brezŽiČni prenos slike multikopterja s … · solidworks 2011. stabilizacija temelji na...

Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko

Smetanova ulica 17 2000 Maribor, Slovenija

Sebastijan Cvirn

BREZŽIČNI PRENOS SLIKE MULTIKOPTERJA S

STABILIZACIJO KAMERE V OKOLJU LABVIEW

Diplomsko delo

Maribor, september 2013

Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa

BREZŽIČNI PRENOS SLIKE MULTIKOPTERJA S STABILIZACIJO

KAMERE V OKOLJU LABVIEW

Študent: Sebastijan Cvirn

Študijski program: visokošolski strokovni študijski program elektrotehnika

Smer: avtomatika in robotika

Mentor: izr. prof. dr. Peter Planinšič

Lektorica: univ. dipl. prevajalka in tolmačinja Ana Furlan

Maribor, september 2013

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr.

Petru Planinšiču za pomoč in usmerjanje

pri pisanju diplomskega dela.

Zahvala gre mojima staršema za

spodbujanje in omogočanje študija.

Posebej bi se rad zahvalil mami Mojci, ki

mi je skozi ves študij stala ob strani ter

mi vlivala voljo.

Zahvalil bi se rad tudi svoji punci Ani, za

potrpeţljivost in spodbujanje, ki mi ga je

dajala ob zaključku študija.

BREZŽIČNI PRENOS SLIKE MULTIKOPTERJA S STABILIZACIJO KAMERE

V OKOLJU LABVIEW

Ključne besede: multikopter, stabilizacija kamere, brezžični prenos slike

UDK: 621.397.12:681.783.322(043.2)

Povzetek:

V delu je opisana izdelava multikopterja s šestimi motorji, hardverske modifikacije na

oddajnem in sprejemnem modulu ter softverske na regulatorju hitrosti za brezkrtačne

motorje. Opisano je tudi kako smo izvedli celoten stabilizacijski sistem za kamero.

Načrtovanje celotnega dvosmernega stabilizacijskega sistema je potekalo v programu

SolidWorks 2011. Stabilizacija temelji na odprtokodnem sistemu »BRUSHLESS GIMBAL«.

Brezžičen analogni prenos slike na osebni računalnik je bil dosežen z brezplačnim

programom WinAvi Video Capture.

WIRELESS IMAGE TRANSMISSION FROM MULTICOPTER WITH CAMERA

STABILIZATION UNDER LABVIEW-ENVIRONMENT

Key words: hexacopter, camera stabilization, wireless photo transmission

UDK: 621.397.12:681.783.322(043.2)

Abstract

This diploma paper contains a description of building process of a hexacopter with six

engines, of hardware modification on transmitter and receiver model and software

modification on speed regulator for brushless engines. Moreover it includes the whole

procedure of producing camera stabilization system. Planning of the whole bidirectional

system was performed in the SolidWorks 2011 programme. Stabilization is based on open-

source brushless GIMBAL system. Wireless analogue photo transmission on the personal

computer was achieved by free WinAvi Video Capture programme.

Kazalo vsebine

1 Uvod .............................................................................................................................. 1

1.1 Opis diplomskega dela ............................................................................................ 1

1.2 Cilji in omejitve ...................................................................................................... 2

1.3 Pregled poglavij ...................................................................................................... 3

2 Pregled komponent multikopterja ................................................................................. 4

2.1 Motor....................................................................................................................... 6

2.2 Regulator hitrosti za brezkrtačne motorje (ESC) .................................................... 9

2.2.1 Osnove ............................................................................................................. 9

2.2.2 Značilnosti ....................................................................................................... 9

2.2.3 Izbira regulatorja............................................................................................ 10

2.2.4 Modifikacije................................................................................................... 11

2.3 Stabilizacija multirotorja ....................................................................................... 14

2.3.1 Komponente stabilizatorja ............................................................................. 15

2.3.2 Namestitev GPS modula ................................................................................ 16

2.3.3 Kalibracija digitalnega kompasa ................................................................... 16

2.3.4 Podprte verzije multirotorjev ......................................................................... 17

2.3.5 Vezalna shema ............................................................................................... 17

2.4 Propelerji ............................................................................................................... 18

2.5 Baterija .................................................................................................................. 20

2.6 Ogrodje ................................................................................................................. 21

2.7 Oddajnik in sprejemnik ......................................................................................... 21

2.7.1 Komponente................................................................................................... 22

2.7.2 Modifikacije................................................................................................... 23

3 Večplastna stabilizacija slike ....................................................................................... 25

3.1 Uvod ...................................................................................................................... 25

3.2 Izvori vibracij v UAV ........................................................................................... 27

3.3 Večplastna struktura.............................................................................................. 28

3.4 Pregled posameznih slojev .................................................................................... 29

3.5 Tehnične lastnosti posameznih slojev ................................................................... 30

3.6 Testi posameznih slojev ........................................................................................ 34

4 Brezţičen prenos video slike ....................................................................................... 39

4.1 Uvod ...................................................................................................................... 39

4.2 Vezalna shema video prenosa ............................................................................... 40

4.3 Komponente .......................................................................................................... 40

4.3.1 Oddajniški in sprejemniški analogni video modul ........................................ 40

4.3.2 DC – DC pretvornik navzgor......................................................................... 41

4.3.3 Zajemalnik analognega video signala............................................................ 42

4.3.4 Video kamera ................................................................................................. 43

4.4 Analogni prenos video slike.................................................................................. 44

4.4.1 Radio frekvenčni prenos (RF) ....................................................................... 44

4.4.2 Frekvenčna modulacija (FM) ........................................................................ 44

4.4.3 Radio frekvenčno sevanje in razširjanje ........................................................ 45

4.4.4 Ovire in domet signala ................................................................................... 46

4.5 Uporaba video programske opreme ...................................................................... 47

5 Sklep ............................................................................................................................ 49

6 Literatura ..................................................................................................................... 51

Kazalo slik

Slika 1.1: Opis projekta ......................................................................................................... 2

Slika 2.1: Rotacija rotorjev multikopterja ............................................................................. 4

Slika 2.2: Prikaz manevrov gibanja ....................................................................................... 5

Slika 2.3: Rolanje, nagib in vrtenje okoli osi pri letalu ......................................................... 5

Slika 2.4: Slika motorja ........................................................................................................ 6

Slika 2.5: Graf karakteristik motorja ..................................................................................... 8

Slika 2.6: ESC Multistar 30A .............................................................................................. 11

Slika 2.7: Orodje za programiranje Atmelovih mikroprocesorjev ...................................... 12

Slika 2.8: Diagram električne povezave .............................................................................. 12

Slika 2.9: ESC Flash Tool ................................................................................................... 13

Slika 2.10: NAZA ................................................................................................................ 15

Slika 2.11: VU BEC ............................................................................................................ 15

Slika 2.12: GPS/Kompas ..................................................................................................... 15

Slika 2.13: Verzije multirotorjev [7] ................................................................................... 17

Slika 2.14: Vezalna shema................................................................................................... 18

Slika 2.15: 1365 Karbonski propelerji ................................................................................. 19

Slika 2.16: Graf obratovalne karakteristike propelerja ........................................................ 19

Slika 2.17 Karbonsko ogrodje ............................................................................................. 21

Slika 2.18: Komanda ........................................................................................................... 22

Slika 2.19: Oddajni modul ................................................................................................... 22

Slika 2.20: Sprejemni modul ............................................................................................... 22

Slika 2.21: Povezave na oddajnem modulu ......................................................................... 23

Slika 2.22: Povezave na komandnem modulu ..................................................................... 24

Slika 3.1: Enoplastna stabilizacija (levo) in večplastna stabilizacija (desno) ..................... 26

Slika 3.2: Vibracije glede na frekvenco in amplitudo ......................................................... 27

Slika 3.3: Graf postavitev slojev v frekvenčno in amplitudno območje ............................. 28

Slika 3.4: Podroben pogled slojev ....................................................................................... 29

Slika 3.5: Ročno izdelan GIMBAL stabilizacijski sistem ................................................... 31

Slika 3.6: Pregled korakov izvajanja sloja 1........................................................................ 31

Slika 3.7: Stabilizacijski sistem v 3D okolju SolidWorks ................................................... 32

Slika 3.8: Zrenderiran sistem stabilizacije v programu SolidWorks ................................... 32

Slika 3.9: Izgled gumijastega izolatorja .............................................................................. 33

Slika 3.10: Optična stabilizacija kamere ............................................................................. 33

Slika 3.11: Testi sloja 1 in sloja 2, sloj 1 in 2 skupaj .......................................................... 35

Slika 3.12: Test slojev 3 in 4 ............................................................................................... 36

Slika 3.13: Test slojev 1 do 4 .............................................................................................. 37

Slika 4.1: Blokovna shema video prenosa ........................................................................... 40

Slika 4.2: Oddajni in sprejemni modul FOXTECH ............................................................ 41

Slika 4.3 DC-DC pretvornik navzgor .................................................................................. 42

Slika 4.4: Zajemalnik analognega signala EasyCAP ........................................................... 42

Slika 4.5: Video kamera Canon 600D ................................................................................. 43

Slika 4.6: Frekvenčna modulacija ....................................................................................... 44

Slika 4.7: Kroţenje vala pri oddajniku [21] ........................................................................ 47

Slika 4.8: Prenos slike na računalnik s programom WinAvi ............................................... 48

Kazalo tabel

Tabela 1: Osnovni podatki motorja ....................................................................................... 6

Tabela 2: Rezultati izračunov obratovanja motorja ............................................................... 7

Tabela 3: Rezultati izračunov obratovanja motorja pri lebdenju .......................................... 8

Tabela 4: Načini letenja ....................................................................................................... 14

Tabela 5: Rezultati propelerja.............................................................................................. 19

UPORABLJENI SIMBOLI

GHz – gigahertz

kV - n obratov motorja pri 1 V enosmerne napetosti

MHz - megahertz

mm - milimeter

M – motor

mV – milivolt

– izhodna moč

– vhodna moč

s - sekunda

V – volt

W - wat

– izkoristek motorja

Inch – merska enota = 2.54cm

fps – frame per second (okvirji na sekund)

dB - decibel

UPORABLJENE KRATICE

AC – alternating current (izmenična napetost)

BEC – battery eliminator circuit (vezje za odklop baterije)

DC – direct current (enosmerna napetost)

DSLR – digital single-lens reflect (digitalno-zrcalno refleksne leče)

ESC – electronic speed controler (regulator hitrosti)

FM – frequency modulation (frekvenčna modulacija)

FPV – first person view (prvo oseben pogled)

GIMBAL (kardansko obešenje)

GPS – global positioning system (globalni sistem za določanje lokacije)

IMU – inertial measurement unit (enota za merjenje pospeška in nagiba)

MC – main controler (glavni regulator)

MOSFET - metal oxide semiconductor field effect transistors (metalno oksidni tranzistor z

efektom polja)

NTSC - National Television System Committee (komite nacionalnega televizijskega

sistema)

PAL - Phase Alternating Line (fazno izmenična linija)

PCM – pulse code modulation (pulzno kodna modulacija)

PPM – pulse position modulation (pulzno pozicijska modulacija)

PWM – pulse width modulation (pulzno širinska modulacija)

RF – radio frequency (radijska frekvenca)

SD - card – secure digital (digitalno varna)

UAV - unmanned aerial vehicle (brezpilotno zračno plovilo)

UGS – unmanned ground vehicle (brezpilotno talno plovilo)

USB – universal serial bus (univerzalni serijski priključek)

USV – unmanned see vehicle ( brezpilotno morsko plovilo)

VHS – video home system (domači video sistem)

1

1 Uvod

1.1 Opis diplomskega dela

Začetki radijskega vodenja segajo ţe v začetke 20 stoletja, v čas Nikola Tesle, ki je s

pomočjo pravilnih frekvenc pošiljal ukaze čolnu [1]. Poglaviten namen ni bil zgolj vodenje

določenih objektov oziroma stvari, ampak tudi prenos podatkov na velike razdalje.

