WO2016020570A1 - Sistema y método para la planificación de vuelo autónomo - Google Patents

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WO2016020570A1
WO2016020570A1 PCT/ES2015/070578 ES2015070578W WO2016020570A1 WO 2016020570 A1 WO2016020570 A1 WO 2016020570A1 ES 2015070578 W ES2015070578 W ES 2015070578W WO 2016020570 A1 WO2016020570 A1 WO 2016020570A1
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flight
planning
aircraft
controller
subsystem
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PCT/ES2015/070578
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Fidel AZNAR GREGORI
Ramón RIZO ALDEGUER
Mar PUJOL LÓPEZ
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Universidad De Alicante
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    • B64U2201/10—UAVs characterised by their flight controls autonomous, i.e. by navigating independently from ground or air stations, e.g. by using inertial navigation systems [INS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B64U2201/102—UAVs characterised by their flight controls autonomous, i.e. by navigating independently from ground or air stations, e.g. by using inertial navigation systems [INS] adapted for flying in formations
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    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U2201/00—UAVs characterised by their flight controls
    • B64U2201/20—Remote controls

Definitions

  • VANT Unmanned Aerial Vehicles
  • the first aspect to deal with is the status of the controllers of unmanned aerial vehicles.
  • patent AU2012273710 describes a device that in addition to controlling the aircraft provides a communication mechanism with a control base to perform a offensive action indicated from the ground.
  • a remote control mechanism is defined, it is only focused on the development of a specific action. Neither the operator nor the aircraft can perform any other complementary action that has not been previously programmed. This is an important limitation of the system, since changes in the initial planned conditions can abort the mission even when the takeoff and flight have been carried out correctly. In real missions, which require complex actions, it is very difficult to predict and establish all actions possible.
  • a system without autonomy of decision on the action to be carried out can lead to a premature abortion of the current mission mainly due to lack of flexibility or delays in the Perception / Planning / Action cycle.
  • a flight controller is presented that performs the stabilization controls of the aircraft but without the possibility of interacting with it through this control board. It is therefore a controller that allows only the lift of the aircraft, therefore requiring a pilot to perform the flight.
  • the controller provides facilities for piloting but does not provide autonomy to it, outside the possibility of planning waterproof routes, guided by GPS. It is therefore a controller only intended for conventional flight of this type of systems. Nor does it provide an interface on which more advanced flight planning systems can be designed, since the only intended interaction is the usual one in this type of controllers, using the signals from a radiocontrol command.
  • patents related to unmanned aerial vehicle controllers that have been detected do not allow flexibility in the actions to be carried out, do not allow the implementation of autonomous flight systems not pre-established under the route and do not provide interfaces to be able to use such controllers in planters Highest level.
  • the second aspect that can be analyzed is the status of commercial flight control devices.
  • flight controllers There are several flight controllers currently available in the market.
  • One of the best known is the NAZA and WooKong controller of DJI INNOVATIONS (www.dji.com).
  • patent CN103342165 defines the characteristics of the Naza control module.
  • This device provides the necessary control mechanisms to be able to support a multirotor by manual control and also be able to perform GPS-guided control tasks. As in the previous case, these guidance tasks are established prior to the flight (directly by the user, or indirectly, returning to the takeoff point). A Once the aircraft has taken off, it follows the control points established in the flight plan without the possibility of leaving them or incorporating new routes once the device has taken off.
  • a system and method has been invented whose purpose is to provide a mechanism to allow high-level planning of flight control plates that implement the MAVLINK protocol, managing to execute dynamic flight plans and with total autonomy adapting to the conditions of the aircraft and the environment.
  • the system is based on any flight controller that implements the MAVLINK protocol and executes an autonomous flight planning method, capable of providing a layer of non-existent functionality in current flight controllers.
  • the method presented here allows first obtaining data from any flight controller compatible with the system.
  • This information includes information related to the plate, the aircraft to be controlled, readings of the plate odometry and its configuration. Also allows communicate the new path to be followed by the aircraft as well as the type of flight (flight mode) to be developed.
  • the proposed method allows to execute a high-level flight plan, which develops a behavior depending not only on the state of the aircraft, but on the surrounding environment.
  • the system integrates a device responsible for obtaining sensory data, both from the flight controller and from those sensors connected to the device by means of several subsystems. It also allows communication with other devices of the same type to achieve cooperation task in systems with multiple VANT.
  • the presented system provides the necessary mechanisms to establish a high-level flight plan, which executes a behavior depending not only on the state of the aircraft, but on the surrounding environment.
  • the device integrated in this system uses a built-in card of small dimensions and low weight that is connected to a flight controller through the MAVLINK protocol, reads the flight variables of said controller and also obtains the data from the on-board sensors those available to the aircraft (mainly communication modules or vision modules).
  • Said flight plan may be selected from an initial set of predefined plans or it may be designed and introduced by the user into the system as a new plan through a specific platform before the aircraft is in motion. So before displacement, the high-level flight plan is defined.
  • This method enables a specific sensing of the electronic device for flight planning for a given task and the subsequent acquisition of sensory data at the frequency indicated in a flight plan.
  • the method used comprises the following steps: ⁇ Verify device status.
  • the present invention also includes a system that incorporates the means necessary to execute the flight planning method.
  • This system includes the following elements:
  • FIG. 1 Detail of the electronic device for flight planning integrated in the final system. The connection of the electronic device for flight planning is observed with the flight controller as well as with the different modules for obtaining data and consulting flight records.
  • FIG. 1 Detail of the subsystems that form the presented flight planning system. The subsystems and the interconnection between them are shown.
