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Le piattaforme UAV di riferimento

Lezione 1




CSP@SCUOLA
in collaborazione
con ITI FAUSER NOVARA
Anno scolastico 2011-2012
Introduzione




               •    Oggetto di questa lezione sarà la presentazione di alcune
                    piattaforme UAV da noi ritenute un riferimento o comunque
                    interessanti

               •    Caratteristiche chiave:
                     – Possibilità di adattare l’UAV alle necessità di utilizzo
                          • Cambiare telaio e motori con la stessa logica di controllo
                                – Multicottero a 4, 6, 8 motori
                                – diverse capacità di carico

                      – Possibilità di interagire a basso      livello   con   l’hardware
                        sottostante
                          • Interazione con il controllore

               •    Particolare spazio verrà dato alla piattaforma Mikrokopter
                     – Interessante per versatilità, modularità

               •    Verrà presentata anche la piattaforma ArduCopter
                     – Interessante per economicità, semplicità di programmazione e
                        approccio OpenSource
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Mikrokopter: concetti generali


               •    Mikrokopter è una architettura modulare basata si schede
                    hardware

               •    Le stesse schede possono essere montate su telai differenti con
                    caratteristiche differenti, mantenendo inalterate le funzioni di base




               •    Le schede hardware che compongono la architettura Mikrokopter
                    sono:

                      – Scheda Flight Control (FlightCtrl)
                      – Scheda Navi Control (NaviCtrl)
                      – Schede Brushless Controller (BrlCtrl)
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Scheda Flight Control



               •    É la scheda che implementa il reale controllore di volo dell’UAV
                     – Permette il volo stabile

               •    Utilizza:
                     – Giroscopi su 3 assi
                           • per stabilizzare l’UAV nelle tre direzioni
                     – Accelerometri su 3 assi
                           • Riportano l’UAV a “livello” quando si rilasciano i comandi
                           • L’accelerometro verticale permette di calcolare in tempo
                              reale l’angolo rispetto alla superficie terrestre
                     – Sensore barometrico
                           • Misurando la pressione dell’aria consente di avere una
                              misura dell’altezza

               •    Processore Atmega 644P (8 bit, 20 MHz)

               •    Due porte seriali
                     – “Debug” e telemetria
                     – Scheda di navigazione GPS


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Scheda Flight Control: interfacce



               •    Interfacce disponibili sulla scheda Flight Control:

                      – Interfaccia PPM:
                          • Permette la decodifica dei canali radio utilizzati dal
                            telecomando per controllare l’UAV, prima ancora che siano
                            decodificati dal ricevitore radio a corredo del telecomando

                      – Interfaccia I2C:
                          • Permette di interfacciarsi ai controllori di velocità dei
                            motori
                          • Comunicazione ad alta velocità dei comandi elaborati per
                            il controllo in tempo reale del regime dei motori

                      – Interfaccia seriale asincrona
                          • Interfaccia seriale standard utilizzata per la comunicazione
                            con un PC

                      – Interfaccia seriale sincrona
                          • Comunicazione veloce con altri dispositivi
                          • Da e verso scheda di navigazione GPS


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Scheda Flight Control: layout




Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento      6
Scheda NaviCtrl



               •    È la scheda che interfaccia e elabora in tempo reale le informazioni
                    di supporto fornite dal modulo GPS

               •    Integra inoltre un magnetometro a 3 assi
                     – Bussola, che permette di individuare l’inclinazione dell’UAV
                        rispetto agli assi polari

               •    Collegata alla scheda FlightCtrl attraverso l’interfaccia ISP

               •    In particolare fornisce le seguenti funzioni:
                     – Position hold
                     – Navigazione a waypoint
                     – “come home”
                          • L’UAV ritorna automaticamente alla posizione dove è stato
                             eseguito il primo fix GPS
                     – Modalità carefree
                     – Modalità follow me




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Funzioni “care-free” e “follow me”



               •    Normalmente l’UAV a prescindere dalla configurazione ha un ”lato
                    anteriore”
                     – Quadricotteri, esacotteri o ottocotteri hanno “motori anteriori”

               •    Con la funzione care free, il magnetometro indica il verso anteriore
                     – L’UAV può girare su se stesso durante il volo
                          • Yaw
                          • Può disorientare piloti inesperti
                     – A prescindere da come è orientato l’UAV, spingendo lo stick di
                        controllo in direzione “avanti” l’UAV si muove nella direzione in
                        cui erano orientati i motori anteriori al decollo

