AUTONOMICZNY SYSTEM STEROWANIA POJAZDEM DO WYKRYWANIA I NISZCZENIA MIN NIEMETALOWYCH

Transkrypt

1 dr inż. Robert ŁĘBOCKI Politechnika Warszawska Instytut Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej AUTONOMICZNY SYSTEM STEROWANIA POJAZDEM DO WYKRYWANIA I NISZCZENIA MIN NIEMETALOWYC Streszczenie: W pracy przedstawiono częściowo zagadnienia związane z projektem automatycznego mobilnego systemu wykrywania i niszczenia min niemetalowych. Autor skupił się na zagadnieniach związanych z nawigacją i sterowaniem platformy mobilnej na której umieszczono całość systemu. Przedstawione zostało głównie zagadnienie aplikacji systemu nawigacji opartego na zintegrowanym układzie PS/INS do układu sterowania platformą. MOBILE PLATFORM S AUTONOMOUS CONTROL SYSTEM FOR DETECTION AND NEUTRALISATION OF NONMETAL LAND MINES. Abstract: In the paper was presented a part of the project of the automatic mobile system for detection and neutralisation of non-metal mines. Autor focuse on the navigation and the control of the mobile platform. Especially application of the integrated INS/PS navigation system to the platform control system was described. 1. Wprowadzenie W artykule przedstawiono niektóre wyniki prac prowadzonych nad automatycznie sterowanym autonomicznym pojazdem naziemnym. Przedstawione wyniki są elementem wiekszego projektu którego celem jest opracowanie autonomicznego systemu wykrywania i niszczenia min niemetalowych i ładunków wybuchowych. System taki ma być umieszczony na mobilnej platformie z własnym napędem i układem sterowania umożliwiającym autonomiczne działanie w terenie. System wykrywania min wyposażony jest w urządzenia umożliwiające detekcję min i innych ładunków wybuchowych oraz w układ ich niszczenia lub neutralizacji. Problem lokalizacji min niemetalowych jest z technicznego punktu widzenia trudny, ponieważ konwencjonalne metody lokalizacji min (oparte o wykrywacze metalu) są w tym przypadku nieprzydatne. W projekcie proponujemy rozwiązanie tego problemu kilkoma sposobami. Wstępną lokalizacja min przeprowadzamy poprzez analizę ultradźwiękową lub w podczerwieni. Po wstępnym wykryciu podejżanego obiektu lokalizację min niemetalowych przeprowadzamy metodami wykorzystującymi analizę zapachową przy użyciu systemu elektronicznego detektora zapachu sztucznego nosa specjalnie wyczulonego na detekcję związków chemicznych wzbudzanych z obudowy miny, drugi sposób rozpoznania opiera się na możliwości wykrywania materiałów wybuchowych min za pomoc spektroskopii mobilności jonów (IMS). Niszczenie min odbywa się przy użyciu armatki bezodrzutowej lub poprzez pozostawienie na minie ładunku niszczącego. W tym celu wykorzystane są 13

