NAVIGAČNÍ MODUL PRO QUADROCOPTER NAVIGATION MODULE FOR QUADROCOPTER

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV AUTOMATIZACE A MĚŘICÍ TECHNIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF CONTROL AND INSTRUMENTATION NAVIGAČNÍ MODUL PRO QUADROCOPTER NAVIGATION MODULE FOR QUADROCOPTER PROJEKT DO MRBT MRBT PROJECT AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. DAVID JURAJDA doc. Ing. LUDĚK ŽALUD, Ph.D. BRNO 2012

Obsah OBSAH 1 Zadání 2 2 Úvod 3 3 UAV quadrocopter projekty 4 4 Globální satelitní navigační systémy (GNSS) 5 4.1 Global position system (GPS)......................... 5 4.2 Globalnaja navigacionnaja sputnikovaja sistěma (GLONAS)........ 5 4.3 Galileo...................................... 6 5 Metody zpřesnění měření pozice 7 6 Výběr hardwaru 8 6.1 NVS NV08C-CSM............................... 8 6.2 Anténa Taoglas AGGP.35F.07.0060A..................... 9 7 Open-source knihovny 10 8 Navigační algoritmy 11 9 Implementace v řídícím systému quadrocopteru Uranus 12 10 Závěr 13 11 Seznam použitých zkratek a symbolů 15 1

1. Zadání Seznamte se s problematikou více rotorových letových prostředků, především quadrocopterů.seznamte se s problematikou navigace těchto prostředků ve vzdušném prostoru. Navrhněte vlastní navigační modul. Vyberte vhodně snímače (především pro satelitní navigaci) a navrhněte algoritmy. 2

2. Úvod Vzrůstající trend využití bezpilotních létajících prostředků (UAV) je zřetelný zejména v armádním sektoru. Z této skutečnosti můžeme usoudit, že v nejbližších letech dojde k rozšíření UAV i civilní oblasti. Lze si představit využití při monitorování velkých lesních ploch v rámci protipožární prevence, sledování dopravy, hlídkování v městských koridorech apod. V současnosti se objevuje využití pro zábavu, zejména v podobě rozšířených modelů quadrocopterů. Další oblastí je univerzitní výzkum. Masovému využití pro společensky prospěšné aplikace brání několik příčin. Problémová je nízká dobu letu malých bateriově poháněných zařízení. Překážky nejsou pouze technického charakteru, ale také neexistující právní předpisy (bezpečnostní normy, kontrolní orgány) definující pravidla použití bezpilotních strojů. Důležitou částí podmiňující provoz quadrocopteru ve venkovním prostředí je znalost polohy. Tato práce se zabývá možnostmi využití dostupných globálních navigačních satelitních systémů (GNSS) pro navigaci quadrocopteru. Na přijímač jsou kladeny protichůdné požadavky, je žádána velká přesnost a vysoká vzorkovací frekvence při nízké hmotnosti a malých rozměrech. Existuje několik hardwarových řešení, které poskytují uspokojující vlastnosti. Výběr vhodného přijímače a jeho klady a zápory jsou popsány dále. Přesná data jsou pouze základem úspěšné navigace. Významnou měrou se na konečném výsledku podílí také zpracování dat regulační algoritmus. Ve stávajících řešeních se používá dostačující PID zpětnovazební řízení. V závěru práce je uveden přehled open source programových knihoven pro podporu navigace a robotiky. 3

3. UAV quadrocopter projekty Výzkumu řízení bezpilotních létajících prostředků se věnuje mnoho univerzitních pracovišť po celém světě. Mnoho z nich se zabývá řízením quadrocopterů ve vnitřním prostředí bez možnosti využití GNSS. Tyto projekty používají měření polohy pomocí externího kamerového systému, nebo pomocí senzorů na palubě quadrocopteru jako jsou laserové scanery nebo senzorický systém Kinect. Tato koncepce je využívána pro mapování uzavřených prostor a budov. V oblasti řízení a navigace dosáhly zajímavých výsledků tato pracoviště: Pensilvania university Zurich university Chemnitz university MIT Návrhem open-source řídících algoritmů pro UAV se zabývá také několik komunitních skupin. Vybrány byly dva projekty, které vynikají svým rozsahem a kvalitou dokumentace: Paparazzi [6] Openpilot [7] Školní projekt realizovaný pod VUT v Brně nese název Uranus. Aktuální verzi Uranus Q2 je vyobrazena na obrázku obr. 3.1 Obrázek 3.1: quadrocopter Uranus Q1 4

