mirror of
https://github.com/CopterExpress/clover.git
synced 2026-05-26 21:19:35 +00:00
f45000f595
* First draft of article * Update SUMMARY.md * Fix titles levels * Remove trailing dot from the title * Info about team * Start writing usage * Iframe to youtube * Installation manual * Edit article * Edit article more * List article * Team contacts * Logo to assets * Links to hard details * Start of collision detection * Fixes * Very minor fix Co-authored-by: Oleg Kalachev <okalachev@gmail.com>
174 lines
19 KiB
Markdown
174 lines
19 KiB
Markdown
# EasyToFly
|
||
|
||
## Информация о команде
|
||
|
||
[CopterHack-2021](copterhack2021.md), название команды: **EasyToFly**.
|
||
|
||
В команде 5 человек:
|
||
|
||
- Игорь Сидорин [@maerans12](https://github.com/maerans12) (TeamLead)
|
||
- Артём Баталов [@bart02](https://github.com/bart02) (Full-Stack разработчик)
|
||
- Карина Янышевская [@fanot](https://github.com/fanot) (Веб-разработчик)
|
||
- Никита Локтев [@nikilokser](https://github.com/nikilokser) (Специалист отдела Hard)
|
||
- Даниил Руфин (Специалист отдела Hard)
|
||
|
||
E-mail: a@batalov.me<br>
|
||
Telegram: [@bart02](https://t.me/bart02), [@maerans](https://t.me/maerans)
|
||
|
||
## Введение
|
||
|
||
В работе рассматривается процесс разработки образовательного аппаратно-программного комплекса (далее – АПК, система) для безопасного обучения специалистов по профилю "Летающая робототехника".
|
||
|
||
Основной **проблемой данной сферы** является недостаточная безопасность открытых систем беспилотных летательных аппаратов (далее – БПЛА), а также сложность в их управлении и программировании для использования в обучении, промышленности и т.д.
|
||
|
||
**Объектом проектной работы** являются учебные комплексы для изучения процессов автоматизации. **Предметом** является АПК для безопасного обучения специалистов по профилю "Летающая робототехника".
|
||
|
||
**Цель**: Разработка АПК для простого и безопасного обучения специалистов по профилю "Летающая робототехника".
|
||
|
||
**Задачи**:
|
||
|
||
1. Проведение исследования среди потенциальных потребителей об их необходимостях при обучении специалистов.
|
||
2. Проведение анализа существующих решений.
|
||
3. Разработка технического задания (далее – ТЗ) на АПК.
|
||
4. Изучение литературы, необходимой для реализации проекта.
|
||
5. Формирование команды исполнителей на основании технического задания.
|
||
6. Разработка программной подсистемы АПК «Предотвращение столкновений».
|
||
7. Разработка программной подсистемы АПК «Мастер первоначальной настройки БПЛА».
|
||
8. Разработка программной подсистемы АПК «Монитор состояния БПЛА».
|
||
9. Разработка аппаратной составляющей АПК.
|
||
|
||
|
||
|
||
## Выбор платформы
|
||
|
||
Платформа Clover 4 позволяет подключать дополнительные устройства и обеспечивать связь между ними и оборудованием на борту; а также тем, что программная архитектура данного набора основана на открытом полетном стеке PX4 и операционной системе для роботов ROS (далее – ROS), что предоставляет возможность ее использования в том числе и на других беспилотных летательных аппаратах, в которых используется такие же программные компоненты. После изучения рынка образовательных дронов в России, мы пришли к выводу, что данная платформа станет хорошим стартом разработки проекта.
|
||
|
||
## Опрос потенциальных заказчиков. Разработка ТЗ
|
||
|
||
По результатам опроса потенциальных потребителей системы – педагогов детского технопарка «Кванториум» и других ОУ, было выяснено, что многие учреждения не имеют специально оборудованных зон для полетов, вследствие чего обучающиеся проводят настройку БПЛА и, в редких случаях, полет только под присмотром руководителя, на котором лежит ответственность за аппарат и окружающие предметы, жизнь и здоровье обучающихся.
|
||
|
||
Также нам стало известно о сложностях при настройке автономного полета, из-за частого использования консоли операционной системы Linux в процессе настройки, а также необходимости установки дополнительных программ.
|
||
|
||
Помимо этого, одним из запросов была компактная аппаратная составляющая системы, которая представляет собой защищенный корпус БПЛА, с возможностью быстрой установки используемого оборудования.
