ΠΑΝΕΠΙΣΤΘΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΣΙΚΗ ΕΡΓΑΙΑ ΒΟΣΗ ΕΤΣΑΘΙΟ Α.Ε.Μ: 382

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΘΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ ΔΙΠΛΩΜΑΣΙΚΗ ΕΡΓΑΙΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΣΙΜΟ ΜΗ-ΕΠΑΝΔΡΩΜΕΝΟΤ ΙΠΣΑΜΕΝΟΤ ΟΧΗΜΑΣΟ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΗΝ ΓΕΩΡΓΙΑ ΑΚΡΙΒΕΙΑ DRONE PROGRAMMING AND AN APPLICATION IN PRECISIONS AGRICULTURE ΒΟΣΗ ΕΤΣΑΘΙΟ Α.Ε.Μ: 382 Επιβλζπων Κακθγθτισ: Δθμιτριοσ Κατςαρόσ Δεφτερο μζλοσ Επιτροπισ: Θανάςθσ Κοράκθσ ΒΟΛΟ 2015

2 Διπλωματικι Εργαςία για τθν απόκτθςθ του Διπλϊματοσ του Μθχανικοφ Θλεκτρονικϊν Υπολογιςτϊν, Τθλεπικοινωνιϊν και Δικτφων του Πανεπιςτθμίου Θεςςαλίασ Bότςθσ Χ. Ευςτάκιοσ Διπλωματοφχοσ Μθχανικόσ Θλεκτρονικϊν Υπολογιςτϊν, Τθλεπικοινωνιϊν και Δικτφων Πανεπιςτθμίου Θεςςαλίασ Copyright Stathis Votsis, 2015 Με επιφφλαξθ παντόσ δικαιϊματοσ. All rights reserved. Απαγορεφεται θ αντιγραφι, αποκικευςθ και διανομι τθσ παροφςασ εργαςίασ, εξ ολοκλιρου ι τμιματοσ αυτισ, για εμπορικό ςκοπό. Επιτρζπεται θ ανατφπωςθ, αποκικευςθ και διανομι για ςκοπό μθ κερδοςκοπικό, εκπαιδευτικισ ι ερευνθτικισ φφςθσ, υπό τθν προχπόκεςθ να αναφζρεται θ πθγι προζλευςθσ και να διατθρείται το παρόν μινυμα. Ερωτιματα που αφοροφν τθ χριςθ τθσ εργαςίασ για κερδοςκοπικό ςκοπό πρζπει να απευκφνονται προσ τον ςυγγραφζα.οι απόψεισ και τα ςυμπεράςματα που περιζχονται ςε αυτό το ζγγραφο εκφράηουν τον ςυγγραφζα και δεν πρζπει να ερμθνευκεί ότι αντιπροςωπεφουν τισ επίςθμεσ κζςεισ του Πανεπιςτθμίου Θεςςαλίασ. Για οποιαδιποτε χριςθ του εμπεριεχόμενου υλικοφ επικοινωνιςτε με τον ςυγγραφζα ςτθν διεφκυνςθ:

3 Εσταριστίες Θα ικελα να ευχαριςτιςω κερμά όλα τα μζλθ τθσ οικογζνειασ μου, που ςυνζβαλαν όλοι με τον τρόπο τουσ ςτο να πετφχω τουσ ςτόχουσ μου. Χωρίσ αυτοφσ αδιαμφιςβιτθτα δε κα τα είχα καταφζρει. Ξεχωριςτζσ ευχαριςτίεσ ςτουσ γονείσ μου και ςτον αδερφό μου για τθν υποςτιριξθ, ςυμπαράςταςθ και υπομονι που ζδειξαν όλα αυτά τα χρόνια. Επίςθσ κζλω να εκφράςω τισ ευχαριςτίεσ και τθν εκτίμθςθ μου ςε όλο το τμιμα Θλεκτρολόγων Μθχανικϊν και Μθχανικϊν Υπολογιςτϊν του Πανεπιςτθμίου Θεςςαλίασ για τθν ςυνεργαςία που είχα μαηί τουσ και για το ζργο που ζχουν επιτελζςει όλα αυτά τα χρόνια. Συνάμα να εκφράςω τισ ευχαριςτίεσ μου ςτον κφριο Δθμιτριο Κατςαρό που εμπνεφςτθκε και δζχκθκε να ςυμμετάςχει ςτθν εξεταςτικι επιτροπι αυτισ τθσ εργαςίασ, κακϊσ και ςτθν κυρία Δαςκαλοποφλου Αςπαςία για τθν άψογθ ςυνεργαςία μασ ςτο παρελκόν. Τζλοσ, κζλω να ευχαριςτιςω τουσ απόφοιτουσ Αλζξανδρο Σπαι, Παντελι Γιαηιτηι, Τάςο Σκοφρτθ, Φίλιππο Ηαμποφνθ, Γεϊργιο Τάτςθ κακϊσ και τουσ Γεϊργιο Χατηι, Μανϊλθ Ηερβό, Νίκο Βαςιλείου και Παναγιϊτθ Παηιάνα για τθν άψογθ ςυνεργαςία και παρζα μαηί τουσ όλα αυτά τα χρόνια ςτθν πόλθ του Βόλου. Σασ ευχαριςτϊ όλουσ Βότςθσ Στάκθσ