4. Globální satelitní navigační systémy (GNSS) Globální satelitní navigační systém (GNSS) představuje souhrné označení pro navigační techniku navigace pomocí sítě satelitů obíhajících Zemi. Prvním plně plně funkčním se stal GNSS GPS vybudovaný v USA hlavně pro vojenské účely. Dalším státem, který uvedl do činnosti svůj GNSS se stalo Rusko se systémem GLONAS. Přítomnost dvou navigačních systémů nabízí možnost použití hybridních přijímačů, které díky fúzi dat dokáží pracovat s vyšší přesností. 4.1. Global position system (GPS) GPS je první funkční navigační systém vyvinutý v USA. Historický předchůdce GPS je navigační systém Transit. Počáteční operačníé dostupnost byla vyhlášena v roce 1993 (18 družic na oběžné dráze) a plná operační dostupnost o rok později (24 družic). Přelomovým rokem se stal rok 2000, kdy došlo ke zrušení selektivní dostupnosti a tím se otevřela cesta mezi GPS mezi širokou veřejnost. [8] Základní technické charakteristiky jsou shrnuty v tab. 4.1. Počet satelitů 31 L1 1575.42 MHz výška orbity 22 200 km geodetické datum WGS 84 Tabulka 4.1: Parametry GPS 4.2. Globalnaja navigacionnaja sputnikovaja sistěma (GLONAS) GLONAS je ruská alternativa amerického systému GPS. Vývoj byl zahájen v roce 1970 za dob sovětského svazu. První testovací družice byla vypuštěna v roce 1982. Mezi lety 1996 až 2001 došlo k úpadku tohoto systému. Od roku 2001 se opět pracuje na jeho rozvoji. Současný stav nedosahuje přesnosti GPS. Určení polohy je možné s přesností cca 50m. Povrch země aproximuje pomocí geodetického data PZ 90 (Parametry Zemli 1990). Díky projektu IGEX 98, byl nalezen exaktní vztah mezi vztažnými soustavami použitámi v systémech GLONAS a GPS. [4] Počet satelitů 24 L1 1601.5 MHz výška orbity 19 100 km geodetické datum PZ 90 Tabulka 4.2: Parametry GLONAS 5

4.3. Galileo 4.3. GALILEO Evropská forma GNSS nazvaná Galileo je nejmladší ze tří uvedených GNSS. Stále je ve fázi vývoje. Jeho plná operační dostupnost je plánována okolo roku 2020. [3] Počet satelitů 24 L1 1575.42 MHz výška orbity 23 222 km geodetické datum GTRF Tabulka 4.3: Parametry Galileo 6

5. Metody zpřesnění měření pozice Díky zrušení selektivní dostupnosti u GPS došlo ke zvýšení přesnosti pozice na úroveň, kdy bylo možné začít používat GNSS pro navigaci v civilních aplikacích. Pro precizní měření bylo vytvořeno několik technik korigování naměřených dat. Tyto techniky pracují na principu sítě referenčních stanic a komunikačních kanálů pro přenos korekcí. Sanostatné přijímače dosahují přesnosti okolo 10m. Při použití SBAS je možné dosáhnout přesnosti okolo 1,8 m (CEP95). Při použití kombinovaného příjimače GPS/GLONAS/EGNOS (bez fázového měření)je možné dosáhnout přesnosti okolo 0,8 m, což je dostačující pro navigaci létajícího prostředku o rozměrech 1000 x 1000 x 400 mm. Přesnost GNSS přijímačů je obvykle udávána těmito parametry: CEP 95 (R95) - Circular Error Probable, poloměr kružnice ve které se vyskytne 95 procent vzorků. RMS - Root Mean Squere (horizontální, vertikální) 2DRMS - twice the rms of the horizontal errors RMS - Root Mean Squere SEP - Spherical Error Probable 50% K měření přesnosti neznámého přijímače je potřeba přesně definovaný bod se známými souřadnicemi. Při měření pomocí CEP 95 bude tento bod představovat střed kružnice. Množství naměřených vzorků by mělo být co největší, z dostatečně velkého časového okna. Existuje několik metod umožňujících zpřesnění měřené polohy. Mezi tyto metody patří: DGPS (SBAS, GBAS) AGPS RTK Protokoly pro přenos korekcí: RTCM RINEX NTRIP 7