  • Figure 3. Anchor box of the electronic device for flight planning. The input / output ports, their physical characteristics and the position of the anchors are shown.
  • the flight planning method is described in more detail.
  • new routes can previously be added through the planning aid subsystem 17, which is responsible for providing an acquisition and verification interface for the flight plans specified by the user responsible for developing the planning 14.
  • the subsystem determines the correct use of the API provided by the electronic device for flight planning 16 and signals the planning script on the device using the flight script module 6. It also establishes the values of the necessary attributes for all basic functionalities and Verify that those entered in the planning script are within the operating range allowed for a specific aircraft.
  • the aircraft 21 is the unmanned aerial vehicle where the electronic device for flight planning 16, the radio frequency receiver 15, the communications subsystem 18, the signal acquisition subsystem 19, the notification subsystem and logs 20 are located and finally flight controller 12.
  • Flight controller 12 is responsible for the sustainability of the aircraft 21 and is therefore responsible for low level communication with both the engines and the radio frequency receiver 15.
  • the device Electronic for flight planning 16 continuously sends orders to the controller to move the aircraft 21 to the required location.
  • the proposed system can use any flight controller capable of communicating over RS232 using the MAVLINK protocol.
  • the user is always allowed to disconnect the electronic device for flight planning 16 and take manual control of the ship, interacting directly with the flight controller 12 from the radio frequency receiver fifteen.
  • the autonomous flight planning method comprises the following stages:
  • Verify device status initially the status of the electronic device for flight planning 16 and the integrity of the components are verified.
  • the electronic device for flight planning 16 is responsible for reading the flight plan specified by the flight planning assistance subsystem 17 and executing it on flight controller 12. It provides a high-level API oriented to the rapid prototype of behaviors that can interact with all system modules. As can be seen in figure 1, the device consists of several layers organized in a hierarchical manner. In the lower layers the hardware and its dependent components are defined, while in the upper ones there are management and planning systems.
  • the first layer defines the hardware of the device 1 which in broad strokes consists of an ARM CPU, DRAM memory and an SD storage system along with a NAND Flash memory.
  • the second layer is the operating system 2, based on the POSIX standard. Depending on the flight planning requirements of the device, this operating system can be RTOS-Soft or RTOS-Hard. Depending on the RTOS used, it may be necessary to include a virtualization layer 3 on which the level applications are executed superior. More specifically, at this stage, the communication buses are checked and it is verified that they have access to the system sensors and their operation. It is verified that the temperature of the electronic device for flight planning 16 is in its operating range ( ⁇ 90C), as well as the running processes and free memory. In addition, the read / write capability of the RS232 ports is checked with the communications subsystem 18 and the devices connected to the USB ports of the signal acquisition subsystem 19 are listed. A connection test is performed to the devices of the acquisition subsystem of signal 19 to validate its operation.
  • a high-speed connection (1 15200bps) is then made to flight controller 12 and a HEARTBEAT packet is validated that validates its proper operation.
  • a HEARTBEAT packet is validated that validates its proper operation.
  • the user is notified that the entire initialization phase has been correct by means of an acoustic warning (enabling the specific pins of the Buzzers 24 connection port) and visual using LEDs through the notification subsystem and logs 20 enabling the corresponding pins of the notification LEDS connection port 25.
  • the module or modules that caused the problem are notified.
  • the notification and logs system 20 is responsible for monitoring the system constants and notifying the user visually (LEDS) or acoustically (Buzzer) different status changes or errors of the electronic device for flight planning 16. It also allows to store, if required, the operating status of the electronic device for flight planning as well as the data acquired by its signal acquisition subsystems 19 and communications 18.
  • Obtain flight data flow from the controller a flow of the flight data from the flight controller 12 is obtained continuously. Within this data are the current speed of the
  • VANT its full orientation in 3D space or its GPS coordinates. More specifically, a MAVLINK message is sent to the flight controller 12 for each grouping of data to be obtained. MAVLINK groups related data in packets, which will be returned for each request to the electronic device for flight planning 16, through the established high-speed RS232 connection. The electronic device for flight planning 16 is responsible for verifying the integrity of the received packets and unpacking only the required data. By default, as many readings as possible are made to the electronic device for flight planning 16.
  • Acquire signal flow and communications in the same way a data flow is obtained at the frequency indicated in the flight plan, from the sensors connected to the signal acquisition subsystem 19.
  • An interface is provided to integrate modules immediately Long-range 1 1 communication, compatible with XBEE modules and HD 10 video cameras, compatible with video4linux drives.
  • the video data can be processed in the computer vision module 5 for later use using standard image processing algorithms.
  • the signal acquisition subsystem 19 is the system that extends the electronic device for flight planning 16 to provide it with signal acquisition capabilities.
  • USB, RS232 and I2C interfaces are provided.
  • the electronic device for flight planning 16 is prepared to communicate directly with high resolution camera sensors compatible with the video4linux protocol using the vision subsystem.
  • the computer vision subsystem 5 is responsible for processing the images received by the signal acquisition subsystem 19 with the algorithms specified by the user. At the beginning the user has available a series of standard vision functions, which in turn can be extended.
  • Communications subsystem 18 provides a standard communication system using modules compatible with XBEE 1 1.
  • the frequency and The mode of data acquisition can be specified in the flight plan.
  • This subsystem is the one that makes it possible to obtain flight data and achieve the plan, in real time, by using a ground station. In the same way it is the necessary subsystem for the implementation of collaborative tasks that require collaboration between aircraft.
