Zařízení pro měření výkonových parametrů multikoptér

Oblast techniky

Vynález se týká návrhu hardwarového konceptu odnímatelného zařízení na principu senzorové sítě, umožňující časově synchronizované měření výkonových parametrů multikoptér, zejména bezpilotních multikoptér, sloužících pro dynamické sledování letu a následné vyhodnocování testovaných letových charakteristik bezpilotních prostředků. Technické řešení zařízení je po hardwarové stránce modulární, systémově umožňující zvýšit počet požadovaných senzorových jednotek v rámci senzorické sítě v závislosti na počtu ramen sledované multikoptéry. Hardwarové řešení klade primární důraz na nízkou hmotnost při využití senzorů s co největší vzorkovací frekvencí.

Dosavadní stav techniky

V posledních letech je možné sledovat rapidní technologický rozvoj v oblasti bezpilotních letových prostředků. Regulace legislativy vstupující v platnost od 1.1.2021 novelizuje nařízení, týkající se provozu bezpilotních letových prostředků na základě jejich letových charakteristik, avšak blíže nedefinuje metodiku testování požadovaných parametrů. Pro hodnocení letových parametrů je nutné mít časově synchronizovaná letová data, resp. záznam výkonových parametrů multikoptéry z testovacího letu.

Řídicí systémy multikoptér vyžadují množství letových dat získaných v reálném čase. Jako minimální vstupní informace do řídicího systému každé multikoptéry musí být informace o její vlastní poloze a orientaci v prostoru vzhledem k počátku souřadnicového systému. Za tímto účelem je každá multikoptéra vybavena tříosým gyro-akcelerometrem, který je integrován do plošného spoje řídicí jednotky. Senzor multikoptéře umožňuje na základě lineárního a úhlového zrychlení nepřímo dopočítat klopení, tj. úhlové změny, v jednotlivých osách. Klopení v jednotlivých osách je nezbytná informace pro řídicí systém a PID, složený z proporcionální, integrační a derivační části a kontroléru, ovládající výkon jednotlivých motorových jednotek. Dalšími letovými daty, kterými mohou disponovat řídicí systémy bezpilotních letových prostředků vyšších tříd, ať už z hlediska ceny nebo autonomního řízení, jsou GPS data, data o magnetickém kurzu, barometrická data, data o rychlosti vůči okolnímu prostředí nebo data o výkonu motorové jednotky. Všechna zmíněná letová data jsou nutná pro výpočet výkonových parametrů multikoptéry. Bezpilotní letové prostředky buď nedisponují všemi požadovanými senzory, příp. jimi disponují, ale jejich letový počítač neumožňuje uživateli nebo výzkumnému pracovníkovi zisk nezpracovaných surových výpisů letových dat za účelem určení letových charakteristik.

Jako vhodná substituce nebo duplikace senzorového vybavení bezpilotního letového prostředku za účelem zaznamenávání letových dat se logicky nabízí možnost využití dostupných systémů na snímání pohybu. Aktuálně dostupné systémy snímající pohyb lze rozdělit dle principu jejich fungování na optické, optoelektrické, magnetické, a inerciální. Každá ze zmíněných technologií má určité přednosti, které jsou vhodné na specifické snímání pohybu objektu. Při snímání a analýze pohybu běžně používanými inerciálními měřicími zařízeními sestává měřicí jednotka častokrát jen z 3-osého akcelerometru, 3-osého gyroskopu, barometru, kompasu a ve výjimečných případech standardního GPS modulu. Pro účely stanovení letových charakteristik pracuje standardní GPS modul s poměrně velkou mírou nepřesnosti měření jak nadmořské výšky, tak i rychlosti vůči zemi, neboť rychlost vůči zemi nekoresponduje s výše uvedenou rychlostí tělesa/multikoptéry vůči okolnímu prostředí. Úplná absence snímání dat reprezentujících výkon, resp. otáčky jednotlivých motorových jednotek multikoptéry, stejně jako rychlosti multikoptéry vůči okolnímu prostředí zdůrazňuje nevhodnost dostupných inerciálních zařízení na měření výkonových parametrů multikoptér. Žádné v současnosti existující zařízení nesplňuje funkci senzorové sítě s možností

- 1 CZ 309292 B6 modulové úpravy v podobě počtu a typu senzorů se specializací na zaznamenávání výkonových parametrů multikoptér.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny zařízením pro měření výkonových parametrů multikoptér, zejména bezpilotních multikoptér, obsahujících alespoň čtyři pohonné jednotky s vrtulemi, podle tohoto vynálezu. Jeho podstatou je to, že každá pohonná jednotka je opatřena infračerveným detekčním snímačem pro měření rychlosti každé pohonné jednotky samostatně, které jsou propojeny s mikrokontrolerem, tříosým akcelerometrem, tříosým gyroskopem, barometrem, kompasem a pitot-statickou trubicí a napájecím zdrojem, přičemž vzdálenost mezi infračervenými detekčními snímači a vrtulí je menší než 30 mm.

Mikrokontroler je s výhodou opatřen dalším modulem pro čtení mikro SD (Secure Digital) karet, tedy paměťových medií. Mikrokontroler, tříosý akcelerometr, tříosý gyroskop, barometr, kompas a pitot-statická trubice j sou ve výhodném provedení uloženy na vněj ším krytu ramen multikoptéry.

Napájecí zdroj je ve výhodném provedení umístěn na spodní straně multikoptéry v jejím středu.

Podstata a novost vynálezu týkajícího se zařízení pro měření výkonových parametrů multikoptér spočívá ve vytvoření komplexního měřicího zařízení struktury senzorické sítě, speciálně určeného pro testování letových charakteristik bezpilotních letových prostředků konstrukce multikoptér. Navržené modulární zařízení poskytuje uživateli letový záznam s časově synchronizovanými daty vypovídajícími o lineárních a úhlových zrychleních dosažených multikoptérou v průběhu letu, klopení ve všech třech osách (Pitch/Yaw/Roll), letové výšce, magnetickém kurzu, rychlosti multikoptéry vůči okolnímu prostředí a rychlosti otáček každé pohonné jednotky samostatně. Technické řešení dbá na co nejnižší hmotnost senzorické sítě jako celku, což umožňuje navrženou senzorickou síť aplikovat i na bezpilotní letové prostředky třídy CO (dle nařízení Komise v přenesené pravomoci (EU) 2019/945). Jednotlivé senzorové moduly zařízení jsou umístěny na vnější straně krytování multikoptéry. Nesporná výhoda zařízení spočívá v jeho využitelnosti pro celé spektrum multikoptér od kvadrokoptér se čtyřmi pohonnými jednotkami umístěnými na ramenech multikoptéry, přes hexakoptéry až po oktakoptéry.

Objasnění výkresů

Zařízení pro měření výkonových parametrů bezpilotních multikoptér podle tohoto vynálezu bude podrobněji popsáno na příkladu multikoptéry se čtyřmi pohonnými jednotkami za pomoci přiloženého výkresu, přičemž na obr. 1 je zobrazen schematický nákres multikoptéry s místy používaných senzorových modulů zařízení pro měření výkonových charakteristik multikoptéry.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příkladné zařízení pro měření výkonových parametrů bezpilotních multikoptér hardwarově sestává z mikrokontroleru, sady senzorů, modulu na čtení microSD karet a napájecího zdroje 2. Sada senzorů zahrnuje tříosý akcelerometr, tříosý gyroskop, barometr, kompas, pitot-statickou trubici 3 a moduly s infračerveným detekčním snímačem 4. Rozložení senzorů na bezpilotním letovém prostředkuje znázorněno na obr. 1. Mikrokontroler s modulem na čtení microSD karet, skupinou inerciálních senzorů, tj. tříosý akcelerometr, tříosý gyroskop, barometr, kompas, a modulem pitotstatické trubice 3 jsou umístěny na horním krytu multikoptéry v místě 1. Při výběru místa 1 je důležité brát v úvahu pozici jednotky řídicího systému (Flight Controler) testované multikoptéry. Pro docílení co nejvyšší přesnosti měření je požadováno, aby místo 1 bylo ve středu jednotky řídicího systému multikoptéry. Za účelem vyvážení mikrokontroleru a modulů umístěných na

-2CZ 309292 B6 místě 1 je na spodní straně krytu multikoptéry umístěn napájecí zdroj 2 napětí. Samotná pitotstatická trubice 3 směřuje dopředu tak, aby hrot na měření dynamického tlaku a otvory na měření statického tlaku nebyly v zóně turbulentního proudění vzduchu od vrtulí multikoptéry. Na každém ramenu multikoptéry jsou umístěny moduly s infračerveným detekčním snímačem 4 tak, aby vertikální vzdálenost mezi snímačem 4 a vrtulí v klidovém režimu nebyla větší než 30 mm.

Prototypové zařízení pro měření výkonových parametrů bylo naprogramováno v programovém jazyku C++. Komunikace 16MHz mikrokontroleru se všemi moduly s výjimkou infračervených detekčních snímačů 4 je zajištěna prostřednictvím I2C protokolu. Časově synchronizovaná letová data jsou se vzorkovací frekvencí 100 Hz zaznamenávána na microSD kartu. Data jsou předzpracovaná. Výpis dat má podobu lineárních (g) a úhlových (%) zrychlení dosažených multikoptérou v průběhu letu, úhlů klopení (°) ve všech třech osách (Pitch/Yaw/Roll), letových výšek (m), změn magnetického kurzu (°), rychlostí multikoptéry vůči okolnímu prostředí (m/s bez úhlové korekce) a rychlostí otáček každé pohonné jednotky (ot/min). Navržený ovladač má předprogramovanou autokalibraci gyroskopu, akcelerometru a modulu pro pitot-statickou trubici 3. Bezpilotní letový prostředek musí být pro potřeby kalibrace kompasu manuálně otočen hrotem pitot-statické trubice 3 směrem na sever. Zaznamenaná letová data senzorové sítě pro měření výkonových parametrů multikoptér jsou nahrávána paralelně, uložena v podobě .txt formátu a připravena pro další softwarové zpracování.

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro měření výkonových parametrů multikoptér, zejména bezpilotních multikoptér, ve smyslu tohoto vynálezu je určené pro specializovaná pracoviště v oblasti aviatiky s účelem outdoor (venkovního) dynamického kvantifikování výkonových vlastností multikoptér v průběhu letu, pro testovací pracoviště jako nástroj na experimentální získání dat pro potřeby kvalifikace bezpilotních letových prostředků do tříd a pro využití v rámci vědecko-výzkumné činnosti, např. pro zjištění vlivu závaží nebo nárazového větru na funkci autopilotního systému (PID kontroléru).