Dandanes se brezţična tehnologija nahaja v mnogih elektronskih napravah, ta pa se iz leta

v leto razvija v popolnejšo. Tako se je ta tehnologija uveljavila tudi v modelarstvu za

vodenje najrazličnejših modelov, od letal do helikopterjev. Danes lahko pošiljamo

najrazličnejše podatke od telemetrije do slik in videa.

Ideja diplomskega dela je bila izdelati plovilo s šestimi propelerji in dvosmerno

stabilizacijo kamere, nato pa prenesti sliko iz plovila na prenosni računalnik s pomočjo

okolja LabVIEW. Celoten multirotor bo sestavljen po komponentah. Imel bo 6 zmogljivih

motorjev, prav tako 6 ESC-jev. Ohišje bo v celoti iz karbona, saj je treba teţo prilagoditi

zmogljivosti motorjev. Stabilizirala ga bo kontrolna plošča za multirotorje iz podjetja DJI,

model NAZA. Multirotor bo nosil tudi karbonsko stabilizacijo kamere, ki bo poskrbela da

bo kamera vedno v vodoravnem poloţaju, z moţnostjo poljubnega kota (roll, pitch in yaw)

z omejitvami. Kamera, ki bo skrbela za video sliko bo model CANON 600D, ki lahko pri

720 pik doseţe 60fps. Opremljen bo tudi z FPV sistemom. To je sistem za brezţično

oddajanje video signala iz modela na postajo, torej k prvi osebi. Uporablja se za vodenje na

večje razdalje, saj model lahko precej hitro odleti iz vidnega polja. Na trţišču je veliko

modelov, ki se razlikujejo glede na analogni ali digitalni prenos, frekvenčno območje (od

900 MHz do 5,8 GHz) ter moč oddajniških in sprejemniških komponent (od 10 mW do

2000 mW). Ker bomo plovilo uporabljal izključno za snemanje in fotografiranje, ne bi

potrebovali tako zmogljivih komponent za video zajemanje, saj bi bilo plovilo večinoma

na dosegu vidnega polja. FPV bomo uporabil za pravilno postavitev kamere, torej da bo

posnela ţelen objekt oziroma cilj. Zato smo se odločili prenesti sliko iz kamere na

računalnik in s tem doseči razdaljo dosega FPV-ja, ki bo vsaj 300 m. Za komunikacijo med

multikopterjem in upravljavcem bo poskrbela predelana komanda model Turnigy 9XR.

2

Opremljena bo s telemetrijo FrSky, saj nam bo to dalo moţnost vpogleda na različne

senzorje. Najbolj pomembno je seveda stanje baterije, da ne pride do kakšnega incidenta

ob pomanjkanju toka (slika 1.1).

Slika 1.1: Opis projekta

1.2 Cilji in omejitve

Omejitev predstavlja predvsem finančna plat tega projekta ter teţka dobavljivost vseh

potrebnih delov in komponent. Cilj je rešiti problem stabilizacije slike ter prenašanja video

slike prek ustreznega brezţičnega omreţja 5,8 GHz, saj je potrebno zagotoviti ustrezen

domet ter pravilno dostavljanje in dešifriranje digitalnih podatkov. Časovni zamik zajetega

videa bo ena izmed poglavitnih problemov. Ţelimo doseči prenos slike z resolucijo 720 x

576 na računalnik z vsaj 20-imi sličicami na sekundo. To še nekako zadostuje za dovolj

GPS enota

Motor z propelerjem

Komanda

Baterija

Pretvornik navzgor

Dvosmerna stabilizacija

kamere

Sprejemnik

Oddajnik

Stabilizacija multikopterja

3

gladek potek videa. Prednost prenašanja video slike na računalnik je seveda boljša

kakovost in seveda brezmejno razvijanje softverja.

1.3 Pregled poglavij

V uvodu bomo na kratko spoznali zastavljene cilje in omejitve projekta. V drugem

poglavju bo napisan podroben opis komponent celotnega multikopterja. V nadaljevanju si

bomo pogledali sistem večplastne stabilizacije. Na koncu sledi še opis izdelave

brezţičnega prenosa videa.

4

2 Pregled komponent multikopterja

Multikopter je zračno plovilo v o obliki šesterokotnika in ima šest osi (slika 2.1).

Strukturiran je tako, da je na koncu vsake osi po en rotor. Tri diagonale so na sredini

prekriţane tako, da je vsaka odmaknjena točno za kot 60 stopinj od druge. Na stičišču je

nameščena večina strojne opreme in baterija, da je plovilo čim bolj uravnoteţeno. Na

plovilu so trije pari motorjev, dva na vsaki osi. Da plovilo ostane v ravnoteţju, se mora en

motor na diagonali vrteti v smeri urinega kazalca, drugi pa v nasprotni smeri urinega

kazalca, enako velja za drugi dve osi, kot prikazuje slika 2.1.

Multirotor je sposoben izvesti gibanje v treh smereh rotacij in ene translacije. Translacija v

smeri koordinate osi Z je samostojna, za to je potrebno spreminjanje vrtljajev vseh

motorjev. Prav tako je z rotacijo okoli osi Z, ker s spreminjanjem vrtljajev motorjev

doseţemo ţelen obrat v smeri urinega kazalca ali pa v nasprotni smeri. Tako moramo trem

motorjem (M1, M3, M5) obrate zmanjšati, trem (M2, M4, M6) pa povečati, da dobimo

ţelen rezultat. Rotacija okoli osi Y pa je posledica povečanja ali zmanjšanja obratov

sprednjih (M1, M2) ali zadnjih dveh (M4, M5) motorjev. Rotacija okoli osi X pa je

posledica povečanja ali zmanjšanja obratov levih (M2, M3, M4) ali desnih treh (M1, M5,

M6) motorjev. Slika 2.2 prikazuje opisane manevre.

Y

Z

X

Slika 2.1: Rotacija rotorjev multikopterja

5

Ω4 + ∆𝐴

Prikaz translatornega gibanja v smeri Z

pospešek (alt)

𝑍 Ω1 + ∆𝐴

Ω6 + ∆𝐴

Ω5 + ∆𝐴

Ω3 + ∆𝐴

Ω2 + ∆𝐴

Vrtenje okoli osi Z (yaw)

𝛹

Ω4 + ∆𝐴

Ω3 − ∆𝐴

Ω2 + ∆𝐴 Ω1 − ∆𝐴

Ω6 + ∆𝐴

Ω5 − ∆𝐴

Rotacija okoli osi X rolanje (roll)

Ω3 + ∆𝐴

𝛷 Ω1

Ω6 − ∆𝐴

Ω5 − ∆𝐴

Ω2 + ∆𝐴

Ω4

𝜗

Ω4 + ∆𝐴

Rotacija okoli osi Y nagib (pitch)

Ω2

Ω3 + ∆𝐴

Ω5

Ω6 − ∆𝐴

Ω1 − ∆𝐴

Slika 2.3 ponazarja, kako nagibi in rotacije učinkujejo pri letalu. Pri multirotorju je

podobno, vendar tam za rotacije in traslacijo skrbijo motorji.

Slika 2.2: Prikaz manevrov gibanja

Slika 2.3: Rolanje, nagib in vrtenje okoli osi pri letalu

6

Da zagotovimo, da multirotor ne izgubi višine pri rotaciji okoli svoje osi, je potrebno prvi

skupini treh motorjev odvzeti določen deleţ vrtljajev in ga drugi skupini povečati za enak

deleţ. S tem sila zračnega upora ni večja ali manjša od sile, ki je potrebna pri lebdenju.

2.1 Motor

Motorji, ki poganjajo plovilo, so zelo zmogljivi sinhroni trifazni (DC) brezkrtačni motorji

podjetja Sunnysky, model 2814-11 700 kV. Glavni sestavni deli motorja so: stator (ima

več faznih navitij), rotor (izdelan iz trajnega magneta) ter komutacijska elektronika, ki s

pomočjo informacije o poloţaju rotorja, dobljene iz ene ali več Hallovih sond, preklaplja

napajanje statorskih faznih navitij tako, da nastane vrtilno magnetno polje [2]. Razliko med

brezkrtačnimi in krtačnimi motorji nam pove ţe ime samo. Torej brezkrtačni nimajo

krtačk, prav tako ne komutatorja, funkcijo omenjenega opravlja elektronika. Vzdrţevanje

brezkrtačnih motorjev je enostavnejše in manj pogosto, vendar zanje potrebujemo

regulator hitrosti (ESC), ki se razlikuje od regulatorja za krtačne motorje. Prav tako je

izkoristek mnogo večji. Slika 2.4 in tabela 1 prikazujeta izgled motorja s komponentami in

tehničnimi podatki

Slika 2.4: Slika motorja Tabela 1: Osnovni podatki motorja

7

Motor je zgrajen iz kompaktnih materialov, ki lahko dobro prenašajo višje temperature.

Mere ohišja so 35 x 36 mm. Teţek je pribliţno 120 g. Stator meri 28 mm, dolţina pa je 14

mm. Premer osi znaša 4 mm. Predvidena napajalna napetost je 11,1 V ali 14,8 V DC (3 ali

4 celična baterija). Maksimalna dopustna moč je 370 W, maksimalni dopustni neprekinjen

tok pa 35 A, ampak trajanja samo 180 s. Notranja upornost znaša 75 mΩ. Maksimalna

učinkovitost je zelo variabilna, saj vpliva nanjo veliko dejavnikov. S spodaj navedeno

formulo lahko izračunamo učinkovitost.

⁄ (1)

Na podlagi vseh dostopnih podatkov in izračunov ter primerjav smo ugotovili, da za naše

plovilo najbolje ustrezajo ti motorji. Pomagali smo si z elektronskim kalkulatorjem za

izračun nosilnosti, pri čemer smo upoštevali mnogo dejavnikov, ki lahko vplivajo v realnih

pogojih (+/- 10 %) [3]. Vnesemo teţo modela, število rotorjev, model baterije, tip

motorjev, tip propelerjev, nadmorsko višino, temperaturno območje ter pritisk ozračja.

Rezultati izračunov obratovanja so v spodnjih tabelah 2 in tabelah 3. Obratovalne

karakteristika so prikazane na sliki 2.5.

Motorjev optimalni izkoristek Motorjeva maksimalna obremenitev

Tok 7,53 A Tok 25,57 A

Napetost 14,36 V Napetost 13,31 V

Obrati 9194 rpm Obrati 6044 rpm

Električna moč 108,1 W Električna moč 340,2 W

Mehanska moč 94,4 W Mehanska moč 254,4 W

Učinkovitost 87,4 % Učinkovitost 74,8 %

Predvidena temparatura 69 °C

Tabela 2: Rezultati izračunov obratovanja motorja

8

Motor pri lebdenju Polna teţa ( 6 motorjev )

Tok 8,18 A Teţa komponent 2244 g

Napetost 14,32 V Polna teţa 4744 g

Plin 54 % Rezervna teţa 2050 g

Električna moč 117,1 W Tok pri lebdenju 49,07 A

Mehanska moč 102,4 W P(in) pri lebdenju 726 W

Učinkovitost 87,4 % P(out) pri lebdenju 614 W

Predvidena temperatura 33 °C Učinkovitos pri lebdenju 84,6 %

Tok max. plin 153,4 A

P(in) max. plin 2270 W

P(out) max. plin 1527 W

Učinkovitost max. plin 67,2 %

Tabela 3: Rezultati izračunov obratovanja motorja pri lebdenju

Slika 2.5: Graf karakteristik motorja

9

2.2 Regulator hitrosti za brezkrtačne motorje (ESC)

2.2.1 Osnove

Prvotni regulatorji hitrosti za električne motorje so vsebovali zajetne spremenljive upore.