2 mieszaniny termitowe. W trakcie prac opracowywana jest nieduża gabarytowo platforma mobilna z hybrydowym układem zasilania i kołowym układem jezdnym. Urządzenia do wykrywania i niszczenia min umieszczone będą na owej mobilnej platformie przystosowanej do autonomicznego wykonywania misji. Wskazany przez operatora obszar jest przeszukiwany według zadanej trajektorii ruchu pojazdu wyznaczanej przy pomocy układu nawigacji satelitarnej zintegrowanej z układem nawigacji inercjalnej. Wykorzystane zostaną tutaj także układy nawigacji wizyjnej oparte na algorytmach śledzących obraz terenu, po którym pojazd się porusza. Zapewni to precyzyjne przeszukanie całości wskazanego obszaru. Obecność ewentualnych przeszkód terenowych jest wykrywana przez skanowanie terenu oraz jego obserwację w świetle widzialnym. Zadania nawigacyjne obejmują tutaj oprócz poruszania się po przewidywanej trajektorii również określenie położenia miny, precyzyjne wycofanie platformy na bezpieczną odległość po pozostawieniu ładunku niszczącego lub wycelowanie urządzenia niszczącego. Pojazdy takie stanowić mają cenny element sieciocentrycznego systemu zarządzania polem walki. Platforma jest budowana na bazie opracowanego przez Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów robota pirotechnicznego IBIS. W prezentowanej pracy skupiono się na prezentacji zagadnień związanych z nawigacją opartą na zintegrowanych układach PS i IMU. Systemy te wykorzystywane są jedynie do nawigacji pojazdu po zadanej trajektorii. W momencie wykrycia miny główną rolę zaczyna odgrywać nawigacja obserwacyjna jako bardziej dokładna. Pozwala ona na precyzyjne podejście do miny a następnie wycofanie się na bezpieczną odległość przed jej zniszczeniem. 2. Metodyka pracy pojazdu naziemnego Ze względu na fakt iż podstawowym zadaniem badawczym projektu jest opracowanie nowatorskich metod wykrywania min niemetalowych, w opisie strategii poszukiwania min pominięto potencjalne utrudnienia terenowe. Tym samym możliwe jest eksperymentalne sprawdzenie możliwości wykorzystania nowatorskich metod nawigacji wizualnej. Pominięto zagadnienia poruszania się w terenie o powierzchni bardzo nierównej, typu rumowiska skalne lub o dużej liczbie przeszkód terenowych np. las. Założono, że pojazd porusza się po powierzchni poziomej, wykonując zadanie wykrywania i niszczenia min na trasie przygotowywanej dla transportu lądowego konwojów pojazdów lub grup ludzi, a więc, że pojazd porusza się wzdłuż zadanej drogi rozumianej jako droga czy przejście której pojazd ma za zadanie rozminować. Podsumowując pojazd porusza się wzdłuż zadanej trasy złożonej z odcinków prostoliniowych, lub łuków o stałym promieniu, między punktami trasy wprowadzonymi przez użytkownika do pamięci systemu nawigacyjnego pojazdu. Możliwe jest także zaprogramowanie ruchu pojazdu wzdłuż równoległych, bliskich trajektorii. Jednorazowy przejazd pojazdu wystarcza do rozminowania przejścia o wymaganej przez użytkownika szerokości. Możliwe jest to do uzyskania przez umieszczenie czujnika na ruchomym ramieniu, co pozwoli na poszerzenie obserwowanego obszaru. Po wykryciu miny pojazd zatrzymuje się rozpoczynając procedurę jej zniszczenia. Możliwe są następujące warianty zniszczenia miny. Pozostawienie ładunku niszczącego i oddalenie się na bezpieczną odległość po tej samej trajektorii. W tym celu nawigacja wizyjna zapamiętuje ostatnie 1m przebytej drogi. Oddalenie się na odległość bezpieczną z punktu widzenia wytrzymałości pojazdu taką, aby było możliwe zniszczenie miny przy użyciu działka pirotechnicznego). Oddalenie odbywa się po obszarze już sprawdzonym bezpiecznym. Z powyższego scenariuszy działania układu wynikają następujące zadaniealizowane przez układ nawigacyjny. 14

3 Do wykrycia miny - precyzyjne przemieszczanie obiektu po powierzchni ziemi wzdłuż trajektorii prostoliniowych lub łuków wyznaczonych przez punkty trasowe. Nawigacja realizowana jest przez układ PS/IMU oraz przez układ wizyjny. Kamera jest tu ustawiona prostopadle do powierzchni ziemi i przekazuje precyzyjne informacje o przemieszczaniu platformy (przemieszczenia i prędkości w ruchu płaskim). Po wykryciu miny - na podstawie informacji z czujników określane jest położenie miny (miejsce, gdzie została wykryta względem pojazdu). Pojazd powraca po tej samej trasie do bezpiecznego miejsca. Pojazd oddala się na zadaną odległość na podstawie obserwacji powierzchni a następnie mamy (drugie zadanie dla nawigacji obserwacyjnej) proces celowania obsługiwany przez inną kamerę lub tę samą pracującą w innym trybie (np. w innym pochyleniu niż 9 o ). 3. Zintegrowany układ INS/PS Podstawowym elementem układu nawigacji platformy jest odbiornik systemu nawigacji satelitarnej PS, a w przyszłości także europejskiego systemu nawigacji satelitarnej alileo. Planowane jest również zastosowanie pseudolitów do wspomagania nawigacji platformy. Zadania pojazdów przeznaczonych do celów bojowych wymagają często pracy w warunkach ciszy elektromagnetycznej. W terenie zabudowanym sygnał z satelity systemu nawigacyjnego może być niedostępny lub obarczony dużym błędem wielotorowości, przez co dokładność określania własnej pozycji platformy może być zbyt mała jak na potrzeby wykonywanej misji. Jako wspomagający zostanie użyty układ nawigacji inercjalnej zintegrowany z PS. Do wspomagania systemu nawigacji wykorzystane zostaną w projekcie także układy nawigacji oparte na algorytmach śledzących obraz terenu po którym pojazd się porusza. W celu uzyskania odpowiedniej jakości nawigacji i sterowania platformą opracowany został układ zintegrowany, wykorzystujące wszystkie wymienione wcześniej czujniki i metody. TRIADA PRZYSPESZENIOMIERZY Korekcja wspó ł czynnika skali kor Korekcja bł ędów zamocowania Filtr f Macierz transformacji C C Pole grawitacyjne r g V r Wartości pocz ą tkowe r V r f ( x, y, z ) V gps x, y, z gps Korekcja wspó ł czynnika skali i dryfu ω r kor Kalmana ω r kor f Algorytm obliczania k ą tów orientacji przestrzennej Q r = ( q, q 1, q 2, q 3 ) Ψ, Θ, Φ TRIADA IROSKOPÓW Filtr Kalmana PS x gps, y gps, z gps V N, V E, V Rys. 1 Schemat zintegrowanego układu nawigacji i sterowania INS/PS 15