               •    La funzione “follow-me” permette di seguire una qualsiasi unità
                    mobile dotata di GPS
                     – L’UAV può seguire continuamente il “follow me” transmitter,
                        ovvero un modulo dotato di GPS che manda la sua posizione
                        all’UAV




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Scheda NaviCtrl connessa al modulo GPS




Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento               9
Interconnessione schede Mikrokopter




                                                     Modulo GPS



                                                      Scheda NaviCtrl




Connettore                                            Scheda FlightCtrl
interfaccia
seriale
Sincrona tra
FlightCtrl e
NAviCtrl




Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento                                 10
Schede brushless controller



               •    Deve esserne presente una per ciascun motore dell’UAV

               •    Lo scopo è quello di trasformare i comandi di controllo iviati dalla
                    scheda FlightCtrl in comandi di basso livello per i motori

               •    Comunicazione con la scheda FlightCtrl attraverso l’interfaccia I2C

               •    Basate su controllore Atmega8




Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento                                                  11
Schede brushless controller: power distribution
               board

               •    E’ il telaio all’interno del quale sono montati i controllori brushless.
                     – Semplifica i cablaggi e permette l’installazione dei controllori a
                          bordo UAV

               •    Esempio per UAV a 6 motori:




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Collegamento dei brushless controller alla
               scheda FlightCtrrl




Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento                   13
Mikrokopter tool




               •    È l’applicativo funzionante su PC utilizzato per:
                     – Configurare il Mikrokopter
                     – Leggere la telemetria
                     – Configurare i waypoint per la navigazione automatica con il
                         GPS

               •    Richiede una comunicazione seriale verso il Mikrokopter
                     – Tramite opprtuni dispositivi radio (Xbee) è possibile rendere il
                        canale seriale wireless
                     – In assenza di tali dispositivi si dovrà usare un cavo USB
                          • Waypoint precaricati prima del decollo
                          • Impossibile leggere la telemetria in volo!




Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento                                                 14
Mikrokopter tool: interfaccia



               •    Menu di configurazione e lettura dati dai sensori di bordo
                     – Pannello di default




Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento                                        15
Mikrokopter tool: navigazione GPS



               •    Possibilità di inserire waypoint con:
                     – Posizione (latitiudine, longitudine)
                     – Altezza (dal punto di decollo)
                     – Precisione (raggio all’interno del quale il waypoint è raggiunto)
                     – Tempo di stazionamento
                     – Azione (se per esempio è installata una macchina fotografica)
                     – Velocità di raggiungimento del punto




Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento                                                  16
Mikrokopter: link utili




    •    http://www.mikrokopter.de/ucwiki/it?action=show&redirect=PaginaPrincipale

    •    http://www.mikrokopter.us/index.php?action=forum

    •    http://www.baronerosso.it/forum/modelli-multirotori/196021-mikrokopter.html

    •    http://www.4copter.com/joom/index.php?option=com_content&view=article&i
         d=51%3Amikrokopter-per-principianti&catid=31%3Amontaggio-e-consigli-per-
         cominciare&Itemid=41

    •    http://www.youtube.com/user/MikroKopterHolger




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Piattaforma Arducopter



               •    Arducopter è un progetto per la realizzazione di un UAV
                    quadricottero o elicottero basato sul controllore Ardupilot

               •    Supporto per navigazione GPS




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Ardupilot Mega (1/2)



               •    La scheda Ardupilot Mega si divide in due parti:
                     – La logica di controllo vera e propria, o main board
                     – L’interfaccia per la logica di controllo inerziale

               •    Main board:




                      –   Basata sul processore Atmega 1280 (16MHz)
                      –   4 porte seiali
                      –   Connettore a 6 pin per interfacciamento a modulo GPS
                      –   RAM 8 KB


Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento                                        19
Ardupilot Mega (2/2)



               •    Scheda di interfacciamento ai sensori inerziali (IMU)
                     – Si collega alla main board con un connettore dedicato




                      – Giroscopio a 3 assi
                      – Accelerometro a 3 assi
                      – Sensore di pressione barometrico integrato (controllo altezza)




Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento                                                20
Arducopter: caratteristiche chiave



               •    Codice completamente free
                     – Liberamente scaricabile e modificabile
                     – Modificabile in ogni sua parte

               •    Si programma e sviluppa con ambiente Arduino
                     – Semplice

               •    Ancora acerbo?




Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento                          21
Arducopter: link utili




               •    http://code.google.com/p/arducopter/

               •    http://diydrones.com/profiles/blogs/announcing-arducopter-the

               •    http://diydrones.com/profiles/blog/show?id=705844%3ABlogPost
                    %3A44814

               •    http://code.google.com/p/ardupilot-mega/




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www.csp.it                             rd.csp.it

      CSP ICT Innovation

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Csp@scuola uav corso1_lez1

  • 1. Le piattaforme UAV di riferimento Lezione 1 CSP@SCUOLA in collaborazione con ITI FAUSER NOVARA Anno scolastico 2011-2012
  • 2. Introduzione • Oggetto di questa lezione sarà la presentazione di alcune piattaforme UAV da noi ritenute un riferimento o comunque interessanti • Caratteristiche chiave: – Possibilità di adattare l’UAV alle necessità di utilizzo • Cambiare telaio e motori con la stessa logica di controllo – Multicottero a 4, 6, 8 motori – diverse capacità di carico – Possibilità di interagire a basso livello con l’hardware sottostante • Interazione con il controllore • Particolare spazio verrà dato alla piattaforma Mikrokopter – Interessante per versatilità, modularità • Verrà presentata anche la piattaforma ArduCopter – Interessante per economicità, semplicità di programmazione e approccio OpenSource Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 2
  • 3. Mikrokopter: concetti generali • Mikrokopter è una architettura modulare basata si schede hardware • Le stesse schede possono essere montate su telai differenti con caratteristiche differenti, mantenendo inalterate le funzioni di base • Le schede hardware che compongono la architettura Mikrokopter sono: – Scheda Flight Control (FlightCtrl) – Scheda Navi Control (NaviCtrl) – Schede Brushless Controller (BrlCtrl) Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 3
  • 4. Scheda Flight Control • É la scheda che implementa il reale controllore di volo dell’UAV – Permette il volo stabile • Utilizza: – Giroscopi su 3 assi • per stabilizzare l’UAV nelle tre direzioni – Accelerometri su 3 assi • Riportano l’UAV a “livello” quando si rilasciano i comandi • L’accelerometro verticale permette di calcolare in tempo reale l’angolo rispetto alla superficie terrestre – Sensore barometrico • Misurando la pressione dell’aria consente di avere una misura dell’altezza • Processore Atmega 644P (8 bit, 20 MHz) • Due porte seriali – “Debug” e telemetria – Scheda di navigazione GPS Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 4
  • 5. Scheda Flight Control: interfacce • Interfacce disponibili sulla scheda Flight Control: – Interfaccia PPM: • Permette la decodifica dei canali radio utilizzati dal telecomando per controllare l’UAV, prima ancora che siano decodificati dal ricevitore radio a corredo del telecomando – Interfaccia I2C: • Permette di interfacciarsi ai controllori di velocità dei motori • Comunicazione ad alta velocità dei comandi elaborati per il controllo in tempo reale del regime dei motori – Interfaccia seriale asincrona • Interfaccia seriale standard utilizzata per la comunicazione con un PC – Interfaccia seriale sincrona • Comunicazione veloce con altri dispositivi • Da e verso scheda di navigazione GPS Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 5
  • 6. Scheda Flight Control: layout Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 6
  • 7. Scheda NaviCtrl • È la scheda che interfaccia e elabora in tempo reale le informazioni di supporto fornite dal modulo GPS • Integra inoltre un magnetometro a 3 assi – Bussola, che permette di individuare l’inclinazione dell’UAV rispetto agli assi polari • Collegata alla scheda FlightCtrl attraverso l’interfaccia ISP • In particolare fornisce le seguenti funzioni: – Position hold – Navigazione a waypoint – “come home” • L’UAV ritorna automaticamente alla posizione dove è stato eseguito il primo fix GPS – Modalità carefree – Modalità follow me Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 7
  • 8. Funzioni “care-free” e “follow me” • Normalmente l’UAV a prescindere dalla configurazione ha un ”lato anteriore” – Quadricotteri, esacotteri o ottocotteri hanno “motori anteriori” • Con la funzione care free, il magnetometro indica il verso anteriore – L’UAV può girare su se stesso durante il volo • Yaw • Può disorientare piloti inesperti – A prescindere da come è orientato l’UAV, spingendo lo stick di controllo in direzione “avanti” l’UAV si muove nella direzione in cui erano orientati i motori anteriori al decollo • La funzione “follow-me” permette di seguire una qualsiasi unità mobile dotata di GPS – L’UAV può seguire continuamente il “follow me” transmitter, ovvero un modulo dotato di GPS che manda la sua posizione all’UAV Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 8