Bili so zelo neučinkoviti, edina prednost, ki so jo imeli, je bila preprosta izdelava. Takšna

regulacija je reducirala napetost v motorju, vendar je imela ogromne izgube. Vsa

izgubljena moč, ki ni šla v motor, se je spremenila v toploto. Nekateri pa so uporabljali

bipolarne tranzistorje, ki imajo fiksen padec napetost 0,7 V. Ohmnov zakon:

(2)

Če imamo motor, skozi katerega regulator poţene 10 A iz 6-celične baterije, padec

napetosti na uporu pa je 3,6 V, lahko po drugem zakonu o moči izračunamo, da 36 W moči

preide v neuporabno toploto. To je pribliţno tako, kot da bi poganjal dodatno 40 W ţarnico

na svojem modelu.

Moderni regulatorji uporabljajo MOSFET tranzistorje. Razlikujejo se v tem, da imajo

nizko prevodno upornost, namesto napetosti. Tipični MOSFET ima upornost 0,028 Ω, pri

0,56 V padcem napetosti. Izgubo moči pa lahko reduciramo tudi tako, da veţemo več

MOSFET tranzistorjev paralelno ali pa uporabimo moderne, ki imajo samo 0,002 Ω

upornosti. Vidimo da tudi nimajo 100 % izkoristka [4].

2.2.2 Značilnosti

MOŢNOST ZAVIRANJA

Zavora prepreči vrtenje motorjeve osi, točno takrat, ko regulator preneha dovajati moč

motorju. Električni motor postane generator, ko ga poganja zunanja sila. Če generator bolj

oteţimo, ga je teţje zavrteti. Torej, zavora enostavno naloţi tovor (majhen upor) na

motorjeve terminale in mu s tem oteţi vrtenje.

10

MEHKI ZAGON

S to značilnostjo motor začne pospeševati počasi iz ničnega stanja do polnih vrtljajev. Ta

funkcija je potrebna, če se uporabljajo zobniki. S tem preprečimo nastalo škodo zaradi

navora motorja.

DIGITALNA IZVEDBA

Večina modernih regulatorjev je digitalnih. Uporabljajo mikroprocesor, da izmerijo

dolţino dohodnega pulza iz oddajnika in ustvarijo pulz za MOSFET tranzistorje. Digitalni

imajo prednost, da jih lahko prosto nastavljamo in da zagotavljajo varnostne funkcije.

FUNKCIJA BEC

Ta funkcija omogoča, da lahko napajamo sprejemnik in servomotorje direktno iz

regulatorja. Slabost tega je električni šum, ki lahko povzroči zmanjšanje dosega vodenja.

Druga nevarnost pa je, da se lahko baterija izprazni do te mere, da ne more več zagotoviti

napetosti sprejemniku, kar lahko privede do izgube nadzora.

AVTOMATSKI IZKLOP MOTORJEV

To se v glavnem uporablja z BEC funkcijo, tako da se motorji predčasno izklopijo in tako

zagotovijo dovolj moči sprejemniku.

OPTIČNA IZOLACIJA

Izvedena je z LED diodo in fototranzistorjem obdanim s plastično izolacijo, optična

izolacija preprečuje motenje regulatorja s sprejemnikom [4].

2.2.3 Izbira regulatorja

Izbira regulatorja je preprosta. Najpomembneje je, da tok na vhodu regulatorja ne presega

vrednosti, ki jih je proizvajalec navedel. Torej, če vemo, da naš motor pri polnih obratih

porabi od 25-30 A toka, izberemo regulator s 30 A ali 40 A toka. Nato pogledamo, kaj

potrebujemo od zgoraj navedenih funkcij. Seveda je pomembna tudi teţa, manjša kot je

teţa, večja je avtonomija baterije. Prednost je tudi, da imajo konektorje dimenzije 3,5 mm,

11

saj je regulator takoj pripravljen na uporabo. Odločili smo se, da nam najbolj ustrezajo 30

A regulatorji podjetja Turnigy (slika 2.6).

Podrobnosti:

Gladek in linearen odziv »plina«

Atmel mikroprocesor

Zaščita izgube signala

Varni vklop

Visoka stopnja osveţitve ( do 499 Hz )

Zdruţljiv s programsko kartico

Specifikacija:

Konstantni tok 30 A (40 A do 30 s)

Dovodna napetost: 2-4 celična Lipoly baterija

BEC

Izhodna napetost toka in napetosti BEC, 5,5 V in 4 A

PWM 8 Khz

Maksimalni dopustni obrati za 2 polni brezkrtačni motor je 240000 (obr/min)

Mere: 41 mm x 24 mm

Teţa: 29 g [5]

2.2.4 Modifikacije

Ker je večinoma ESC-jev prilagojenih za letala, smo naleteli na teţave pri nekaterih

funkcijah regulatorja. Na spletu smo našli prilagojeno različico programske opreme,

Slika 2.6: ESC Multistar 30A

12

posebej za multirotorje, ki zelo izboljšuje obnašanje multirotorja. Imenuje se Simon Kirby

programska različica, ki je prilagojena samo za Atmelov mikroprocesor. Prednost tega je,

da ima vse potrebne funkcije vgrajene v programski opremi [6].

Za izvedbo postopka programiranja regulatorja potrebujemo orodje za programiranje

Atmelovih mikroprocesorjev, ki mora imeti pravilno povezane pine na ESC. (slika 2.7,

slika 2.8 in slika 2.9). Potrebujemo tudi računalnik in ustrezne gonilnike za orodje.

Slika 2.8: ESC Multistar 30A

Slika 2.8: Diagram električne povezave

Slika 2.7: Orodje za programiranje Atmelovih mikroprocesorjev

13

Na ESC priključimo eksterno napajanje 11,1 V (3S Lipoly baterija), zaradi varnosti. Na

programskem orodju odstranimo mostič, ki je obkroţen z rdečo barvo na zgornji sliki 2.7.

Še enkrat preverimo vse povezave in priključimo ESC na USB serijska vrata na

računalniku. Zaţenemo programsko opremo »ESC Flash Tool« (slika 2.10). Paziti moramo

da imamo nameščen Microsoft.NET Framework, kajti to je pogoj, da program pravilno

deluje.

Slika 2.9: ESC Flash Tool

Kot vidimo na zgornji sliki 2.10, ima softver več uporabniških vmesnikov. V prvem

izberemo tip programskega orodja. Nato izberemo ustrezen ESC, ki ga bomo

preprogramirali. Tretje okno ponazarja stanje programiranja. Tu lahko vidimo

komunikacijo med programom in ESC-jem. Zadnje, četrto okno uporabimo v primeru

stanja brez povezave [7].

S pritiskom na gumb FLASH zaključimo proces. Na koncu ESC testiramo in mu s

pomočjo oddajnika nastavimo začetno in končno vrednost.

14

2.3 Stabilizacija multirotorja

»Moţgani« multirotorja so stabilizacijska plošča podjetja DJI, model NAZA. Je odličen

avtopilotni sistem, ki ponuja enormne značilnosti letenja z multirotorji. Ponuja tudi

izvrstne sposobnosti na nizki nadmorski višini, v omejenem prostoru, če ga primerjamo z

normalnimi helikopterji. Ni le igrača, ko jo namestimo v večje multirotorje. Vgrajeno ima

odlično avtomatsko izenačevanje in drţanje višine. Poglejmo nekatere značilnosti, ki so

prikazane v spodaj prikazani tabeli 4 [7].

NAZA načini letenja

GPS in držanje

višine

Način držanje

višine Ročen način

Yaw kotna hitrost Maksimalna Yaw kotna hitrost 200 °/s

Pomen komandnih

ročic

Center ročice = 0°

Končna vrednost = 45° Ni omejitev

Linearnost

komande DA

Spust ročic Zadrţi pozicijo, če

najde GPS signal

Samo stabilizacija

višine Ni priporočljivo

Zaklep višine Najbolje zadrţi višino nad 1 meter NE

Izguba signala GPS

Po 10 s izgube GPS

signala sistem vstopi

v fazo stabilizacije

višine

Izvede se samo

stabilizacija višine,

brez zaklepanja

pozicije

---

Varnost

Višinska in hitrostna mešanica kontroliranja

zagotavlja stabilizacijo

Odvisno od izkušenj Napreden »Fail-

Safe«

Avtomatsko

izravnavanje »Fail-

Safe«

Aplikacije Delo aplikacije Športno letenje ---

Tabela 4: Načini letenja

15

2.3.1 Komponente stabilizatorja

Glavna kontrolna plošča (MC) so moţgani sistema, ki

komunicirajo z ESC-jem in oddajnikom, da lahko normalno

opravlja delo avtopilota. Vgrajeno ima IMU, ki vsebuje 3-

točkovni giroskop in 3-točkovni pospeškometer, za

zaznavanje obnašanja in višine (slika 2.11). Vhodna

napetost 4,8 V~5,5 V (priporočljive so 2S ~ 6S Lipoly

baterije). Dovoljeno temperaturno območje je -10 °C ~ 50 °C.

Teţa je 25 g (slika 2.11).

VU enota je narejena posebej za model NAZA. Ta

komponenta zmanjšuje problem visoke porabe moči

multirotor sistema. Dovaja moč iz baterije do NAZE in

drugih elektronskih komponent. Vgrajeno ima močno led

diodo, ki ponazarja različna stanja. Ima tudi USB vmesnik za

konfiguracije in posodabljanje. Priporočljiva vhodna

napetost je priskrbljena od 2S ~ 6S Lipoly batarije (slika

2.12).

GPS modul je namenjen pozicioniranju in orientiranju

multirotorjev z zgoraj omenjenim modelom NAZA. Ima

vgrajen digitalni kompas za orientacijo. Deluje v vseh

vremenskih pogojih, kjerkoli na svetu. Za določitev

poloţaja potrebuje najmanj 3 do 5 satelitov [7] (slika 2.13).

Slika 2.10: NAZA

Slika 2.11: VU BEC

Slika 2.12: GPS/Kompas

16

2.3.2 Namestitev GPS modula

Namestitev GPS modula je dokaj enostavna. Poleg priloţenega softverja nam uporabniški

vmesnik ponudi vpis koordinat (X, Y, Z) v centimetrih. Če ga namestimo točno v teţišče

modela, pustimo vsa pozicijska števila na 0 cm, če ga zamaknemo v katerikoli koordinati,

je potrebno dobro odmeriti, kje modul leţi. Priporočljiva lega je teţišče modela.

2.3.3 Kalibracija digitalnega kompasa

Kalibracija je potrebna zaradi tega, ker feromagnetne substance vplivajo na branje

magnetnega polja Zemlje in tako zmanjšajo natančnost kompasa. To lahko privede tudi do

napačnih meritev. Ta postopek izloči takšne vplive in zagotovi, da sistem odlično

funkcionira v neidealnih pogojih.

Postopek kalibracije opravimo takrat, ko:

prvič namestimo celoten sistem.

ko se spremeni mehanska struktura multirotorja

če se spremeni smer letenja multirotorja

Izvedemo ga tako, da na komandi 6 do 10 krat spremenimo poloţaj 3-stopenjskega stikala.