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφάλαιο 1: Ειςαγωγι 1.1 Σι είναι τα DRONE-UAV, ποια θ χρθςιμότθτα τουσ και εφαρμογζσ ςτον ςφνγχρονο τρόπο ηωισ 1.2 Αντικείμενο Εργαςίασ Κεφάλαιο 2: Πλαίςιο, Μθχανικά & Ηλεκτρικά μζρθ 2.1 Πλαίςιο 2.2 Μοτζρ(Brushless Motor) Ρυκμιςτζσ Σαχφτθτασ(Speed Controller) 2.3 Πλακζτα διανομισ ρεφματοσ (Power Distribution Board) Μπαταρία τροφοδοςίασ Κεφάλαιο 3: Mετάδοςθ Εικόνασ & Eξαρτιματα 3.1 Camera 3.2 Video transmitter & receiver-monitor 3.3 Antenna Tracker Κεφάλαιο 4: υςτιματα Σθλεκατεφκυνςθσ & Πλοιγθςθσ 4.1 Σθλεκατεφκυνςθ Προςαρμογι UHF πομποφ (433 mhz) 4.2 Aυτόματοσ Πιλότοσ 4.3 φςτθμα πλοιγθςθσ εδάφουσ (Ground Control Station)

5 Κεφάλαιο 5: RLC Φίλτρα 5.1 Σι είναι τα RLC φίλτρα 5.2 Ποια θ χρθςιμότθτα και τα οφζλθ τουσ ςτο ςυγκεκριμζνο project Κεφάλαιο 6: Η Πρόοδοσ του Project ςε Βίντεο 6.1 Δοκιμι πτθτικισ ικανότθτασ drone 6.2 Δοκιμι αυτόματθσ προςγείωςθσ drone 6.3 Καταγραφι αγροτικισ περιοχισ από το drone 6.4 Kαταγραφι αγροτικισ περιοχισ με ακρίβεια τθλεμετρίασ 6.5 υντριβι ςε κατοικθμζνθ περιοχι Κεφάλαιο 7: Βιβλιογραφία

6 Κεφάλαιο 1: Ειςαγωγι 1.1 Σι είναι τα DRONE-UAV, ποια θ χρθςιμότθτα τουσ και εφαρμογζσ ςτον ςφνγχρονο τρόπο ηωισ Ζνα μθ επανδρωμζνο εναζριο όχθμα (UAV), κοινϊσ γνωςτό ωσ drone το οποίο αναφζρεται και ωσ Remotely Piloted Aircraft (RPA) από τον Διεκνι Οργανιςμό Πολιτικισ Αεροπορίασ (ICAO), είναι ζνα αεροςκάφοσ χωρίσ ανκρϊπινθ παρουςία επί του ςκάφουσ. Υπάρχουν διάφορα είδθ drones. Αρχικά τα UAS (μθ-επανδρωμζνα Air System), UAV (μθ επανδρωμζνα οχιματα αζροσ) και τα RPAS (Remote Piloted Aircraft Systems). Θ πτιςθ τουσ ελζγχεται είτε αυτόνομα από τουσ υπολογιςτζσ επί του ςκάφουσ ι από τον απομακρυςμζνο ζλεγχο ενόσ πιλότου ςτο ζδαφοσ ι ςε άλλο όχθμα. Ιςτορικά, τα UAV ξεκίνθςαν ωσ αςφρματα τθλεκατευκυνόμενα πιλοτικά αεροςκάφθ, αλλά θ ραγδαία εξζλιξθ τθσ τεχνολογίασ κατζςτθςε δυνατό τον αυτοματιςμό πολλϊν ςυςτθμάτων τουσ. Συνικωσ αναπτφςςονται για ςτρατιωτικζσ και ειδικζσ εφαρμογζσ λειτουργίασ, αλλά χρθςιμοποιοφνται επίςθσ ςε ζνα μικρό αλλά αυξανόμενο αρικμό μθ ςτρατιωτικϊν εφαρμογϊν, όπωσ θ αςτυνόμευςθ, πυρόςβεςθ και θ επικεϊρθςθ τθσ ενζργειασ αγωγϊν. Τα UAVs ςυχνά προτιμοφνται για αποςτολζσ ςτισ οποίεσ είναι πάρα πολφ επικίνδυνθ θ ανκρϊπινθ παρουςία. Μποροφν να χρθςιμοποιθκοφν ςε αποςτολζσ ζρευνασ και διάςωςθσ, βοθκϊντασ ςτο να βρεκοφν άνκρωποι οι οποίοι ζχουν χακεί, ι επιπλζουν ςτθν κάλαςςα, ψάχνοντασ ςε ςθμεία που για τον άνκρωπο είναι επικίνδυνα και δφςκολα προςβάςιμα. Τζλοσ τα τελευταία χρόνια αρχίςανε να χρθςιμοποιοφνται και ςε εραςιτεχνικό επίπεδο με εφαρμογζσ ςτθν κακθμερινι ηωι όπωσ αεροβιντεολιψεισ-αεροφωτογραφίεσ κακϊσ και 3D ςκανάριςμα χϊρων και εγκαταςτάςεων.