  • the messaging module 7 allows, in a fully distributed manner, access to any other VANT or ground station that is directly accessible or through any other interconnected VANT using the communications subsystem 18.
  • Point-to-point communication is allowed with any device at a distance of up to 1.5 km.
  • the frequency and mode of data acquisition for each of the modules can be specified in the flight plan.
  • Verify autonomous flight safety status Before proceeding to execute the flight plan, it is verified in the safety layer 4 of the electronic device for flight planning 16 that a certain radio frequency channel, programmed in advance, is activated. For this, a flag of the radio frequency receiver 15 connected to the Futaba port for RF receiver 26 is read continuously.
  • the radio frequency receiver 15 is responsible for receiving the data from a standard radio frequency station. Its mission is twofold, on the one hand it provides the user 13 with the control of the aircraft 21 in manual mode and on the other hand, he is in charge of receiving the indication of execution of the flight plan in automatic mode, and therefore it is the receiver that check the security layer 4 of the electronic device for flight planning 16 continuously.
  • This check is carried out in intervals of 1 s, so that at any time a user of the system can immediately interrupt the automatic flight and regain manual control of the aircraft. Both the activation and shutdown of the emergency channel are notified to the user by means of a characteristic acoustic signal.
  • the security layer 4 provides support so that the user can at any time abort a planned mission and return manual control to the aircraft. It is therefore responsible for verifying the receiver of radio frequency 15 connected to both flight controller 12 and electronic device for flight planning 16.
  • Flight script module 6 is responsible for providing a library of functions of basic control of the aircraft, such as following a specific flight pattern or locating a specific marker and also executing the script provided by the user 13. This execution process requires verifying that the data sent by the user is within the established values as insurance for the aircraft 12, which is developed in the flight planning aid subsystem 17.
  • the planning layer 8 is the coordinator of all the modules of the previous layer and is therefore responsible for correctly developing the mission.
  • the method allows to plan the new trajectory of the aircraft completely autonomously. For this, it only requires high-level guidelines that are established in a flight plan. These directives determine how the new route is calculated in real time, and the user can establish, for example, whether it is desired to follow a ball or perform a formation in the air when a certain height is reached.
  • the flight plan is not a fixed route, but a high-level script that allows to develop a fully autonomous flight, not previously established (which does not occur in the case of current flight controllers).
  • the selected flight plan is executed (chosen from a series of example plans or programmed by the user using the corresponding API) using the flight script module 6 in a coordinated manner with the planning layer 8.
  • the flight plan uses the sensory information of the signal acquisition subsystem 19 and the flight controller 12 to Establish a new position of the aircraft.
  • the flight planning system comprises the following functional elements:
  • Aircraft 21 an anchor box for the electronic device for flight planning 16 is described as well as the signal acquisition subsystem 19 and notifications and logs 20. These subsystems comprise several communication, notification and power ports and require features specific for anchoring in the VANT:
  • Power port 23 This port is compatible with some of the most common connectors for powering radio control devices, such as the XT90 port.
  • the operating voltage of the device is 5.5v, with a maximum consumption of 2A.
  • Buzzers connection port 24 In this type of devices it is essential to be able to notify the user remotely.
  • a port is available that allows a passive buzzer to be connected to the device and can be optimally positioned on the aircraft. This port is used by the notifications and logs 20 subsystem.
  • the LEDS connection port allows to connect 3 high intensity LEDS that will be controlled by the device to communicate information to the user. This port is used by the notifications and logs 20 subsystem.
  • Futaba connector ports for RF receiver 26 Futaba type connectors for radio frequency signal receivers. They are used by the radio frequency receiver 15.
  • USB expansion ports 28 Provide the option to extend the signal acquisition subsystem 19.
  • Expansion port 29 Used to provide application-specific physical connections or when low access is required level for the control of the board by means of tty connections (for example to read the data of the subsystem of notifications and logs 20).
  • the measurements of the anchor box are 15x10x2.5cm (in the figure a x b x c) with an approximate weight of 200g.

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Abstract

La presente invención se refiere a un sistema y a un método cuya finalidad es proveer de un mecanismo para permitir la planificación aalto nivel de placas de control de vuelo que implementen el protocolo MAVLINK, logrando ejecutar planes de vuelo dinámicos y con total autonomía adaptándose a las condiciones de la aeronave y del entorno. El sistema toma como base cualquier controlador de vuelo que implemente el protocolo MAVLINK y ejecuta un método de planificación de vuelo autónomo, capaz de proporcionar una capa de funcionalidad inexistente en los controladores de vuelo actuales. El método que se propone permite ejecutar un plan de vuelo de alto nivel, que desarrolle un comportamiento dependiendo no solo del estado de la aeronave, sino del entorno circundante.

Description

SISTEMA Y METODO PARA LA PLANIFICACION DE VUELO
AUTÓNOMO
DESCRIPCIÓN
Sistema y método para la planificación de vuelo autónomo.