Ko rumena led dioda sveti konstantno, lahko opravimo postopek kalibracije. V prvem

koraku celoten multirotor vrtimo horizontalno okoli svoje osi tako dolgo, da zasveti zelena

LED dioda. V drugem koraku multirotor nagnemo vertikalno in ga vrtimo okoli svoje osi

tako dolgo, da zelena LED dioda ugasne. Če je kalibracija uspela, sistem avtomatsko

preide iz kalibracije v normalno stanje. Če se priţge rdeča LED dioda pomeni, da je bila

kalibracija neuspešna, tedaj moramo postopek ponoviti.

Pri pripravi na let je priporočljivo, da ob priklopu baterije na multirotor ne bi premikali

multirotorja in komandnih ročic na oddajniku zato, da se izvede inicializacija sistema

(pribliţno 5 s) [7].

17

2.3.4 Podprte verzije multirotorjev

Model NAZA podpira različne verzije multirotorjev kot prikazuje slika 2.14. Razlikujejo

se glede na poloţaj motorjev, število osi in motorjev, velikost, teţo, stabilnost in

zmogljivost. Kot smo ţe omenili, smo se v našem primeru odločili za Hexa-rotor V,

zaradi zmogljivosti in stabilnosti [7].

2.3.5 Vezalna shema

Vse komponente je potrebno pravilno povezati, kot kaţe vezalna shema v navodilih (slika

2.15). Paziti moramo na polariteto, da ne pride do kratkega stika, to lahko privede do

trajnega uničenja komponent. Prikazana je na sprednji strani stabilizacijskega sistema, v

levem in desnem kotu spodaj (-, +, signal). Slika 2.15 prikazuje, kako pravilno povezati

sprejemnik, GPS, led diodo, ESC-je z motorji in stabilizacijo kamere. Paziti moramo, da je

sistem obrnjen pravilno, proti nosu modela. S tem zagotovimo smer letenja in preprečimo

izgubo orientacije multirotorja [7].

Slika 2.13: Verzije multirotorjev [7]

18

Slika 2.14: Vezalna shema

2.4 Propelerji

Pri izbiri propelerjev nam ni potrebno biti tako izbirčni, saj ni veliko moţnosti. Pri

multirotorjih jih delimo na počasno-leteče in hitrostne. Materiali, iz katerih so narejeni, so

lahko plastična masa, les ali karbonska vlakna. Mi smo izbrali počasno-leteče iz

karbonskih vlaken. So zelo lahki in kompaktni, namenjeni zračnem fotografiranju.

Karbonska vlakna so namreč veliko laţja od drugih materialov, so odpornejša in mnogo

bolj kompaktna. Pomembna je seveda tudi velikost in nagib propelerja. Z velikostjo in

nagibom povečujemo potisk, vendar smo omejeni. Vsak motor ima namreč omejitve, ki jih

ne smemo preseči.

Pri izbiri propelerjev smo si pomagali z elektronskim kalkulatorjem. Vnesli smo teţo

modela, model baterije, tip motorjev, tip propelerjev, nadmorsko višino, temperaturno

območe, ter pritisk ozračja. Izbira je temeljila na večih poizkusih. Na koncu smo ugotovili,

da najbolj ustrezajo propelerji s številko 1365. To število razdelimo na dva dela 13 in 6,5.

To sta števili, ki ponazarjata dolţino propelerja in dolţino naklona v inčih (slika 2.16 in

tabela 5).

19

Motorjeva maksimalna obremenitev Propelerjeva maksimalna obremenitev

Tok 28,25 A Statični potisk 2035 g

Napetost 14,10 V Obrati 6249 rpm

Obrati 6249 rpm Potisk v gibanju 1572 g

Električna moč 389,3 W Vertikalna hitrost 74 km/h

Mehanska moč 294,2 W Horizontalna hitrost 389 km/h

Učinkovitost 73,9 % Specifični potisk 5,11 g/W

Predvidena temperatura 79 °C

Tabela 5: Rezultati propelerja

Slika 2.15: 1365 Karbonski propelerji

Slika 2.16: Graf obratovalne karakteristike propelerja

20

2.5 Baterija

Baterija, ki poganja multirotor, je 4-celični litij-polimerski paket, kapacitete (5000 mAh 30

C). C se navezuje na kapaciteto obremenitve, s pomočjo katere lahko izračunamo dopustni

praznilni tok, torej koliko A toka lahko baterija prenese.

(3)

Torej, če obremenimo baterijo s kapaciteto 5 Ah s tokom 5 A, bi baterija zdrţala pribliţno

eno uro. Velja tudi obratno: če polnimo 5 Ah baterijo pri 1 C, bo predvideno napolnjena

čez eno uro. Vendar nastopajo tudi drugi vplivi, kot so izkoristek polnilca in baterij.

Predviden čas do izpraznitve baterije lahko izračunamo po spodaj navedeni formuli.

5

25

(4)

Vidimo, da bi baterija zdrţala 2 min pri polni obremenitvi. Ker pa vemo, da je običajno ne

obremenjujemo polno, se ta čas poveča, je torej variabilen.

Pomemben del polnjenja je tudi balansiranje baterije. To pomeni, da obdrţimo v vsaki

celici pribliţno enako napetost, ki je pri Li-Po baterijah 3,7 V na celico. S tem ji

podaljšamo ţivljenjsko dobo. Nekaj nasvetov za ohranjanje dobrega stanja baterije [9].

pazimo da na členu napetost ne pade pod 3 V ali naraste čez 4,2 V, ker s tem lahko

trajno poškodujemo baterijo

večinoma se morajo akumulatorji polniti nekaj ur pred uporabo

uporaba pri temperaturi nad 20 °C in pod 50 °C

priporočljivo polnjenje pri 1 C

nikoli ne praznimo mrzlih paketov

ne praznimo jih manj kot za 80 % realne kapacitete

21

2.6 Ogrodje

Ogrodje je v celoti iz karbona, zaradi omejene zmogljivosti motorjev. Teţa ogrodja je

pribliţno 600 g. Premer je nekaj nad 700 mm. Je zelo kompaktno, poleg tega pa je

zloţljivo, kar je velika prednost pri transportiranju. Manjši deli so iz aluminija. Je zelo

odporno in trdno (slika 2.18).

2.7 Oddajnik in sprejemnik

Eni izmed najpomembnejših in najdraţjih komponent sta oddajnik in sprejemnik. Skrbita

za to, da je upravljavec konstantno povezan z modelom. Moţno je doseganje velikih

razdalj, nekaj nad 10 km. Današnje komponente ponujajo mnogo funkcij, vendar so

cenovno zelo nedostopne. Delujejo lahko v dvojnem načinu. Oddajnik lahko oddaja in

sprejema, prav tako lahko sprejemnik sprejema in oddaja. Opravljajo najrazličnejše

funkcije od alarmov do varnosti pred izgubo signala. Zato smo se odločili predelati

komando nizkocenovnega razreda, da bo delovala v popolnem dvojnem načinu. Komanda

je izdelek podjetja Turnigy, model 9XR. Opremljena je z mnogimi naprednimi funkcijami

in 9-kanalnimi vhodi in izhodi. Deluje na softverju Open9x, ki je odprtokodna različica za

Atmega procesorje. Je zelo prilagodljiva in se lahko kosa z funkcijami, ki jih ponujajo

naprave višjih cenovnih razredov. Deluje v popolnem dvojnem načinu. Oddajnik in

sprejemnik lahko med seboj komunicirata na maksimalni razdalji od 1,5-2,5 km.

Slika 2.17 Karbonsko ogrodje

22

2.7.1 Komponente

Komandna naprava Turnigy 9XR je opremljena z LCD

zaslonom, ki premore 128 x 64 slikovnih pik in ima vgrajeno

tudi osvetlitev. Nanjo je moţno shraniti do 16 različnih

modelov. Izhodni signal je PPM in PCM. Ponuja tudi digitalno

delovanje na vseh primarnih oseh ter nastavljiva stikala. Ima

časovnike, ki jih lahko sprogramiramo. Alarmi pa opozarjajo

na nizko napetost baterije. Vsebuje notranjo 2,4G GHz anteno.

Teţa je 723 g [10] (slika 2.19).

Oddajni modul FrSky DJT je modul s telemetrijo. Deluje pri

napetostih 6 do 13V. Porabi pribliţno 50 mW. Je dvosmerni

sistem in je zmoţen prikazati tok, napetost, moč, hitrost,

lokacijo,smer, višino in pospešek. Resolucija, ki jo premore je

3072 (11 bitov). Deluje na 2,4 GHz tehnologiji [11] (slika

2.20).

Sprejemni modul je prav tako FrSky D8R-II PLUS, saj se

dobi v kompletu z oddajnim modulom. Sprejemnik prav tako

deluje na 2,4 GHz tehnologiji. Poraba je pribliţno 100 mA.

Resolucija je prav tako 3072 (11 bitov). Analogna napetost

je 0~3,3 V in moţnost priklopa 8 kanalov. Predviden domet

je 1,5 km do 2,5 km, odvisno od ovir. Teţa modula je 12,4 g

[11] (slika 2.21).

Slika 2.18: Komanda

Slika 2.19: Oddajni modul

Slika 2.20: Sprejemni modul

23

2.7.2 Modifikacije

HARDVERSKE MODIFIKACIJE:

Hardverske modifikacije, ki smo jih opravili na komandnem modulu so nam dopustile, da

komanda deluje popolnoma v dvojnem načinu. Z dodatkom FrSky-komponent bomo lahko

spremljali vse senzorje v »ţivo« na komandnem modulu. Senzorji, ki jih podpira so: tok,

napetost, moč, hitrost, lokacija, smer, višina in pospešek. Mi smo se odločili le za senzor

napetosti in toka, saj to najbolj potrebujemo.

Razstaviti smo morali oddajni modul in prenesti signal iz procesorja oddajnega modula v

komando. Za to prevezavo smo potrebovali dva vodnika, od tega je eden vseboval

zaporedno vezavo upora 500 Ω. S tem pošiljamo signal komandne naprave na oddajnik in

sprejemnik in doseţemo, da lahko komanda komunicira z oddajnikom (slika 2.22).

Slika 2.21: Povezave na oddajnem modulu

24

Prav tako smo razdrli komando in poslali oba signala iz procesorja na stičišče, na katerega

pride priključen oddajni modul. Oba vodnika sta vsebovala 2 kΩ upor (slika 2.23).

Slika 2.22: Povezave na komandnem modulu

SOFTVERSKE MODIFIKACIJE:

Softverske modifikacije, ki smo jih opravili na komandnem modulu, so bile izvedene z

namestitvijo odprtokodnega sistema OPEN9X. Namestili smo ga s pomočjo programskega

orodja za Atmelove procesorje in programsko opremo. Nudi mnoge moţnosti za

»mešanje« motorjev in servo motorjev. Izvaja se zelo hitro in je zelo prilagodljiv. Kos je

tudi najzahtevnejšim uporabnikom.

25

3 Večplastna stabilizacija slike

3.1 Uvod

Dandanes mnogi sistemi uporabljajo kamero za interakcijo z okoljem. Zelo je pomembno,

da kamera filtrira tresljaje video slike v realnem času, za zagotovitev najboljših posnetkov.