|
||
|
||
В качестве рассмотрения возможного места пилотного запуска системы, были проведены переговоры с Кванториумом г. Томска, об использовании АПК в обучающем процессе Аэроквантума.
|
||
|
||
## Процесс разработки
|
||
|
||
### Программная подсистема «Предотвращение столкновений»
|
||
|
||
Первым приоритетом стала программная подсистема «Предотвращение столкновений». Создав систему автономной защиты от “влетания” БПЛА в предметы, стоящие в учебной аудитории как во время ручного управления, так и тестировании программ автономного полета, а, при необходимости, и облета препятствий, мы сможем организовать более безопасное и продуктивное обучение.
|
||
|
||
Для разработки данной подсистемы, нами была изучена документация полетного стека PX4. Было выяснено, что полетный контроллер поддерживает эту функцию при передаче физически и геометрически обработанных данных с компьютера на борту. На борту Clover 4 установлен микрокомпьютер Raspberry Pi (далее – микрокомпьютер, компьютер на борту), мощности которого будут использоваться для этих целей.
|
||
|
||
Далее встал вопрос об использовании датчиков для разработки данной подсистемы.
|
||
|
||
#### LIDAR
|
||
|
||
Первое, что приходит в голову при разработке подобной системы – круговые LIDAR-датчики (далее – лидар). Самым популярным похожим решением на сегодняшний день является RPLIDAR A1.
|
||
|
||
Датчик основан на принципе лазерной триангуляции и использует высокоскоростное оборудование для получения и обработки изображений, система измеряет данные о расстоянии более 8000 раз в секунду. Лидар вращается по часовой стрелке для выполнения всенаправленного лазерного сканирования окружения на 360 градусов.
|
||
|
||
Результатом является облако точек, которое можно использовать при дальнейшей работе с пакетами ROS, позволяющими производить действия с этой структурой данных (такие как: перевод в другие структуры данных, построение карты, передача данных на другое оборудование).
|
||
|
||
Для установки датчика на Clover 4 было разработано и подготовлено для печати на 3D принтере специальное крепление, которое для экономии высоты было совмещено с креплением для аккумулятора.
|
||
|
||
Далее предстояла разработка программного обеспечения, которое выполняло все преобразования, как типов данных, так и геометрии (соглашения о системах координат полетного контроллера и ROS отличаются). После этого обработанные данные направляются в полетный контроллер, который отвечает за принятие решения: остановить летящий БПЛА или продолжать полет.
|
||
|
||
#### Аппаратное решение из 4-х лазерных дальномеров
|
||
|
||
Помимо лидара, было принято решение использовать статические дальномеры для удешевления системы. Нами было разработано аппаратное решение на базе Arduino Nano и дальнедистанционных датчиков времени пролета VL53L1X. Изделие совместимо с разработанным нами креплением.
|
||
|
||
Далее было написано программное обеспечение для работы с оборудованием. Было необходимо передать данные с микроконтроллера, установленного на Arduino Nano на микрокомпьютер, представить показания с датчиков в том же виде, в котором они представлены при получении данных с лидара. И после этого произвести те же действия, что и с лидаром.
|
||
|
||
### Программная подсистема «Мастер первоначальной настройки БПЛА»
|
||
|
||
Нами была запланирована разработка еще одной программной подсистемы, которая позволит настроить БПЛА, используя единый пользовательский веб-интерфейс, который «проведет» пользователя через весь процесс настройки. Также в данный веб-интерфейс должен быть встроен монитор текущего состояния БПЛА и редактор настроек.
|
||
|
||
В первую очередь нами был сделан каркас будущего интерфейса.
|
||
|
||
Также на данный момент реализован интерфейс калибровки датчиков БПЛА со встроенной анимацией для удобной работы с ним. Работу интерфейса калибровки можно увидеть на видео.
|
||
|
||
<iframe width="560" height="315" src="https://www.youtube.com/embed/7pV9BsczxMY" frameborder="0" allow="accelerometer; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen></iframe>
|
||
|
||
### Аппаратная составляющая АПК
|
||
|
||
Также перед нами стояла задача разработать защищенный корпус БПЛА, с возможностью быстрой установки используемого оборудования, который не будет готов к полету и обучающимся не будет необходимости его собирать. На данный момент готова конструкторская документация изделия, а само изделие проходит апробацию.
|
||
|
||
## Использование нашего продукта
|
||
|
||
Репозиторий проекта доступен по ссылке https://github.com/easy-to-fly/easy-to-fly.
