Арена летающих машин: квадрокоптеры

Арена летающих машин: квадрокоптеры
    Текущая инфраструктура «Арены летающих автомобилей» Цюрихского политехнического университета снабжает позиционирование до 50 летательных аппаратов сточностью до 1 мм и радиоуправление 12 аппаратами в пространстве 10х10х10 м.

В холле за главным входом строения ML (Maschinenlaboratorium) Цюрихского политехнического университета (ETH Zurich) у стеклянной стенки толпится народ. За стеной видно помещение, напоминающее гимнастический зал: занавешенное небольшой сеткой и устланное матами.

В том месте из колонок гремит танцевальный хит Rise Up! популярного швейцарского диджея Ива Ларока, и в такт музыке, синхронно двигаясь подобно опытным танцорам на сцене, раскачиваясь, кружась и делая кульбиты в страшной близости друг от друга, в воздухе танцуют три маленьких летательных аппарата. Композиция заканчивается, аппараты, кратко «поклонившись» зрителям, синхронно приземляются.

Точность их перемещения столь высока, что иногда они напоминают живых существ: никакому пилоту не под силу достигнуть для того чтобы посредством дистанционного управления. И вправду, тут нет пилотов — всеми тремя аппаратами руководит компьютер.

Анжела Шоллиг, аспирантка Университета динамических управления и систем (Institute for Dynamic Systems and Control, IDSC) Цюрихского политехнического университета, демонстрирует мне ручное управление летательными аппаратами, каковые являются квадрокоптеры — крестообразные конструкции с четырьмя пропеллерами. Но, «ручное управление — это звучно сообщено, в действительности квадрокоптерами руководит компьютер, что выявит команды оператора. «Пульт ДУ» на удивление несложен, он не содержит никакой электроники — это легко стрелка с нанизанными на нее световозвращающими маркерами совокупности захвата перемещения, камеры которой висят под потолком.

Анжела показывает стрелкой вправо, влево, и квадрокоптер послушно направляться ее указаниям. После этого она ставит на аппарат вертикально долгий шест с шариком-маркером на финише, и квадрокоптер летает уже с шестом. Цирк да и лишь! А вот и коронный номер: на арене два квадрокоптера начинают игру в бадминтон, перебрасывая друг другу шарик-маркер.

Секунд через десять шарик падает на маты. Вторая попытка выясняется еще меньше. «Сейчас они что-то не в настроении, — смеется Анжела. — Вы, возможно, видели видео на YouTube, где роботы продолжительно жонглируют шариком? Не буду раскрывать, сколько дублей мы отсняли, для получения этого ролика!»

Арена фундаментальной науки

«Выглядит это как цирковое представление, — растолковывает мне Раффаэлло Д Андреа, доктор наук Цюрихского политехнического университета. — Но в действительности Flying Machine Arena («Арена летающих автомобилей») — весьма важный научный проект. Тут возможно изучать поведение распределенных независимых совокупностей, динамика которых через чур сложна для моделирования. А для некоторых совокупностей и вовсе нет моделей».

«Арена» является кубом со стороной около десяти метров, забранный небольшой сеткой. Над кубом расположены восемь камер совокупности захвата перемещения (motion capture), отслеживающие в ограниченного пространства квадрокоптеры.

Совокупность снабжает локализацию аппаратов счастотой до 200 кадров в секунду и точностью до 1 мм, и по окончании обработки данной информации компьютер передает каждому аппарату нужные команды с частотой до 60 раз в секунду. «Нет никаких технических неприятностей расширить размер арены, — поясняет доктор наук Д Андреа.- Необходимо будет установить больше камер, вот и все. В текущей конфигурации совокупность может различать и отслеживать в один момент около 50 аппаратов, не смотря на то, что это количество возможно расширить, в случае если снизить частоту кадров.

Но, имеется и более строгое ограничение — это возможности радиоуправления. Любой аппарат имеет собственный канал управления, и отечественная нынешняя совокупность разрешает руководить 12 устройствами. Так что в случае если нам необходимо будет расширить количество квадрокоптеров, в один момент находящихся в воздухе, нужно будет перейти на другую систему радиоуправления».

От беспилотных автомобилей к FMA

«Весьма увлекательный проект, — говорит аспирант IDSC Сергей Лупашин, занимавшийся созданием FMA сначала.- С одной стороны, это вправду фундаментальная наука и весьма эргономичный полигон для стремительного опробования разных методов динамических независимых совокупностей. С другой — отечественные разработки весьма наглядны кроме того для широкой публики: танцующие либо играющие в бадминтон летающие роботы у всех приводят к восхищению. В то время, когда я получал образование Корнеллском университете, я учавствовал в проектах Robocup и DARPA Grand/Urban Challenge, и не смотря на то, что отечественная команда добилась весьма важных удач, нам обычно сложно было растолковать кроме того сотрудникам из смежных областей, из-за чего мы тратим столько упрочнений на кое-какие задачи и в чем состоят отечественные вправду весьма важные успехи».

По словам Сергея, FMA во многом похожа на DARPA Grand/Urban Challenge: «Само собой разумеется, тут другие задачи и другие аппараты, но мы стараемся применять те же способы для контроля и организации процесса над неточностями. В то время, когда мы разрабатывали беспилотные машины, мы записывали все дешёвые эти, дабы при неточностей возможно было совершить полный анализ, реконструировав проблемную обстановку. Данных было большое количество, так что задача вовсе не была несложной.

FMA оперирует меньшим числом данных, но тут множество аппаратов в один момент, и поведение этих аппаратов более разнообразно, так что сложность задачи записи всей полетной информации для анализа и «воспроизведения» (так мы именовали это в проекте DARPA Urban Challenge) сравнима».