7 ΕΙΚΟΝΑ 1 UAV HEXACOPTER WITH 3D SCANNER ON BOARD Αντικείμενο Εργαςίασ Σκοπόσ αυτισ τθσ εργαςίασ ιταν ο προγραμματιςμόσ και θ καταςκευι ενόσ μθ επανδρωμζνου εξακοπτζρου (hexacopter), το οποίο ζπειτα χρθςιμοποιικθκε, ςτθν εναζρια παρακολοφκθςθ αγροτικϊν εκτάςεων ςτθν ευρφτερθ περιοχι των Φαρςάλων. Στο τζλοσ τθσ κα παρουςιαςκεί ςχετικό video όπου το εξακόπτερό μασ απογειϊνεται από κατοικθμζνθ περιοχι και αφοφ φτάςει ςτο επιλεγμζνο αγροτικό τεμάχιο καλφπτει περιμετρικά τισ αποςτάςεισ που κζλουμε ϊςτε να βγάλουμε τα ςυμπεράςματα μασ απλά με το πάτθμα ενόσ κουμπιοφ.

8 Κεφάλαιο 2: Πλαίςιο, Μθχανικά & Ηλεκτρικά μζρθ 2.1 Πλαίςιο Το πλαίςιο που χρθςιμοποιικθκε για τθν υλοποίθςθ αυτοφ του project (τφπου hexa) είναι καταςκευαςμζνο από ανκρακονιματα (carbon) ϊςτε να ελαχιςτοποιθκεί το βάροσ ςτο μζγιςτο δυνατό. Αποτελείται από δφο κεντρικζσ πλάκεσ πάνω ςτισ οποίεσ προςαρμόςτθκαν ζξι πόδια με γωνία ανάμεςά τουσ 60 μοίρεσ και διαμζτρου 80cm. Με αυτό τον τρόπο ζχουμε ζξι ςυμμετρικά τοποκετθμζνα πόδια πάνω ςτα οποία προςαρμόςτθκαν τα θλεκτρικά μοτζρ. ΕΙΚΟΝΑ 2 CARBON FRAME HEXACOPTER 800mm

9 2.2 Μοτζρ(Brushless Motor) Ρυκμιςτζσ Σαχφτθτασ(Speed Controller) Σφμφωνα με τουσ υπολογιςμοφσ που γίνανε ςτθν αρχι του project το τελικό βάροσ του εξακοπτζρου υπολογίςτθκε ςτα 3.5 κιλά. Για τον λόγο αυτό χρθςιμοποιικθκαν μοτζρ (brushless motor) άνωςθσ 2.2 κιλά (ςε 100% throttle) ζκαςτο ϊςτε να είναι το εξακόπτερο ευζλικτο και γριγορο. Τα ςυγκεκριμζνα μοτζρ λειτουργοφνε ςτα 22.2 Volt με μζςθ κατανάλωςθ 5.9Α. Σε ςυνδυαςμό με τα θλεκτρικά μοτζρ χρθςιμοποιθκικανε ρυκμιςτζσ ταχφτθτασ ζτςι ϊςτε να μποροφμε να δίνουμε τισ κατάλλθλεσ ςτροφζσ για να πετφχουμε ςτακερι κίνθςθ ςτο εξακόπτερο μασ & ανφψωςθ. Χρθςιμοποιθκικανε για αςφάλεια 40 Α (speed controller) διότι τα μοτζρ ςε 100% throttle καταναλϊνουν πάνω από 20 Α το κακζνα. ΕΙΚΟΝΑ 3

10 2.3 Πλακζτα διανομισ ρεφματοσ (Power Distribution Board) Μπαταρία τροφοδοςίασ Για τθν τροφοδοςία ρεφματοσ του κάκε θλεκτρικοφ μοτζρ χρθςιμοποιικθκε πλακζτα διανομισ ρεφματοσ και μία εξάςελθ μπαταρία λικίου 22.2 Volt 8000mah. H μπαταρία ςυνδζκθκε με τθ χριςθ βφςματοσ ςτθν πλακζτα και όλοι οι ρυκμιςτζσ ταχφτθτασ ςυνδεκικανε απευκείασ ςε αυτι, ζτςι ϊςτε να τροφοδοτοφνται με ρεφμα τα θλεκτρικά μοτζρ. ΕΙΚΟΝΑ 4 CONNECTION DISTRIBUTION BOARD AND ESC

