Какие датчики используют дроны?

Учитывая, что современные дроны делают их максимально простыми в использовании, становится легко принять как должное, насколько сложны и хорошо спроектированы эти дроны. Помимо механических компонентов, которые позволяют дрону создавать подъемную силу и маневрировать в воздухе, дроны также используют массив датчиков, которые постоянно собирают информацию из своего окружения. Обладая этой информацией, дроны могут сохранять свои позиции, определять свою скорость и избегать препятствий. Что это за датчики и как они работают?

1. Гироскоп

Самый простой из датчиков дрона, гироскопы дешевы и достаточно простой, чтобы его можно было интегрировать даже в дешевые мини-дроны. Несмотря на очень простые научные принципы работы гироскопов, они по-прежнему являются очень важными инструментами, которые используются для навигации в высококлассных самолетах и ​​космических челноках.

Гироскопы работают по принципу сохранения углового момента. Проще говоря, гироскоп состоит из вращающегося диска, который установлен на раме. Во время вращения диска ось его вращения остается на месте, независимо от наклона или поворота рамы, на которой он установлен. Установив инерциальную систему отсчета, гироскоп можно использовать для определения скорости вращения, степени наклона и угловой скорости движущегося объекта.

Гироскопы — универсальный инструмент, используемый для измерения или поддержание ориентации. Путем интеграции трех акселерометров, каждый из которых ориентирован по разным осям, можно определить степень движения дрона по любой оси. Это помогает собирать информацию о крене, тангаже и рысканье дрона и передавать эту информацию обратно в контроллер пропорционально-интегрально-производной (ПИД) дрона.

Практически во всех дронах гироскопическая технология используется. активно используется для поддержания стабильного зависания. Когда пилот не вводит данные, гироскоп обнаруживает любое отклонение от курса или покачивание дрона. Затем эта информация передается на ПИД-регулятор, который дает команду двигателям дрона противодействовать нежелательным движениям. Гироскопы настолько важны для стабильной работы дрона, что неисправность гироскопических датчиков с большой вероятностью приведет к аварии.

2. Барометр

Барометры — это датчики, измеряющие давление воздуха. В дронах эта информация о атмосферном давлении используется для определения высоты дрона. Принцип и технология, лежащие в основе этого процесса, довольно просты, но показания давления воздуха подвержены дрейфу из-за ветра или любых быстрых изменений в движениях дрона. Для обеспечения максимальной производительности барометры должны периодически использовать показания атмосферного давления на местном уровне моря.

Барометры есть почти во всех дронах и в основном используются для поддержания стабильной высоты.. В автономных миссиях беспилотников, в которых важно изменение высоты, также используются показания бортового барометра. Хотя технология GPS также может использоваться для определения высоты дрона, барометры выдают гораздо более точные данные и обеспечивают более быструю обратную связь, если они были правильно откалиброваны.

3. Акселерометр

Акселерометр дрона работает вместе с гироскопом, чтобы определять изменения в его положении и движении. Там, где гироскоп специализируется на считывании вращательных движений, акселерометр лучше показывает линейное движение вдоль любой оси. Акселерометры в сочетании с технологией GPS позволяют вашему смартфону или фитнес-устройству отслеживать ваш маршрут, когда вы бежите или путешествуете.

Так как же работают эти акселерометры? Есть несколько типов акселерометров, которые работают по-разному, но большинство акселерометров полагаются на пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрический акселерометр использует микроскопические кристаллы, которые генерируют ток, когда подвергаются напряжению. Это напряжение может быть вызвано ускоряющими силами, такими как движение объекта.

Помимо работы, выполняемой гироскопами, акселерометры также помогают дрону поддерживать стабильное зависание. Принцип по сути идентичен. Любое движение дрона, вызванное внешними силами, такими как сильный порыв ветра, будет обнаружено акселерометром и передано на ПИД-регулятор. Затем контроллер дает команду двигателям противодействовать движению.

Комбинация 3-осевого акселерометра и 3-осевого гироскопа — это то, что обычно называют 6-осевой гироскопической стабилизацией. Эта установка позволяет дрону сохранять горизонтальную, вертикальную и вращательную устойчивость во время зависания. Для таких приложений, как профессиональная фотосъемка с дронов и 3D-изображения, необходима 6-осевая гироскопическая стабилизация.

4. GPS

Технология GPS сыграла огромную роль в создании беспилотных летательных аппаратов для выполнения автономных миссий. Это не функция, которую можно найти во всех дронах, но она довольно стандартна для моделей профессионального уровня. Сравнивая фактическое положение дрона с его заданным положением, ПИД-контроллер определяет, в каком направлении должен двигаться дрон, и подает соответствующие команды на двигатели дрона.

Принцип, лежащий в основе технологии GPS, довольно прост. . Дрон оснащен приемником GPS, который может принимать сигналы от нескольких спутников GPS. В зависимости от местоположения источника спутника время, необходимое GPS-модулю дрона для приема сигнала, будет варьироваться. Путем триангуляции относительного положения дрона с разных спутников GPS можно определить местоположение дрона в указанной системе геопространственной привязки. Точность определения местоположения будет зависеть от силы сигнала, принимаемого модулем GPS дрона, и количества спутников в пределах его досягаемости..

Несмотря на широкое распространение технологии GPS, это не надежный метод определения местоположения дрона. Поскольку он основан на приеме сигналов от спутников, расположенных на орбите Земли, полет под любым навесом резко снизит способность дрона определять местоположение GPS.

Автономные режимы полета с использованием местоположения GPS. также будет работать только в том случае, если дрон может определить «направление» — в основном это указание того, где находится северное направление. Хотя можно определить курс на основе движений дрона и относительного местоположения по GPS, это можно сделать только до тех пор, пока дрон постоянно движется. При использовании этого метода также существует небольшая задержка, поэтому способность дрона следовать по заранее запрограммированному маршруту может быть не такой точной.

5. Магнитометр

В тех случаях, когда определение курса дрона с использованием только местоположения GPS нецелесообразно, дрон должен иметь магнитометр. Как следует из названия, магнитометр измеряет силу и направление магнитного поля. Используя этот принцип, дрон всегда может определить направление магнитного севера и соответствующим образом скорректировать свою траекторию.

К сожалению, очень легко сбить магнитометр с его курса. Все, что излучает магнитное поле, например линии электропередач, двигатели и другие электрические устройства, может нарушить работу магнитометра. Этого можно избежать, избегая таких мешающих источников и периодически выполняя калибровку магнитометра.

6. Дальномер

В дронах есть разные типы дальномеров, но все они выполняют простую задачу: определять, как далеко от земли находится дрон. Если это звучит так, как будто функция дальномера дублирует функцию барометра, тогда вы правы: дальномер — это, по сути, альтернатива барометру, который имеет более ограниченный диапазон, но гораздо более точен.

Чтобы дальномер работал должным образом, он должен быть постоянно направлен на землю. Наиболее распространенные дальномеры используют технологию сонара. Принимая звуковые волны с земли, гидролокатор-дальномер может определить высоту дрона. Лазерный дальномер работает примерно так же, за исключением того, что он использует лазеры вместо звуковых волн. У лазерных дальномеров большая дальность, но они и дороже.

Главный недостаток дальномера заключается в том, что он работает только тогда, когда дрон парит близко к земле. Вы можете спросить: зачем вообще использовать дальномер, учитывая ограниченный диапазон? Ответ заключается в точности. На показания дальномера не влияет дрейф или резкие изменения силы ветра. Также учитываются незначительные изменения топографии.

7. Блок инерциальных измерений (IMU)

IMU — это не совсем отдельный датчик дрона, а совместная работа нескольких датчиков.. В большинстве случаев IMU дрона состоит из акселерометров, гироскопов и магнитометров, каждый из которых работает по всем трем осям движения. Объединив возможности всех этих датчиков, IMU может обнаруживать изменения в местоположении и атрибутах вращения, связанных с креном, тангажом и рысканием самолета. Обнаруживая ориентацию и силу магнитных полей, IMU может даже принудительно выполнять калибровку на лету против дрейфа ориентации.

До того, как дроны стали обычным явлением, модули IMU составляли основу навигации системы пилотируемой авиации, спутников, космических кораблей и ракет. В настоящее время IMU настолько распространены, что их можно найти почти во всех смартфонах и планшетах, некоторых игровых контроллерах и самобалансирующихся ховербордах.

IMU позволяют дронам определять свое местоположение с помощью процесса, называемого «мертвым». расчет ». В этом методе положение дрона определяется с использованием ранее определенного местоположения и расчетных скоростей в течение периода времени из предыдущего считывания. Проще говоря, IMU непрерывно интегрирует ускорение дрона для расчета его скорости и положения. Эта технология позволяет дрону определять свое приблизительное местоположение даже при пропадании сигналов GPS, например, при полете в помещении.

Недостатком использования IMU нескольких датчиков является то, что ошибка, которую генерируют датчики, имеет тенденцию накапливать. Поскольку скорость и местоположение определяются путем интегрирования ускорения дрона, любая ошибка в числах ускорения приведет к экспоненциально более высоким ошибкам как в местоположении, так и в скорости. «Дрейф», вызванный этими ошибками, также может со временем увеличиваться.

По этой причине настоятельно рекомендуется периодическая калибровка IMU дрона. Программная калибровка IMU не является нормой для современных дронов, так что это не должно быть большой рутиной.

8. Обход препятствий

Датчики избегания препятствий не совсем стандарт особенность в дронах. Фактически, вы, вероятно, найдете эти датчики только в более дорогих и более дорогих моделях. Тем не менее, многие пилоты беспилотных летательных аппаратов высоко ценят функции предотвращения препятствий. По мере того, как дроны становятся еще более сложными, мы можем ожидать, что производители дронов будут соревноваться друг с другом, чтобы увидеть, кто может создать лучшую, более надежную и более точную систему предотвращения препятствий.

Разные дроны используют разные подходы к избегание препятствий. Стереоскопические датчики объединяют изображения с двух разных камер, чтобы определить трехмерные формы объектов вокруг них. Ультразвуковые датчики как передают, так и принимают ультразвуковые волны, определяя, насколько далеко дрон находится от потенциальных препятствий, используя разницу во времени между излучением и приемом сигнала. Инфракрасные датчики работают примерно так же, за исключением того, что они используют инфракрасные сигналы, которые менее подвержены перехвату.

Известно, что DJI комбинирует различные технологии предотвращения препятствий в своих дронах.. Например, Mavic 2 для обхода препятствий во всех направлениях использует инфракрасные датчики в восходящем и нисходящем направлениях, в то время как все передние, задние и боковые датчики используют стереоскопическую технологию.

Дроны Yuneec, как известно, использовали Intel RealSense. технология обхода препятствий. Эта технология использует специальную камеру для построения трехмерной модели окружающей среды с использованием стереоскопической техники. RealSense может запоминать построенные модели, увеличивая свою способность избегать препятствий, если он вернется в место, которое уже смоделировал.

Заключительные мысли

Во многих отношениях , датчики дрона можно рассматривать как его глаза и уши. С помощью различных датчиков дрон может определять свое местоположение и ориентацию в трехмерном пространстве. Эта ценная информация служит основой для систем навигации и управления дроном, позволяя либо сохранять устойчивое положение, либо двигаться в направлении, указанном пилотом.

Улучшение датчиков — создание датчиков, которые являются более точными, более отзывчивыми и накапливают меньше ошибок — вероятно, это один из следующих рубежей в инновациях дронов. Мы уже видели, как это происходит в более новых беспилотных летательных аппаратах со сложными системами предотвращения препятствий и технологией GPS с поддержкой IMU. Понимание того, как работают эти датчики, позволяет нам, пилотам дронов, оценить всю работу, которая требуется для того, чтобы наши маленькие летательные аппараты оставались в воздухе.

Оцените статью
futurei.ru
Добавить комментарий