ΑΥΤΟΝΟΜΗ ΠΛΟΗΓΗΣΗ ΜΗ ΕΠΑΝΔΡΩΜΕΝΩΝ ΕΛΙΚΟΠΤΕΡΩΝ Νίκος Ι. Βιτζηλαίος, Νίκος Χρ. Τσουρβελούδης Εργαστήριο Ευφυών Συστημάτων & Ρομποτικής Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής & Διοίκησης Πολυτεχνείο Κρήτης, 731, Χανιά, Ελλάδα ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η εργασία αυτή παρουσιάζει την έρευνα που διεξάγεται στο Εργαστήριο Ευφυών Συστημάτων και Ρομποτικής (ΕΕΣ&Ρ) του Πολυτεχνείου Κρήτης σχετικά με μικρά μη επανδρωμένα ελικόπτερα. Τα μη επανδρωμένα ελικόπτερα αποτελούν τις πιο ευέλικτες ιπτάμενες πτητικές μηχανές και χρησιμοποιούνται σε μεγάλο εύρος εφαρμογών. Η ευελιξία αυτή όμως συνοδεύεται από μεγάλη πολυπλοκότητα και αστάθεια. Η εξέλιξη ενός συστήματος αυτόνομης πλοήγησης αποτελεί μια περίπλοκη διαδικασία που περιλαμβάνει διάφορα στάδια. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται ένα πρωτότυπο σύστημα για δοκιμές εσωτερικού χώρου καθώς κι ένα υπό εξέλιξη σύστημα για δοκιμές εξωτερικού χώρου 1. Λέξεις κλειδιά: Μη επανδρωμένα ελικόπτερα, Αυτόνομη Πλοήγηση, Ασαφής Έλεγχος. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία χρόνια, ένα σημαντικό πεδίο δράσης της επιστήμης της Ρομποτικής αφορά στον τομέα της ανάπτυξης και εξέλιξης μη επανδρωμένων οχημάτων (εδάφους, εναέριων, θαλάσσιων, υποβρύχιων). Οι σύγχρονες απαιτήσεις για ευέλικτα αυτόνομα συστήματα που θα υποβοηθούν ή θα αντικαθιστούν τον ανθρώπινο παράγοντα σε επικίνδυνες ή μη εφαρμογές, έχουν οδηγήσει στην εξέλιξη οχημάτων ικανών να εκτελούν δύσκολες αποστολές και να συμμετέχουν σε ποικιλία εφαρμογών. Στον τομέα των εναέριων εφαρμογών, διακρίνονται οι περιπτώσεις των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων σταθερής πτέρυγας (αεροπλάνα, στην Αγγλική αναφέρονται ως Fixed Wing Unmanned Aerial Vehicles) και των μη επανδρωμένων οχημάτων κάθετης απογείωσηςπροσγείωσης (ελικόπτερα, στην Αγγλική: Vertical Take-Off and Landing). Τα μη επανδρωμένα ελικόπτερα έχουν τις ίδιες αρχές λειτουργίας και κίνησης με τα αντίστοιχα επανδρωμένα και μπορούν να εκτελέσουν κι αυτά εξίσου περίπλοκες κινήσεις. Η τεχνολογία τους διακρίνεται από μεγάλη ταχύτητα εξέλιξης και πλέον υπάρχουν πολλά είδη τέτοιων οχημάτων (μικρής ή μεγάλης κλίμακας, με κινητήρες εσωτερικής καύσης ή ηλεκτρικούς, κ.α.). Μια αναλυτική παρουσίαση της αγοράς των μη επανδρωμένων ελικοπτέρων γίνεται στο (Spanoudakis et al., 23). 1 Η εργασία αυτή αποτελεί μέρος του ερευνητικού προγράμματος 3ΕΔ465, που εκτελείται στα πλαίσια της δράσης «Πρόγραμμα Ενίσχυσης Ερευνητικού Δυναμικού» (ΠΕΝΕΔ) και συγχρηματοδοτείται από Ελληνικούς και Ευρωπαϊκούς πόρους (75% από Ευρωπαϊκή Ένωση-Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο και 25% από το Υπουργείο Ανάπτυξης-Γενική Γραμματεία Έρευνας & Τεχνολογίας).