11 Κεφάλαιο 3: Mετάδοςθ Εικόνασ & Eξαρτιματα 3.1 Camera (Goprohero 3 Black edition) Για τθν μετάδοςθ εικόνασ από το drone χρθςιμοποιικθκε κάμερα υψθλισ ανάλυςθσ. H Gopro 3 Black τθν δεδομζνθ ςτιγμι είναι από τισ καλφτερεσ κάμερεσ τθσ αγοράσ με ποικίλεσ δυνατότθτεσ. Συνδφαηει υψθλι ποιότθτα video, απομακρυςμζνο ζλεγχό τθσ με smartphone-tablet μζςω wifi και πάρα πολφ μικρό βάροσ (76gr) το οποίο είναι απαραίτθτο ςε τζτοιου είδουσ εφαρμογζσ. ΕΙΚΟΝΑ 5 GOPROHERO 3 BLACK EDITION 8

12 3.2 Video transmitter & receiver-μonitor Σε ςυνδυαςμό με τθν Gopro χρθςιμοποιικθκε πομπόσ 9 καναλιϊν μετάδοςθσ video ιςχφοσ 1.5 watt ςτα 1.2 ghz. H gopro ςυνδζκθκε μζςω ειδικισ κφρασ με τον πομπό για να λαμβάνουμε ςτον δζκτθ μασ live εικόνα από το drone. Θ εμβζλεια του ςυςτιματοσ ςε ςυνδυαςμό με κεραία omnidirectional 9 dbi ςτον πομπό και κεραία τφπου yagi 13 dbi ςτον δζκτθ φτάνει τα 20 χλμ. Tζλοσ ο δζκτθσ ςυνδζκθκε με monitor 7 inch. ΕΙΚΟΝΑ GHZ TX WITH GOPRO & LIPO 11.1 V

13 EIKΟΝΑ GHZ RX WITH TFT MONITOR AND YAGI ANTENNA

14 ΕΙΚΟΝΑ GHZ RX YAGI ANTENNA 13 DBI

15 3.3 Antenna Tracker Σφςτθμα παρακολοφκθςθσ τθσ κεραίασ που ακολουκεί μια πθγι ςιματοσ. Στο ςυγκεκριμζνο project θ κζςθ του ιπτάμενου οχιματοσ μασ, μεταδίδεται μζςω του πομποφ τθσ κάμερασ μασ από το κανάλι του ιχου και λαμβάνεται ςτθ βάςθ μζςω του αντίςτοιχου δζκτθ, το οποίο επεξεργάηεται από ζναν controller, ο οποίοσ οδθγεί δφο μθχανιςμοφσ servo και ςτρζφει τθν κεραία μασ ςτο ςθμείο που είναι το drοne μασ για καλφτερθ λιψθ. Θ χρθςιμότθτα του είναι απαραίτθτθ, εφόςων θ κεραία ςτθ βάςθ όπου γίνεται θ λιψθ τθσ εικόνασ είναι κατευκυντικι. Το ςυγκεκριμζνο κομμάτι τθσ εργαςίασ αποτελεί μζροσ ειδικοφ κζματοσ που υλοποιικθκε το εαρινό εξάμθνο αλλά είναι ςθμαντικό κομμάτι ενόσ UAV και πρζπει να αναφερκεί.

16 ΕΙΚΟΝΑ 9 ΕΙΚΟΝΑ

17 Κεφάλαιο 4: υςτιματα Σθλεκατεφκυνςθσ & Πλοιγθςθσ 4.1 Σθλεκατεφκυνςθ Προςαρμογι UHF πομποφ (433 mhz) Τθλεκατεφκυνςθ ελζγχου (ςυχνά με τα αρχικά RC) είναι θ χριςθ των ραδιοκυμάτων με ςκοπό τον ζλεγχο μια ςυςκευισ από απόςταςθ. Θ τθλεκατεφκυνςθ ελζγχου χρθςιμοποιείται για τον χειροκίνθτο ζλεγχο οχθμάτων με ραδιοφωνικό πομπό, π.χ. βιομθχανικό και ςτρατιωτικό εξοπλιςμό. Για τθν υλοποίθςθ του project αυτοφ χρθςιμοποιικθκε τθλεκατεφκυνςθ 9 καναλιϊν, με προςαρμογι πομποφ UHF ςτα 433mhz, για τθν επίτευξθ απομακρυςμζνου ελζγχου ζωσ 40 km. ΕΙΚΟΝΑ 13 9 channel tx with 433 mhz module

18 4.2 Aυτόματοσ Πιλότοσ Το ArduCopter είναι μία open source πλατφόρμα μθ επανδρωμζνων εναζριων οχθμάτων, που δθμιουργικθκαν από τθν κοινότθτα DIY Drones βαςιςμζνθ ςτθν πλατφόρμα Arduino. Είναι μία μικρι all-in-one μονάδα που ςυνδυάηει τθν MC, ζνα γυροςκόπιο, επιταχυνςιόμετρο, και ζνα βαρομετρικό αλτίμετρο. Με τθν προαιρετικι μονάδα GPS και Πυξίδασ, βρίςκει και καταγράφει ςτθν ΜC τθν ακριβι κζςθ του ιπτάμενου αντικειμζνου. Eπίςθσ μπορεί να μετριςει το φψοσ πτιςθσ και ωσ εκ τοφτου μπορεί να χρθςιμοποιθκεί για αυτόματο πιλότο και αυτόματθ οδιγθςθ. Με τον πρωτοποριακό ςχεδιαςμό All-in-One, περιζχει ελεγκτζσ, 3 αξόνων γυροςκόπιο και βαρόμετρο ςτο φωσ. Το ArduCopter περιζχει ςφνκετο αλγόρικμο κακοδιγθςθσ, αλγόρικμο ελζγχου και παρζχει εξαιρετικι ςτακερότθτα και ευελιξία κατά τθ διάρκεια τθσ πτιςθσ. ΕΙΚΟΝΑ 14 AUTOPILOT WITH TELEMETRY

