Розробка апаратного і програмного забезпечення контролера польоту безпілотного літального апарату
Автор: Яж Андрій Богданович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Системне проектування
Інститут: Інститут комп'ютерних наук та інформаційних технологій
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2023-2024 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Яж А.Б., Головатий А.І. (керівник). Розробка апаратного і програмного забезпечення контролера польоту безпілотного літального апарату. Магістерська кваліфікаційна робота. – Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2023. Розширена анотація. В магістерській кваліфікаційній роботі розроблено апаратне та програмне забезпечення контролера польоту БпЛА (квадрокоптера). Контролер забезпечує стабілізацію БпЛА в повітрі, автоматичне втримання заданої висоти БпЛА, управління польотом БпЛА (квадрокоптера): газом (throttle), креном (roll), тангажом (pitch) і рисканням (yaw) відповідно до отриманих команд [1-3]. Контролер польоту БпЛА (квадрокоптера) розроблено на платформі Arduino Nano з мікроконтролером ATmega328P, вимірювальному модулі GY-87 (IMU) з 10-ма ступенями свободи, який містить цифровий 3-х осьовий акселерометр і 3-х осьовий гіроскоп на чіпі MPU-6050, цифровий 3-х осьовий магнітометр HMC5883L і цифровий давач атмосферного тиску (барометр) BMP180 [4-6]. Розроблено схему контролера польоту БпЛА (квадрокоптера). Створено підпрограми калібрування гіроскопа, визначення швидкостей крену, тангажу і рискання з допомогою гіроскопа MPU-6050. Розроблено підпрограму опрацювання PPM-сигналу команд від радіоприймача і генерування PWM-сигналів управління електронними регуляторами швидкості (ESC) двигунів. Розроблено схему захисту від короткого замикання контролера польоту, підпрограму моніторингу напруги, спожитого струму, визначення початкової при старті і залишкової під час польоту ємності акумулятора. Розроблено і програмно реалізовано PID – контролер управління швидкістю на мові C в середовищі Arduino IDE [7,8]. Створено підпрограми калібрування акселерометра MPU-6050 і вимірювання прискорень. Розроблено програмно-алгоритмічне забезпечення отримання абсолютних кутів крену і тангажу методом інтегрування кутових швидкостей виміряних гіроскопом і з використанням методу тригонометрії до значень прискорення виміряних акселерометром. Розроблено і програмно реалізовано фільтр Калмана для прогнозування кута крену і тангажу. Створено PID – контролер з режимом стабілізації квадрокоптера на мові C в середовищі Arduino IDE [7,8]. Зібрано макет контролера польоту БпЛА на безпаєчній макетній платі і проведено його тестування. Результати тестування апаратного і програмного забезпечення контролера польоту БпЛА дозволяють в подальшому провести дослідження контролера польоту на фізичній моделі квадрокоптера (БпЛА). Об’єкт дослідження – процес забезпечення управління безпілотним літальним апаратом (квадрокоптером). Предмет дослідження – методи і засоби управління польотом безпілотного літального апарату (квадрокоптера). Мета дослідження – розробка апаратного і програмного забезпечення контролера польоту безпілотного літального апарату (квадрокоптера). Магістерська кваліфікаційна робота виконана за тематикою кафедри, яка стосується проектування і програмування інтелектуальних систем і пристроїв. Виконано апробацію матеріалів магістерського дослідження на міжнародній конференції CADMD’2023 (“САПР у проектуванні машин: задачі впровадження та навчання”, 26 - 28 жовтня, Супрасль, Польща). За результатами проведення конференції опубліковано тези доповіді: Andriy Holovatyy, Andrzej Lukaszewicz, Wojciech Giernacki, Kostyantyn Kolesnyk, Artur Pitsyshyn, Andriy Yazh. Behavioral Modelling and Simulation of Microelectromechanical Gyroscopes. // XXXI International Conference. CAD in Machinery Design Implementation and Educational Issues. 26 - 28 October 2023, Suprasl, Poland, p. 19. Andriy Holovatyy, Kostyantyn Kolesnyk, Mykhaylo Lobur, Andriy Kernytskyy, Vladyslav Vichkovskyy, Andriy Yazh. Development of HDL Models of Heterogeneous Microsystems for Behavioral Level of Computer-Aided Design. // XXXI International Conference. CAD in Machinery Design Implementation and Educational Issues. 26 - 28 October 2023, Suprasl, Poland, p. 31. Ключові слова: БпЛА, квадрокоптер, контролер польоту, плата Arduino Nano, МК ATmega328P, GY-87, MPU-6050, HMC5883L, BMP180, C/C++, вбудоване програмне забезпечення, Arduino IDE. Перелік використаних літературних джерел. Juan-Yao Hong, Po-Jui Chiu, Chun-Da Pong and Chen-Yang Lan. Attitude and Altitude Control Design and Implementation of Quadrotor Using NI myRIO. // Electronics 2022, 12(7), 1526; https://doi.org/10.3390/electronics12071526. Baoxu Jia, Liguo Sun, Xiaoyu Liu, Shuting Xu, Wenqian Tan and Junkai Jiao. Carrier Aircraft Flight Controller Design by Synthesizing Preview and Nonlinear Control Laws. // Drones 2023, 7(3), 200; https://doi.org/10.3390/drones7030200. Michal Waliszkiewicz, Konrad Wojtowicz, Zdizslaw Rochala and Eulalia Balestrieri. The Design and Implementation of a Custom Platform for the Experimental Tuning of a Quadcopter Controller // Sensors 2020, 20(7), 1940; https://doi.org/10.3390/s20071940. Електронний ресурс по Arduino Nano. [Режим доступу]: https://docs.arduino.cc/hardware/nano, https://store.arduino.cc/products/arduino-nano. Електронний ресурс з datasheet на модуль GY-87. [Режим доступу]: https://5.imimg.com/data5/LF/FE/MY-1833510/gy-87-10dof-mpu6050-hmc5883l-bmp180-sensor-module.pdf. Електронний ресурс з документацією на модуль MPU-6050. [Режим доступу]: https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Accelerometers/RM-MPU-6000A.pdf. Електронні ресурси по Arduino. [Режим доступу]: https://www.arduino.cc/, https://www.tutorialspoint.com/arduino/. Laurens Raes. Carbon Aeronautics quadcopter build and programming manual. First Edition, August 2022. Електронний ресурс. [Режим доступу]: https://github.com/CarbonAeronautics/Manual-Quadcopter-Drone.