Система управления автономного охранного квадрокоптера

Мироненко, Данил Николаевич Отделение автоматизации и робототехники (ОАР)
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

Разработана архитектура аппаратного обеспечения автономного охранного квадрокоптера, выполнена его сборка. Разработана программная архитектура системы управления автономного охранного квадрокоптера, а также алгоритм работы и его программная реализация.

Определения и сокращения ………………………………………………………………………………………….. 13
Введение ……………………………………………………………………………………………………………………… 14
1. Область и объект исследования ………………………………………………………………………………… 15
1.1 Проблема охраны территорий от малогабаритных БПЛА …………………………………….. 17
1.2 Обзор известных методов решения проблемы ……………………………………………………… 19
1.3 Постановка задачи проектирования системы управления охранного квадрокоптера 23
2. Разработка аппаратной архитектуры автономного охранного квадрокоптера …………….. 25
2.1 Полетный контроллер………………………………………………………………………………………….. 27
2.1.1 Характеристики центрального процессора (CPU) …………………………………………… 29
2.1.2 Интерфейсы подключения …………………………………………………………………………….. 29
2.1.3 Характеристики гироскопа…………………………………………………………………………….. 29
2.1.4 Характеристики акселерометра ……………………………………………………………………… 29
2.1.5 Вторичный инерционный измерительный блок ……………………………………………… 30
2.1.6 Аналого-цифровой преобразователь ………………………………………………………………. 30
2.1.7 Барометрический датчик давления…………………………………………………………………. 30
2.1.8 Зуммер и переключатель постановки на охрану ……………………………………………… 31
2.1.9 Регулятор напряжения …………………………………………………………………………………… 31
2.2 Рама квадрокоптера …………………………………………………………………………………………….. 32
2.3 Электродвигатель………………………………………………………………………………………………… 33
2.4 Электронный регулятор скорости (ESC) ………………………………………………………………. 36
2.5 Аккумуляторная батарея ……………………………………………………………………………………… 38
2.6 Выбор пропеллеров …………………………………………………………………………………………….. 41
2.7 PX4Flow ……………………………………………………………………………………………………………… 42
2.7.1 Принцип работы датчика с оптическим потоком ……………………………………………. 43
2.8 Дальномер Leddar One Lidar ………………………………………………………………………………… 45
2.9 Миникомпьютер Raspberry Pi 3 ……………………………………………………………………………. 46
2.10 Результат сборки квадрокоптера ………………………………………………………………………… 48
3. Разработка архитектуры и алгоритма системы управления автономного охранного
квадрокоптера ……………………………………………………………………………………………………………… 49
3.1 Автопилот PX4 ……………………………………………………………………………………………………. 51
3.2 Программная среда Robot Operating System …………………………………………………………. 54
3.2.1 MAVROS ………………………………………………………………………………………………………. 58
3.3 Протокол MAVLink …………………………………………………………………………………………….. 58
3.3.1 Структура пакета MAVLink …………………………………………………………………………… 59
3.3.2 Сообщения MAVLink ……………………………………………………………………………………. 60
3.4 Алгоритм управления автономным полетом охранного квадрокоптера ………………… 61
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение …………………… 70
4.1 Организация и планирование работ ……………………………………………………………………… 70
4.2 Продолжительность этапов работ…………………………………………………………………………. 72
4.3 Расчет сметы затрат на выполнение проекта …………………………………………………………. 77
4.3.1 Расчет затрат на материалы и покупные изделия …………………………………………….. 77
4.3.2 Расчет заработной платы ……………………………………………………………………………….. 79
4.3.3 Расчет затрат на электроэнергию ……………………………………………………………………. 80
4.3.4 Расчет затрат на социальный налог…………………………………………………………………. 81
4.3.5 Расчет амортизационных расходов …………………………………………………………………. 81
4.3.6 Расчет прочих (накладных) расходов ………………………………………………………………. 82
4.3.7 Расчет общей себестоимости разработки ………………………………………………………… 82
5. Социальная ответственность …………………………………………………………………………………….. 83
5.1 Производственная безопасность …………………………………………………………………………… 84
5.1.1 Микроклимат ………………………………………………………………………………………………… 84
5.1.2 Естественная освещенность……………………………………………………………………………. 85
5.1.3 Уровень шума ……………………………………………………………………………………………….. 86
5.1.4 Уровень электромагнитных излучений …………………………………………………………… 87
5.1.5 Электробезопасность……………………………………………………………………………………… 88
5.1.6 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ………………………………………………………… 90
5.1.7 Сбои в пилотировании квадрокоптера ……………………………………………………………. 90
5.2 Охрана окружающей среды …………………………………………………………………………………. 91
5.3 Пожарная безопасность ……………………………………………………………………………………….. 92
5.4 Особенности законодательного регулирования проектных решений ……………………… 94
5.4.1 Эргономические требования к рабочему месту ………………………………………………. 95
Заключение………………………………………………………………………………………………………………….. 97
Список используемых источников ……………………………………………………………………………….. 98
Приложение А ……………………………………………………………………………………………………………. 101