Τα ελικόπτερα διακρίνονται για την ευελιξία των κινήσεων και για τη δυνατότητα εκτέλεσης αιώρησης και περίπλοκων ελιγμών. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα σε σχέση με τα εναέρια οχήματα σταθερής πτέρυγας είναι η δυνατότητα της αιώρησης. Τα πλεονεκτήματα των ελικοπτέρων συντελούν στη χρήση τους σε πλήθος εφαρμογών (εναέρια επιτήρηση, έλεγχος κυκλοφορίας, γεωργία, ΜΜΕ, πυροπροστασία κ.α.). Η ευελιξία τους όμως προσθέτει και πολυπλοκότητα, καθώς τα μη επανδρωμένα ελικόπτερα είναι εξαιρετικά ασταθή συστήματα έξι βαθμών ελευθερίας (κίνηση και περιστροφή σε τρεις άξονες), που δύσκολα ελέγχονται, ακόμα κι από έμπειρο χειριστή. Τα κινηματικά μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί ως σήμερα εκτός από την δυσκολία εφαρμογής τους διακρίνονται και για την αστάθεια τους, καθώς ενώ περιγράφουν την κίνηση του ελικοπτέρου, δεν λαμβάνουν ενδελεχώς υπόψη τους εξωγενείς παράγοντες που την επηρεάζουν, όπως π.χ. ο άνεμος. Για το λόγο αυτό, στην εξέλιξη συστημάτων αυτόνομης πλοήγησης χρησιμοποιούνται αρχικά λογισμικά προσομοίωσης, μέσω των οποίων αξιολογούνται τα υπό ανάπτυξη συστήματα ελέγχου πτήσης. Αν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης είναι ενθαρρυντικά, τότε εφαρμόζεται ο ελεγκτής σε πραγματικό όχημα. Ωστόσο, τα αρχικά πειράματα σε πραγματικό όχημα παραμένουν και τα πιο επικίνδυνα, καθώς η προσομοίωση δεν μπορεί να υποκαταστήσει πλήρως το πραγματικό περιβάλλον και είναι δυνατόν η δοκιμαστική πτήση να καταλήξει σε ατύχημα. Πέραν της επικινδυνότητας, οποιαδήποτε σύγκρουση του ελικοπτέρου οδηγεί συνήθως σε απώλειά του, οπότε υπάρχει κόστος απωλειών. Σε μια προσπάθεια να μειωθεί αυτό το κόστος, τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιούνται ελικόπτερα μικρής κλίμακας (περίπου 1.5 mm μήκος) που αποτελούν για τους επιστήμονες μια σχετικά φθηνή διάταξη πειραματισμού (Kontitsis et al., 25; Roberts et al., 23). Στην εργασία αυτή, αρχικά παρουσιάζεται ένα πρωτότυπο σύστημα/διάταξη ασφαλούς πειραματισμού με πραγματικό όχημα σε εσωτερικό χώρο. Το σύστημα αυτό καλύπτει ουσιαστικά το κενό ανάμεσα στην προσομοίωση και τις πτήσεις με πραγματικό όχημα, καθώς δίνει τη δυνατότητα πειραματισμού με πραγματικό ελικόπτερο, με ορατά αποτελέσματα σε πραγματικό χρόνο από το χειριστή, ο οποίος μπορεί να παρακολουθεί από κοντινή απόσταση καθ όλη τη διάρκεια του πειράματος. Η διάταξη που αναπτύχθηκε δίνει δυνατότητα κινήσεων σε πέντε βαθμούς ελευθερίας. Στη βιβλιογραφία συναντούμε διατάξεις πειραματισμού με πραγματικά οχήματα (Dzul et al., 24; Mancini et al., 27) οι οποίες όμως επιτρέπουν έλεγχο ενός ή δύο βαθμών ελευθερίας. Στο δεύτερο τμήμα της εργασίας, παρουσιάζεται η εξέλιξη ενός συστήματος αυτόνομης πλοήγησης για πειραματισμό με ελικόπτερο σε εξωτερικό χώρο. Η συγκεκριμένη εφαρμογή αποτελεί τμήμα έρευνας που βρίσκεται σε εξέλιξη. 