19 RTH MODE CODE /// -*- tab-width: 4; Mode: C++; c-basic-offset: 4; indent-tabs-mode: nil -*- /* * control_rtl.pde - init and run calls for RTL flight mode * * There are two parts to RTL, the high level decision making which controls which state we are in * and the lower implementation of the waypoint or landing controllers within those states */ // rtl_init - initialise rtl controller static bool rtl_init(bool ignore_checks) { if (GPS_ok() ignore_checks) { rtl_climb_start(); return true; else{ return false; // rtl_run - runs the return-to-launch controller // should be called at 100hz or more static void rtl_run() { // check if we need to move to next state if (rtl_state_complete) { switch (rtl_state) { case InitialClimb: rtl_return_start(); break; case ReturnHome: rtl_loiterathome_start(); break; case LoiterAtHome: if (g.rtl_alt_final > 0 &&!failsafe.radio) { rtl_descent_start(); else{ rtl_land_start(); break;

20 case FinalDescent: // do nothing break; case Land: // do nothing - rtl_land_run will take care of disarming motors break; // call the correct run function switch (rtl_state) { case InitialClimb: rtl_climb_return_run(); break; case ReturnHome: rtl_climb_return_run(); break; case LoiterAtHome: rtl_loiterathome_run(); break; case FinalDescent: rtl_descent_run(); break; case Land: rtl_land_run(); break; // rtl_climb_start - initialise climb to RTL altitude static void rtl_climb_start() { rtl_state = InitialClimb; rtl_state_complete = false; // initialise waypoint and spline controller wp_nav.wp_and_spline_init(); // get horizontal stopping point Vector3f destination; wp_nav.get_wp_stopping_point_xy(destination); #if AC_RALLY == ENABLED // rally_point.alt will be the altitude of the nearest rally point or the RTL_ALT. uses

21 absolute altitudes Location rally_point = rally.calc_best_rally_or_home_location(current_loc, get_rtl_alt()+ahrs.get_home().alt); rally_point.alt -= ahrs.get_home().alt; // convert to altitude above home rally_point.alt = max(rally_point.alt, current_loc.alt); // ensure we do not descend before reaching home destination.z = rally_point.alt; #else destination.z = get_rtl_alt(); #endif // set the destination wp_nav.set_wp_destination(destination); wp_nav.set_fast_waypoint(true); // hold current yaw during initial climb set_auto_yaw_mode(auto_yaw_hold); // rtl_return_start - initialise return to home static void rtl_return_start() { rtl_state = ReturnHome; rtl_state_complete = false; // set target to above home/rally point #if AC_RALLY == ENABLED // rally_point will be the nearest rally point or home. uses absolute altitudes Location rally_point = rally.calc_best_rally_or_home_location(current_loc, get_rtl_alt()+ahrs.get_home().alt); rally_point.alt -= ahrs.get_home().alt; // convert to altitude above home rally_point.alt = max(rally_point.alt, current_loc.alt); // ensure we do not descend before reaching home Vector3f destination = pv_location_to_vector(rally_point); #else Vector3f destination = Vector3f(0,0,get_RTL_alt()); #endif wp_nav.set_wp_destination(destination); // initialise yaw to point home (maybe) set_auto_yaw_mode(get_default_auto_yaw_mode(true)); // rtl_climb_return_run - implements the initial climb, return home and descent portions of RTL which all rely on the wp controller // called by rtl_run at 100hz or more static void rtl_climb_return_run()

22 { // if not auto armed set throttle to zero and exit immediately if(!ap.auto_armed) { // reset attitude control targets attitude_control.relax_bf_rate_controller(); attitude_control.set_yaw_target_to_current_heading(); attitude_control.set_throttle_out(0, false); // To-Do: re-initialise wpnav targets return; // process pilot's yaw input float target_yaw_rate = 0; if (!failsafe.radio) { // get pilot's desired yaw rate target_yaw_rate = get_pilot_desired_yaw_rate(g.rc_4.control_in); if (target_yaw_rate!= 0) { set_auto_yaw_mode(auto_yaw_hold); // run waypoint controller wp_nav.update_wpnav(); // call z-axis position controller (wpnav should have already updated it's alt target) pos_control.update_z_controller(); // call attitude controller if (auto_yaw_mode == AUTO_YAW_HOLD) { // roll & pitch from waypoint controller, yaw rate from pilot attitude_control.angle_ef_roll_pitch_rate_ef_yaw(wp_nav.get_roll(), wp_nav.get_pitch(), target_yaw_rate); else{ // roll, pitch from waypoint controller, yaw heading from auto_heading() attitude_control.angle_ef_roll_pitch_yaw(wp_nav.get_roll(), wp_nav.get_pitch(), get_auto_heading(),true); // check if we've completed this stage of RTL rtl_state_complete = wp_nav.reached_wp_destination(); // rtl_return_start - initialise return to home static void rtl_loiterathome_start() { rtl_state = LoiterAtHome;

