Система автономного керування траєкторією безпілотного літального апарата
Автор: Гула Володимир Андрійович
Кваліфікаційний рівень: магістр (ОНП)
Спеціальність: Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології (освітньо-наукова програма)
Інститут: Інститут енергетики та систем керування
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2024-2025 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Гула В.А., Ділай І.В. (керівник). Система автономного керування траєкторією безпілотного літального апарата. Магістерська кваліфікаційна робота. – Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2025. Розширена анотація Безпілотні літальні апарати (БПЛА) сьогодні стали невід’ємною складовою сучасних технологій, що застосовуються у військовій, цивільній та промисловій сферах. Залежно від призначення, конструкції та способу управління, БПЛА поділяються на низку категорій, серед яких важливе місце займають FPV-дрони (First Person View). Ці дрони вирізняються тим, що оператор здійснює керування, спостерігаючи політ у реальному часі через камеру, встановлену на борту апарата. Однак широке застосування FPV-дронів у бойових умовах супроводжується серйозними викликами. Зокрема, в умовах активного застосування засобів радіоелектронної боротьби (РЕБ) виникає серйозна загроза для ефективного управління дроном — приглушення каналів управління та передачі відеосигналу призводить до повної втрати контролю над дроном. Це знижує ефективність бойового застосування FPV-дронів і ставить під загрозу виконання поставлених завдань. Метою роботи є розроблення системи автономного керування траєкторією безпілотного літального апарата, що дасть можливість автоматизувати процес керування польотом, усунути людський фактор, підвищити стійкість до впливу РЕБ та загальну ефективність дронів у військових операціях. Для досягнення мети було поставлено такі завдання: 1. Провести аналіз проблеми автономного керування траєкторією БПЛА. 2. Розробити концепцію системи автономного керування FPV-дроном. 3. Обґрунтувати вибір технічних засобів системи. 4. Розробити алгоритми автономного керування FPV-дроном. 5. Реалізувати апаратну та програмну частину системи У першому розділі магістерської роботи виконано аналіз об’єкта дослідження — FPV-дрона як різновиду безпілотного літального апарата, особливо вразливого до впливу засобів радіоелектронної боротьби. Розглянуто класифікацію БПЛА [1], конструкцію та принципи функціонування FPV-дронів [2]. Обґрунтовано необхідність автономного керування як критично важливого елементу для підвищення ефективності дронів у бойових умовах. Виконано огляд наукових досліджень і технологій у цій сфері, що створює теоретичне підґрунтя для розробки власної системи. У другому розділісформовано концепцію системи автономного керування FPV-дроном із візуальним відстеженням цілі. Запропонована дворівнева архітектура: контролер польоту (нижній рівень) та мікрокомп’ютер з обробкою відео (верхній рівень). На основі огляду сучасних прошивок [3] обґрунтовано вибір Betaflight. Аналіз протоколів взаємодії [4-6] та результати експериментів підтвердили доцільність використання CRSF замість MAVLink. Для візуального відстеження, згідно з дослідженням алгоритмів [7], обрано CSRT-трекер з бібліотеки OpenCV, як одного з найбільш точних алгоритмів, здатного стабільно працювати навіть у складних умовах зйомки. У третьому розділіобґрунтовано вибір апаратних компонентів для створення FPV-дрона. Комплектація підібрана на основі практичних рекомендацій волонтерських спільнот такий як Social Drone та Victory Drones. Обрано мікрокомп’ютер Raspberry Pi Zero 2 W із камерою для реалізації логіки та візуального відстеження. В основі дрона — 10-дюймова рама Mark4 V2 з контролером Speedybee F405 V4 і моторами ReadyToSky 3115 900KV. Для стабільного зв’язку використовується ELRS-приймач із підтримкою CRSF. Відеосигнал передається за допомогою передавача RushFPV Max Solo 2.5W з круговою антеною. Пропелери HQProp 10x5x3 забезпечують ефективну тягу. Усі компоненти підібрані з урахуванням сумісності, продуктивності та перевіреної на практиці надійності. У четвертому розділі на основі [8] розроблено власні алгоритми відстеження цілі та автономного керування FPV-дроном. Алгоритм відстеження дає можливість в реальному часі визначати положення об’єкта на відеопотоці, а керуючий алгоритм — формувати сигнали на основі координатної похибки. Обидва алгоритми інтегровані в єдину систему, що забезпечує автономну реакцію дрона на зміну положення цілі в кадрі без втручання оператора. У п’ятому розділі, на основі інструкції [9], зібрано та налаштовано апаратну частину FPV-дрона. Виконано прошивку ESC, налаштування польотного контролера через Betaflight, калібрування сенсорів і приймача. Також налаштовано Raspberry Pi Zero 2 W: встановлено ОС, активовано інтерфейси та забезпечено зв’язок із контролером. У шостому розділіреалізовано програмну частину системи автономного керування FPV-дроном. Створено програму для виявлення цілі, обчислення координатної похибки та формування керуючих сигналів через протокол CRSF.Для взаємодії з протоколом CRSF були створені допоміжні функції на основі напрацювань [10]. Програму адаптовано для Raspberry Pi із автоматичним запуском. Локальне тестування у Betaflight підтвердило коректність роботи.