|
||
|
||
### Сборка крепления для датчиков
|
||
|
||
Вам понадобится:
|
||
|
||
- **4x** стойки M3x26
|
||
- **1x** [крепление для батареи](https://github.com/easy-to-fly/easy-to-fly/blob/master/hard/3d_models/case.stl)
|
||
- **1x** [платформа для крепления](https://github.com/easy-to-fly/easy-to-fly/blob/master/hard/dwgs/sensors_mount.dwg)
|
||
|
||
Соедините всё как показано на [модели](https://a360.co/2ZfKyW8).
|
||
|
||
### Сборка системы из 4-х лазерных дальномеров
|
||
|
||
|
||
|
||
Вам понадобится:
|
||
|
||
- **4x** дальнедистанционный датчик времени пролета VL53L1X
|
||
- **1x** Arduino Nano
|
||
|
||
1. Разведите платы согласно развертке из [файлов](https://github.com/easy-to-fly/easy-to-fly/raw/master/hard/pcb/sensors_4.zip) (вы можете использовать http://gerbv.geda-project.org/ для открытия)
|
||
2. Припаять пины для установки Arduino Nano и датчиков на каждую из плат.
|
||
3. Расположить платы как показано на развёртке.
|
||
|
||
<img src="../assets/easytofly/pcb_scan.jpg" width=400 alt="Развертка" class="center zoom">
|
||
|
||
4. Составить из плат параллелепипед.
|
||
5. Спаять все платы между собой по соответствующим контактным группам.
|
||
6. Установить в пины датчики и Arduino nano.
|
||
7. Убедиться в отсутствии короткого замыкания.
|
||
|
||
### Установка ПО на Raspberry Pi
|
||
|
||
В первую очередь необходимо подключить ваш коптер к Интернету, один из способов это сделать - [перевести его в режим клиента](network.md#переключение-адаптера-в-режим-клиента) и подключить в Wi-Fi, имеющему доступ в Интернет.
|
||
|
||
Склонируйте репозиторий проекта в `catkin_ws` и перейдите в него:
|
||
|
||
```bash
|
||
cd ~/catkin_ws/src
|
||
git clone https://github.com/easy-to-fly/easy-to-fly
|
||
cd easy-to-fly
|
||
```
|
||
|
||
Установите необходимые зависимости
|
||
|
||
```bash
|
||
./install/ros_deps.sh
|
||
./install/arduino_deps.sh # только если собираетесь использовать систему из 4-х лазерных дальномеров
|
||
```
|
||
|
||
### Запуск предотвращения столкновений
|
||
|
||
Для работы с лидаром необходимо изменить параметр `CP_DIST` PX4. Рекомендуется установить 0.5 м.
|
||
|
||
Теперь полетный контроллер будет получать сообщения от компьютера о расстоянии вокруг в специальном формате (читать доп. [https://mavlink.io/en/messages/common.html#OBSTACLE_DISTANCE](https://mavlink.io/en/messages/common.html#OBSTACLE_DISTANCE)).
|
||
|
||
Теперь задача заключается в передаче сообщения такого типа на полетный контроллер.
|
||
|
||
В библиотеке MAVROS есть специальный плагин для этих целей: [https://github.com/mavlink/mavros/tree/master/mavros_extras#obstacle_distance](https://github.com/mavlink/mavros/tree/master/mavros_extras#obstacle_distance).
|
||
|
||
Таким образом, достаточно ее включить в `<rosparam param="plugin_whitelist">` в файле `mavros.launch`.
|
||
|
||
Далее, запускаем один из `.launch` файлов.
|
||
|
||
## Заключение
|
||
|
||
В ходе выполнения проекта были проанализированы существующие разработки в области образовательной «Летающей робототехники», описаны их достоинства и недостатки. Выбрана платформа для старта проекта.
|
||
|
||
Реализована и протестирована основная часть проекта – программная подсистема «Предотвращение столкновений». Веб-интерфейс, согласно плану, находится в разработке до конца марта 2021 года.
|
||
|
||
Для реализации аппаратной составляющей был выполнен сборочный чертеж в системе автоматизированного проектирования Fusion 360. Полученные чертежи позволят производить БПЛА для реализации проекта. В будущем на основе конструкторской документации будут изготовлены дополнительные БПЛА.
|
||
|
||
В следующие два года планируется совершенствование проекта и выход на рынок. Некоторые из основных задач на 2021-2023 год: более подробное исследование рынка для выделения основных задач дальнейшей разработки системы, апробация системы в целом в Кванториуме, разработка системы навигации БПЛА по карте с использованием оборудования, которое будет установлено на аппаратной составляющей.
|