2 ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΣΜΟΥ ΑΥΤΟΝΟΜΗΣ ΠΤΗΣΗΣ Η αστάθεια των ελικοπτέρων και η επικινδυνότητα των δοκιμών μπορεί να οδηγήσει σε ατυχήματα. Το κόστος τέτοιων ατυχημάτων ισοσκελίζεται μερικώς από τη χρήση οχημάτων μικρού μεγέθους και κόστους. Παραμένει ωστόσο το ζήτημα της ασφάλειας το οποίο δεν μπορεί να καλυφθεί από ανάλογες λύσεις. Η χρήση προσομοιωτή δεν αρκεί για την ανάπτυξη ενός συστήματος ελέγχου και ο πειραματισμός πρέπει να επεκταθεί στη χρήση πραγματικών ελικοπτέρων. Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα, σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε μια πειραματική διάταξη (Εικόνα 1α) με την οποία μπορούν να γίνουν ασφαλείς δοκιμές σε πραγματικό όχημα και σε εσωτερικό εργαστηριακό χώρο, χωρίς περιορισμούς στην κίνηση του ελικοπτέρου. Οι δοκιμές σε εσωτερικό χώρο εξασφαλίζουν μέγιστο χρόνο δοκιμών καθώς είναι ανεξάρτητες από καιρικές συνθήκες. Ο ερευνητής δύναται να παρατηρεί σε
πραγματικό χρόνο τα αποτελέσματα των δοκιμών με ασφάλεια πολύ κοντά στο ελικόπτερο. Για λόγους οικονομίας χώρου, στη συνέχεια παρουσιάζονται συνοπτικά τα βασικότερα στοιχεία του συστήματος. Αναλυτικά στοιχεία μπορούν να βρεθούν στο (Vitzilaios and Tsourveloudis, 29), ενώ μαγνητοσκοπημένα στιγμιότυπα πειραμάτων βρίσκονται στη σελίδα του ΕΕΣ&Ρ: http://www.robolab.tuc.gr/testflights. Βάση Στήριξης Αισθητήρας Ύψους Αισθητήρας περιστροφής Κατακόρυφη Θέση Οριζόντια Θέση Ελικόπτερο Αδρανειακή μονάδα μέτρησης Γωνίες Euler Οδηγός/Ελεγκτής Σέρβο Σήματα Ελέγχου Σέρβο 1 Σέρβο 2 Σέρβο 3 Κινητήρας Πλευρική Διαμήκης Κίνηση Στροφές Κινητήρα Υπολογιστική Μονάδα Σταθμός Ελέγχου (α) (β) Εικόνα 1: (α) Σύστημα πειραματισμού εσωτερικού χώρου, (β) Διασύνδεση υποσυστημάτων Για την στήριξη του ελικοπτέρου χρησιμοποιείται μια εμπορικά διαθέσιμη βάση εκπαίδευσης (Whiteman, 199), η οποία έχει μετασκευαστεί κατάλληλα ώστε να χρησιμοποιείται για πειραματισμό και επιτρέπει την πλήρη κίνηση και περιστροφή του ελικοπτέρου εντός ορισμένων ασφαλών ορίων (στην περιφέρεια ενός κύκλου διαμέτρου 2,1 μέτρων). Το ελικόπτερο δεν μπορεί να κινηθεί εκτός αυτών των ορίων και κατά συνέπεια ελαχιστοποιείται ο κίνδυνος ατυχήματος. Για τον προσδιορισμό της θέσης του ελικοπτέρου ως προς τον άξονα οριζόντιας περιστροφής χρησιμοποιείται αισθητήρας περιστροφής (Εικόνα 1α) που μετράει σε πραγματικό χρόνο τη γωνία στροφής της βάσης, την οριζόντια δηλαδή μετακίνηση του ελικοπτέρου. Για τον πλήρη εντοπισμό της θέσης