Задание маршрута, конфигурирование полезной нагрузки, оперативное управление БАС - DRONE520/RF-BAS-COMMON GitHub Wiki

1. Введение

Задание маршрута БАС играет важную роль при выполнении задач разного рода. БАС способны быстро охватывать обширные территории и перемещаться по труднопроходимой местности 1(https://optiplane.ru/flight-planning?ysclid=m4zqixaive422459292).

Во время подготовки к полёту беспилотник получает определённый план и параметры полёта, а также полезную нагрузку (получение целевых данных, доставка груза и т.д.). К параметрам полёта относятся дальность, высота, скорость и траектория.

К конфигурированию полезной нагрузки также относится определение параметров сигналов. Некоторые цели такого определения:

Опознавание образов конкретных радиоэлектронных средств. Вид излучаемых сигналов, рабочие частоты, мощность излучения, параметры модуляции и другие характеристики позволяют установить связь между сигналами и возможным применением системы. После анализа и сравнения полученных данных с характеристиками известных сигналов можно сделать вывод о назначении системы.
Определение местоположения радиоэлектронных средств. Пространственные параметры сигналов определяют направление распространения радиоволн и их поляризацию, что помогает найти местоположение подавляемых систем.

Оперативное управление (ОУ) БАС — это возможность вносить изменения в полётное задание в зоне радиосвязи с помощью специального интерфейса 2(https://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-operativnogo-metoda-planirovaniya-zadach-dlya-roya-dronov-pri-podderzhke-yazykovoy-modeli). ОУ нужно для упрощения, повышения эффективности и безопасности управления беспилотниками. С его помощью можно:

Планировать и координировать задачи дронов в процессе полёта в режиме реального времени в изменяющейся среде. Для этого операторы могут предоставлять большой языковой модели высокоуровневые команды или обмениваться инструкциями на естественном языке.
Оценивать потенциальные риски во время полёта дронов, что помогает обеспечить безопасность.
Помогать в анализе данных, собранных беспилотниками, и создании отчётов. 1 Для этого используются алгоритмы машинного обучения, которые анализируют собранные данные и выявляют аномалии или потенциальные угрозы.

Оперативное управление дроном может осуществляться в разных режимах:

Полностью ручной режим. Оператор управляет дроном с дистанционного пульта. Применяется в условиях агрессивной среды и большого количества непредсказуемых факторов.
Полуавтоматизированный режим. Используется в благоприятных режимах, когда ситуация предсказуема, минимально количество внештатных ситуаций и факторов. Можно автоматизировать часть полёта, отдельные элементы (например, взлёт и посадку), а также видео- и фотосъёмку.
Автоматизированный режим. Применяется, когда ситуация полностью просчитываема, среда полёта благоприятная. Можно полностью автоматизировать полёт, обозначить задачи, по окончанию выполнения которых аппарат вернётся на исходную точку вылета.

В рамках проектно-технологической практики было необходимо:

изучить разнообразное ПО, которые позволяют управлять воздушными и маломерными транспортными средствами со своего компьютера, подключая соответствующие устройства и создавая путевые точки для автоматизированных маршрутов движения. Например, QGroundControl и MissionPlanner;
построить маршруты следования БАС;
модифицировать ПО под свои нужды и критерии: конфигурирование полезной нагрузки, например, приём и обработка радиосигналов на борту БАС;

2. Наземная станция управления БАС

2.1 Аппаратура наземной станции управления БАС

В рамках проектно-технологической практики использовалась ниже перечисленная аппаратура:

Телеметрическая радиостанция:

Имя устройства	        SiK Telemetry Radio V3 433 МГц  
* Подключаемый модуль для стандартных контроллеров полета Pixhawk
* Максимальная выходная мощность 100 мВт (регулируемая) Чувствительность приема -117 дБм
* Создание фрейминга протокола MAVLink
* Настраиваемый рабочий цикл расширения спектра с перестройкой частоты (FHSS)
* Настраивается с помощью планировщика миссий и APM Planner

Ноутбук:

Имя устройства	        LAPTOP-250DH04G  
Процессор	        AMD Ryzen 7 3700U with Radeon Vega Mobile Gfx     2.30 GHz  
Оперативная память	12,0 ГБ (доступно: 9,94 ГБ)  
Тип системы	        64-разрядная операционная система, процессор x64


Схема соединения ноутбука и телеметрической радиостанции

2.2 Программное обеспечение наземной станции управления БАС

Использовалась следующая операционная система:

Выпуск	                Windows 10 Домашняя для одного языка  
Версия	                22H2  
Дата установки	        ‎12.‎10.‎2022  
Сборка ОС	        19045.5011

QGroundControl и Mission Planner — это две популярные программы, используемые для управления беспилотными летательными аппаратами (БПЛА) и их планирования.