23 rtl_state_complete = false; rtl_loiter_start_time = millis(); // yaw back to initial take-off heading yaw unless pilot has already overridden yaw if(get_default_auto_yaw_mode(true)!= AUTO_YAW_HOLD) { set_auto_yaw_mode(auto_yaw_resettoarmedyaw); else { set_auto_yaw_mode(auto_yaw_hold); // rtl_climb_return_descent_run - implements the initial climb, return home and descent portions of RTL which all rely on the wp controller // called by rtl_run at 100hz or more static void rtl_loiterathome_run() { // if not auto armed set throttle to zero and exit immediately if(!ap.auto_armed) { // reset attitude control targets attitude_control.relax_bf_rate_controller(); attitude_control.set_yaw_target_to_current_heading(); attitude_control.set_throttle_out(0, false); // To-Do: re-initialise wpnav targets return; // process pilot's yaw input float target_yaw_rate = 0; if (!failsafe.radio) { // get pilot's desired yaw rate target_yaw_rate = get_pilot_desired_yaw_rate(g.rc_4.control_in); if (target_yaw_rate!= 0) { set_auto_yaw_mode(auto_yaw_hold); // run waypoint controller wp_nav.update_wpnav(); // call z-axis position controller (wpnav should have already updated it's alt target) pos_control.update_z_controller(); // call attitude controller if (auto_yaw_mode == AUTO_YAW_HOLD) { // roll & pitch from waypoint controller, yaw rate from pilot attitude_control.angle_ef_roll_pitch_rate_ef_yaw(wp_nav.get_roll(),

24 wp_nav.get_pitch(), target_yaw_rate); else{ // roll, pitch from waypoint controller, yaw heading from auto_heading() attitude_control.angle_ef_roll_pitch_yaw(wp_nav.get_roll(), wp_nav.get_pitch(), get_auto_heading(),true); // check if we've completed this stage of RTL if ((millis() - rtl_loiter_start_time) >= (uint32_t)g.rtl_loiter_time.get()) { if (auto_yaw_mode == AUTO_YAW_RESETTOARMEDYAW) { // check if heading is within 2 degrees of heading when vehicle was armed if (labs(wrap_180_cd(ahrs.yaw_sensor-initial_armed_bearing)) <= 200) { rtl_state_complete = true; else { // we have loitered long enough rtl_state_complete = true; // rtl_descent_start - initialise descent to final alt static void rtl_descent_start() { rtl_state = FinalDescent; rtl_state_complete = false; // Set wp navigation target to above home wp_nav.init_loiter_target(wp_nav.get_wp_destination()); // initialise altitude target to stopping point pos_control.set_target_to_stopping_point_z(); // initialise yaw set_auto_yaw_mode(auto_yaw_hold); // rtl_descent_run - implements the final descent to the RTL_ALT // called by rtl_run at 100hz or more static void rtl_descent_run() { int16_t roll_control = 0, pitch_control = 0; float target_yaw_rate = 0; // if not auto armed set throttle to zero and exit immediately if(!ap.auto_armed!inertial_nav.position_ok()) { attitude_control.relax_bf_rate_controller();

25 attitude_control.set_yaw_target_to_current_heading(); attitude_control.set_throttle_out(0, false); // set target to current position wp_nav.init_loiter_target(); return; // process pilot's input if (!failsafe.radio) { if (g.land_repositioning) { // apply SIMPLE mode transform to pilot inputs update_simple_mode(); // process pilot's roll and pitch input roll_control = g.rc_1.control_in; pitch_control = g.rc_2.control_in; // get pilot's desired yaw rate target_yaw_rate = get_pilot_desired_yaw_rate(g.rc_4.control_in); // process roll, pitch inputs wp_nav.set_pilot_desired_acceleration(roll_control, pitch_control); // run loiter controller wp_nav.update_loiter(ekfgndspdlimit, ekfnavvelgainscaler); // call z-axis position controller pos_control.set_alt_target_with_slew(g.rtl_alt_final, G_Dt); pos_control.update_z_controller(); // roll & pitch from waypoint controller, yaw rate from pilot attitude_control.angle_ef_roll_pitch_rate_ef_yaw(wp_nav.get_roll(), wp_nav.get_pitch(), target_yaw_rate); // check if we've reached within 20cm of final altitude rtl_state_complete = fabs(g.rtl_alt_final - inertial_nav.get_altitude()) < 20.0f; // rtl_loiterathome_start - initialise controllers to loiter over home static void rtl_land_start() { rtl_state = Land; rtl_state_complete = false; // Set wp navigation target to above home wp_nav.init_loiter_target(wp_nav.get_wp_destination()); // initialise altitude target to stopping point