του ελικοπτέρου, χρειάζεται περαιτέρω να γνωρίζουμε το ύψος πτήσης του. Η βάση στήριξης δίνει τη δυνατότητα μέγιστης πτήσης στα 6 εκατοστά. Για την καταγραφή του ακριβούς ύψους πτήσης χρησιμοποιείται αισθητήρας υπερύθρων που έχει τοποθετηθεί στο κάτω μέρος της βάσης στήριξης του ελικοπτέρου (Εικόνα 1α). Για τον πειραματισμό σε εσωτερικό χώρο χρησιμοποιείται ελικόπτερο με ηλεκτρικό κινητήρα ώστε να μην παράγονται καυσαέρια. Το ελικόπτερο έχει μετασκευαστεί κατάλληλα και έχουν προστεθεί ηλεκτρονικά συστήματα ώστε να χρησιμοποιηθεί για πειραματικούς σκοπούς. Στον Πίνακα 1 παρουσιάζονται συνοπτικά όλα τα υποσυστήματα και η λειτουργία τους. Στην Εικόνα 1β παρουσιάζεται η διασύνδεση των υποσυστημάτων. Η διάταξη πειραματισμού (βάση εκπαίδευσης, ελικόπτερο, αισθητήρες) έχει τοποθετηθεί σε ελεγχόμενο εργαστηριακό χώρο εντός κλωβού ασφαλείας, ο οποίος επιτρέπει ασφαλή παρατήρηση του συστήματος από κοντινή απόσταση κατά τη διάρκεια εκτέλεσης πειραμάτων. Για την πειραματική επαλήθευση της σωστής λειτουργίας της διάταξης πειραματισμού, αναπτύχθηκε ελεγκτής αυτόνομης αιώρησης που βασίζεται στην ασαφή λογική. Είναι αλήθεια ότι η ασαφής λογική προσφέρει ένα πλαίσιο μοντελοποίησης που επιτρέπει την απλή αναπαράσταση της εμπειρίας του χειριστή μέσω κανόνων της
μορφής ΕΑΝ ΤΟΤΕ (Tsourveloudis et al., 25). Η ανάπτυξη ενός τέτοιου ελεγκτή γίνεται σχετικά γρήγορα καθώς δεν απαιτείται η ύπαρξη κινηματικού μοντέλου ή γνώση των δυναμικών χαρακτηριστικών του ελικοπτέρου. Κατά συνέπεια ο ελεγκτής μπορεί δυνητικά να ελέγξει διαφορετικούς τύπους ελικοπτέρων αντίστοιχου μεγέθους. Πίνακας 1: Βασικά δομικά στοιχεία του συστήματος πειραματισμού αυτόνομης πτήσης Υποσύστημα Αδρανειακή μονάδα μέτρησης (Inertial Measurement Unit, IMU) Ψηφιακός διακόπτης Ελεγκτής σέρβο (OOPic) Σύστημα επικοινωνίας Bluetooth Σύστημα τροφοδοσίας Σταθμός ελέγχου Λειτουργία Υπολογισμός πραγματικού χρόνου των γωνιών Euler του ελικοπτέρου (επίκλησης-roll, πρόνευσηςpitch, παρέκκλισης-yaw, Εικόνα 1α). Μετάβαση των σημάτων από την χειροκίνητη στην αυτόνομη λειτουργία και αντίστροφα. Μετατροπή σημάτων ελέγχου που εξάγονται από τον ελεγκτή σε σήματα τύπου PWM που κινούν τα σέρβο του ελικοπτέρου. Επικοινωνία ανάμεσα σε σταθμό ελέγχου/oopic. Συνεχής παροχή ηλεκτρικού ρεύματος στο ελικόπτερο. Λήψη και επεξεργασία σημάτων αισθητήρων, παραγωγή και αποστολή σημάτων ελέγχου. Η σχεδίαση του ελεγκτή στηρίχθηκε στη γνώση που εξάγεται από το χειρισμό του ελικοπτέρου από έμπειρο χειριστή, σύμφωνα με την οποία, οι είσοδοι του ελεγκτή είναι οι γωνίες επίκλησης και παρέκκλισης, το ύψος πτήσης καθώς και το σφάλμα οριζόντιας θέσης και η μεταβολή του σφάλματος