Mission Planner

Mission Planner - программное обеспечение для настройки и управления ЛА, оснащённого полётным контроллером ArduPilot Mega 3(https://ardupilot.org/planner/docs/mission-planner-overview.html).

QGroundControl

QGroundControl обеспечивает полное управление полетом и настройку квадрокоптера на базе полетных контроллеров PX4 или ArduPilot. Он обеспечивает легкое и понятное использование для новичков, но при этом обеспечивает поддержку функций высокого уровня для опытных пользователей 4(https://docs.qgroundcontrol.com/master/en/qgc-dev-guide/getting_started/index.html).

Сравнение QGroundControl и MissionPlanner

QGroundControl	MissionPlanner
Поддерживаемые платформы: QGroundControl является кроссплатформенным приложением, доступным на Windows, macOS, Linux, Android и iOS. Это позволяет использовать его на различных устройствах, включая мобильные телефоны и планшеты.	Поддерживаемые платформы: Mission Planner является программой для Windows и, в отличие от QGroundControl, не поддерживает другие платформы, такие как macOS, Linux или мобильные устройства. Это может ограничивать его использование для некоторых пользователей.
Интерфейс пользователя: QGroundControl предлагает интуитивно понятный интерфейс с поддержкой сенсорного управления, что делает его удобным для использования на мобильных устройствах. Интерфейс также можно настраивать под свои нужды.	Интерфейс пользователя: Интерфейс Mission Planner может показаться менее интуитивным по сравнению с QGroundControl. Он более ориентирован на опытных пользователей и может требовать некоторого времени на привыкание.
Поддержка протоколов: QGroundControl поддерживает протоколы MAVLink, что делает его совместимым с большинством БПЛА и систем управления полетом, таких как PX4 и Ardupilot	Поддержка протоколов: Mission Planner также использует протокол MAVLink и адаптирован для работы с Ardupilot, предоставляя глубокую интеграцию с этой системой управления.
Функциональные возможности: Программа позволяет планировать полеты, контролировать параметры в реальном времени, а также осуществлять мониторинг состояния БПЛА. Она включает в себя функции автопилота, такие как возврат домой, следование за объектом, создание маршрутов и многое другое.	Функциональные возможности: Mission Planner предоставляет обширные функции, включая планирование маршрутов, анализ данных с полетов, управление параметрами БПЛА и возможность записи полетных данных. Она также включает расширенные инструменты диагностики и настройки.
Настройки и параметры: Пользователи QGroundControl могут настраивать параметры полета БПЛА, а также управлять настройками камеры и другими компонентами. Однако, для более глубоких настроек может потребоваться использование терминала или другого программного обеспечения.	Настройки и параметры: Mission Planner предлагает более богатый набор опций для настройки и управления параметрами БПЛА, чем QGroundControl. Она позволяет тщательно настраивать оборудование и проводить диагностику.

QGroundControl подходит для пользователей, ищущих кроссплатформенное и простое в использовании решение для управления БПЛА. Mission Planner, в свою очередь, является более мощным инструментом для тех, кто работает с системами Ardupilot и нуждается в глубокой настройке и диагностике. Выбор между ними зависит от ваших конкретных потребностей и предпочтений. Наш выбор был сделан в пользу QGroundControl.

3. Расширение функциональности ПО наземной станции управления БАС

3.1 Определение помеховой обстановки в точке запуска и посадки БАС

При подготовке к запуску БАС важным этапом является оценка помеховой обстановки в зоне старта. Данная процедура особенно актуальна для диапазона частот, на котором осуществляется связь и управление БАС, в нашем случае — на частоте 433 МГц.

