WYKORZYSTANIE INFORMACJI GPS DO STEROWANIA OBIEKTEM UAV Krzysztof Jaskot Politechnika Śląska, ul. Akademicka 16, 44-100 Gliwice Streszczenie W pracy rozpatrywano zagadnienie sterowania małym obiektem latającym wykorzystującym informację pochodzącą z układu GPS. Obiektem sterowania jest model śmigłowca spalinowego, w którym jeden z kanałów (ster kierunku) pracuje na podstawie informacji pochodzącej z układu GPS. Do sterowania wykorzystywany jest układ zbudowany z wykorzystaniem mikrokontrolera, którego zadaniem jest wypracowanie sygnału sterującego serwomechanizmem kierunku w zależności od położenia modelu śmigłowca. Informacja o położeniu pochodzi z systemu GPS oraz z tabeli waypoint ów wpisanych jako cele nawigacyjne do pamięci mikrokontrolera. W pracy przedstawiono budowę układu, jego konfigurację oraz wyniki prezentujące działanie układu do sterowania modelem śmigłowca. 1. Wstęp Autonomiczny model latający UAV (ang. Unmanned Aerial Vehicle) z założenia jest obiektem, który powinien poruszać się w nieznanym i dynamicznie zmieniającym się środowisku bez jakiejkolwiek ingerencji ze strony człowieka [2]. Kluczem do autonomiczności jest układ sterowania zbudowany w oparciu o informację dotyczącą położenia oraz cel lotu. W pracy rozważany był problem zastosowania informacji pochodzącej z systemu nawigacji satelitarnej GPS jako źródła sygnału sterującego sterem kierunku w modelu śmigłowca spalinowego firmy HIROBO (rys.1). Informacja o położeniu obiektu latającego pozyskiwana jest z wykorzystaniem protokołu NMEA (ang. National Marine Electronic Association). Wykorzystanie protokołu NMEA pozwala na otrzymanie informacji w postaci tekstowej o aktualnym położeniu obiektu a także po wprowadzeniu do systemu
informacji o pośrednich punktach docelowych (Waypoint) możemy otrzymać informację o aktualnym kursie [7]. W oparciu o własnej konstrukcji sterownik oraz pomiary pozycji modelu śmigłowca pochodzące z systemu GPS zrealizowano autonomiczne sterowanie sterem kierunku z wykorzystaniem regulatora PI. Nastawy do tak zrealizowanego regulatora dobrano doświadczalnie. Rys. 1. Model śmigłowca HIROBO i schemat sterowania. Fig. 1. HIROBO helicopter model and control scheme. 2. Konstrukcja sterownika Do budowy układu sterowania modelu śmigłowca spalinowego wykorzystano mikrokontroler PIC18F452 firmy Microchip [3]. Podstawowe cechy mikrokontrolera to: architektura RISC, szybkość zegara taktującego 20 MHz, 32 KB pamięci FLASH, 1536 bajtów pamięci na dane RAM, 256 bajtów pamięci danych zapisywanej w wewnętrznej pamięci EEPROM, 18 przerwań sprzętowych, 3 timery, 2 moduły PWM, szeregowa transmisja danych, równoległa transmisja danych i programowanie w układzie. Za wyborem właśnie tego mikrokontrolera przemawia również dobre wsparcie ze strony producenta w środowiska programistyczne Asembler/C, możliwość programowania w układzie (ang. ICSP In-Circuit Serial Programming) bez konieczności posiadania zewnętrznego programatora, oraz moduł debuggera-emulatora (ang. ICE In-Circuit Emulator), co w przypadku procesu tworzenia i testowania algorytmów sterowania umożliwia w łatwy sposób podgląd zmiennych oraz rejestrów procesora co umożliwia usuwanie błędów w programie. Dodatkową zaletą wykorzystanego mikrokontrolera jest wspieranie sprzętowego mnożenia, co pozwala na przyśpieszenie obliczeń [4]. Głównym zadaniem skonstruowanego sterownika jest analiza danych protokół, NMEA- przychodzących z układu GPS oraz wyznaczenie aktualnej pozycji i obliczenie korekty kursu. Następnie tak przygotowane dane są wysyłane do serwomechanizmu odpowiedzialnego za kierunek lotu. Dodatkowymi zadaniami, które realizuje sterownik to zapis do zewnętrznej pamięci EEPROM parametrów lotu oraz przełączenie układu w tryb pracy automatyczne i ręcznej (rys.2). Prezentowany sterownik oferuje również obsługę komunikacji z komputerem nadrzędnym, która wykorzystywana jest podczas zmiany oprogramowania sterownika. Sterownik jest konstrukcją prototypowa, w której ciągle wprowadzane są zmiany. Konstrukcja sterownika została podzielona na odrębne moduły:
Moduł sterownika zawierający mikrokontroler, wejścia sygnałów z odbiornika radiowego sterowanie ręczne, wyjście sterujące serwomechanizmem kierunku Modułu GPS, regulatora napięcia oraz układ konwersji poziomu sygnałów RS232 Moduł komunikacji radiowej CC1000 Rys. 2. Sterownik. Fig.2. Controller. Do pomiaru położenia obiektu latającego wykorzystano 12 kanałowy GPS Super- Star II (rys.3) firmy NovaTel [6]. Dokładność określenia pozycji w przypadku zastosowania pojedynczego modułu jest mniejsza od 5m. W przypadku trybu pracy różnicowej DGPS i wykorzystania dwóch modułów można otrzymać dokładność mniejszą od 1m. Dodatkowo informacja o położeniu może być pozyskiwana z maksymalną częstotliwością 5Hz. Bardzo przydatne jest również oprogramowanie StarView, które pozwala na łatwą zmianę parametrów pracy układu GPS. Dodatkowymi zadaniami, które realizuje sterownik jest zapis parametrów lotu pozycji śmigłowca do zewnętrznej pamięci EEPROM o rozmiarze 128KB. Tak zapisane dane mogą posłużyć do narysowania trasy lotu po zakończeniu misji. Rys. 3. Moduł GPS i aplikacja StarView. Fig.3. GPS module and StarView application.
Drugim ważnym zadaniem ze względu na bezpieczeństwo lotu jest możliwość przełączenia się z trybu pracy automatycznej na pełne sterowanie ręczne. W tym celu sterownik monitoruje sygnały przychodzące z nadajnika zdalnego sterowania poprzez analizę danych, które są dostępne w odbiorniku znajdującym się w śmigłowcu. Wykorzystywany jest w tym celu jeden z wolnych kanałów (Gear rys.2), który pozwala na natychmiastowe przełączenie z trybu automatycznego na sterowanie ręczne. Przełączenie ze sterowania ręcznego może zostać zrealizowane poprzez operatora znajdującego się na ziemi jak również przez sam sterownik w przypadku zaniku sygnału z systemu GPS. Oprócz wyposażenia zamontowanego na pokładzie śmigłowca do dyspozycji operatora jest stacja bazowa (rys. 4) w skład, której wchodzą: nadajnik zdalnego sterowania sterowanie w trybie ręcznym oraz zdalne przełączanie w tryb automatyczny moduł komunikacji radiowej CC1000 odbiór danych ze śmigłowca (RS232) komputer przenośny z aplikacją Kokpit służącą do wizualizacji lotu. Rys. 4. Wyposażenie stacji bazowej i aplikacja Kokpit. Fig. 4. Base station equipment and Cockpit application. 3. Autonomiczne sterowanie modelem śmigłowca Jako obiekt sterowania wybrano model spalinowego śmigłowca japońskiej firmy HIROBO Sceadu klasy 50 wyposażony w silnik OS Max. Wybór takiego modelu podyktowany był jego właściwościami lotnymi. Przy wymiarach 1190mm długości całkowitej i 1348mm rozpiętości wirnika głównego oraz masie startowej z pełnym wyposażeniem 3.6kg model cechuje się bardzo dobrymi właściwościami statycznymi oraz dynamicznymi. W przypadku realizacji zadań związanych z częściowym lotem autonomicznym szczególnie właściwości statyczne modelu mają bardzo duże znaczenie. W szczególności chodzi tu o dobrą odporność na podmuchy wiatru. W przypadku prezentowanego sterownika autonomiczne sterowanie modelem śmigłowca odbywa się tylko w jednym kanale sterowania. Kanałem tym jest ster kierunku. Po uruchomieniu sterownika następuje inicjalizacja modułu GPS. Po ustaleniu pozycji na wyświetlaczu LCD sterownika pokazuje się informacja o aktualnych współrzędnych i komunikat o gotowości do pracy. Komunikacja sterownika z GPS em realizowana jest z