CAMPO DE LA INVENCIÓN
El campo de invención del sistema y método presentado es el de los drones o Vehículos Aéreos No Tripulados (VANT), tal y como pueden ser multicópteros o planeadores. Su aplicabilidad reside tanto en el ámbito del desarrollo de comportamiento para temas de investigación y docencia como para el prototipado inicial de modelos o la automatización efectiva de este tipo de aeronaves en tareas industriales.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El primer aspecto a tratar es el estado de los controladores de vehículos aéreos no tripulados. Existen varias patentes relacionas con este tipo de dispositivos y con sus sistemas de control, como por ejemplo la patente AU2012273710, donde se describe un dispositivo que además de realizar el control de la aeronave provee un mecanismo de comunicación con una base de control para realizar una acción ofensiva indicada desde tierra. Aunque se define un mecanismo de control remoto, éste únicamente está centrado en el desarrollo de una acción específica. Ni el operador ni la aeronave puede realizar ninguna otra acción complementaria que no haya sido programada anteriormente. Esto es una limitación importante del sistema, ya que cambios en las condiciones iniciales planificadas pueden abortar la misión aun cuando el despegue y vuelo se hayan realizado correctamente. En misiones reales, que requieran acciones complejas, es muy complicado predecir y establecer todas las acciones posibles. Un sistema sin autonomía de decisión sobre la acción a realizar puede desembocar en un aborto prematuro de la misión actual principalmente por falta de flexibilidad o por demoras en el ciclo de Percepción/Planificación/Acción. En la solicitud CN203222108 se presenta un controlador de vuelo que realiza los controles de estabilización de la aeronave pero sin posibilidad de interactuar con ella a través de esta placa de control. Se trata por tanto de un controlador que posibilita únicamente la sustentación de la aeronave, requiriendo por tanto de un piloto para la realización del vuelo. El controlador provee de facilidades para el pilotaje pero no dota de autonomía a la misma, fuera de la posibilidad de planificar rutas estancas, guiadas por GPS. Se trata por tanto de un controlador únicamente destinado al vuelo convencional de este tipo de sistemas. Tampoco proporciona un interfaz sobre el cual se puedan diseñar sistemas más avanzados de planificación de vuelo, ya que la única interacción prevista es la habitual en este tipo de controladores, utilizando las señales provenientes de un mando de radiocontrol.
Por tanto, las patentes relativas a controladores de vehículos aéreos no tripulados que han sido detectadas no permiten flexibilidad en las acciones a realizar, no posibilitan la implementación de sistemas autónomos de vuelo no preestablecido bajo ruta y no aportan interfaces para poder utilizar dichos controladores en planteadores de más alto nivel.
El segundo aspecto susceptible de análisis es el estado de los dispositivos de control de vuelo comerciales. Existen varios controladores de vuelo disponibles en el mercado actualmente. Uno de los más conocidos es el controlador NAZA y WooKong de la empresa DJI INNOVATIONS (www.dji.com). Por ejemplo, la patente CN103342165 define las características del módulo de control Naza. Este dispositivo proporciona los mecanismos de control necesarios para que poder sustentar un multirotor mediante control manual y además poder realizar tareas de control guiado por GPS. Como en el caso anterior, estas tareas de guiado son establecidas con anterioridad al vuelo (de manera directa por el usuario, o bien de manera indirecta, retornando al punto de despegue). Una vez despegada la aeronave, ésta sigue los puntos de control establecidos en el plan de vuelo sin posibilidad de vanarlos ni de incorporar nuevas rutas una vez ha despegado el dispositivo. Aunque algunos componentes de la plataforma permiten la lectura restringida de algunos datos de vuelo (nunca la escritura), se trata de un sistema de conexión propietario, solo orientado a la conexión con otros periféricos de la marca. Se trata por tanto de dispositivos sin uso general que no proveen de protocolos o interfaces de comunicación de uso estándar. Estos dispositivos tampoco permiten ningún tipo de flexibilidad en cuando a las acciones a realizar y tampoco posibilitan ningún tipo de autonomía en vuelo a la aeronave, a parte de la realización de una única ruta preestablecida no modificable durante el vuelo.
Por último, existe una gran variedad de dispositivos de controlador de vuelo compatibles con el protocolo de uso general MAVLINK (http://qgroundcontrol.org/mavlink/start). Muchos de ellos utilizan licencias de uso y explotación muy permisivas de hardware y código libre. Entre estos dispositivos se encuentran:
• ArduPilotMega (protocolo principal)
• pxIMU Autopilot (protocolo principal)
• SLUGS Autopilot (protocolo principal)
· FLEXIPILOT (protocolo opcional)
• UAVDevBoard/Gentlenav/MatrixPilot (soporte inicial)
Todos los dispositivos enumerados anteriormente proveen de facilidades de control (sustentabilidad) de aeronaves pero no de planificación de vuelo flexible ni autónomo como la invención objeto de esta patente. Por ello, a la luz de todo lo expuesto anteriormente, se hace necesaria una solución que permita flexibilidad en las acciones a realizar por la aeronave, dando la posibilidad de alternar entre distintos planes de vuelo o incluso a dotar de autonomía en vuelo a la aeronave, siendo el propio sistema de planificación el que determine, mediante el estado percibido, hacia donde desplazar de manera efectiva la aeronave sin ayuda de ningún piloto, para la consecución de una misión. Esta característica toma especial importancia en entornos peligrosos que requieran decisiones rápidas o entornos distantes donde la comunicación se pueda interrumpir en algún momento y el sistema deba tener una autonomía mínima, en aplicaciones educativas y científicas donde se desee programar el comportamiento de la aeronave utilizando técnicas de inteligencia artificial o incluso en aplicaciones industriales como base de prototipado y prueba de comportamientos.
Todas las patentes enumeradas anteriormente no son aptas para este tipo de entornos debido a su reducida flexibilidad de vuelo, la dificultad de interconexión al no utilizar protocolos/puertos de conexión estándar o a su falta de autonomía en la planificación de vuelo, ya que no desarrollan ningún tipo de comportamiento autónomo en la aeronave requiriendo siempre intervención humana para la realización de cualquier tarea compleja.