4 Użycie do nawigacji połączenia systemów inercjalnego i nawigacji satelitarnej jest rozwiązaniem od pewnego czasu już stosowanym w lotnictwie oraz w układach naprowadzania pocisków sterowanych. Układy oparte na nawigacji inercjalnej jak INS dają pomiar stabilny i niezależny od zakłóceń zewnętrznych. Problemem jest jednak narastający w czasie błąd wynikający z procesu całkowania wskazań przyspieszeniomierzy i giroskopów prędkościowych stanowiących podstawę pomiaru. Z tego względu dokładny pomiar dają jedynie przez krótki czas. Z kolei system PS daje mniej więcej stały błąd niezależny od czasu. Może on jednak podlegać skokowym zmianom. Mogą wówczas następować zakłócenia związane ze zmianami konstelacji obserwowanych satelitów oraz odbiciami sygnału od budynków lub innych wysokich obiektów. Taki charakter sygnałów uniemożliwiał sterowanie obiektem w sposób ciągły na podstawie jedynie sygnałów PS. Nysunku 1 przedstawiono schemat integracji układu INS z układem PS. Rys. 2 Komputer klasy PC-14 Rys. 3 PS FlexPak Rys. 4 IMU 3DM-X2 Rys. 5 Konsola operatorska Układ ins wykorzystujący 3 przyspieszeniomierze i 3 giroskopy do wyliczenia pozycji i orientacji przestrzennej połączony jest z odbiornikiem gps poprzez filtr kalmana. Pozycja wyliczona w tym bloku wykorzystywana jest do aktualizacji wartości początkowych wykorzystywanych w całkowaniu przyspieszeń i prędkości w systemie ins. Założono, że 16

5 aktualizacja pozycji w układzie ins dokonywana jest gdy błąd wyliczonej pozycji przekroczy założony próg i sygnał z gps jest dostępny. Bardzo istotną kwestią w procesie integracji jest dobór współczynników filtra kalmana. W tym celu przeprowadzono serię badań laboratoryjnych oraz terenowych. Ich wyniki przedstawiono w dalszej części referatu. 4. Wyniki badań W przeprowadzonych badaniach wykorzystano posiadany w zespole z Instytutu Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej Politechniki Warszawskiej sprzęt. Jednostkę centralną stanowi komputer klasy PC-14 rys.2. Na platformie tej zainstalowano system operacyjny Neutrino firmy QNX. System ten wybrano ze względu na stabilność działania oraz pracę w czasie rzeczywistym. Oprogramowanie poszczególnych czujników, jak również aplikacje sterujące i nawigacyjne napisano w języku C++. W dotychczas przeprowadzonych badaniach wykorzystano odbiornik PS FlexPak firmy Novatell - rys. 3 oraz bezwładnościową jednostkę pomiarową IMU typu 3DM-X2 firmy MicroStrain rys.4. Komputer obsługiwany jest za pomocą konsoli operatora - rys. 5. W pierwszym etapie prac przygotowano oprogramowanie rejestrujące dane z wykorzystywanych czujników, oraz przeprowadzono próby laboratoryjne działania poszczególnych elementów układu. W trakcie tych prób wykonywano rejestracje stacjonarne oraz w ruchu. Rys. 6. Pojazd elektryczny Melex wykorzystywany do badań przez Zakład Automatyki i Osprzętu Lotniczego Politechniki Warszawskiej. 17