οριζόντιας θέσης. Ως σφάλμα οριζόντιας θέσης ορίζεται η διαφορά ανάμεσα στην τρέχουσα και την επιθυμητή οριζόντια θέση του ελικοπτέρου. Οι έξοδοι του ελεγκτή είναι η μεταβολή των γωνιών επίκλησης και παρέκκλισης καθώς και η μεταβολή στις στροφές του κινητήρα. Στην Εικόνα 2 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα ενός σεναρίου δοκιμών αυτόνομης αιώρησης. Ο χειριστής αφήνει το ελικόπτερο στην οριζόντια θέση που θέλει να εκτελέσει αιώρηση και στη συνέχεια δίνει τον έλεγχο στο σύστημα αυτόνομης πλοήγησης με στόχο την αιώρηση σε ύψος 22cm. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 2, ο ελεγκτής ελέγχει επιτυχώς το ελικόπτερο, καθώς η οριζόντια θέση παραμένει σταθερή. Επιπλέον παρατηρούμε στο σφάλμα θέσης ότι υπάρχει μια συνεχής τάση του ελικοπτέρου προς θετικές αποκλίσεις την οποία όμως ο ελεγκτής αναγνωρίζει, διορθώνει και επαναφέρει το όχημα στην επιθυμητή θέση. Αυτή η τάση οφείλεται στο ότι το σύστημα πειραματισμού βρίσκεται σε εσωτερικό εργαστηριακό χώρο. Κατά συνέπεια, από την περιστροφή του κυρίως στροφείου του ελικοπτέρου δημιουργούνται κύματα αέρα τα οποία ανακυκλώνονται στους τοίχους που περιβάλλον το σύστημα και επιστρέφουν στο όχημα ωθώντας το μακριά από την επιθυμητή θέση αιώρησης. Η επιτυχία όμως του ελεγκτή να αναγνωρίζει αυτή την αναταραχή είναι πολύ σημαντική, καθώς και στον εξωτερικό χώρο πτήσης υπάρχουν πολλές αναταράξεις οι οποίες είναι δύσκολο να προβλεφθούν και να μοντελοποιηθούν. Κατά συνέπεια ο ελεγκτής αποδεικνύεται εύρωστος σε αυτές τις διαταραχές.
2 A B C D E Roll -2 2 Pitch Position Error Change of Pos Error Altitude (cm) Lateral Cyclic (PWM) -2 1-1 15-15 3 2 1.3 -.3 Longitudinal Cyclic (PWM).3 -.3 Throttle (PWM) 3-3 A B C D E Iterations Εικόνα 2: Αποτελέσματα πειράματος αυτόνομης αιώρησης 3 ΡΟΜΠΟΤΙΚΟ ΕΛΙΚΟΠΤΕΡΟ ΕΞΩΤΕΡΙΚΟΥ ΧΩΡΟΥ Μετά την ολοκλήρωση του συστήματος πειραματισμού που παρουσιάστηκε στην Ενότητα 2, το ΕΕΣ&Ρ εστιάζεται στην ανάπτυξη και εξέλιξη πλήρως αυτόνομου ρομποτικού ελικοπτέρου (Εικόνα 3) για πτήσεις σε εξωτερικό χώρο. Το ελικόπτερο διαθέτει κινητήρα εσωτερικής καύσης με αυτονομία 15 λεπτών. Αναπτύσσεται και εξελίσσεται σύστημα αυτόνομης πλοήγησης ικανό να εκτελεί αυτόνομα, ποικιλία αποστολών που ορίζει ο χειριστής, όπως αυτόνομη αιώρηση και πλοήγηση μέσω σημείων. Το σύστημα αυτό αποτελείται από υλικό εξοπλισμό και λογισμικό που αναπτύσσεται από το ΕΕΣ&Ρ. Στον υλικό εξοπλισμό περιλαμβάνονται: Υπολογιστικό σύστημα με μητρική πλακέτα 3,5 ιντσών, επεξεργαστή και σκληρό δίσκο τεχνολογίας στερεάς κατάστασης (χωρίς κινούμενα μέρη). Αδρανειακή μονάδα μέτρησης με ενσωματωμένο δέκτη παγκοσμίου συστήματος συντεταγμένων. Ψηφιακό