26 pos_control.set_target_to_stopping_point_z(); // initialise yaw set_auto_yaw_mode(auto_yaw_hold); // rtl_returnhome_run - return home // called by rtl_run at 100hz or more static void rtl_land_run() { int16_t roll_control = 0, pitch_control = 0; float target_yaw_rate = 0; // if not auto armed set throttle to zero and exit immediately if(!ap.auto_armed ap.land_complete) { attitude_control.relax_bf_rate_controller(); attitude_control.set_yaw_target_to_current_heading(); attitude_control.set_throttle_out(0, false); // set target to current position wp_nav.init_loiter_target(); #if LAND_REQUIRE_MIN_THROTTLE_TO_DISARM == ENABLED // disarm when the landing detector says we've landed and throttle is at minimum if (ap.land_complete && (ap.throttle_zero failsafe.radio)) { init_disarm_motors(); #else // disarm when the landing detector says we've landed if (ap.land_complete) { init_disarm_motors(); #endif // check if we've completed this stage of RTL rtl_state_complete = ap.land_complete; return; // relax loiter target if we might be landed if (land_complete_maybe()) { wp_nav.loiter_soften_for_landing(); // process pilot's input if (!failsafe.radio) { if (g.land_repositioning) { // apply SIMPLE mode transform to pilot inputs

27 update_simple_mode(); // process pilot's roll and pitch input roll_control = g.rc_1.control_in; pitch_control = g.rc_2.control_in; // get pilot's desired yaw rate target_yaw_rate = get_pilot_desired_yaw_rate(g.rc_4.control_in); // process pilot's roll and pitch input wp_nav.set_pilot_desired_acceleration(roll_control, pitch_control); // run loiter controller wp_nav.update_loiter(ekfgndspdlimit, ekfnavvelgainscaler); // call z-axis position controller float cmb_rate = get_land_descent_speed(); pos_control.set_alt_target_from_climb_rate(cmb_rate, G_Dt, true); pos_control.update_z_controller(); // record desired climb rate for logging desired_climb_rate = cmb_rate; // roll & pitch from waypoint controller, yaw rate from pilot attitude_control.angle_ef_roll_pitch_rate_ef_yaw(wp_nav.get_roll(), wp_nav.get_pitch(), target_yaw_rate); // check if we've completed this stage of RTL rtl_state_complete = ap.land_complete; // get_rtl_alt - return altitude which vehicle should return home at // altitude is in cm above home static float get_rtl_alt() { // maximum of current altitude and rtl altitude float rtl_alt = max(current_loc.alt, g.rtl_altitude); #if AC_FENCE == ENABLED // ensure not above fence altitude if alt fence is enabled if ((fence.get_enabled_fences() & AC_FENCE_TYPE_ALT_MAX)!= 0) { rtl_alt = min(rtl_alt, fence.get_safe_alt()*100.0f); #endif return rtl_alt;

28 4.3 φςτθμα πλοιγθςθσ εδάφουσ (Ground Control Station) Ζνασ επίγειοσ ςτακμόσ ελζγχου (GCS) είναι ζνα κζντρο ελζγχου με βάςθ τθ γθ που παρζχει τισ δυνατότθτεσ για τον ανκρϊπινο ζλεγχο των μθ επανδρωμζνων οχθμάτων ςτον αζρα ι ςτο χϊρο. Το GCS κα μποροφςε να χρθςιμοποιθκεί για τον ζλεγχο μθ επανδρωμζνων εναζριων οχθμάτων ι πυραφλων μζςα ι πάνω από τθν ατμόςφαιρα. Ο ςτακμόσ μασ αποτελείται : 1. Τθλεχειριςτιριο τθλεκατεφκυνςθσ 9 καναλιϊν. 2. Δζκτθσ 1.2 ghz για λιψθ εικόνασ ςε οκόνθ 7 ςε ςυνδυαςμό με κεραία yagi 1.2 ghz (13 dbi). 3. Oκόνθ 7 για λιψθ εικόνασ από το drone. 4. Laptop για παρακολοφκθςθ και χάραξθ πορείασ, μζςω ςυςτιματοσ τθλεμετρίασ. 5. Πομπόσ 2.4 ghz για μετάδοςθ εντολϊν από ςφςτθμα τθλεμετρίασ. 6. Γεννιτρια βενηίνθσ για παροχι ρεφματοσ ςτον επίγειο ςτακμό.