Ближе к судьбе

Как подчеркивает доктор наук Д Андреа, FMA — тестовый полигон для фундаментальной науки: «Мы не фокусируемся на потенциальных приложениях, а изучаем фундаментальные вещи, разрабатываем методы для адаптации и обучения. Но это не свидетельствует, что у аналогичных разработок нет практических применений. На базе этих методов разработчики смогут создавать прикладные совокупности.

В качестве иллюстрации воплощения аналогичных фундаментальных разработок в судьбу могу привести пример компании KIVA Systems. Применяя базисные методы, каковые мы разрабатывали в Корнеллском университете для роботов-футболистов, участвующих в чемпионате Robocup, эта маленькая компания сделала роботов для работы на складе. Роботов KIVA Systems применяет для складских работ, к примеру, большая торговая сеть офисных товаров Staples».

«Квадрокоптеры — эргономичная платформа не только для науки, но и для коммерческих приложений, — додаёт Сергей Лупашин.- Уже на данный момент множество компаний делают на базе квадрокоптеров платформы для видеосъемки и наблюдения либо для инспектирования разных сооружений. Но чтобы сделать полноценную коммерческую беспилотную независимую совокупность, которая будет надежно трудиться в разных условиях — как в помещениях, так и на открытой местности, где необходимо учитывать огромное количество разных факторов, воздействующих на полет аппарата, — нужна хорошая база.

И вот созданием данной базы в виде комплекта адаптивных методов и алгоритмов управления мы и занимаемся. Хорошим примером может служить игра в бадминтон, в то время, когда два квадрокоптера перекидывают друг другу шарик-маркер, покрытый светоотражающей лентой. Данный пример думается далеким от настоящей судьбы, но он иллюстрирует то совершенство методов, которого необходимо достигнуть для успешного ответа задачи на практике.

Дело в том, что кроме того мельчайшая неточность в предсказании траектории либо методах управления ведет к «провалу миссии», другими словами к тому, что маркер падает на землю. Исходя из этого в таковой задаче нет мелочей, которыми возможно пренебречь, все должно трудиться на весьма большом уровне — и управление, и совокупность позиционирования. В нашем случае это камеры, но смогут быть и другие варианты (к примеру, лидары)».

Внешняя навигация

Дабы в один момент руководить несколькими летающими роботами в реальном времени, требуется определять их положение в пространстве. «на данный момент никого не поразишь применением навигационных совокупностей, как GPS, так и инерциальных, атакже гироскопов и акселерометров, — говорит доктор наук Д Андреа.- Они широко используются в коммерческих совокупностях, но для отечественных целей совсем ненужны. Нам необходимо отслеживать положение квадрокоптеров в пространстве с высокой точностью, порядка 1 мм, причем неоднократно в секунду, и вносить поправки в их перемещение.

Независимая совокупность обратной связи, которая имела возможность бы делать это с нужным быстродействием, через чур тяжела для таких маленьких аппаратов, исходя из этого мы выбрали второе ответ. Заобратную сообщение в FMA (Flying Machine Arena) отвечает совокупность захвата перемещения (motion capture), широко известная благодаря киноиндустрии. Восемь 4-мегапиксельных камер захвата перемещения компании VICON установлены над ареной.

Около объектива каждой камеры расположены светодиоды, излучение от которых отражается от маркеров на летательных аппаратах. Положение каждого аппарата отслеживается с точностью до 1 мм ичастотой 200 кадров всекунду, что по окончании обработки разрешает отправлять сигналы управления каждому квадрокоптеру 60 раз в секунду».

Дрессированные квадрокоптеры

Как растолковал «ПМ» доктор наук Д Андреа, квадрокоптеры были выбраны в качестве мобильной части независимой совокупности FMA по нескольким обстоятельствам. Во-первых, этоочень несложная и потому надежная конструкция. Четыре свободных пропеллера с фиксированным шагом обуславливают удобство и простоту управления.

К тому же квадрокоптеры очень подвижны и разрешают весьма скоро осуществлять маневры, практически неосуществимые с другими типами летательных аппаратов.

Собственных «мозгов» у квадрокоптеров нет, они оснащены только несложной приёмником команд и низкоуровневой системой стабилизации, каковые выдает центральный компьютер FMA. Для отслеживания совокупностью захвата перемещения на квадрокоптерах установлены маркеры — шарики, покрытые световозвращающей тканью. Квадрокоптер несет три таких маркера, причем их размещение лично, благодаря чему центральный компьютер совокупности имеет возможность опознавания каждого летательного аппарата, так что в воздухе смогут пребывать пара аппаратов в один момент.

Кстати, способ позиционирования посредством внешних совокупностей захвата перемещения имеет определенные возможности в коммерческих приложениях. Представьте себе, к примеру, независимые аппараты в помещениях, где недоступен сигнал GPS, либо на сложной местности, для которой нет «полетной карты», либо, к примеру, под водой. А камеры захвата перемещения в таких условиях смогут урегулировать вопросы позиционирования независимых аппаратов.

Квадрокоптеры

Квадрокоптеры — весьма эргономичный объект для моделирования. Они недороги, несложны, надежны, маневренны и легко управляются. Эти качества разрешают скоро контролировать на них алгоритмы управления и различные методы.

Еще одним важным преимуществом этих аппаратов, по словам Сергея Лупашина, есть огромное сообщество любителей, которое оказывает помощь скоро решать появляющиеся неприятности.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№106, август 2011).

Syma X9 Квадрокоптер или летающая машина car quadcopter


Темы которые будут Вам интересны:

Читайте также: