Розроблення апаратного і програмного забезпечення польотного контролера безпілотного літального апарату: кваліфікаційна робота на здобуття освітнього ступеня «бакалавр» за спеціальністю 126 «Інформаційні системи та технології»

Abstract

У дипломній роботі розроблено апаратне та програмне забезпечення польотного контролера БпЛА (квадрокоптера). Контролер забезпечує стабілізацію БпЛА в повітрі, автоматичне втримання заданої висоти БпЛА, управління польотом БпЛА: газом (throttle), креном (roll), тангажом (pitch) і рисканням (yaw) відповідно до отриманих команд. Контролер польоту БпЛА розроблено на платформі Arduino Nano з мікроконтролером ATmega328P, вимірювальному модулі GY-87 (IMU) з 10-ма ступенями свободи, який містить цифровий 3-х осьовий акселерометр і 3-х осьовий гіроскоп на чіпі MPU-6050, цифровий 3-х осьовий магнітометр HMC5883L і цифровий давач атмосферного тиску (барометр) BMP180. Розроблено схему контролера польоту БпЛА (квадрокоптера). Створено підпрограми калібрування гіроскопа, визначення швидкостей крену, тангажу і рискання з допомогою гіроскопа MPU-6050. Розроблено підпрограму опрацювання PPM-сигналу команд від радіоприймача і генерування PWM-сигналів управління електронними регуляторами швидкості (ESC) двигунів. Розроблено схему захисту від короткого замикання контролера польоту, підпрограму моніторингу напруги, спожитого струму, визначення початкової при старті і залишкової під час польоту ємності акумулятора. Створено підпрограми калібрування акселерометра MPU-6050 і вимірювання прискорень. Розроблено програмно-алгоритмічне забезпечення отримання абсолютних кутів крену і тангажу методом інтегрування кутових швидкостей виміряних гіроскопом і з використанням методу тригонометрії до значень прискорення виміряних акселерометром. Розроблено і програмно реалізовано фільтр Калмана для прогнозування кута крену і тангажу. Зібрано макет контролера польоту БпЛА на безпаєчній макетній платі і проведено його тестування. Результати тестування апаратного і програмного забезпечення контролера польоту БпЛА дозволяють в подальшому провести дослідження контролера польоту на фізичній моделі квадрокоптера (БпЛА). In the bachelor’s thesis, the hardware and software of the UAV flight controller (quadcopter) are developed. The controller provides air stabilization of the UAV, automatic holding the UAV at a constant altitude, flight control of the UAV (quadcopter): throttle, roll, pitch and yaw according to the received commands. The UAV (quadcopter) flight controller is developed on the Arduino Nano board with the ATmega328 microcontroller, the GY-87 IMU module with 10 DOF, which contains a digital 3-axis accelerometer and a 3-axis gyroscope on the MPU-6050 chip, digital 3-axis magnetometer HMC5883L and digital atmospheric pressure sensor (barometer) BMP180. The UAV flight controller is developed on the Arduino Nano platform with an ATmega328P microcontroller, GY-87 sensor module (IMU) with 10 –DOF, which contains a 3-axis accelerometer and 3-axis gyroscope on the MPU-6050 chip, the digital 3-axis HMC5883L magnetometer and BMP180 digital atmospheric pressure sensor (barometer). The UAV (quadcopter) flight controller circuit is developed. The subroutines for gyroscope calibration, determination of roll, pitch and yaw rates using the MPU-6050 gyroscope are created. The subroutine for processing the PPM signal of commands from the radioreceiver and generating PWM signals for controlling the electronic speed controllers (ESC) of the engines is developed. The short-circuit protection circuit of the flight controller, a subroutine for monitoring the voltage, current consumption, determination of the initial battery capacity at start-up and remaining during the flight are developed. The subroutines for calibrating the MPU-6050 accelerometer and measuring accelerations are created. Software and algorithm support for obtaining absolute angles of roll and pitch by the method of integration of angular velocities measured by the gyroscope and using the trigonometric method to the acceleration values measured by the accelerometer are developed. The Kalman filter for predicting roll angle and pitch is developed and implemented in software. The model of the UAV flight controller is assembled on a solderless breadboard and tested. The results of testing the hardware and software of the UAV flight controller make it possible to perform the further research of the flight controller on the physical model of the quadcopter (UAV).