To je zlasti pomembno pri zračnih plovilih UAV, ki se uporabljajo za nadzorovanje,

zasledovanje tarče, navigacijo in lokacijske naloge. Pogosto upravljavci opazujejo okolje

»v ţivo«, kar preko video kamere. Računalnik ali človek se morata pogosto odločiti v pičli

sekundi, glede na video sliko, zajeto v realnem času. Takšne sisteme uporabljajo tudi v

vojski in policiji. Prepoznavanje tarč in zemeljskih oznak je oteţeno ali onemogočeno, če

se pojavijo vibracije, kajti to privede do neostre in popačene video slike. Izziv je, da

najdemo učinkovito rešitev stabilizacije slike v realnem času.

UAV sektor smatramo za enega izmed najbolj rastočih sektorjev v zračni industriji, za

katerega naj bi se povpraševanje potrojilo v naslednjem desetletju. Zaradi velike

pomembnosti tega sektorja v prihodnosti, bodo stabilizacijski sistemi ohranjali veliko

vlogo v tej industriji. Trenutno je največji deleţ teh aplikacij povezanih z vojsko, vendar je

vedno več civilnih aplikacij, ki so namenjene poţarni varnosti, nadzorovanju in tudi

filmski industriji. V prihodnosti bodo UAV-i spremenili velikost, obliko in konfiguracijo,

zato je temu potreben tudi prilagodljiv stabilizacijski sistem. Motivacija za projekt tega

multikopterja je izdelati zanesljiv stabilizacijski sistem, ki ima v naprej določeno velikost,

obliko in teţo. Sistem je potreben, da izloči vibracije kamere, ki bo pritrjena na naše

plovilo. Za ta namen bomo poizkusili narediti nizko cenovni, lahek, zanesljiv

stabilizacijski sistem, ki ima učinkovito prilagodljivo strukturo. Cilj je, da zmanjšamo

horizontalne, vertikalne in kotne premike, tresenje slike in zmanjšanje zameglitve.

Vibracije v sektorju za zračna plovila se razlikujejo glede na amplitudo in frekvenco.

Optimalna stabilizacija je doseţena, ko so vibracije katerega koli tipa v celotnem

amplitudnem območju in frekvenčnem spektru kompenzirane. Da to doseţemo, večinoma

sistemov uporablja samo eno kompenzacijsko tehniko (enoslojni sistem). Obstoječi

enoslojni sistemi temeljijo na strojni osnovi, programski osnovi ali mehanski osnovi.

26

Mnogi testi kaţejo odlično izravnavo tresljajev v nekaterih amplitudnih in frekvenčnih

območjih, ampak stabilizacija vibracij čez celotni frekvenčni in amplitudni spekter ni

izvedljiva z enoslojnim sistemom. Izravnava vseh vrst vibracij v enem sistemu je še vedno

največji izziv in velik problem raziskovalcev. Glavni razlog za neuspeh je časovni zamik

med odkrivanjem vibracij in opravljanjem izravnalnih akcij kot je nasprotno gibanje. Pri

nekaterih stabilizacijah, kjer programski algoritem skrbi za izravnavo slike, s pomočjo

pomoţnih točk, ki si jih ustvari kot pomoč, je problem pri zajetih video vsebinah, kjer so

prisotne hitre reakcije. V tem primeru sistem ne more pravilno določiti pomoţnih pik ali pa

le-te celo izginejo iz vidnega polja. Pri sistemih, ki uporabljajo pomoţno platformo, kjer se

kamera vrti v treh oseh, pa se pojavlja problem negladkega delovanja in kotne omejitve

strukture. Da premagamo omejitve enoslojnih sistemov, je eden od pristopov za izboljšanje

stabilizacije, zdruţitev več antivibracijskih tehnik v en, večslojni sistem (slika 3.1).

Ko več ustreznih stabilizacijskih tehnik deluje istočasno, dopolnjujejo operativno območje

drug drugega in premagajo časovni zamik. Paralelne tehnike lahko druga drugi pokrijejo

slabe učinkovitosti v amplitudnem in frekvenčnem spektru. En sloj izniči nizko frekvenčne

vibracije, drugi ublaţi srednje frekvenčne vibracije in tretji visoke. Tako bi lahko večslojna

rešitev dosegla boljšo kompenzacijo vibracij, ko se sooči z vsemi vrstami vibracij. Največji

problem trenutnih večplastnih stabilizacij je, da so predrage. Zato se pogosto uporabljajo

enoslojni ali dvoslojni sistemi, kar ne ustreza celotnemu spektru vibracij. Naš sistem bo

imel sloj, ki bo poskrbel za odpravljanje nizkofrekvenčnih vibracij tudi v primeru, da

sistemu zmanjka elektrike [12].

Slika 3.1: Enoplastna stabilizacija (levo) in večplastna stabilizacija (desno)

27

3.2 Izvori vibracij v UAV

Preden načrtujemo strukturo stabilizacijskega sistema, je potrebno vibracije najprej

analizirati. Glede na okolje, kjer bomo uporabljali sistem, se lahko pojavijo različne

vibracije:

Grobi atmosferski pogoji (UAV)

Grobe terenske površine (UGV)

Gibanje valov (USV)

Podvodni tokovi (AUV)

Grupiranje vibracijskih karakteristik robotskih aplikacij, so vpisane v frekvenčno-

amplitudnem (slika 3.2).

Na splošno, nizko frekvenčne vibracije slabše vplivajo na opremo kot visoko frekvenčne.

Ko smo vse moţne vibracije dodali v diagram, je potrebno pridobiti ustrezne

kompenzacijske tehnike. Torej, potrebno je predvideti, katera tehnika se bo najbolje

odrezala v določenem delu diagrama [12].

Slika 3.2: Vibracije glede na frekvenco in amplitudo

28

3.3 Večplastna struktura

Obstaja veliko tehnik, ki delno ali v celoti izničijo vibracije. Lahko so protigibni,

mehanični, optični, digitalni, lahko tudi preko GPS-a, celo temperaturni ali magnetni

senzorski sistemi. Po različnih testih in raziskovanjih stabilizacijskih tehnik, smo izbrali

štiri najbolj primerne, ki pokrivajo celotno frekvenčno-amplitudno območje. Vsi sloji se

popolnoma razlikujejo drug od drugega, glede na izenačevanje vibracij (slika 3.3).

Uporabili smo naslednje štiri sloje:

Protigibni sistem

Mehanični sistem

Optični sistem

Softverski sistem

Na multikopterju so fizično uporabljeni trije sloji (protigibni, mehanični in optični). Četrti,

softverski sloj bo uporabljen po potrebi. Izvaja se lahko v realnem času, kot algoritem, kar

pri našem modelu ne pride v poštev, saj smo omejeni s teţo, ali pa kot programska

obdelava videa (postprodukcija). Vsi sloji so ločeni drug od drugega. Izvrševali bodo

stabilizacijo v svojem območju in izboljševali drug drugega [12].

Slika 3.3: Graf postavitev slojev v frekvenčno in amplitudno območje

29

3.4 Pregled posameznih slojev

Podrobno razporeditev vseh slojev v frekvenčnem in amplitudnem območju prikazuje slika

3.4.

Sloj 1:

V tem sloju se uporablja IMU za merjenje vibracij. S pomočjo naprave GIMBAL, se

izvajajo nasprotni gibi, ki ublaţijo vibracije. Problem tega blaţenja je procesna zakasnitev

in zakasnitev odzivov. Najbolje se odzove v nizkih ali srednjih frekvenčnih območij.

Sloj 2:

Tukaj ne potrebujemo nobenega sistema, ki bi nadzoroval gibanje, saj uporabljamo

mehansko stabilizacijo. Vso delo opravijo tako imenovani blaţilci. So iz gumijastega ali

silikonskega materiala. Najpomembneje je, da so cenovno zelo ugodni. Sloj 2 je zelo

potreben, če uporabljamo sloj 1, kajti reši problem zakasnitve sloja 1. Vibracije zmanjšuje

pasivno po celotnem amplitudnem in frekvenčnem območju. Uporabiti ga moramo z

drugimi stabilizacijskimi tehnikami.

Slika 3.4: Podroben pogled slojev

30

Sloj 3:

Optična stabilizacija slike je mehanizem integriran v kameri z nalogo, da stabilizira video

sliko. Uporablja ţiroskop, da izmeri vertikalne in horizontalne premike. Ta stabilizacija je

namenjena, da rešuje problem nizko amplitudnih vibracij [12].

Sloj 4:

Digitalna video stabilizacija nastopi v zadnjem sloju. Izvaja se lahko v realnem času, kot

računalniški algoritem, ki zaznava premike slike, nato pa sliko pravilno postavi s pomočjo

lokacijskih točk in jo obreţe. Problem izvajanja v realnem času je, da je potrebno

procesiranje v realnem času, saj za to potrebujemo veliko procesorsko moč. Drug način

izvajanje digitalne stabilizacije je s pomočjo softverske opreme, ki se izvede po posneti

video vsebini [12].

3.5 Tehnične lastnosti posameznih slojev

Sloj 1: IMU GIMBAL stabilizacija

Večina GIMBAL sistemov uporablja servomotorje z visokim navorom in prestavnim

razmerjem. Mi smo uporabili novejšo tehnologijo, ki uporablja brezkrtačne motorje. Tem

bomo zmanjšali število obratov na volt, z novim navitjem na rotorju. Tečejo veliko mirneje

kot servomotorji. V sloju 1 smo uporabili GIMBAL stabilizacijski sistem, ki s pomočjo

nasprotno-gibnih reakcij izvaja stabilizacijo. Načrtali smo ga v 3D-okolju SolidWorks

(slika 3.7, slika 3.8). Sistem izvaja dvojno stabilizacijo kamere, nagib in naklon. Je zelo

lahek in varčen. Izdelan je ročno in večinoma iz karbonskih vlaken. Sposoben je

stabilizirati kamere s teţo do 1,5 kg, to je velikosti DSLR fotoaparata. Temelji na

odprtokodnem sistemu tako imenovanem »BRUSHLESS GIMBAL«. Razvojna ploščica

vsebuje mikroprocesor s PID regulatorjem in dva regulatorja hitrosti. Posebej je

priključena IMU ploščica, postavljena vzporedno, poleg kamere, ki meri vibracije. Vsebuje

3-smerni merilnik pospeška in 3-smerni ţiroskop, ki skrbita za stabilizacijo (slika 3.5).

31

Slika 3.5: Ročno izdelan GIMBAL stabilizacijski sistem

Sloj 1 vsebuje več pod-slojev s filtri (slika 3.6). Glavni cilj je filtrirati popačene signale

(podatke) IMU v gladke hitrostne signalne komande za elektromotor, da se lahko izvedejo

GIMBAL proti-gibi. Če pogledamo podrobno, so podatki merilnika pospeška uporabljeni

za izračun kota nagiba in naklona. Da zagotovimo zanesljive podatke, je prvi korak

pasovno-prepustni filter (Bandpas filter), da se izločijo naključni pogreški, ki so nastali pri

merjenju. Naslednji filter »Kalmanov Filter« se uporabi s podatki giroskopa, da sledimo

dejanskemu kotu nagiba in naklona. Po tem koraku se uporabijo povprečni podatki, da

zmanjšamo šum. Na koncu se podatki merilnika pospeška in ţiroskopa pretvorijo v

naklonski in nagibni kot. S temi podatki se izračunajo PID komande, ki se pošiljajo

motorju, s čimer se izvede ţelena stabilizacija nagiba in naklona.