Como conclusión, aunque actualmente se pueden encontrar múltiples controladores de vuelo, no existe un dispositivo o sistema genérico que incorpore un método de planificación de vuelo, que permita planificar a alto nivel controladores de vuelo MAVLINK dotando a las aeronaves de flexibilidad, autonomía en vuelo, puertos de conexión generales y protocolos de comunicación estándar.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
Se ha inventado un sistema y un método cuya finalidad es proveer de un mecanismo para permitir la planificación a alto nivel de placas de control de vuelo que implementen el protocolo MAVLINK, logrando ejecutar planes de vuelo dinámicos y con total autonomía adaptándose a las condiciones de la aeronave y del entorno.
El método y sistema presentado posibilitan:
■ Controlar de manera totalmente autónoma un VANT. Nuestro sistema se puede programar, mediante el subsistema correspondiente.
o Dejar estacionario un VANT en un punto dado.
o Aterrizaje/Despegue automático. o Vuelo solo en zona de segundad.
o Solicitar al VANT el vuelo a una determinada coordenada de manera totalmente autónoma,
o Recibir los datos telemétricos del VANT.
o Acceso a los registros de vuelo.
o Obtención de imágenes HD en vuelo mediante cámaras compatibles y procesamiento de las mismas.
o Realizar un vuelo totalmente autónomo, sin intervención humana, a partir de los datos sensoriales detectados (posibilidad de realizar tareas como el seguimiento de un marcador o la búsqueda de un recurso, sin ningún tipo de planificación de ruta previa).
■ Posibilidad de conectar cualquier sensor compatible con los protocolos USB, RS232 o I2C y realizar las lecturas en vuelo.
■ Integrar un VANT en un grupo de vuelo multirobot, aportando:
o Comunicación punto a punto con todos los miembros del grupo de vuelo, con enrutación de paquetes, con un alcance de hasta 1 .5km.
o Acceso a los datos telemétricos y el estado de un VANT en tiempo real por cualquier VANT conectado al grupo de vuelo. o Modo de seguridad. Ante cualquier incidencia del módulo electrónico el VANT queda estacionario en la posición actual. o Activación/desactivación del piloto automático desde tierra.
o Sistema de log de todos los datos del piloto automático y vuelo.
El sistema toma como base cualquier controlador de vuelo que implemente el protocolo MAVLINK y ejecuta un método de planificación de vuelo autónomo, capaz de proporcionar una capa de funcionalidad inexistente en los controladores de vuelo actuales.
El método aquí presentado permite en primera instancia obtener datos de cualquier controlador de vuelo compatible con el sistema. Dentro de estos datos se encuentra información relativa a la placa, a la aeronave a controlar, lecturas de la odometría de la placa y de su configuración. Además permite comunicar la nueva trayectoria a seguir por la aeronave así como el tipo de vuelo (modo de vuelo) a desarrollar.
El método que se propone permite ejecutar un plan de vuelo de alto nivel, que desarrolle un comportamiento dependiendo no solo del estado de la aeronave, sino del entorno circundante.
En la ejecución de este método, el sistema integra un dispositivo encargado de la obtención de datos sensoriales, tanto del controlador de vuelo como de aquellos sensores conectados al dispositivo por medio de varios subsistemas. Además permite la comunicación con otros dispositivos del mismo tipo para lograr tarea de cooperación en sistemas con múltiples VANT. El sistema presentado provee de los mecanismos necesarios para establecer un plan de vuelo de alto nivel, que ejecute un comportamiento dependiendo no solo del estado de la aeronave, sino del entorno circundante. Así, el dispositivo integrado en este sistema utiliza una tarjeta empotrada de pequeñas dimensiones y bajo peso que se conecta a un controlador de vuelo mediante el protocolo MAVLINK, lee las variables de vuelo de dicho controlador y además obtiene los datos de los sensores de abordo de los que disponga la aeronave (principalmente módulos de comunicación o módulos de visión). Con toda esa información es capaz de ejecutar un plan de vuelo de manera totalmente autónoma utilizando como componente esclavo un controlador de vuelo. Dicho plan de vuelo puede ser seleccionado de un conjunto inicial de planes predefinidos o bien puede ser diseñado e introducido por el usuario en el sistema como un nuevo plan mediante una plataforma específica antes de que la aeronave se encuentre en movimiento. De forma que antes del desplazamiento, el plan de vuelo de alto nivel queda definido.
Este método posibilita una sensorización específica del dispositivo electrónico para la planificación de vuelo para una tarea determinada y la posterior adquisición de datos sensoriales en la frecuencia indicada en un plan de vuelo.
El método utilizado comprende las siguientes etapas: · Verificar estado del dispositivo.
• Conectar con la controladora de vuelo. • Obtener flujo de datos de vuelo de la controladora.
• Adquirir flujo de señal y comunicaciones.
• Verificar estado de seguridad del vuelo autónomo.
• Determinar de manera autónoma el siguiente movimiento de la aeronave.
• Enviar comandos de vuelo a la controladora.
• Registrar el vuelo.
La presente invención también incluye un sistema que incorpora los medios necesarios para ejecutar el método de planificación de vuelo. Este sistema comprende los siguientes elementos:
• Subsistema de ayuda a la planificación.
• Dispositivo electrónico para la planificación de vuelo.
• Receptor de radiofrecuencia.
• Subsistema de comunicaciones.
• Subsistema de adquisición de señal.
• Subsistema de notificaciones y logs.
• Controlador de vuelo.
• Aeronave.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1 . Detalle del dispositivo electrónico para la planificación de vuelo integrado en el sistema final. Se observa la conexión del dispositivo electrónico para la planificación de vuelo con el controlador de vuelo así como con los distintos módulos para la obtención de datos y la consulta de registros de vuelo.