6 9 8 P S eodezja Y [m] X [m] Rys. 6 Porównanie wyników rejestracji PS z punktami pomiarowymi uzyskanymi z pomiarów geodezyjnych W drugim etapie prac wykonano rejestracje w trakcie jazdy po wcześniej zmierzonej trasie. Pomiaru trasy przejazdu dokonano z użyciem dalmierzy laserowych. W trakcie prób pokonano zmierzoną trasę, tymczasowo urzywanym do testów układu nawigacyjnego, pojazdem elektrycznym melex (rys. 6), będącym w posiadaniu Zakładu Automatyki i Osprzętu Lotniczego Politechniki Warszawskiej, na którym zamontowano czujnik IMU oraz odbiornik PS. Pojazd ten został specjalnie przystosowany do prowadzenia badań. Jest sterowany w pełni za pomocą sygnałów elektrycznych. Posiada system automatycznego sterowania w kanale kierunku i prędkości zastosowany do kierowania pojazdem bezzałogowym. Pojazd wyposażono w układ automatycznego sterowania i przeznaczono do testowania układów nawigacji i sterowania w ramach prowadzonych przez zespół badań. W trakcie prac badawczych, ze względu na ograniczony budżet, nie konstruowano układów wykonawczych sterowania od podstaw a jedynie dokonano ich adaptacji, z pomocą zespołu siłowników elektrycznych, tak ażeby możliwe było wykonywanie zadanej trasy w ruchu automatycznym. W przypadku jazdy z kierowcą pojazd jest sterowany w pełni elektrycznie z joysticka. Na podstawie uzyskanych wyników dokonano identyfikacji współczynników przeliczających pozycję otrzymaną z odbiornika PS do układu lokalnego. W dalszych etapach pracy wykonane pomiary posłużyły również do doboru współczynników obu filtrów Kalmana występujących w zintegrowanym układzie nawigacji INS/PS. Poniżej na rysunkach 6 i 7 przedstawiono wyniki rejestracji wykonanych podczas jazdy po trasie zamkniętej. Potrzebę integracji różnych czujników nawigacyjnych bardzo dobrze obrazuje porównanie kątów azymutu otrzymanych z odbiornika PS oraz wyliczonych z układu bezwładnościowego rys

7 Ax [m/s2] 2-2 x [deg/s] Ay [m/s2] y [deg/s] Az [m/s2] z [deg/s] Rys. 7 Wyniki rejestracji z IMU P S X Azymut [deg] C z a s [ s ] Rys. 8 Porównanie kątów azymutu otrzymanych z PS oraz układu INS. Nys. 8 widać, że w momentach gdy pojazd był zatrzymany (por. rys. 6) otrzymany z odbiornika kąt azymutu waha się w zakresie od do 36. Wynika to ze sposobu w jaki PS wylicza kąt azymutu porównując pozycję sąsiednich próbek. W tej sytuacji bardzo korzystne jest wykorzystanie informacji z układu bezwładnościowego. Jak widać azymut wyliczony z układu INS (wykorzystano algorytm kwaternionowy) zmienia się nawet w trakcie jazdy po prostej, lub w trakcie postoju. Wynika to z błędów numerycznych związanych z wyliczaniem położenia układu. Jednak w krótkich odcinkach czasu, w których sygnał z PS nie jest dostępny, można wykorzystać informację z INS do oszacowania orientacji i pozycji układu. Widoczne nys. 8 gwałtowne skoki wartości otrzymanych z INS są wynikiem sprowadzenia kąta azymutu do zakresu od do

8 5. Wnioski Z przeprowadzonych badań wynika, że sprzęt wyselekcjonowany do opracowania systemu posiada dostateczną dokładność i uzyskane wyniki mogą być podstawą do dalszych badań. Jednak bezpośrednie wyniki pozyskane jedynie z IMU lub PS są niedostatecznej jakości dla systemu sterowania platformy. Dlatego dalsze prace muszą skupić się na opracowaniu i doskonaleniu integracji tych systemów poprzez metody filtracji Kalmana. Kolejnym obszarem wymagającym dalszego rozwoju jest model przeliczający dane pozyskiwane z IMU. Dokładniejsze zamodelowania i uwzględnienie nawet niewielkich sił występujących w ziemskim polu grawitacyjnym poprawi jakość wyników uzyskiwanych z układu nawigacji. Prace wykonano w ramach grantu MNiSW nr Nr 6/R/T/28 Autonomiczny system wykrywania i niszczenia min niemetalowych. Literatura [1] Klotz., Derbak C. PS- aided navigation and unaided navigation on the Joint Direct Attack Munition IEEE [2] Ohlmeyer E. J. ; (22) uidance, navigation and control without gyros: a gunlaunched munnition concept. AIAA uidance, Navigation and Control Conference and Exhibit, Monterey California [3] Klotz., Derbak C. PS- aided navigation and unaided navigation on the Joint Direct Attack Munition IEEE [4] łębocki R, Żugaj M. asodynamic Control System for INS uided Bomb 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit January 29 11