wykorzystaniem protokołu NMEA. Prędkość komunikacji została ustawiona na 9600bps a częstotliwość odświeżania informacji GPS na 1Hz. Informacja z GPS a przesyłana jest w postaci GPRMC (Recommended minimum specific GPS data - $GPRMC) w postaci paczki danych składających się z dwunastu elementów: $GPRMC,073939.00,A,5017.3145,N,01840.6842,E,0.1,166.6,280307,,*39, gdzie zapisane są między innymi informacje o szerokości i długości geograficznej prędkości w węzłach oraz o aktualnym kursie względem kierunku północnego. Informacje w takiej postaci muszą zostać poddane analizie w celu otrzymania informacji, które posłużą do sterowania. Analiza danych z GPS a realizowana jest na przerwaniach, dzięki czemu mikrokontroler może również realizować pozostałe zadania: realizacja regulatora cyfrowego, sterowanie serwomechanizmem kierunku, zapis do pamięci EEPROM, kontrola trybu pracy manualny/automatyczny. Sygnałem sterującym, który dostępny jest na wyjściu sterownika jest przyjęty w zastosowaniach modelarskich sygnał PWM o częstotliwości 50Hz (T=20ms) i szerokości trwania impulsu t od 1ms do 2ms (rys.5). Przy czym szerokość impulsu 1.5ms określa pozycję neutralną co oznacza lot prosto. Zmiana szerokości impulsu oznacza zmianę kierunku lotu w lewo lub w prawo za pośrednictwem zmiany kąta natarcia łopat wirnika tylnego. Wykorzystanie standardowego elementu wykonawczego w postaci serwomechanizmu modelarskiego uprościło strukturę programu. Rys. 5. Sygnał sterujący serwomechanizmem. Fig. 5. Servo control signal. 4. Algorytm sterowania modelem śmigłowca W pracy zastosowano następującą powszechnie znaną z literatury [1] ciągłą postać regulatora PI: u ( t) kpe ( t) ki e ( t) dt, gdzie: α kierunek, k P, k I współczynniki członu proporcjonalnego i całkującego odpowiednio, e wartość uchybu. Regulator w postaci dyskretnej otrzymaliśmy po zastosowaniu kwadratury interpolacyjnej metodą prostokątów dla części całkującej i posiada on następującą postać: u ( kts ) kpe ( kts ) I ( kts ) kitse ( kts ), gdzie: T S oznacza czas próbkowania. W oparciu o wyżej przedstawioną formułę nastawy regulatora dobrano doświadczalnie. Zmiany nastaw regulatora realizowane były po każdym locie z wykorzystaniem informacji t 0
zapisanej w zewnętrznej pamięci EEPROM. Po wykonaniu lotu dane z pamięci były analizowane pod względem błędu regulacji w przypadku śledzenia kierunku. Postać dyskretna regulatora została zapisana w postaci funkcji z wykorzystaniem kompilatora C firmy CCS dla mikrokontrolerów Microchip. Przykład zarejestrowanego w czasie lotu przebiegu sygnału sterującego pracą serwomechanizmu przedstawiono na rysunku 6. Rys. 6. Przebieg sygnału sterującego serwomechanizmem w czasie lotu. Fig. 6. Servo control signal in flight. Loty testowe z wykorzystaniem zbudowanego sterownika realizowane były w następujący sposób. Informacje o położeniu punktów docelowych WP1WP4 były zapisane na stałe w pamięci sterownika. Po skończeniu procedury inicjalizacji systemu GPS następował start modelu w trybie ręcznym. Po osiągnięciu wysokości ok. 10m następowało przełączanie w tryb pracy automatycznej. W trybie tym pilot utrzymywał stałą wysokość oraz kontrolował kanały odpowiedzialne za przechylanie i pochylanie modelu a ster kierunku był korygowany w sposób automatyczny [5]. Rys. 7. Implementacja algorytmu PI w sterowniku (lot autonomiczny) Fig. 7. Implementation of the PI algorithm in the controller (autonomous flight).