Slika 3.6: Pregled korakov izvajanja sloja 1

32

Slika 3.7: Stabilizacijski sistem v 3D okolju SolidWorks

Slika 3.8: Zrenderiran sistem stabilizacije v programu SolidWorks

33

Sloj 2: Mehanska stabilizacija

Celoten stabilizacijski sistem in multikopter sta povezana s skupino mehanskih izolatorjev

v obliki šestkotnika. Ta konfiguracija omogoča dušenje vibracij v vseh treh oseh. Ti

izolatorji so na voljo iz različnih materialov in oblik. Ločimo jih glede na moč, oziroma

kolikšno teţo prenesejo. Če uporabimo premehke izolatorje, se vibracije ne morejo

pravilno dušiti, to pa privede do nadaljnjih oscilacij. Naši izolatorji so iz gumijaste mase,

ki bodo sposobni prenesti teţo do 0,8 kg na izolator (slika 3.7).

Sloj 3: Optična stabilizacija slike

Optična stabilizacija je odvisna od kakovosti kamere. Canon 600D ponuja optično

stabilizacijo. Najdemo jo v objektivu. Premikanje leč poskrbi za stabilizacijo in korekcijo

slike ali videa. Zahvaljujoč širokemu kompenzacijskemu stabilizacijskem območju,

zagotovi odlično stabilizacijo tudi med hojo ali pri veliki povečavi (slika 3.8).

Slika 3.10: Optična stabilizacija kamere

Slika 3.9: Izgled gumijastega izolatorja

34

Sloj 4: Digitalna stabilizacija slike

Kot smo ţe omenili lahko ta sloj izvajamo na dva načina. S stabilizacijo v realnem času ali

s pomočjo softverja po posneti vsebini. Odločili smo se za drug način, zaradi omejitve teţe

in omejenega prostora. Stabilizacijo bomo izvajali po potrebi na računalniku s procesorsko

močjo 2,1 GHz i3 in 4 Gb RAM. Izvaja se tako, da softver izračunava točkovne vektorje

na vsaki sliki v videu. Algoritem zazna vodoravne in navpične kotne premike. Tako se

izvedejo kompenzacijski premiki in rezultat je stabilizirana video vsebina.

3.6 Testi posameznih slojev

Za izvedbo testa smo izbrali napravo, ki je bila zmoţna posnemati vibracijske sekvence, ki

se pojavljajo med letenjem multirotorjev. GIMBAL stabilizacija je bila pritrjena na

vibracijske izolatorje, da je lahko izvajala proti-gibne reakcije. S prilagojenim primeţem

smo vse pritrdili na vibracijsko napravo. Sprogramirana je bila tako da je merila

horizontalne, vertikalne in kotne premike posnetkov iz kamere. Končni rezultati so

pokazali koliko je lahko GIMBAL sliko stabiliziral.

Izvedli smo več poizkusov. Testirali smo vsak sloj posebej, da se je razločilo, katere

frekvence je zmoţen stabilizirati posamezni sloj. Naslednji testi so se izvedli v parih, sloj 1

in sloj 2, sloj 3 in sloj 4. Naprava je izvajala vibracije s konstantno frekvenco in amplitudo.

S tem smo dobili rezultate in delovanje slojev v paru.

Na koncu se je izvedel test z vsemi štirimi sloji. Naprava je simulirala dva leta

mulitirotorjev naključnih vibracij in amplitud. Prvi let je vseboval nizke in srednje

frekvence. Pri drugem letu smo se osredotočili na srednje in visoke frekvence. Najprej smo

izmerili kotne premike kamere v smeri naklona in nagiba v slojih 1 in 2. Najprej vsak sloj

posebej, nato smo zdruţili oba sloja. Naslednji korak je bil meritev horizontalnih,

vertikalnih in kotnih premikov v slojih 3 in 4. Med opravljanjem testov je naprava izvajala

35

konstantne vibracije z visoko kotno amplitudo ob izbrani frekvenci (nizka, srednja,

visoka).

Kotni premiki (sloj 1 in sloj 2)

Sloj 1 je kompenziral premike po celotnem amplitudnem območju. Zelo dobre rezultate je

pokazal predvsem pri nizkih in srednjih frekvencah. Slabši rezultati so vidni pri visokih

frekvencah saj je tukaj največji problem časovni zamik izvajanja proti-gibnih reakcij.

Vendar daje veliko boljše rezultate kot GIMBAL s servomotorji. Sloj 2 je kompenziral

celotni frekvenčni spekter za majhne in srednje amplitude. Pri večjih amplitudah pa

nastane problem zaradi omejitve gibljivosti materiala (slika 3.9).

Slika 3.11: Testi sloja 1 in sloja 2, sloj 1 in 2 skupaj

Sodelovanje sloja 1 in sloja 2 pripomore k boljšim rezultatom. Sloj 1 slabo prenaša visoke

frekvence, zato s pomočjo sloja 2 izboljšamo delovanje kompenzacij pri naklonu in nagibu.

Kljub temu poizkus pri visokih frekvencah in amplitudah ni bil tako uspešen. Pri nizkih in

srednjih smo dobili zadovoljive rezultate. Čeprav do takih ekstremnih razmer pride redko,

lahko pri vplivu vetra nastanejo podobne razmere. Poizkusi kaţejo, da uporaba sloja 1 in

sloja 2 pripomore k veliko boljšim rezultatom kot uporaba slojev posamično.

0

5

10

15

20

25

30

Naklon Obrat Naklon Obrat Naklon Obrat

Kotn

i od

mik

[°]

Brez stabilizacije Sloj 1 Sloj 2 Sloj 1 in 2

Frekvenca

nizka (0,2 Hz )

Frekvenca

srednja (0,5 Hz )

Frekvenca

visoka (1 Hz )

36

Kotni premiki (sloj 3 + sloj 4)

Sloj 3 ni pokazal nobenih prepričljivih rezultatov glede stabiliziranja slike. Kotni premiki

so se zmanjšali za malenkost. Največja prednost tega sloja je, da je slika ostala ostra in

fokusirana. Pretok videa je bil bolj gladek, kar je zelo pomembno pri video vsebini. Sloj 4

je pokazal odlične rezultate po celotnem frekvenčnem spektru. Ker je moral obračati, rezati

stranice in robove video slike, da je lahko izločil vibracije, smo dobili dobre rezultate samo

pri nizkem amplitudnem območju. Zato sta za srednja in visoka amplitudna območja,

potrebna sloja 1 in 2.

Slika 3.12: Test slojev 3 in 4

Sloj 4 je pokazal boljše rezultate skupaj s slojem 3, kar se tiče ostrine in fokusa slike.

Rezultati so bili zadovoljivi, vendar je največji problem pokazal sloj 4, saj je moral za

stabilizacijo slike zelo obrezovati robove in stranice video slike. Kot ni presegal vrednosti

3° pri visokih frekvencah, kar je zadovoljivo, ampak ne najbolj priročno zaradi

obrezovanja slike. Testi slojev so prikazani na sliki 3.10.

0

5

10

15

20

25

30

Naklon Obrat Naklon Obrat Naklon Obrat

Kotn

i od

mik

[°]

Brez stabilizacije Sloj 3 in 4

Frekvenca

nizka (0,2 Hz )

Frekvenca

srednja (0,5 Hz )

Frekvenca

visoka (1 Hz )

37

Kotni premiki (sloj 1 do 4)

V zadnjih testih smo simulirali dva leta multikopterja. Posnet video je bil stabiliziran z

slojem 1, slojem 2 in slojem 3 v realnem času. Sloj 4 se je izvedel po posneti video vsebini

s pomočjo softverja. Rezultate testiranja prikazuje slika 3.11.

Naprava, ki izvaja vibracije je simulirala let dolg 20 sekund. Prvi let je bil osredotočen na

nizke in srednje frekvence, ki se bodo izvajale po celotnem amplitudnem območju do 30

stopinjskega naklona. Prav tako se je izvedel tudi drugi simuliran let po celotnem

amplitudnem območju, vendar s srednjimi in visokimi frekvencami.

Slika 3.13: Test slojev 1 do 4

Končni testi so pokazali zelo dobre rezultate. Predvsem zanimivo je bilo, kako sta sloj 1 in

sloj 2 sodelovala. Vidno je bilo, da sta izničila slabosti, ki jih je imel posamezni sloj, zaradi

tega so bili rezultati mnogo boljši. Zmanjšala sta vibracije po celotnem amplitudnem

območju. Prav tako sta sloj 3 in sloj 4 pokazala dobre končne rezultate.

0

5

10

15

20

25

30

Naklon Obrat Naklon Obrat

Kotn

i od

mik

[°]

Brez stabilizacije Sloj 1 Sloj 1+2 Sloj 1+2+3 Sloj 1+2+3+4

Frekvenca

nizka/srednja

Frekvenca

srednja/visoka

38

Vsi štirje sloji so dali zadovoljive končne rezultate po celotnem amplitudnem in

frekvenčnem spektru. Izjema je bila, da je celoten sistem imel majhne teţave z visokimi

amplitudami in frekvencami.

39

4 Brezžičen prenos video slike

4.1 Uvod

Brezţičen prenos slike je pomemben del strukture našega zračnega plovila. S tem

dodatkom lahko pilot multirotorja dobi natančen pregled, kje se nahaja, če se multirotor

odpelje izven vidnega polja. Tako ga lahko natančno vodi preko kamere. Na video pogled

je moţno namestiti razne dodatke, kot so prikaz hitrosti, višine, pozicije GPS, pospeška,

oddaljenosti od domače točke in mnogo drugih funkcij. Ker bom to funkcijo uporabljal

izrecno samo za gledanje snemalnega kadra, nam ti dodatki niso bili potrebni. Večina

uporabnikov za prikaz slike uporablja očala ali eksterni barvni zaslon, kar ima svoje

prednosti in slabosti. Mi smo se odločili, da bomo sliko prenesli na prenosni računalnik.

Prednost eksternega zaslona je, da je manjši in priročen vendar je zanj potrebna dodatna

napajalna napetost oziroma baterija. Prav tako je potrebno imeti tudi baterijo za video

sprejemnik. Računalnik je nekoliko bolj neroden vendar ima dovolj zmogljivo baterijo, da

poganja svoj zaslon in sprejemniški modul. To je bil tudi eden izmed problemov, ki smo ga

rešili. Prvotni načrt je bil, da bi sliko prenesel s pomočjo okolja LabVIEW, vendar smo to

moţnost opustili zaradi teţav z gonilniki.

Analogni sprejemniki se ločijo po nosilni frekvenci (od 900 MHz do 5,8 GHz) in po moči

(od 10 mW do 2 kW). Vsaka od nosilnih frekvenc ima svoje prednosti in slabosti.

Območje okrog 900 MHz je zasedeno zaradi mobilnih sprejemnikov, ki obratujejo na tej

frekvenci. 1,2 GHz območje je primerno. Lahko dobimo dober signal tudi za objekti, kot

so stavbe, drevesa in ljudje. Slabost je, da moramo za dober signal uporabiti filtre. 2,4 GHz

območje je prenasičeno, saj skoraj vsaka brezţična naprava deluje v tem območju. Največji

problem je, da delujeta oddajni in sprejemni modul komande na enakem frekvenčnem

območju, zato pogosto pride do motenj [13]. Modul za katerega smo se odločili, ima

nosilno frekvenco 5,8 GHz. V območju okoli te frekvence dobimo dobro kakovost slike z

zadovoljivim dometom. Moč našega oddajnega in sprejemnega modula ja 200 mW.

40

4.2 Vezalna shema video prenosa

Vezalno shema video prenosa prikazuje slika 4.1.