В настоящее время класс малогабаритных беспилотных летательных аппаратов стал очень популярен. Возникают случаи использования беспилотных летательных аппаратов в незаконных целях, таких как проникновения на охраняемую территорию. Решением данной проблемы безопасности охраняемых периметров является разработка автономных охранных дронов-перехватчиков. Актуальность разработки заключается в том, что автономность на данный момент остается открытым вопросом, так как большинство ранних роботов и беспилотных летательных аппаратов контролировались со станций управления либо пилотами. В значительной степени это продолжается и по сей день.
Объектом исследования является автономное управление охранного квадрокоптера. Предметом исследования является аппаратно-программная система управления автономного охранного квадрокоптера.
Задачи выпускной квалификационной работы:
– обзор решений по тематике охраны территорий с помощью
охранных дронов;
– разработка аппаратной конфигурации для автономного охранного
квадрокоптера, выбор компонентов летательного аппарата;
– разработка алгоритма системы управления для квадрокоптера;
– реализация алгоритма в программном коде и его тестирование. Новизна данного исследования заключается в создании нового
алгоритма взаимодействия аппаратной части автономного охранного квадрокоптера для обеспечения возможностей дальнейшего расширения функционала аппарата.
Разработанная система управления применяется в реализации проекта ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» субсидия 14.578.21.0241 от 26 сентября 2017 г. [1]

В ходе проделанной работы была разработана система управления
автономного охранного квадрокоптера, главным преимуществом которой
является возможность расширения базового функционала устройства. Для
достижения цели работы были выполнены следующие задачи:
1. Проведено исследования проблемы защиты частных территорий от
несанкционированных вторжений малогабаритных беспилотных
летающих аппаратов.
2. Рассмотрены существующие решения охраны периметров с
использованием БПЛА.
3. Разработана архитектура аппаратного обеспечения автономного
охранного квадрокоптера. Произведен выбор комплектующих и их
сборка.
4. Разработана программная архитектура системы управления
автономного охранного квадрокоптера, а также алгоритм работы и
его программная реализация.
5. Проведены тестовые испытания для определения
работоспособности.
6. Проводились определение социальной ответственности, расчет
финансовой эффективности проекта.
Проведенные тестовые испытания автономного охранного
квадрокоптера показали работоспособность технического решения.
Разработанная система управления автономного охранного
квадрокоптера может применяться для управления квадрокоптерами в
охранных системах. Использовать такие охранные системы могут
правоохранительные органы, государственные и даже частные организации,
которые не желают вторжения на частную территорию дронов разведчиков
оснащенные камерами.