Na rysunku 7 przedstawiono pomiary wykonane w czasie lotów testowych. W pierwszym z nich po zbliżeniu się do punktu docelowego następował obrót o kąt 90 stopni. Celem nawigacyjnym było osiągnięcie wszystkich punktów docelowych. W drugim po osiągnięciu przez model strefy związanej z punktem docelowym nawrót do następnego punktu docelowego był rozpoczynany zaraz po wejściu do strefy. Miało to na celu wykonanie bardziej płynnych manewrów zmiany kierunku lotu. 5. Wnioski i podsumowanie W oparciu o własnej konstrukcji sterownik podłączony do modułu GPS i zainstalowany w modelu śmigłowca spalinowego zrealizowano sterowanie jednym kanałem. Przeprowadzone eksperymenty potwierdzają przydatność takiego rozwiązania do sterowania obiektami UAV ale tylko w połączeniu z dodatkowymi układami określającymi położenie modelu w przestrzeni IMU (ang. Inertial Measurements Unit) [8]. Jak pokazano na przebadanych przykładach praktycznych zastosowany regulator PI z dobranymi doświadczalnie nastawami regulatora jest w stanie efektywnie sterować modelem do zadanego punktu docelowego. Dalszym etapem rozwoju układu jest praca w systemie z wykorzystaniem dwóch GPS ów pracujących w trybie różnicowym DGPS (ang. Differential GPS) co powinno w znacznym stopniu poprawić dokładność wyznaczania pozycji. Bibliografia 1. Gessing R.: Control Fundamentals, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2004. 2. Ollero A.: Controll And Perception Techniques For Aerial Robotics, 7 th IFAC Symposium On Robot Control, Wrocław 2003. 3. PIC18F452 Data Sheet, Microchip 2002. 4. Pietraszek S.: Mikroprocesory jednoukładowe PIC, Helion, Gliwice 2002. 5. Spunda B.: Latające modele śmigłowców, Wydawnictwa Komunikacji I Łączności, Warszawa 1984. 6. SuperStar II User Manual, NovaTel 2005. 7. SUPERSTAR II Firmware Reference Manual, NovaTel 2005. 8. Tomczyk A., Pieniążek J.: Modelowanie i symulacja sterowania ruchem bocznym samolotu. IV Konferencja Awioniki, Zeszyty naukowe Politechniki Rzeszowskiej nr213, Rzeszów, 2004. IMPLEMENTATION OF GPS INFORMATION TO CONTROL OF UAV MODEL Krzysztof Jaskot Silesian University of Technology, 16 Akademicka St., 44-100 Gliwice fax. (+ 48 32) 2371165 tel. (+ 48 32) 2372750, e-mail: krzysztof.jaskot@polsl.pl
In this paper was considered problem of automatic control of helicopter model using information from GPS system. Structure of the controller board which basis on the PIC 18F452 micro controllers based on the RISC (35 instructions) Harvard architecture are described. The base station equipment are also described. Considered in this work helicopter model it was delivered by the HIROBO Ltd., as a Radio Control model. Results of real application are also shown fig. 7. The obtained properties of the system have been effected that it can be used for future research and autopilot design project.