarını etkileyecektir. Diğer bir dezavantaj ise maliyetin nispeten yüksek olmasıdır: Velodyne lidar endüstrisinin en güçlüsüdür.Dronlara uygun minyatürleştirilmiş bir ürün olan VLP-16 da 1.000 ABD dolarının üzerinde bir fiyata ulaştı. Maliyetin hala nispeten yüksek olduğunu söyledi.
Derinlik algılama kameraları ölçüm teknolojisine göre üç türe ayrılabilir.Dinoküler görüş teknolojisi olarak da adlandırılan stereo kameralar DJI Phantom 4'ün ürününü temsil eder; yapılandırılmış ışık teknolojisi Microsoft Kinect'in ürünlerini temsil eder; zaman farkı aralığı teknolojisi (TOF), Daha az üretici ve daha yüksek maliyet nedeniyle, dronlarda çok az uygulama var. Derinlik algılayıcı kameraların kullanıldıklarında da sınırlamaları vardır.Dürbün görüş teknolojisinin dezavantajı, düşük ışıklı ortamlarda normal çalışamaması, buna karşın yapılandırılmış ışık teknolojisinin güçlü ışık altında normal çalışamamasıdır. Bu nedenle, bazı üreticiler birbirlerinin eksikliklerini telafi etmek ve uygulanabilir çevresel kapsamlarını genişletmek için iki teknolojiyi birleştirir.
Ölçüm doğruluğunu iyileştirmenin yolları
Sensör kalibrasyonu
İnce kalibrasyon ve kaba kalibrasyon dahil sensör kalibrasyonu. İnce kalibrasyon etkisi daha iyidir, ancak pahalı kalibrasyon ekipmanı gerektirir; kaba kalibrasyon harici ekipman gerektirmez ve yalnızca sensörün kendisi çalıştırılabilir.
Örnek olarak bir manyetik pusulanın kaba kalibrasyonunu ele alalım.Dünyanın herhangi bir noktasındaki jeomanyetik alan yoğunluğu uzun bir süre boyunca sabit olarak kabul edilebildiğinden, manyetik pusula döndürüldüğünde, manyetik pusulanın göreceli harekete göre sabitlendiği varsayılabilir. Jeomanyetik alan vektörü buna göre dönmektedir ve vektör uç noktasının uzaydaki yörüngesi standart bir küre olmalıdır, ancak sensörün hatası nedeniyle, gerçek ölçülen veriler kesinlikle kürenin yüzeyinde değildir. Şu anda, buna göre ölçülmelidir. Sayısal değer ve bilinen doğru değer, manyetik pusulanın hata modeli olan ikisi arasındaki dönüşüm ilişkisini hesaplamak için kullanılır. Bu manyetik pusulayı gelecekte kullanırken, ölçülen değer kaba kalibrasyondan elde edilen hata modeline göre işlenebilir, böylece ölçülen değerdeki hata azaltılır.
Manyetik pusula kalibrasyonu (SGB sbgcenter)
Çoklu sensör veri füzyonu
Pek çok farklı sensör veri füzyon yöntemi vardır.Sektörde en yaygın ve etkili olanı, genişletilmiş Kalman filtresi olan EKF'dir.
Uçak duruş açısını hesaplamanın füzyon yöntemini örnek olarak ele alırsak, EKF güncelleme süreci esas olarak iki bölüme ayrılır: tahmin güncellemesi ve ölçüm güncellemesi. Tahmin güncellemesi esas olarak tahmin durumu miktarını güncellemek için jiroskopu kullanır ve durum miktarının kovaryans matrisini hesaplar. Ölçüm güncellemesinde önce filtre kazancı hesaplanır ve ardından filtre kazancı tahmin edilen durum miktarını, ivmeölçeri ve manyetik pusula verilerini birleştirerek füzyon durumu miktarı haline gelir.Aynı zamanda, bir sonraki güncelleme döngüsünde hesaplanacak olan füzyon durumu miktarının kovaryans matrisi hesaplanır. Kullanılan.
Tutum açısını hesaplamak için füzyon yöntemi akışı
Sensör yedekliliği tasarımı
Sensör yedekliliği tasarımı, esas olarak aynı tipte birden fazla sensörü birleştirmek içindir.İşleme yöntemi, önce anormal verilerle sensörleri kaldırmak ve ardından sensör füzyonu gerçekleştirmektir. Yedekli tasarım yalnızca ölçüm doğruluğunu iyileştirmekle kalmaz, aynı zamanda tüm sistemin güvenilirliğini de geliştirebilir.Sensör arızalandığında, tüm sistem normal şekilde çalışmaya devam edebilir.