4.3 Komponente

4.3.1 Oddajniški in sprejemniški analogni video modul

Z uporabo tega 5,8 GHz video sprejemnika in oddajnika FOXTECH smo uspešno prenesli

analogno sliko iz multikopterja na računalnik. Deluje na nosilni frekvenci 5,8 GHz, ki je

trenutno še precej neuporabljena. Moč oddajnika je 200 mW. Najvišja moţna resolucija

videa je 720 x 576 pik. Predvidena napajalna napetost za oddajnik je v območju od 8 V do

12 V, za sprejemnik pa od 7 V do 12 V. Poraba oddajnika in sprejemnika znaša pribliţno

200 mA. Moţno ga je nastaviti na 8 različnih kanalih, med frekvenčnim območjem od

5705 Hz do 5945 [14] (slika 4.1).

PC

PRETVOTNIK NAVZGOR Z

USB PRIKLJUČKOM

ZAJEMALEC

ANALOGNEGA SIGNAL

SPREJEMNIK

BATERIJA

MULTIKOPTERJA ODDAJNIK KAMERA

BREZŢIČEN VIDEO PRENOS

Slika 4.1: Blokovna shema video prenosa

41

Tako modul kot oddajnik imata kompozitni video vhod, z moţnostjo mono ali stereo

zvoka. Analogni kompozitni video vodnik ima ponavadi nosilno kakovost slike 480 pik po

vertikali ali 576 pik. Format je ponavadi NTSC ali PAL. NTSC se ponavadi uporablja na

območju Severne Amerike in ponekod tudi v Juţni Ameriki. PAL se pa uporablja v Evropi

in po veliki večino Afrike ter ponekod po juţni Aziji.

Priloţene paličaste dipolne antene 2 dBi. Te antene so najlaţje izvedljive in najbolj

uporabne po svetu [14].

4.3.2 DC – DC pretvornik navzgor

Uporabili smo navadni DC – DC pretvornik navzgor, da smo rešili problem dodatnega

napajanja za sprejemnik. Vgrajen ima spremenljiv kondenzator. Iz odpadnega USB

priključka smo povezali vhod pretvornika in tako iz USB priključka, ki je zmoţen 5 V DC

napetosti, dobili 12 V DC napetosti. Izhodni tok je dovolj močan, da lahko poganja

sprejemnik s porabo 200 mA (slika 4.3) [15].

Tehnični podatki:

- vhodna napetost od 1,25 V do 30 V

- izhodna napetost od 3 V do 35 V

- največji izhodni tok 2 A

- največja učinkovitost 92 %

Slika 4.2: Oddajni in sprejemni modul FOXTECH

42

4.3.3 Zajemalnik analognega video signala

Zajemalnik ali pretvornik analognega video signala EasyCAP je naprava, ki omogoča

zajemati analogni signal iz video naprav na računalnik. Priključki, ki jih vsebuje so

kompozitni priključek za video in zvok, ter s-video priključek na vhodu. Na izhodu je USB

priključek. Uporabljajo ga tudi za zajemanje VHS-vsebin [16] (slika 4.4).

Tehnični podatki:

- napaja se preko USB

- podpira NTSC in PAL video format

- video vhod RCA kompozit ali S-video

- audio vhod stereo RCA

Slika 4.3 DC-DC pretvornik navzgor

Slika 4.4: Zajemalnik analognega signala EasyCAP

43

4.3.4 Video kamera

Kamera, ki smo jo uporabili je Canon 600D. To je DSLR fotoaparat z senzorjem ki

premore 18 milijonov točk. Snema pri resoluciji HD (1920 x 1080 pik), 30 slik na sekundo,

pri resoluciji 1280 x 720 pa do 60 slik na sekundo. Velikost kamere je 133 x 100 x 80 mm

(slika 4.5) [17].

Tehnični podatki:

- devet-točkovno fokusiranje

- premikajoči 3-palčni LCD monitor

- avtomatska ali ročna bliskavica

- veliko moţnosti snemanja in slikanja

- maksimalna dolţina filma je 30 min

- maksimalna velikost filma 4 Gb

- vsebuje kartico z SD-reţo

- polnjiva Li.on baterija

- teţa okvirja 570 g

- povezava preko USB

- video izhod integriran z USB vmesnikom

- mini HDMI izhod

Slika 4.5: Video kamera Canon 600D

44

4.4 Analogni prenos video slike

Sedaj bomo opisali analogni brezţičen prenos slike.

4.4.1 Radio frekvenčni prenos (RF)

Frekvenca je stopnja oscilacije, izraz radijska frekvenca ali njena kratica RF pa se

uporablja kot sinonim za radio uporabno brezţično komunikacijo, za razliko od

komunikacije preko ţic. Frekvenca pove kolikokrat na sekundo se vzorec v signalu ponovi.

Da lahko sprejemamo in oddajamo signale moramo uporabiti anteno, radijski sprejemnik,

frekvenčno območje. To je tipično narejeno z resonatorjem. Resonator ojači oscilacije v

določenem frekvenčnem pasu ter zniţa oscilacije izven določenega frekvenčnega pasu.

Območje radijskih je frekvenc od 3 Hz do 300 GHz. Z niţjimi frekvencami dosegamo

velike dolţine do 5 km, z niţjimi pa do 1 mm [18].

4.4.2 Frekvenčna modulacija (FM)

Brezţični modulacijski formati v ozkopasovnih radijih temeljijo na spreminjanju lastnosti

frekvenčnega nosilca, s počasnim spreminjanjem amplitude frekvence ali faze nosilca.

Valovna oblika in amplitudni spekter frekvenčne modulacije je prikazan na sliki 4.6.

Amplituda določa moč frekvenčne-komponente RF signala [18].

Slika 4.6: Frekvenčna modulacija

OVOJNICA

FM-signal

t-čas

Amplitudni

spekter

f-frekvenca 5,8 GHz

KANAL

45

4.4.3 Radio frekvenčno sevanje in razširjanje

Radijsko-frekvenčni (RF) signali se širijo v obliki elektromagnetnega sevanja ali

valovanja. Na radijske valove vplivajo pojavi kot so odboj, lom, absorpcija, polarizacija in

sipanje.

Na radijsko širjenje radijskih valov vpliva dnevna sprememba količine vodne pare v

troposferi in ionizacija v zgornji atmosferi, zaradi sonca. Razumevanje učinkov različnih

pogojev za radijsko sevanje ima praktični pomen, za izbiro frekvenc za mednarodna

kratkovalovna oddajanja, za oblikovanje zanesljivih sistemov mobilne telefonije, za

radijsko navigacijo in za delovanje radarskih sistemov.

Na radio razmnoţevanje vplivajo tudi številni drugi dejavniki, kot je potovanje (RF)

signala od oddajne točke do sprejemne. Ta pot je lahko direktna vidna linija ali pot »preko

obzorja«, poti preko v ionosfere, ki je območje med pribliţno 60 in 600 km. Dejavniki, ki

vplivajo na ionosferska širjenja radijskega signala so lahko sončni izbruhi, geomagnetne

nevihte, ponjave ionosferske plasti in sončni protonski dogodki.

Radijski ali elektromagnetni (EM) valovi se pri različnih frekvencah razširjajo na različne

načine. Na zelo ekstremno nizkih frekvence (ELF) in zelo nizkih frekvenc je valovna

dolţina veliko večja od razdalje med zemeljsko površine in D plastjo ionosfere. Tako se

lahko elektromagnetno valovanje širi po tem območju po valovodu. Za frekvence pod 20

kHz, se val širi kot eno vrsta vala z vodoravno magnetnim poljem in navpičnim

električnim poljem. Interakcija radijskih valov z ionizacijskimi valovi v atmosferi vpliva

na radijsko razširjanje in ga je bolj zapleteno predvideti in analizirati kot v praznem

prostoru [19].

Elektromagnetne valove povzročajo vibracije električnih nabojev. Ta nihanja ustvarjajo

vali, ki so prisotni v električnih in magnetnih komponentah. Elektromagnetno valovanje

prenaša svojo energijo v vakuumu s hitrostjo . Širjenje elektromagnetnega

valovanja skozi snov ima hitrost, ki je niţja od [20].

46

Po Friis-ovi enačbi lahko izračunamo sprejemno moč EM signala v praznem prostoru brez

ovir [24].

4 (5)

4.4.4 Ovire in domet signala

Za radio frekvenčne valove, so ovire eden izmed glavnih vplivov na kvaliteto prenosa

slike. Največji problem so drevesa in stavbe, kajti to so ovire, ki jih signal teţko obide.

Ovire privedejo do izgube signala.

Prekratki domet je tudi eden izmed problemov, vendar se ponuja kar nekaj rešitev, ki

omogočajo zadovoljive rezultate. Kot smo ţe povedali z višanjem frekvence pada domet

signala. Domet lahko povečamo s sprejemnim ojačevalnikom ali pa s povečanjem moči

samega oddajnika.

V našem primeru imamo oddajnik moči 200 mW, ki ima domet od 300 m do 400 m,

odvisno od ovir. Uporabljamo dipolne klasične antene z ojačanjem 2 dBi. Za naše potrebe

je to zadovoljivo, saj smo dosegli to brez dodatnega ojačevalnika, ki bi nam prinesel večjo

teţo sistema in porabo energije. S kroţno polariziranimi antenami bi dosegli domet tudi do

1,5 km, seveda na prostem terenu brez ovir. To je več kot dovolj za našo uporabo [14].

Kroţno polariziranje je efekt, pri katerem doseţemo kroţenje celotnega elektromagnetnega

vala, iz oddajnika do sprejemnika (slika 4.7). Praviloma se iz oddajnika celoten val vrti v

smeri urinega kazalca, iz sprejemnika pa v nasprotni smeri ure [21].

47

Slika 4.7: Kroţenje vala pri oddajniku [21]

4.5 Uporaba video programske opreme

Prvotna ideja je bila uporaba LabVIEW programske opreme, vendar smo zaradi problemov

z gonilniki to moţnost opustili. Sliko bi lahko zajeli z dodatkom za LabVIEW, ki se

imenuje NI Compact Vision [22]. Dodatek se uporablja za raznovrstne aplikacije tudi za

zajemanje videa.

Compact Vision sistem je kompakten in robusten sistem za strojni vid, da prenese ostra

okolja v skupinske robotsko-vodene vide, industrijski inšpekcijske preglede in aplikacije

OEM vida.

NI Compact Vision sistem uporablja IEEE 1394a tehnologijo, ki je zdruţljiva s široko

paleto funkcionalnosti, zmogljivosti. Poleg tega lahko poveţemo tri kamere (ali več, z

uporabo vozlišč) v edem kompaktni sistem vida, ker občutno zniţa ceno celotnega sistema.

Sistemi nudijo veliko vhodnih-izhodnih (I/O) zmoţnosti in moţnost omreţne povezave za

porazdeljene aplikacije strojnega vida.

Za programiranje NI Compact Vision sistema lahko uporabimo moţnost izbire med hitro

konfiguracijo strojne uporabe vida z »NI Vision Builder« za avtomatsko oblikovanje ali

programiranjem z »NI LabVIEW Real-Time Vision Development Bundle«. Vision Builder

48

AI je enostaven za uporabo, je samostojno programsko okolje za ustvarjanje popolnih

aplikacij za nadzor.

Odločili smo se za alternativo, kajti omenjen LabVIEW dodatek je cenovno zelo

nedostopen. Uporabili smo brezplačno programsko opremo WinAvi Video Capture. To je

programska oprema, s katero lahko v nastavitvah izberemo video napravo ali video

zajemalnih naprav in lahko video v realnem času prikaţemo na zaslon računalnika.

Program ima veliko nastavitev, s katerimi lahko popravimo zajeto sliko. Ima moţnost

zajemanja in snemanja video signala (slika 4.8) [23].