Figura 2. Detalle de los subsistemas que forman el sistema de planificación de vuelo presentado. Se muestran los subsistemas y la interconexión entre los mismos. Figura 3. Caja de anclaje del dispositivo electrónico para la planificación de vuelo. Se muestran los puertos de entrada/salida, sus características físicas y la posición de los anclajes.
EXPOSICIÓN DETALLADA DE MODOS DE REALIZACIÓN
De manera más detallada se describe el método para la planificación de vuelo. De forma opcional, previamente pueden añadirse nuevas rutas a través del subsistema de ayuda a la planificación 17, que es el encargado de proporcionar un interfaz de adquisición y verificación de los planes de vuelo especificados por el usuario encargado de desarrollar la planificación 14. El subsistema determina el uso correcto de la API proporcionada por el dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16 y señaliza el script de planificación en el dispositivo utilizando el módulo de guión de vuelo 6. Además establece los valores de los atributos necesarios para todas las funcionalidades básicas y verifica que aquellas introducidas en el script de planificación se encuentran dentro de los márgenes de funcionamiento permitidos para una aeronave concreta.
La aeronave 21 se trata del vehículo aéreo no tripulado donde se sitúan el dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16, el receptor de radiofrecuencia 15, el subsistema de comunicaciones 18, el subsistema de adquisición de señal 19, el subsistema de notificaciones y logs 20 y por último el controlador de vuelo 12.
Sus características físicas vienen determinadas por la tarea a realizar y por las capacidades de control que tenga el controlador de vuelo 12 para este tipo de aeronaves. Para el dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16 es independiente la aeronave a utilizar siempre que esté soportada por el controlador de vuelo 12.
El controlador de vuelo 12 es el encargado de la sustentabilidad de la aeronave 21 y por tanto es el encargado de la comunicación a bajo nivel tanto con los motores como con el receptor de radiofrecuencia 15. El dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16 envía órdenes de manera continuada al controlador para desplazar la aeronave 21 al lugar requerido. El sistema planteado puede utilizar cualquier controlador de vuelo capaz de comunicarse por RS232 utilizando el protocolo MAVLINK. Por otra parte cabe destacar que por razones de seguridad siempre se permite que el usuario pueda desconectar el dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16 y tomar el control manual de la nave, interaccionando directamente con el controlador de vuelo 12 a partir del receptor de radiofrecuencia 15.
Por tanto, el método de planificación de vuelo autónomo comprende las siguientes etapas:
1 . Verificar estado del dispositivo: inicialmente se verifica el estado del dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16 y la integridad de los componentes. El dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16 es el encargado de leer el plan de vuelo especificado por el subsistema de ayuda para la planificación del vuelo 17 y ejecutarlo sobre el controlador de vuelo 12. Provee un API de alto nivel orientado al prototipo rápido de comportamientos que puede interactuar con todos los módulos del sistema. Tal y como se observa en la figura 1 , el dispositivo consta de diversas capas organizadas de manera jerárquica. En las capas inferiores se define el hardware y los componentes dependientes de éste, mientras que en las superiores se encuentran los sistemas gestión y planificación. La primera capa define el hardware del dispositivo 1 que a grandes rasgos está formado por una CPU ARM, memoria DRAM y un sistema de almacenamiento SD junto con una memoria NAND Flash. Además dispone de múltiples puertos de E/S que le permiten comunicarse con distintos periféricos, entre ellos el controlador de vuelo. En la segunda capa se encuentra el sistema operativo 2, basado en el estándar POSIX. Dependiendo de los requerimientos de planificación de vuelo del dispositivo, este sistema operativo puede ser RTOS-Soft o RTOS-Hard. Dependiendo del RTOS utilizado puede ser necesaria la inclusión de una capa de virtualización 3 sobre la que se ejecutan las aplicaciones de niveles superiores. Más concretamente, en esta etapa, se comprueban los buses de comunicación y se verifica que se tenga acceso a los sensores del sistema y su funcionamiento. Se verifica que la temperatura del dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16 esté en su intervalo de funcionamiento (<90C), al igual que los procesos en ejecución y la memoria libre. Además se comprueba la capacidad de lectura/escritura de los puertos RS232 con el subsistema de comunicaciones 18 y se enumeran los dispositivos conectados a los puertos USB del subsistema de adquisición de señal 19. Se realiza una prueba de conexión a los dispositivos del subsistema de adquisición de señal 19 para validar su funcionamiento.
Conectar con el controlador de vuelo: a continuación se realiza una conexión de alta velocidad (1 15200bps) al controlador de vuelo 12 y se espera la recepción de un paquete HEARTBEAT que valida su correcto funcionamiento. En esta fase se notifica al usuario que toda la fase de inicialización ha sido correcta mediante un aviso acústico (habilitando los pines específicos del puerto de conexión de Buzzers 24) y visual utilizando LEDs mediante el subsistema de notificaciones y logs 20 habilitando los pines correspondientes del puerto de conexión de LEDS de notificación 25. En caso de fallo se notifica el o los módulos que han provocado el problema.
El sistema de notificaciones y logs 20 es el encargado de monitorizar las constantes del sistema y de notificar al usuario de manera visual (LEDS) o de manera acústica (Buzzer) distintos cambios de estado o errores del dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16. Además permite almacenar, si así se requiere, el estado de funcionamiento del dispositivo electrónico para la planificación de vuelo así como los datos adquiridos por sus subsistemas de adquisición de señal 19 y de comunicaciones 18.