6. Výběr hardwaru Základním požadavkem na nový navigační modul je současné využití GNSS GPS a GLONAS. Dalším cílem je dosáhnout lepší přesnosti než 1,8 m (CEP 95). Na trhu působí několik výrobců produkujících kombinované přijímače, nebo čipové sady pro kombinovaný příjem. Jedná se o: NVS Ublox STM (Taseo2) Septentrio Základním požadavkem byl kombinovaná příjem GPS/GLONAS. Dále byl výběr přijímače řízen několika klíčovými parametry jako vzorkovací frekvence, hmotnost, přesnost, cena, dostupnost. Výsledkem je výběr přijímače NVS NV08C-CSM. 6.1. NVS NV08C-CSM Přijímač NVS NV08C - CSM je produktem švýcarské společnosti NVS Technologies AG [1]. Oproti konkurenci vyniká zejména přesností pozice 0,8 m (CEP 95). Pro navigaci UAV je důležitá rychlá vzorkovací frekvence 10 Hz. Hlavní vlastnosti přijímače jsou: GPS, GLONASS, GALILEO, COMPASS, SBAS L1 signals Rozměry 20x26x2,5 mm, SMT montáž 32 kanálů Podpora asistované GPS 200K korelátorů umožňuje rychlý TTFF a vysokou citlivost podpora RAIM NMEA 0183 (IEC 1162), BINR, RTCM SC 104 provozní teplota 40 až +85 C Přijímač vyžaduje minimum externích součástek. Jedná se především o aktivní anténu, která musí pro optimální funkčnost splňovat následující parametry: L1 GPS(1575.42MHz), GLONASS(1601.5 MHz) střední frekvence fc = 1590 MHz, šířka pásma 35 MHz zesílení včetně útlumu kabelu 20-30 db 8

6.2. ANTÉNA TAOGLAS AGGP.35F.07.0060A šumová činitel antény 2 db útlum signálu mimo frekvenční pásmo minimálně 35 db pro fc +/- 70 MHz a kondenzátor záložního napájení. Základem přijímače je čipová sada NVS08. Vzhledem k jeho malým rozměrům a pouzdru BGA není vhodný pro vývoj testovací aplikace. Výrobce pro tyto účely dodává vývojovou verzi CSM, která je uzpůsobena pro SMT montáž. Obrázek 6.1: Přijímač NVS08 [1] Komunikace s okolím je zajištěna pomocí dvou UART portů. Toto řešení dovoluje využít jeden port pro příjem RTCM korekcí a druhý pro odesílání změřené pozice. V případě použití speciálního firmware lze jeden z portů překonfigurovat na SPI nebo TWI rozhraní. 6.2. Anténa Taoglas AGGP.35F.07.0060A Anténa je jedním z hlavních činitelů ovlivňujících dosažitelnou přesnost navigace. Firma Taoglas byla založena v roce 2003 v Irsku. Vývoj je soustředěn v USA a na Taiwanu. Anténa Taoglas AGGP.35F.07.0060A byla vybrána po konzultaci s výrobcem přijímače NVS08-CM. Jedná se o aktivní keramickou anténu určenou pro dvou pásmový provoz (GPS, GLONAS). Hlavní parametry [2] charakterizující tuto anténu jsou: rozměry 35 x 35 x 3,7 mm přívodní kabel 60 mm φ = 1.13, typ IPEX MHFI vstupní napětí 1,8 V až 5,5 V ROHS kompatibilní frekvenční pásmo 1574-1610 MHz polarizace RHCP zesílení 27 db proudová spotřeba 10 ma při 3 V impedance 50 Ω 9

Obrázek 6.2: Anténa Taoglas AGGP.35F.07.0060A [2] 7. Open-source knihovny Vzhledem ke komplexnosti problému navigace UAV, je vhodné pro programovou implementaci využít dostupné open-source knihovny. Zjednodušit tak lze parsování NMEA řetězců, přepočty mezi souřadnou soustavou lon lat a UTM. http://nmea.sourceforge.net/ http://ogl-lib.sourceforge.net/ http://opensourcegis.org/open_source_gps.html http://www.roseindia.net/opensource/open-source-gps.shtml http://www.rtklib.com/rtklib_tutorial.htm http://petercorke.com/robotics_toolbox.html 10

8. Navigační algoritmy Jako základní navigační úlohy byly zvoleny stání na na místě a sledování bodů trasy. Pro úspěšnou realizaci je třeba nejdříve zvolit vhodný souřadný systém, kterým definujeme operační prostor quadrocopteru. VGS08 dokáže pracovat s následujícími aproximacemi zemského povrchu: WGS 84 - World Geodetic System 1984 (USA) PZ 90 - Parametry Zemli 1990 (Rusko) SK 42 - Krasovského elipsoid 1942 (Sovětský svaz) SK 95 - Krasovského elipsoid 1945 PZ 90.02 - modifikace PZ 90 z roku 2007 (Rusko) Pro navigaci quadrocopteru bude využíván celosvětový univerzální systém WGS 84, navržený pro vojenské účely států NATO. Tento systém je definován rozměry referenčního elipsoidu a přiřazenou souřadnou soustavou s počátkem v hmotném středu Země. geocentrický Nevýhodou těchto souřadných systémů je, že se jedná o elipsoid. Použijeme-li tedy geocentrickou polární soustavu (zeměpisná šířka, délka),nelze využít Pythagorova věta při výpočtu trajektorie. Můžeme použít kartézskou soustavu souřadnic ECEF (Earth Earth- -Centered, Earth-Fixed), ale i zde budeme mít problém s výpočtem vzdálenosti mezi dvěma body na povrchu elipsoidu. Řešením by bylo namapování povrchu elipsoidu do roviny při zachování vzdáleností. Tento princip používá univerzální transverzální Mercatorův systém souřadnic (UTM) [5]. Tento systém dělí světovou mapu do šedesáti zón. Výhdou je, že vzdálenost lze určit podle Pythagorovy věty, ale pouze pokud se oba body nacházejí e stejné zóně. 11

