Разработка лидара без движущихся частей под ROS для улучшения алгоритмов движения БПЛА в замкнутом пространстве

Актуальность

Беспилотные аппараты всё больше входят в нашу повседневную жизнь, однако у этих устройств в самых разных ценовых категориях существуют некоторые проблемы. Мой проект направлен на решение двух из них – проблемы обнаружения препятствий и проблемы автономной навигации в помещениях.

Цель

Разработка малогабаритного устройства, предназначенного для сканирования объектов окружающей среды в одной плоскости (отсюда в названии присутствует «2D»).

Задачи

1. Разработать панорамный сканер окружения без движущихся частей.
2. Собрать функциональный прототип.
3. Подготовить его к работе с ROS путём тестирования на роботе TurtleBro.
4. Протестировать готовый продукт на квадрокоптере под управлением ROS

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• ноутбук с установленным ПО
• станок лазерной резки
• модифицированная плата Arduino Mega
• для лидара (микрокомпьютер с ROS Raspberry Pi Zero W, датчики (х18) ST VL53L1CB, микроконтроллер для управления датчиками ST Nucleo F411RE)
• для квадрокоптера (рама ReadyToSky Martian II, полётный контроллер PX4 Autopilot PixRacer R15, моторы EMAX ECO 2306)
•  различные компоненты и расходные материалы, непосредственно использованные в устройстве.

Описание

Как известно, современные алгоритмы защиты, используемые в коптерах, не могут обеспечить максимальную безопасность устройства при автономном полёте. Немаловажной проблемой является также невозможность автономного полёта в помещениях ввиду низкой эффективности привычных систем навигации (GPS, Optical Flow). Таким образом, задачи, поставленные перед проектом, заключаются в решении вышеописанных проблем. Одним из вариантов решения является разработка устройства, которое позволит с высокой точностью определять препятствия, а также позволит беспилотному аппарату ориентироваться в замкнутом пространстве. Была поставлена задача разработать «лидар» (лазерный дальномер с большим полем зрения и высокой точностью распознавания объектов).

Автор исследовал проблему, проанализировал существующие пути её решения, разработал несколько функциональных прототипов устройства. Последний соответствует целям, поставленным автором. Автор разработал алгоритмы для сбора, корректировки и передачи данных с устройства. Вся работа над проектом была выполнена непосредственно автором проекта.

Результаты работы/выводы

Основная цель проекта была достигнута, поставленные задачи решены. В результате работы над проектом разработан функциональный прототип устройства, отвечающий поставленным требованиям, а также необходимое ПО для взаимодействия с устройством посредством фреймворка ROS (Robot Operating System)

Перспективы использования результатов работы

По окончании разработки финальной версии устройства планируется выложить проект в открытый доступ, чтобы каждый желающий смог воспользоваться устройством в своих целях.

После завершения испытаний финальной версии устройства начнутся испытания лидара в работе с такими алгоритмами, как построение карты с использованием SLAM-Gmapping, и одометрия на основании известной карты и данных с лидара с использованием алгоритма AMCL. Данные алгоритмы уже изучены на базе робота TurtleBro под управлением ROS.

Устройство может оказаться полезным для служб МЧС в поисково-спасательных операциях и при исследовании районов техногенных катастроф, а также для других разработчиков.

Мнение автора о своей работе, проекте «Инженерный класс в московской школе», конференции «Инженеры будущего», пожелания

«Мой проект, как мне кажется, интересен и полезен. Такое устройство действительно поможет расширить функционал БПЛА. Участие в конференции позволило мне поделиться своей идеей с единомышленниками, представить её экспертам и получить от них полезные советы. Я отточил навыки работы над проектом и (что тоже очень важно) навыки презентации своих идей»