Obtener flujo de datos de vuelo del controlador: a continuación se obtiene de manera continua un flujo de los datos de vuelo a partir del controlador de vuelo 12. Dentro de estos datos están la velocidad actual del
VANT, su orientación completa en el espacio 3D o las coordenadas GPS del mismo. Más concretamente se envía un mensaje MAVLINK al controlador de vuelo 12 por cada agrupación de datos que se quiera obtener. MAVLINK agrupa datos relacionados en paquetes, que serán devueltos por cada solicitud al dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16, mediante la conexión RS232 de alta velocidad establecida. El dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16 es el encargado de verificar la integridad de los paquetes recibidos y desempaquetar únicamente los datos requeridos. Por defecto se realizan tantas lecturas como le sea posible al dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16.
Adquirir flujo de señal y comunicaciones: de la misma manera se obtiene un flujo de datos a la frecuencia indicada en el plan de vuelo, de los sensores conectados al subsistema de adquisición de señal 19. Se provee un interfaz para integrar de manera inmediata módulos de comunicación 1 1 de largo alcance, compatibles con los módulos XBEE y cámaras de vídeo HD 10, compatibles con los drives video4linux. Los datos de vídeo pueden ser procesados en el módulo de visión por computador 5 para su posterior uso utilizando algoritmos de procesamiento de imagen estándar.
Más concretamente, el subsistema de adquisición de señal 19 se trata del sistema que amplía el dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16 para proveerle de capacidades de adquisición de señales. Para la conexión de diversos módulos con el dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16 se proveen interfaces USB, RS232 y I2C. El dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16 está preparado para comunicarse de manera directa con sensores de cámara de alta resolución compatibles con el protocolo video4linux utilizando el subsistema de visión. El subsistema de visión por computador 5 es el encargado de procesar las imágenes recibidas por el subsistema de adquisición de señal 19 con los algoritmos especificados por el usuario. A prioh el usuario tiene disponibles una serie de funciones de visión estándar, que a su vez pueden ser ampliadas.
El subsistema de comunicaciones 18 proporciona un sistema estándar de comunicación utilizando módulos compatibles con XBEE 1 1. La frecuencia y el modo de adquisición de datos se pueden especificar en el plan de vuelo. Este subsistema es el que posibilita obtener los datos de vuelo y la consecución del plan, en tiempo real, mediante el uso de una estación de tierra. De la misma manera es el subsistema necesario para la implantación de tareas colaborativas que requieran colaboración entre aeronaves.
Por otra parte, el módulo de mensajería 7 permite de manera totalmente distribuida, acceder a cualquier otro VANT o estación de tierra a la que tenga alcance directamente o mediante cualquier otro VANT interconectado utilizando el subsistema de comunicaciones 18. Se permite la comunicación punto a punto con cualquier dispositivo a una distancia de hasta 1 ,5 km. La frecuencia y el modo de adquisición de datos para cada uno de los módulos se puede especificar en el plan de vuelo.
Verificar estado de seguridad del vuelo autónomo: antes de proceder a ejecutar el plan de vuelo se verifica en la capa de segundad 4 del dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16 que un determinado canal de radio frecuencia, programado de antemano, esté activado. Para ello se lee de manera continua un flag del receptor de radiofrecuencia 15 conectado al puerto Futaba para receptor RF 26. El receptor de radiofrecuencia 15 se encarga de recibir los datos de una emisora de radio frecuencia estándar. Su misión es doble, por una parte provee al usuario 13 del control de la aeronave 21 en modo manual y por otra parte, es el encargado de recibir la indicación de ejecución del plan de vuelo en modo automático, y por tanto es el receptor que verifica la capa de seguridad 4 del dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16 de manera continua. Esta comprobación se realiza en intervalos de 1 s, de manera que en cualquier momento un usuario del sistema puede interrumpir inmediatamente el vuelo automático y recobrar el control manual de la aeronave. Tanto la activación como el apagado del canal de emergencia se notifican al usuario mediante una señal acústica característica.
La capa de segundad 4 proporciona soporte para que el usuario pueda en cualquier momento abortar una misión planificada y devolver el control manual a la aeronave. Es por tanto la encargada de verificar el receptor de radiofrecuencia 15 conectado tanto al controlador de vuelo 12 como al dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16.
Determinar de manera autónoma el siguiente movimiento de la aeronave: en la cuarta capa residen diversos módulos encargados de proporcionar funcionalidades específicas al dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16. El módulo de guión de vuelo 6 es el encargado de proporcionar una biblioteca de funciones de control básico de la aeronave, como puede ser seguir un determinado patrón de vuelo o localizar un marcador determinado y además ejecutar el guión proporcionado por el usuario 13. Este proceso de ejecución requiere verificar que los datos enviados por el usuario están dentro de los valores establecidos como seguros para la aeronave 12, lo que se desarrolla en el subsistema de ayuda de planificación del vuelo 17. La capa de planificación 8 es el coordinador de todos los módulos de la capa anterior y es por tanto el encargado de desarrollar de manera correcta la misión.
De esta manera, utilizando las capas anteriores, se dispone de información tanto de datos del controlador de vuelo 12, que permiten por ejemplo determinar la posición actual de la aeronave, como de las señales adquiridas hasta el momento como pueden ser imágenes capturadas por subsistema de adquisición de señal 19 o comunicaciones adquiridas por el subsistema de comunicaciones 18. Utilizando dichos datos, el método permite planificar la nueva trayectoria de la aeronave de manera totalmente autónoma. Para ello solo requiere directrices de alto nivel que se establecen en un plan de vuelo. Estas directivas determinan como se calcula la nueva ruta en tiempo real, pudiendo establecer el usuario por ejemplo si se desea seguir una pelota o realizar una formación en el aire cuando se alcance una determinada altura. Recalcamos que el plan de vuelo no es una ruta fija, sino un guión de alto nivel que permite desarrollar un vuelo totalmente autónomo, no preestablecido con anterioridad (cosa que no ocurre en el caso de los controladores de vuelo actuales).