  • 9. Scheda NaviCtrl connessa al modulo GPS Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 9
  • 10. Interconnessione schede Mikrokopter Modulo GPS Scheda NaviCtrl Connettore Scheda FlightCtrl interfaccia seriale Sincrona tra FlightCtrl e NAviCtrl Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 10
  • 11. Schede brushless controller • Deve esserne presente una per ciascun motore dell’UAV • Lo scopo è quello di trasformare i comandi di controllo iviati dalla scheda FlightCtrl in comandi di basso livello per i motori • Comunicazione con la scheda FlightCtrl attraverso l’interfaccia I2C • Basate su controllore Atmega8 Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 11
  • 12. Schede brushless controller: power distribution board • E’ il telaio all’interno del quale sono montati i controllori brushless. – Semplifica i cablaggi e permette l’installazione dei controllori a bordo UAV • Esempio per UAV a 6 motori: Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 12
  • 13. Collegamento dei brushless controller alla scheda FlightCtrrl Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 13
  • 14. Mikrokopter tool • È l’applicativo funzionante su PC utilizzato per: – Configurare il Mikrokopter – Leggere la telemetria – Configurare i waypoint per la navigazione automatica con il GPS • Richiede una comunicazione seriale verso il Mikrokopter – Tramite opprtuni dispositivi radio (Xbee) è possibile rendere il canale seriale wireless – In assenza di tali dispositivi si dovrà usare un cavo USB • Waypoint precaricati prima del decollo • Impossibile leggere la telemetria in volo! Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 14
  • 15. Mikrokopter tool: interfaccia • Menu di configurazione e lettura dati dai sensori di bordo – Pannello di default Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 15
  • 16. Mikrokopter tool: navigazione GPS • Possibilità di inserire waypoint con: – Posizione (latitiudine, longitudine) – Altezza (dal punto di decollo) – Precisione (raggio all’interno del quale il waypoint è raggiunto) – Tempo di stazionamento – Azione (se per esempio è installata una macchina fotografica) – Velocità di raggiungimento del punto Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 16
  • 17. Mikrokopter: link utili • http://www.mikrokopter.de/ucwiki/it?action=show&redirect=PaginaPrincipale • http://www.mikrokopter.us/index.php?action=forum • http://www.baronerosso.it/forum/modelli-multirotori/196021-mikrokopter.html • http://www.4copter.com/joom/index.php?option=com_content&view=article&i d=51%3Amikrokopter-per-principianti&catid=31%3Amontaggio-e-consigli-per- cominciare&Itemid=41 • http://www.youtube.com/user/MikroKopterHolger Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 17
  • 18. Piattaforma Arducopter • Arducopter è un progetto per la realizzazione di un UAV quadricottero o elicottero basato sul controllore Ardupilot • Supporto per navigazione GPS Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 18
  • 19. Ardupilot Mega (1/2) • La scheda Ardupilot Mega si divide in due parti: – La logica di controllo vera e propria, o main board – L’interfaccia per la logica di controllo inerziale • Main board: – Basata sul processore Atmega 1280 (16MHz) – 4 porte seiali – Connettore a 6 pin per interfacciamento a modulo GPS – RAM 8 KB Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 19
  • 20. Ardupilot Mega (2/2) • Scheda di interfacciamento ai sensori inerziali (IMU) – Si collega alla main board con un connettore dedicato – Giroscopio a 3 assi – Accelerometro a 3 assi – Sensore di pressione barometrico integrato (controllo altezza) Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 20
  • 21. Arducopter: caratteristiche chiave • Codice completamente free – Liberamente scaricabile e modificabile – Modificabile in ogni sua parte • Si programma e sviluppa con ambiente Arduino – Semplice • Ancora acerbo? Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 21
  • 22. Arducopter: link utili • http://code.google.com/p/arducopter/ • http://diydrones.com/profiles/blogs/announcing-arducopter-the • http://diydrones.com/profiles/blog/show?id=705844%3ABlogPost %3A44814 • http://code.google.com/p/ardupilot-mega/ Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 22
  • 23. www.csp.it rd.csp.it CSP ICT Innovation Livio Torrero livio.torrero@csp.it Registered and Central Offices Environment Park - Laboratori A1 via Livorno 60 - 10144 Torino Tel +39 011 4815111 Fax +39 011 4815001 E-mail: marketing@csp.it Lezione 1: piattaforme UAV di riferimento 23