Slika 4.8: Prenos slike na računalnik s programom WinAvi

49

5 Sklep

Multirotor je naprava, ki se lahko uporablja kot igrača za letenje ali pa tudi za slikanje in

snemanje video vsebin iz zraka. Za kakovostnejšo sliko brez nagibov in tresljajev se

uporablja stabilizacija kamere. Brezţičen prenos slike nam omogoča gledanje snemalnega

kadra. Cilj te diplomske naloge je bil narediti multirotor z dvosmerno stabilizacijo kamere

in prenosom video slike na osebni računalnik.

Ugotovili smo, da je multirotor dokaj zapletena naprava. Da doseţeš ţeleno dviţno silo je

potrebno upoštevati veliko spremenljivk in vplivov, ki bi lahko oteţili izdelavo. Najprej

smo se odločali o sami velikosti multirotorja in tako prišli odločitve, da bo 800 mm dovolj

velik razpon za obvladovanje teţe dodatnega bremena 2 kg. Karbonski okvir nam je dal

zelo veliko trdnost in majhno teţo. Pri motorjih smo upoštevali sorazmerje med potiskom,

ki ga lahko ustvari, in ceno. Na koncu smo se odločili za motorje, ki ustvarjajo 2 kg potiska

vsak posebej, torej skupni maksimalni potisk je bil pribliţno 12 kg. Seveda je bilo ob tem

potrebno izbrati ustrezne propelerje in paziti, da niso preveliki, kajti s slednjimi lahko

pregrejemo motorje in to privede do njihove odpovedi. Tukaj smo naleteli na prvo teţavo,

saj smo najprej izbrali plastične propelerje. Bili so dokaj nestabilni, neuravnoteţeni in

narejeni iz premehkega materiala. Zato smo se odločili za karbonske propelerje, s katerimi

smo zmanjšali porabo električne energije pri lebdenju. Izbira regulatorja hitrosti motorjev

se tesno navezuje na izbrane motorje. Če motor porabi maksimalno 25 A, tako kot v našem

primeru, potem zadostuje 30 A regulator hitrosti. Vedno je potrebno izbrati nekoliko

predimenzioniran regulator, da ne pride do pregrevanja. Problem je bil tudi slaba odzivnost

regulatorja, zato smo se odločili uporabiti programsko opremo za nastavitve parametrov

regulatorja, prirejeno posebej za multirotorje, ki smo jo naloţili na regulator, s pomočjo

programatorja. S tem smo dobili hitre odzive in izklopili funkcije, ki jih je imel regulator

vgrajene za letenje s letalom. Pri bateriji smo morali paziti, da nismo presegli njenega

maksimalnega dopustnega toka. Večja kot je kapaciteta baterije, teţja je: tako smo se

odločili za kapaciteto 5800 mAh. Za stabilizacijo multirotorja smo se odločili glede na

izkušnje uporabnikov in tako prišli do izbire modela NAZA, kar se ni pokazalo kot

zmotno. Odzivnost in stabilnost je doseţena po pričakovanjih.

50

Stabilizacijski sistem kamere smo najprej narisali v 3D programskem okolju. S tem smo

lahko velikost prilagodili našemu multirotorju in pribliţno predvideli teţo celotnega

sistema. Sistem je zasnovan na večih plasteh, tako lahko vsaka plast opravi s svojimi

vrstami vibracij. Testi so pokazali, da je sistem zelo učinkovit kot celota in ne posamezne

plasti. Plasti povezujejo, sodelujejo in uničujejo slabosti ena druge. Simulirali smo več

letov, od tistih z nizkimi frekvencami in amplitudami, do tistih z visokimi frekvencami in

amplitudami. Pričakovali smo večje zamike stabilizacije pri brezkrtačnih motorjih (sloj1),

kar se je tudi pokazalo pri večjih frekvencah in amplitudah. Nekaj teţav nam je povzročala

sama izdelava sistema zaradi nedostopnosti primernih materialov in pa nastavljanje PID

regulatorja. Potrebno je bilo najti kompromise. V celoti se je sistem odrezal odlično in je

zelo uporaben za snemanje iz zraka.

Pri prenosu analogne slike smo naleteli na teţavo, da nam ni uspelo izvesti na začetku

začrtanega cilja, da bi sliko iz oddajnika prenesli v okolje LabWIEW. Nepravilnosti so se

pojavile v kompatibilnosti. Drugi razlog je bil cenovna nedostopnost. Zato smo se odločili

za alternativo. Sliko smo prenesli na brezplačno programsko opremo WinAvi video

capture. Ta preprosta programska oprema ponuja mnogo funkcij, kjer lahko sliko

prilagodimo svojim potrebam. Pri testiranju smo dobili zelo majhen časovni zamik, tako

smo lahko multikopter uspešno vodili oziroma opazovali preko zajete slike na računalniku.

Pri testih dometa smo bili več kot zadovoljni, saj smo dobili z navadnimi di-polarnimi

antenami domet od 600 m do 700 m.

Seveda je delovanje v določenih naravnih pogojih veliko drugih vplivov, kot so recimo

vremenski. Kot celota se sistem odziva zadovoljivo, zato smo prišli do zaključka, da je

zelo uporaben za snemanje video posnetkov različnih terenov in okolij.

51

6 Literatura

[1] Wikipedija, prosta internetna enciklopedija. Radio control. Dostop na:

http://en.wikipedia.org/wiki/Radio_controlled [10.5.2013]

[2] Wikipedija, prosta internetna enciklopedija. Elektromotor. Dostop na:

http://sl.wikipedia.org/wiki/Elektromotor [10.5.2013]

[3] Računalo za multikopterje. Dostop:

http://www.ecalc.ch/xcoptercalc.htm?ecalc&lang=en [10.5.2013]

[4] An Electronic Speed Control. Sailplane & Electric Modeler Magazine, September 30,

1997. Dostopno na:

http://www.stefanv.com/electronics/escprimer.html

[5] Spletna trgovina HobbyKing. Dostopno na:

http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__25365__Turnigy_Multistar_30_Amp_Mult

i_rotor_Brushless_ESC_2_4S.html

[6] ESC specifications for Simonk software. Dostopno na:

https://docs.google.com/spreadsheet/ccc?key=0AhR02IDNb7_MdEhfVjk3MkRHVzhKdj

U1YzdBQkZZRlE#gid=0

[7] Openpilot. Dostopno na:

http://wiki.openpilot.org/display/Doc/Flashing+Instructions

[8] DJI. Dostopno na:

http://wiki.dji-innovations.com/en/index.php/Main_page

[9] Spletna trgovina RCHELICOPTERFUN. Dostopno na:

http://www.rchelicopterfun.com/rc-lipo-batteries.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Radio_controlled

http://sl.wikipedia.org/wiki/Elektromotor

http://www.ecalc.ch/xcoptercalc.htm?ecalc&lang=en

http://www.stefanv.com/electronics/escprimer.html

http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__25365__Turnigy_Multistar_30_Amp_Multi_rotor_Brushless_ESC_2_4S.html

http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__25365__Turnigy_Multistar_30_Amp_Multi_rotor_Brushless_ESC_2_4S.html

https://docs.google.com/spreadsheet/ccc?key=0AhR02IDNb7_MdEhfVjk3MkRHVzhKdjU1YzdBQkZZRlE#gid=0

https://docs.google.com/spreadsheet/ccc?key=0AhR02IDNb7_MdEhfVjk3MkRHVzhKdjU1YzdBQkZZRlE#gid=0

http://wiki.openpilot.org/display/Doc/Flashing+Instructions

http://wiki.dji-innovations.com/en/index.php/Main_page

http://www.rchelicopterfun.com/rc-lipo-batteries.html

52


http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__31544__Turnigy_9XR_Transmitter_Mode

_2_No_Module_.html?gclid=CNLU-N_y6rYCFYHHtAodBWcArg


http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__14355__FrSky_DF_2_4Ghz_Combo_Pack

_for_JR_w_Module_RX.html

[12] Jens Windau, Laurent Itti, Multilayer real-time video image stabilization, 2011

IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, September 25-30,

2011, San Francisco, CA, USA. Dostopno na:

http://ilab.usc.edu/publications/doc/Windau_Itti11iros.pdf

[13] FPVUK, Video frequencies for FPV. Dostopno na:

http://www.fpvuk.org/things-explained/video-frequencies-for-fpv

[14] Spletna trgovina Foxtechfpv. Dostopno na:

http://www.foxtechfpv.com/foxtech-58g-200mw-txrx-with-integrated-regulator-board-and-

mi-p-178.html

[15] Wikipedija, prosta internetna enciklopedija. Boost converter. Dostop na:

http://en.wikipedia.org/wiki/Boost_converter

[16] EasyCap zajemalec analognega videa. Dostopno na:

http://dx.com/p/easycap-usb-2-0-audio-video-capture-surveillance-dongle-11267

[17] Canon, Canon EOS 600D. Dostopno na:

http://www.canon.co.uk/For_Home/Product_Finder/Cameras/Digital_SLR/EOS_600D/

[18] Modulation, Transmitters and Receivers. Dostopno na:

http://www.ece.ucsb.edu/yuegroup/Teaching/ECE594BB/Lectures/steer_rf_chapter1.pdf

http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__31544__Turnigy_9XR_Transmitter_Mode_2_No_Module_.html?gclid=CNLU-N_y6rYCFYHHtAodBWcArg

http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__31544__Turnigy_9XR_Transmitter_Mode_2_No_Module_.html?gclid=CNLU-N_y6rYCFYHHtAodBWcArg

http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__14355__FrSky_DF_2_4Ghz_Combo_Pack_for_JR_w_Module_RX.html

http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__14355__FrSky_DF_2_4Ghz_Combo_Pack_for_JR_w_Module_RX.html

http://ilab.usc.edu/publications/doc/Windau_Itti11iros.pdf

http://www.fpvuk.org/things-explained/video-frequencies-for-fpv/

http://www.foxtechfpv.com/foxtech-58g-200mw-txrx-with-integrated-regulator-board-and-mi-p-178.html

http://www.foxtechfpv.com/foxtech-58g-200mw-txrx-with-integrated-regulator-board-and-mi-p-178.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Boost_converter

http://dx.com/p/easycap-usb-2-0-audio-video-capture-surveillance-dongle-11267

http://www.canon.co.uk/For_Home/Product_Finder/Cameras/Digital_SLR/EOS_600D/

http://www.ece.ucsb.edu/yuegroup/Teaching/ECE594BB/Lectures/steer_rf_chapter1.pdf

53

[19] Wikipedija, prosta internetna enciklopedija. Radio propagation. Dostop na:

http://en.wikipedia.org/wiki/Radio_propagation

[20] The Physics Classroom, Propagation of an Electromagnetic Wave. Dostopno na:

http://www.physicsclassroom.com/mmedia/waves/em.cfm

[21] Wikipedija, prosta internetna enciklopedija. Circular polaarization. Dostop na:

http://en.wikipedia.org/wiki/Circular_polarization

[22] National Instruments, NI Compact Vision System. Dostopno na:

http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/sl/nid/210167

[23] Programska oprema WinAvi. Dostopno na:

http://www.winavi.com/video-capture/download.htm

[24] Wikipedija, prosta internetna enciklopedija. Friis transmission. Dostop na:

http://en.wikipedia.org/wiki/Friis_transmission_equation

http://en.wikipedia.org/wiki/Radio_propagation

http://www.physicsclassroom.com/mmedia/waves/em.cfm

http://en.wikipedia.org/wiki/Circular_polarization

http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/sl/nid/210167

http://www.winavi.com/video-capture/download.htm

http://en.wikipedia.org/wiki/Friis_transmission_equation

brezŽiČni prenos slike multikopterja s … · solidworks 2011. stabilizacija temelji na...

Documents