9. Implementace v řídícím systému quadrocopteru Uranus Řídící systém současné verze quadrocopteru Uranus je postaven na mikrokontroléru Stelaris LM3S6965. Softwarová obsluha je řešena pomocí operačního systému reálného času FreeRTOS. Ten zajišťuje správu jednotlivých řídících úloh a jejich časovou souslednost. Navigační algoritmy budou v rámci integrace do již existujícího systému implementovány v podobě několika procesů RTOS FreeRTOS. Díky podpoře protokolu RTCM je možné využít vlastní korekční stanice pro zlepšení přesnosti měřením. Dosažitelná přesnost by měla dle výrobcem uvedených parametrů dosáhnout 0,8 m (CEP95). Pokud by byla využita korekční stanice umístěná na střeše budovy Kolejní 4, bylo by třeba použít vhodný komunikační kanál mezi korekční stanicí a Pozemní stanicí quadrocopteru. Poté by šlo přenést korekce pomocí zprovozněné bezdrátové linky na palubu quadrocopteru. Znázornění navržené koncepce je na obrázku obr. 9.1. Obrázek 9.1: Koncept navigačního systému 12

10. Závěr Tato práce se zabývá návrhem navigačního systému experimentálního létajícího prostředku nazývaného quadrocopter. Konkrétně se jedná o navigaci školního quadrocopteru Uranus Q2. Základním kritétiem pro výběr snímače bylo zvýšení přesnosti měření oproti poslední verzi (1,8 m CEP95) a také zvýšení vzorkovací frekvence. Vybíráno bylo z několika dostupných přijímačů. Jako nejvhodnější byl zvolen přijímač NVS08-CSM od firmy NVS Technologies AG. Dle výrobcem udávaných hodnot umožňuje dosažení vzorkování 10 Hz a přesnosti 0,8 m (CEP 95). Těchto parametrů je možné dosáhnout díky kombinovanému příjmu signálu z GNSS systémů GPS a GLONAS v budoucnu také Galileo a SBAS systému EGNOS. Je také možné zavést korekce ve formátu RTCM z vlastní pozemní kalibrační stanice. Vzhledem k tomu že se jedná o modul bez antény, byla vybrána po konzultaci s výrobcem přijímače vhodná anténa Taoglas AGGP.35F.07.0060A, jenž splňuje požadavky pro příjem více satelitních systémů. Obslužný systém bude implementován v hlavním řídícím procesoru pod RTOS FreeRTOS. S výhodou je možné využít dostupné open-source knihovny pro zpracování dat, uvedené v kapitole 7. 13

Literatura LITERATURA [1] NVS Technologies AG. NVS08-CSM [on-line]. Dostupný z WWW: http://www. nvs-gnss.com/products/receivers/item/2-nv08c-csm.html> [2] Anténa Taoglas [on-line]. Dostupný z WWW: http://www.taoglas.com/ [3] GNSS Galileo [on-line]. Dostupný z WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/ Navigační_systém_Galileo [4] GNSS GLONAS [on-line]. Dostupný z WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/ GLONASS [5] Universal Transverse Mercator coordinate system [on-line]. Dostupný z WWW: http://en.wikipedia.org/wiki/universal_transverse_mercator_ coordinate_system [6] Paparazzi project [on-line]. Dostupný z WWW: http://paparazzi.enac.fr/wiki/ Main_Page [7] OpenPilot project [on-line]. Dostupný z WWW: http://www.openpilot.org/ [8] GPS [on-line]. Dostupný z WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/global_ Positioning_System/ 14

11. Seznam použitých zkratek a symbolů UAV Unmaned Aerial Vehicle GPS GLONAS Galileo M2M LNA SAW TTFF RAIM RINEX ROHS RTCM EGNOS GBAS RTK UART Global Position System Globalnaja navigacionnaja sputnikovaja sistěma Evropský navigační satelitní systém Machine to Machine Low Noise Amplifier Surface Acustic Wawe Time To First Fix Receiver autonomous integrity monitoring Receiver Independent Exchange Format popis symbolu Radio Technical Commission for Maritime Services European Geostationary Navigation Overlay Service Ground Based Augmentation Systems Real Time Kinematic Universal Asynchronous Receiver / Transmitter WGS84 World Geodetic System 1984 15