Проекты

Синхронизированный полёт группы БПЛА

Работа победителя конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Интеллектуальные робототехнические системы, беспилотные аппараты» среди работ учащихся 10–11 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 2010
Предметы: Физика, Математика, Информатика
Классы: 11 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

В современном мире быстро развиваются разнообразные технологии и создаются новые устройства. Одним из самых актуальных направлений развития являются БПЛА. Они быстро набирают популярность для выполнения тех или иных задач и с каждым годом открывают для себя различные задачи и функции. Одно из главных достоинств беспилотных летательных аппаратов – это отсутствие на борту человека. Благодаря этому, независимо от сложности поставленной задачи в связи с отсутствием пилота, жизни человека ничто не угрожает.

Цель

Создание синхронизированного полёта группы БПЛА.

Задачи

  1. Сборка БПЛА, изучение и сравнение двух режимов позиционирования БПЛА.
  2. Изучение библиотеки crazyflie-lib-python и приложения Crazyflie для работы с БПЛА.
  3. Написание программы, с помощью которой группа квадрокоптеров будет летать.
  4. Пробный полёт и проверка работы всей системы.
  5. Выявление ошибок и их исправление.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Компьютер
  • Квадрокоптер CrazyFlie
  • Якоря (8 шт.)
  • Тег
  • CrazyRadio (антенна)

Описание

Этапы работы над проектом

В проекте рассмотрены и сравнены два локальных метода позиционирования: TwoWayRanging (TWR – Дальномерный способ), TimeDifferenceofArrival 2 (TDoA 2 – разностно-дальномерный).

В дальномерном (TWR) режиме тег пингует (поддерживает радиосвязь, посылая радиоимпульсы) последовательно все якоря, что позволяет измерить расстояние между тегами и якорями. Достаточно 4 якорей, чтобы получить пространственное положение тега, однако для повышения точности лучше использовать около 6 якорей.

В разностно-дальномерном режиме (TDoA 2), система якорей непрерывно посылает синхронизирующие пакеты. Тег ловит их и высчитывает расстояние между двумя якорями, измеряя время задержки между прибытием этих пакетов. По этой информации можно вычислить пространственное положение тега. Так как в этом режиме теги только пассивно слушают, добавление новых не увеличивает помех в радиоэфире. Это даёт возможность управлять большими группами коптеров.

В своём проекте мы использовали Time Difference of Arrival 2 (TDoA 2), так как этот метод позиционирования даёт возможность управлять большими группами квадрокоптеров.

Оригинальные решения

По сравнению с TWR, TDoA 2 более требователен к местоположению квадрокоптера, и он не должен вылетать за пределы, ограниченные якорями. TDoA 2 работает лучшим образом с 8 якорями в углах комнаты. В этом случае точность сопоставима с TWR. В этом режиме система якорей работает с временным разделением и жёстко синхронизирована, поэтому число якорей ограничено 8.

При первой попытке запуска были выявлены некоторые ошибки. После всех исправлений при запуске 4 квадрокоптеров они совершили синхронный полёт, который был задан созданной программой. В итоге мы получили программу, по которой группа БПЛА может осуществлять полёт на местности, ориентируясь по якорям.

В итоге цель проекта была достигнута. В процессе работы были получены навыки программирования, необходимые для работы с квадрокоптерами: программирование их лётного маршрута, объединение БПЛА в группы, а также указание их навигационных точек. Были получены знания языка программирования Python 3, которым можно найти различное применение, изучена библиотека crazyflie-lib-python и приложение Crazyflie.

Результаты работы/выводы

При первой попытке запуска были выявлены некоторые ошибки, но они были исправлены (ошибки в коде и при первых попытках БПЛА находились на небольшом расстоянии друг от друга, что могло привести к их столкновению). После этого при запуске 4 квадрокоптеров они совершали синхронный полёт, который был задан программой.

Перспективы использования результатов работы

1.     Можно увеличить количество БПЛА. Например, использовать не 4 квадрокоптера, а 8 или более. Это даст возможность построения более сложных геометрических фигур (например, куба или пирамиды).

2.      Изменить действия квадрокоптеров (например, чтобы они меняли положение не только по высоте, но и в ширину, и в длину, или синхронно в полёте создавали какие-то фигуры, например, восьмёрку или овал).

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

РТУ МИРЭА

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» – призёр