1. Субсидия 14.578.21.0241 от 26 сентября 2017 г. [Электронный
ресурс]. – Режим доступа: http://www.tsu.ru/science/orntd/uchastie-v-ftsp-
issledovaniya-i-razrabotki-po-prioritetnym-napravleniyam-razvitiya-nauchno-
tekhnolog/subsidiya-14-578-21-0241-ot-26-sentyabrya-2017-g/ Дата обращения
17.03.18
2. Developments in unmanned powered parachute aerial vehicle: A review.
Aerospace and Electronic Systems Magazine. V. Devalla, O. Prakash. 2014
3. Institut Mikromakro [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://mikromakro.pl/ Дата обращения 18.03.18
4. Advanced protection systems [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://apsystems.tech/ Дата обращения 18.03.18
5. Популярная механика [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://www.popmech.ru Дата обращения 18.03.18
6. Aptonomy [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.apto-
nomy.com/ Дата обращения 20.03.18
7. БЛА ZALA 421-22 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://
zala.aero Дата обращения 21.03.18
8. Pixhawk Series [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://docs.
px4.io/en/flight_controller/pixhawk_series.html Дата обращения 21.03.18
9. Pixhawk Autopilot [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://
pixhawk.org/modules/pixhawk Дата обращения 21.03.18
10. Выбор АКБ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://mykva-
drocopter.ru/kak-vybrat-akkumulyator-dlya-kvadrokoptera/Датаобращения
24.03.18
11. Пропеллеры для квадрокоптера – основные параметры [Электрон-
ный ресурс]. – Режим доступа: https://drongeek.ru/profi/propellery-dlya-
kvadrokoptera Дата обращения 24.03.18
12. PX4FLOW Smart Camera [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://pixhawk.org/modules/px4flow Дата обращения 26.03.18
13. Datasheet LeddarOne [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://leddartech.com/app/uploads/dlm_uploads/2016/02/Datasheet-LeddarOne.
pdf Дата обращения 26.03.18
14. Raspberry Pi 3 Model B [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-3-model-b/ Дата обращения
05.04.18
15. PX4 Basic Concepts [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://docs.px4.io/en/getting_started/px4_basic_concepts.html Дата обращения
17.04.18
16. Robot Operating System [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://wiki.ros.org/ROS/Introduction Дата обращения 28.04.18
17. Why ROS 2.0? [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://
design.ros2.org/articles/why_ros2.html Дата обращения 05.05.18
18. MAVLink Micro Air Vehicle Communication Protocol [Электронный
ресурс].–Режимдоступа:http://qgroundcontrol.org/mavlink/startДата
обращения 12.05.18
19. СанПиН 2.2.4.548 – 96. Гигиенические требования к микроклимату
производственных помещений. М.: Минздрав России, 1997.
20. СП 52.13330.2016 Свод правил. Естественное и искусственное
освещение. Актуализированная редакция СНиП 23-05-95
21. СН 2.2.4/2.1.8.562 – 96. Шум на рабочих местах, в помещениях
жилых, общественных зданий и на территории застройки.
22. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278 – 03. Гигиенические требования к
естественному, искусственному и совмещённому освещению жилых и
общественных зданий. М.: Минздрав России, 2003.
23. ГОСТ Р 50377-92 (МЭК 950-86) Безопасность оборудования
информационнойтехнологии,включаяэлектрическоеконторское
оборудование.
24. СанПиН 2.2.2/2.4.1340 – 03. Санитарно-эпидемиологические
правила и нормативы«Гигиеническиетребованиякперсональным
электронно- вычислительным машинам и организации работы». – М.:
Госкомсанэпиднадзор, 2003.
25. Трудовой кодекс Российской Федерации от 30.12.2001 N 197-ФЗ.
26. СП 12.13130.2009 Определение категорий помещений, зданий и
наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности.
27. Постановление Правительства РФ от 25.04.2012 N 390 (ред. От
30.12.2017)”Опротивопожарномрежиме”(вместес”Правилами
противопожарного режима в Российской Федерации”).
28.ГОСТРИСО26000-2012Руководствопосоциальной
ответственности
29. Техника безопасности [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://ardupilot-mega.ru/wiki/arducopter/safety-multicopter.htmlДата
обращения 12.05.18
30. СП 60.13330.2016 «СНиП 41-01-2003 Отопление, вентиляция и
кондиционирование воздуха». М.: Минстрой России, 2016.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Ольга Р. доктор, профессор
    4.2 (13 отзывов)
    Преподаватель ВУЗа, опыт выполнения студенческих работ на заказ (от рефератов до диссертаций): 20 лет. Образование высшее . Все заказы выполняются в заранее согласован... Читать все