Для выполнения этой задачи используется Software-defined radio (SDR), которое позволяет проводить анализ радиочастотного спектра с высокой степенью точности. Подключив SDR-блок к ноутбуку, исследователь получает возможность мониторинга и визуализации сигналов, что является необходимым условием для оценки уровня помех.

Процесс оценки помеховой обстановки включает в себя несколько ключевых этапов. Во-первых, необходимо провести сканирование частотного диапазона в пределах 433 МГц для выявления активных сигналов. Это может включать в себя как легитимные радиосигналы, так и нежелательные помехи, которые могут негативно повлиять на работу БАС.

Во-вторых, важно анализировать характеристики обнаруженных сигналов: их мощность, модуляцию и временные параметры. Эти данные помогут определить, насколько безопасно запускать БАС в данной области, а также позволят разработать стратегии минимизации риска возникновения помех.

3.2 Конфигурирование полезной нагрузки БАС

В контексте исследования помеховой обстановки для БАС особое внимание следует уделить выбору и настройке полезной нагрузки, которая в данном случае представлена камерой и SDR блоком, таким как HackRF. Данный SDR блок играет ключевую роль в процессе мониторинга радиочастотного спектра, позволяя осуществлять прием и анализ сигналов, что является необходимым для оценки уровня помех в зоне запуска БАС.

Для эффективной работы с SDR блоком необходимо корректно задать параметры, которые влияют на качество получаемых данных. В первую очередь, это касается диапазона частот. Чем у́же будет установлен диапазон частот, тем более детализированным и точным будет анализ радиосигналов.

Кроме того, важным параметром является коэффициент усиления. Этот параметр определяет уровень чувствительности SDR блока к принимаемым сигналам. Правильная настройка коэффициента усиления позволяет оптимизировать процесс приема, обеспечивая баланс между улавливанием слабых сигналов и минимизацией влияния шумов. Слишком высокий коэффициент усиления может привести к перегрузке приемника и искажению данных, тогда как слишком низкий может не позволить обнаружить важные сигналы.

3.3 Создание и загрузка полетного задания БАС

Для составления полетного задания с помощью программного обеспечения QGroundControl необходимо выполнить следующие шаги:

Запустите QGroundControl и подключитесь к вашему аппарату (дрону, мультикоптеру, самолету).
Откройте вкладку "Fly Plan" в QGroundControl.


Интерфейс при открытии

В открытом окне выберете "Survay". Автоматически поставится точка Takeoff, она же Mission Start. Перенесите её в место, где хотите начать миссию.


Интерфейс полётной миссии

Нажмите на вкладку Survay справа на панели точек. Выберете Basic в панели Poligon Tools. Появится полигон облёта плана, его можете перенести в нужную зону и изменить размер.


Интерфейс полётной миссии

Во вкладке Survay нажмите на иконку с камерой. Выберете камеру. В зависимости от выбранной камеры может меняться сетка облёта.


Интерфейс полётной миссии

Можете настроить параметры для точек облета (Altitude, Flight speed и т.д.).
Проверьте все параметры миссии перед запуском, чтобы убедиться, что они корректны.
Откройте вкладку File слева, сохраните полетное задание для передачи на дрон в формате .kml.


Интерфейс полётной миссии

Загрузите полетное задание на дрон и запустите миссию.

4. Запуск, активация полетного задания, посадка БАС

После определения удовлетворительной помеховой обстановки в точке запуска, запускаю полётную миссию. Некоторые из возможных сценариев:

БАС взлетает, отправляется на миссию. Предполагается, что в некоторый момент времени после начали миссии, БАС теряет связь с наземной станцией управления, а так же с GPS. Ожидаем появления сигнала дрона, сигнализирующего о прибытии в зону стабильного сигнала связи (зона старта миссии). Дрон прилетает в конечную точку миссии, не совершает посадку, делает фото местонахождения, ждёт указаний от наземной станции. Зная местоположение БАС, по фото и по координатам, в ручном режиме ведем к месту посадки.
БАС взлетает, отправляется на миссию. Предполагается, что в некоторый момент времени после начали миссии, БАС теряет связь с наземной станцией управления, а так же с GPS. Ожидаем появления сигнала дрона, сигнализирующего о прибытии в зону стабильного сигнала связи (зона старта миссии). В случае низкого заряда батареи БАС может не долететь до конечной точки миссии, тогда он должен сделать фото своего местоположения, отправить его наземной станции, после приземлиться.