Por tanto, en esta etapa se ejecuta el plan de vuelo seleccionado (elegido de entre una serie de planes ejemplo o programado por el usuario utilizando el API correspondiente) utilizando el módulo de guión de vuelo 6 de manera coordinada con la capa de planificación 8. Como se ha comentado anteriormente, el plan de vuelo utiliza la información sensorial del subsistema de adquisición de señal 19 y del controlador de vuelo 12 para establecer una nueva posición de la aeronave.
7. Enviar comandos de vuelo al controlador: una vez determinada la posición a alcanzar, el dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16 envía los comandos de vuelo de bajo nivel (movimientos a realizar por los motores o posición GPS a alcanzar) utilizando MAVLINK, para que el controlador de vuelo 12 alcance la posición de manera estabilizada. Por tanto el controlador de vuelo 12, solo se encarga de la sustentabilidad de la aeronave y del desplazamiento de la misma con los parámetros prefijados por la etapa anterior.
8. Registrar el vuelo: en el caso de que el sistema de depuración del dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16 esté activo, se registran tanto las lecturas como el resultado del script del usuario en un archivo de log y se envía un resumen de dicha información en tiempo real por un puerto UART por si el usuario quiere monitorizarla en el puerto de registro de logs 9 utilizando el subsistema de notificaciones y logs 20.
Como se observa en la figura 2, el sistema de planificación de vuelo comprende los siguientes elementos funcionales:
• Subsistema de ayuda a la planificación 17.
• Dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16.
· Receptor de radiofrecuencia 15.
• Subsistema de comunicaciones 18.
• Subsistema de adquisición de señal 19.
• Subsistema de notificaciones y logs 20.
• Controlador de vuelo 12.
· Aeronave 21. De forma adicional, se describe una caja de anclaje para el dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16 así como el subsistema de adquisición de señal 19 y de notificaciones y logs 20. Estos subsistemas conforman varios puertos de comunicación, notificación y alimentación y requieren características específicas para su anclaje en los VANT:
• Pestañas de cierre de la caja de anclaje 22.
• Puerto de alimentación 23. Este puerto es compatible con algunos de los conectores más habituales para la alimentación de dispositivos de radiocontrol, como puede ser el puerto XT90. El voltaje de funcionamiento del dispositivo es de 5.5v, con un consumo máximo 2A.
• Puerto de conexión de Buzzers 24. En este tipo de dispositivos es fundamental poder notificar de manera remota al usuario. Se dispone un puerto que permite conectar un zumbador pasivo al dispositivo y poder situarlo en la aeronave de manera óptima. Este puerto es utilizado por el subsistema de notificaciones y logs 20.
• Puerto de conexión de LEDS de notificación 25. De la misma manera que los zumbadores puede ser importante contar con notificaciones visuales. El puerto de conexión de LEDS permite conectar 3 LEDS de alta intensidad que serán controlados por el dispositivo para comunicar información al usuario. Este puerto es utilizado por el subsistema de notificaciones y logs 20.
• Puertos de conectores Futaba para receptor RF 26. Conectores de tipo Futaba para receptores de señal de radiofrecuencia. Son utilizados por el receptor de radiofrecuencia 15.
• Puerto de conexión de comunicaciones para XBEE 27. Este puerto posibilita ubicar un receptor XBEE en la posición requerida de la aeronave. Es utilizado por el subsistema de comunicaciones 18.
• Puertos de ampliación USB 28. Proveen la opción de ampliar el subsistema de adquisición de señal 19.
• Puerto de expansión 29. Se utiliza para poder proveer de conexiones físicas específicas de aplicación o cuando se requiera acceder a bajo nivel para el control de la placa mediante conexiones tty (por ejemplo para leer los datos del subsistema de notificaciones y logs 20).
• Puerto RJ45 30. Para el acceso a red del dispositivo electrónico para la planificación de vuelo 16 con velocidad de 10 o 100Mbps.
· Hueco de anclaje del dispositivo 31 .
• Zonas auxiliares de anclaje del dispositivo 32.
Las medidas de la caja de anclaje son 15x10x2.5cm (en la figura a x b x c) con un peso aproximado de 200g.

Claims

REIVINDICACIONES
1 . Método para la planificación de vuelo autónomo que comprende las siguientes etapas:
1 . Verificar estado del dispositivo.
2. Conectar con el controlador de vuelo.
3. Obtener flujo de datos de vuelo del controlador.
4. Adquirir flujo de señal y comunicaciones.
5. Verificar estado de seguridad del vuelo autónomo.
6. Determinar de manera autónoma el siguiente movimiento de la aeronave leyendo los datos del controlador y los sensores y actuando con base al plan de vuelo seleccionado.
7. Enviar comandos de vuelo al controlador.
8. Registrar el vuelo.
2. Método para la planificación de vuelo autónomo según la reivindicación 1 que comprende una fase previa para definir nuevos planes de vuelo.
3. Sistema para la planificación de vuelo autónomo que comprende medios para ejecutar el método según cualquier de las reivindicaciones anteriores.
4. Caja de anclaje para incorporar el sistema de planificación de vuelo autónomo descrito según la reivindicación 3.
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