29 Κεφάλαιο 5: RLC Φίλτρα 5.1 Σι είναι τα RLC φίλτρα Ζνα φίλτρο διζλευςθσ χαμθλϊν ςυχνοτιτων, είναι ζνα φίλτρο που περνά ςιματα με ςυχνότθτα μικρότερθ από μια οριςμζνθ ςυχνότθτα αποκοπισ και εξαςκενεί τα ςιματα με ςυχνότθτεσ υψθλότερεσ από τθ ςυχνότθτα αποκοπισ. Θ ποςότθτα τθσ εξαςκζνθςθσ για κάκε ςυχνότθτα εξαρτάται από το ςχεδιαςμό του φίλτρου. Ζνα χαμθλισ διζλευςθσ φίλτρο είναι το αντίκετο ενόσ φίλτρου διζλευςθσ υψθλϊν ςυχνοτιτων. Ζνα ηωνοπερατό φίλτρο είναι ζνασ ςυνδυαςμόσ ενόσ low-pass(χαμθλοπερατό) και ζνοσ high-pass φίλτρου(υψθλοπερατό). Υπάρχουν φίλτρα διζλευςθσ ςυχνοτιτων ςε πολλζσ διαφορετικζσ μορφζσ, ςυμπεριλαμβανομζνων των θλεκτρονικϊν κυκλωμάτων (όπωσ ζνα φίλτρο που χρθςιμοποιείται ςτον ιχο), τα φίλτρα antialiasing για ςιματα μετατροπισ από αναλογικό ςε ψθφιακό ςιμα, ψθφιακά φίλτρα για τθν εξομάλυνςθ ςυνόλου δεδομζνων, ακουςτικϊν εμποδίων, κόλωμα των εικόνων και οφτω κακεξισ. Τα φίλτρα διζλευςθσ ςυχνοτιτων παρζχουν μια ομαλότερθ μορφι ενόσ ςιματοσ, αφαιρϊντασ τισ μθ επικυμθτζσ διακυμάνςεισ. ΕΙΚΟΝΑ 16 BAND-PASS FILTER

30 ΕΙΚΟΝΑ 17 ΕΙΚΟΝΑ 18 BAND-PASS FILTER ON 1.2 GHZ VTX

31 5.2 Ποια θ χρθςιμότθτα και τα οφζλθ τουσ ςτο ςυγκεκριμζνο project Λόγω φπαρξθσ πολλϊν αναμεταδόςεων ανάμεςα ςτον επίγειο ςτακμό (GCS) και του εξακοπτζρου, θ χρθςιμότθτα φίλτρων διζλευςθσ ςυχνοτιτων είναι αναγκαία, κακϊσ μετά από δοκιμαςτικζσ πτιςεισ που γίνανε χωρίσ αυτά, παρατθρικθκε δραςτικι μείωςθ τθσ εμβζλειασ τθλεκατεφκυνςθσ, τθλεμετρίασ και βιντεοαναμετάδαςθσ μζχρι και 95 %. Λόγω μικροφ μεγζκουσ του drone, είναι αναπόφευκτθ θ τοποκζτθςθ δεκτϊν και πομπϊν ςε μικρι απόςταςθ μεταξφ τουσ, (=<20cm) με αποτζλεςμα το ζνα να παρεμβάλει ςτο άλλο. Επιπλζον, παρόλο που χρθςιμοποιθκικανε διαφορετικζσ ςυχνότθτεσ για κάκε πομπο-δζκτθ, τα επίπεδα κορφβου ιταν πολφ υψθλά από τουσ πομποφσ, κακϊσ θ ιςχφσ τουσ ξεπερνοφςε το 1 watt. Στον ςτακμό μασ, τοποκετικθκε 433 mhz Low-Pass Filter ςτον πομπό τθσ τθλεκατεφκυνςθσ και ζνα 2.4 ghz Band Pass Filter ςτον πομπό τθσ τθλεμετρίασ, κακϊσ παρατθρικθκε μείωςθ τθσ λιψθσ βίντεο από τον 1.2 ghz δζκτθ. Στο εξακόπτερο υπάρχουν, ζνασ πομπόσ 1.2 ghz για τθν μετάδοςθ τθσ εικόνασ και τρεισ δζκτεσ. Ζνασ δζκτθσ για τθν τθλεκατεφκυνςθ, ζνασ τθσ τθλεμετρίασ και το gps module. Παρατθρικθκε ότι, θ χρθςιμοποίθςθ αυτϊν χωρίσ φίλτρο ςτον πομπό εικόνασ, είχε δραςτικι μείωςθ τθσ εμβζλειασ και αδυναμία από τον αυτόματο πιλότο να λοκάρει τθν αρχικι κζςθ απογείωςθσ λόγω παρεμβολισ (home point). Για τον λόγο αυτό τοποκετικθκε 1.2 ghz Band-Pass Filter ςτον πομπό.

32 Κεφάλαιο 6: Η Πρόοδοσ του Project se Βίντεο 6.1 Δοκιμι πτθτικισ ικανότθτασ drone utu.be 6.2 Δομικι αυτόματθσ προςγείωςθσ drone Καταγραφι αγροτικισ περιοχισ από το drone Kαταγραφι αγροτικισ περιοχισ με ακρίβεια τθλεμετρίασ υντριβι ςε κατοικθμζνθ περιοχι ANTENNA TRACKER VIDEO:

33 Κεφάλαιο 7: Βιβλιογραφία