5. Получение журнала завершенной миссии, просмотр журнала

В современных БАС осуществляется интеграция различных сенсорных данных, что значительно повышает эффективность и точность навигационных и мониторинговых функций. В рамках данной системы имеется два ключевых блока данных: инерционные и глобальные навигационные данные, получаемые от GPS.

Инерционные навигационные системы представляют собой высокоточные устройства, которые используют различные сенсоры, включая акселерометры и гироскопы, а также компасы для определения положения и ориентации БАС в пространстве. Эти системы обеспечивают автономное определение координат, что является критически важным в условиях, когда сигнал GPS может быть недоступен.

Оба блока данных — инерционный и GPS — фиксируют три основных параметра: время, координаты и тип используемой навигационной системы. Это позволяет обеспечить синхронизацию данных и повысить их достоверность.

Кроме того, в БАС реализована функция сбора визуальной информации, что достигается за счет хранения пар данных, состоящих из фотографий и соответствующих временных меток. Каждое изображение фиксируется в определенный момент времени, что позволяет проводить дальнейшую обработку полученной информации.

SDR блок осуществляет сбор и анализ радиосигналов, предоставляя панорамные данные как по частоте, так и по времени. Такие данные являются неотъемлемой частью анализа электромагнитной среды, позволяя выявлять потенциальные источники помех и обеспечивать безопасность эксплуатации БАС.

На основе полученных данных должна строиться карта радиообстановки местности. Ее примерный вид изображен на рисунке ниже, где полет дрона в соответствии с миссией происходит вокруг корпуса физического факультета против часовой стрелки.


Пример карты радиообстановки местности

Следующими цветами обозначено:

зеленый - точка старта миссии;
фиолетовый - точка окончания миссии;
синий - точка маршрута, в которой нет помех;
красный - точка маршрута, в которой есть помехи.

6. Заключение

В результате работы было изучено ПО, позволяющее управлять БАС, а именно MissionPlanner, QGroundControl. Была предпринята попытка клонирования репозиториев обоих проектов для дальнейшей их доработки. В результате сборки возник ряд проблем.

При использовании Интернет-соединения ВУЗа часто попадалась ошибка о нестабильном соединении. По этой причине обрывалось клонирование репозиториев ПО. Решением проблемы является клонирование проекта по мобильному Интернету.

При сборке проекта MissionPlanner возникла ошибка, которую в результате не удалось решить. Она состояла в том, что компилятор не мог найти несколько мета-файлов.

Дальнейшим решением было перейти к сборке проекта QGroundControl. Но для этого необходимо скачать Qt. В силу определенных событий скачивание с официального сайта затруднено и были найдены обходные пути, а именно клонирования с github 5(https://vk.com/away.php?utf=1&to=https%3A%2F%2Fgithub.com%2Fqt%2Fqt5%2Ftags).

После окончания клонирования возникли ошибки при запуске CMake. Оставшимся вариантом является загрузка проекта через контейнер 4(https://docs.qgroundcontrol.com/master/en/qgc-dev-guide/getting_started/index.html). Но на реализацию данного метода не осталось времени.

7. Источники

Ведущий пилот «Оптиплейн» — о разработке миссий для дронов. URL: https://optiplane.ru/flight-planning?ysclid=m4zqixaive422459292
Использование оперативного метода планирования задач для роя дронов при поддержке языковой модели. Автор: Довгаль В.А. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-operativnogo-metoda-planirovaniya-zadach-dlya-roya-dronov-pri-podderzhke-yazykovoy-modeli
Официальный сайт MissionPlanner. URL: https://ardupilot.org/planner/docs/mission-planner-overview.html
Официальный сайт QGroundControl. URL: https://docs.qgroundcontrol.com/master/en/qgc-dev-guide/getting_started/index.html
Releases github Qt5. URL: https://vk.com/away.php?utf=1&to=https%3A%2F%2Fgithub.com%2Fqt%2Fqt5%2Ftags