διακόπτη-ελεγκτή σημάτων τηλεκατευθυνόμενων σερβοκινητήρων. Κάμερα με μηχανισμό οριζόντιας/κατακόρυφης περιστροφής. Σύστημα ασύρματης τηλεμετρίας τεχνολογίας 82.11a. Συσσωρευτής τεχνολογίας λιθίου-πολυμερούς για την τροφοδοσία των παραπάνω ηλεκτρονικών συστημάτων, με αυτονομία μιας περίπου ώρας. Κυτίο ηλεκτρονικών και σύστημα προσεδάφισης. Στην παρούσα φάση έχει ολοκληρωθεί η συναρμολόγηση του υλικού εξοπλισμού και αναπτύσσονται αλγόριθμοι πλοήγησης για πτήσεις σε εξωτερικό χώρο.
Εικόνα 3: Το ελικόπτερο του ΕΕΣ&Ρ για αυτόνομες πτήσεις εξωτερικού χώρου. 4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην εργασία αυτή παρουσιάστηκε πρωτότυπη διάταξη πειραματισμού αυτόνομης πτήσης που δίνει τη δυνατότητα εκτέλεσης πειραμάτων σε εσωτερικό χώρο με χρήση πραγματικού ελικοπτέρου και σε συνθήκες απόλυτης ασφάλειας για τον παρατηρητή/ερευνητή. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την εφαρμογή ενός αλγορίθμου αυτόνομης πλοήγησης είναι ενθαρρυντικά και αποδεικνύουν την καλή λειτουργία της διάταξης. Η τρέχουσα έρευνα περιλαμβάνει την εξέλιξη ενός συστήματος αυτόνομης πλοήγησης για ελικόπτερο με κινητήρα εσωτερικής καύσης και πειραματισμό σε εξωτερικό χώρο. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Dzul, A., Lozano, R., Castillo, P, (24), Adaptive control for a radio-controlled helicopter in a vertical flying stand, International Journal of Adaptive Control and Signal Processing, vol. 18, no. 5, pp. 473-485. Kontitsis, M., Valavanis, K.P., Garcia, R. (25), A simple low cost vision system for small unmanned VTOL vehicles, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Alberta, Canada, pp. 348-3486. Mancini, A., Caponetti, F., Monteriu, A., Frontoni, E., Zingaretti, P., Longhi, S. (27), Safe flying for an UAV Helicopter, 15 th Mediterranean Conference on Control & Automation, Athens, Greece. Roberts, J.M., Corke, P.I., Buskey, C. (23), "Low-cost flight control system for a small autonomous helicopter", IEEE International Conference on Robotics and Automation, Taipei, Taiwan, pp. 546-551. Spanoudakis, P., Doitsidis, L., Tsourveloudis, N.C., Valavanis, K.P. (23), The Market for VTOL UAVs, Unmanned Systems Magazine, vol. 21, no. 5, pp. 14-18. Tsourveloudis, N.C., Doitsidis, L., Valavanis, K.P., (25), Autonomous Navigation of Unmanned Vehicles: A Fuzzy Logic Perspective, Cutting Edge Robotics, pp. 291-31. Vitzilaios, N.I., Tsourveloudis N.C., (29), An Experimental Test Bed for Small Unmanned Helicopters, Journal of Intelligent and Robotic Systems (to appear). Whiteman, R. (199), Training Apparatus for Remote Control Model Helicopters, Unites States Patent No. 491761.