    Преподаватель ВУЗа, опыт выполнения студенческих работ на заказ (от рефератов до диссертаций): 20 лет. Образование высшее . Все заказы выполняются в заранее согласованные сроки и при необходимости дорабатываются по рекомендациям научного руководителя (преподавателя). Буду рада плодотворному и взаимовыгодному сотрудничеству!!! К каждой работе подхожу индивидуально! Всегда готова по любому вопросу договориться с заказчиком! Все работы проверяю на антиплагиат.ру по умолчанию, если в заказе не стоит иное и если это заранее не обговорено!!!
    #Кандидатские #Магистерские
    21 Выполненная работа
    Антон П. преподаватель, доцент
    4.8 (1033 отзыва)
    Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публик... Читать все
    Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публикуюсь, имею высокий индекс цитирования. Спикер.
    #Кандидатские #Магистерские
    1386 Выполненных работ
    Татьяна П. МГУ им. Ломоносова 1930, выпускник
    5 (9 отзывов)
    Журналист. Младший научный сотрудник в институте РАН. Репетитор по английскому языку (стаж 6 лет). Также знаю французский. Сейчас занимаюсь написанием диссертации по и... Читать все
    Журналист. Младший научный сотрудник в институте РАН. Репетитор по английскому языку (стаж 6 лет). Также знаю французский. Сейчас занимаюсь написанием диссертации по истории. Увлекаюсь литературой и темой космоса.
    #Кандидатские #Магистерские
    11 Выполненных работ
    Дмитрий К. преподаватель, кандидат наук
    5 (1241 отзыв)
    Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполня... Читать все
    Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполняю уже 30 лет.
    #Кандидатские #Магистерские
    2271 Выполненная работа
    Екатерина Б. кандидат наук, доцент
    5 (174 отзыва)
    После окончания института работала экономистом в системе государственных финансов. С 1988 года на преподавательской работе. Защитила кандидатскую диссертацию. Преподав... Читать все
    После окончания института работала экономистом в системе государственных финансов. С 1988 года на преподавательской работе. Защитила кандидатскую диссертацию. Преподавала учебные дисциплины: Бюджетная система Украины, Статистика.
    #Кандидатские #Магистерские
    300 Выполненных работ
    Кирилл Ч. ИНЖЭКОН 2010, экономика и управление на предприятии транс...
    4.9 (343 отзыва)
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). С... Читать все
    Работы пишу, начиная с 2000 года. Огромный опыт и знания в области экономики. Закончил школу с золотой медалью. Два высших образования (техническое и экономическое). Сейчас пишу диссертацию на соискание степени кандидата экономических наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    692 Выполненных работы
    Дмитрий М. БГАТУ 2001, электрификации, выпускник
    4.8 (17 отзывов)
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал стать... Читать все
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал статьи, патенты, кандидатскую диссертацию, преподавал. Занимаюсь этим с 2003.
    #Кандидатские #Магистерские
    19 Выполненных работ
    Дарья С. Томский государственный университет 2010, Юридический, в...
    4.8 (13 отзывов)
    Практикую гражданское, семейное право. Преподаю указанные дисциплины в ВУЗе. Выполняла работы на заказ в течение двух лет. Обучалась в аспирантуре, подготовила диссерт... Читать все
    Практикую гражданское, семейное право. Преподаю указанные дисциплины в ВУЗе. Выполняла работы на заказ в течение двух лет. Обучалась в аспирантуре, подготовила диссертационное исследование, которое сейчас находится на рассмотрении в совете.
    #Кандидатские #Магистерские
    18 Выполненных работ
    Рима С.
    5 (18 отзывов)
    Берусь за решение юридических задач, за написание серьезных научных статей, магистерских диссертаций и дипломных работ. Окончила Кемеровский государственный универси... Читать все
    Берусь за решение юридических задач, за написание серьезных научных статей, магистерских диссертаций и дипломных работ. Окончила Кемеровский государственный университет, являюсь бакалавром, магистром юриспруденции (с отличием)
    #Кандидатские #Магистерские
    38 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету

    Робот для картографирования местности на базе стереокамеры
    📅 2018год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Универсальный мехатронный модуль для мобильного робота
    📅 2020год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Искусственные мускулы на основе капиллярной нити
    📅 2018год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Разработка автоматизированной системы обезвешивания на гибком подвесе
    📅 2021год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Система навигации автономного мобильного робота для работы на Крайнем Севере
    📅 2020год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Система виденья для людей с нарушением зрения
    📅 2021год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)