УДК 004.415.2.031.43

ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ НАВИГАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПЛАНЕРИСТОВ И ПАРАПЛАНЕРИСТОВ

Панькин Александр Викторович
Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова

Аннотация
Статья посвящена такой области как планеризм и парапланеризм, а точней одной из их составляющих – использованию полетных компьютеров. В данной статье будет рассмотрена необходимость применения полетных компьютеров, а также идея создания своего компьютера. Также в рамках статьи будет освещена тема использования фильтров для получения необходимых данных с минимальной погрешностью.

Ключевые слова: барометр, блок инерциальной навигации., блок сенсоров, ГЛОНАСС, исследование алгоритмов фильтрации, полетный компьютер, фильтр калмана


THE HARDWARE AND SOFTWARE NAVIGATION SYSTEM FOR GLIDER PILOTS AND PARAGLIDERS

Pankin Alexander Viktorovich
Kalashnikov Izhevsk State Technical University

Abstract
The article is devoted to a region as the gliding and paragliding, or rather one of its components - the use of the flight computers. This article will consider the need for flight computers, as well as the idea of creating your own computer. Also in the subject of the article will highlight the use of filters to obtain the necessary data with minimum error.

Keywords: GPS


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Панькин А.В. Программно-аппаратный навигационный комплекс для планеристов и парапланеристов // Современные научные исследования и инновации. 2017. № 2 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2017/02/78690 (дата обращения: 27.02.2017).

Парапланеризм – это развивающийся вид спорта, в котором нужно управлять парапланом, приобрел среди любителей новых ощущений широкую популярность. Параплан – представляет собой очень легкий безмоторный пилотируемый летательный аппарат, планер с мягким 2-х болочковым крылом, надуваемым через воздухозаборники набегающим потоком воздуха. Полеты на параплане может совершать любой человек, так как это не требует специальной спортивной подготовки, но привлекает многих своей зрелищностью и возможностью парить над землей.

Одной из основных задач при воздухоплавании является навигация, а при использовании безмоторных аппаратов,  зависящих от восходящих и нисходящих потоков воздуха,  необходимо также определять границы потоков и значения скороподъемности. Здесь на помощь приходит полетный компьютер.

Моя работа предполагает разработку специализированного блока сенсоров и программного обеспечения для смартфона,  позволяющего использовать его в качестве полетного компьютера. Программное обеспечение будет обеспечивать фильтрацию поступающих с сенсоров данных,  а так же их слияние и отображение в удобном интерфейсе. Такое применение значительно расширяет возможности полетных компьютеров по сравнению со специализированными. В ходе работы предполагается решить следующие научные задачи: подбор оптимального по критерию минимизации ошибки типа фильтра Калмана для фильтрации данных с сенсоров, слияние данных GPS/ГЛОНАСС, барометра и блока инерциальной навигации.

Существуют специализированные полетные компьютеры, обладающие определенным функционалом, которые позволяют измерять и отображать:

  • скорость изменения высоты (скороподъемность);
  • высота полёта (фактическая и над уровнем моря);
  • измерение температуры;
  • ориентирование на местности с использованием карты;
  • измерение скорости ветра;
  • скорость движения относительно земли.

На рынке существует большое количество полетных компьютеров разных производителей. На рисунке 1 представлены одни из самых популярных и цены на них. Причем в зависимости от функций и формируется конечная цена. Например, если в полетном компьютере есть система навигации, то такие компьютеры будут иметь цену уже от 300 евро, а это примерно 20тыс рублей. Не все могут себе позволить покупать специализированные полетные компьютеры, но без них полет становится небезопасным.

Рисунок 1 – Производители и цены на полетные компьютеры

У меня возникла идея создания программно-аппаратного комлпекса на базе смартфона, который решит эту проблему.

Данный разрабатываемый комплекс включает в себя:

  • сам смартфон или планшет на базе Android OS со специализированным программным обеспечением (ПО), которое будет разработано. В качестве ПО также будет возможность использовать сторонние ПО, такие как Xcsoar или Xctrack, но с рядом ограничений.
  • специализированный блок сенсоров – это небольшое устройство, размера примерно 5х3х1.5 см. Планируется выпуск нескольких версий креплений: можно крепить на запястье (особенно актуально для парапланеристов), а также если используются в планерах – то креплениие в кабине пилота.

Связь со смартфоном возможна с помощью Bluetooth или USB. Внешний блок сенсоров будет включать в себя:

  • блок инерциальной навигации в составе: акселерометр,  гироскоп,  магнетометр (IvenSense MPU-9250);
  • высокоточный барометр (STMicroLPS25HB);
  • микроконтроллер;
  • батарея.

Прототип блока сенсоров представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Прототип блока сенсоров

Как и было сказано ранее, в рамках данной работы будет реализовано специализированное ПО на базе Android OS. Прототип данного ПО представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Прототип специализированного ПО

Интерфейс в отличие от существующих ПО (таких как Xcsor, Xctrack) более дружелюбный и простой для использования конечными пользователями. Основные характеристики расположены в центре экрана. Маршрут, который прорисовывается на экране позволяет анализировать входные данные: красным цветом отображаются восходящие потоки, а синим нисходящие (т.е. тот момент, когда параплан двигался вниз). Также ПО позволяет записывать данные полетов и сохранять сам маршрут полета. При этом количество записей неограниченно, ограничение только во внутренней памяти используемого смартфона/планшета.

Любой измерительный прибор обладает некоторой погрешностью, на него может оказывать влияние большое количество внешних и внутренних воздействий, что приводит к тому, что информация с него оказывается зашумленной (неточной). Чем сильнее зашумлены данные, тем сложнее обработать такую информацию.

Фильтр — это алгоритм обработки данных, который исключает шумы (или уменьшает их количество) и лишнюю информацию, которая негативно влияет на результат.

В рамках первого этапа работы было проведено сравнение различных фильтров, используемых во многих областях науки и техники.

Выбор пал в сторону фильтра Калмана. Данный фильтр является одним из самых популярных алгоритмов анализа и фильтрации данных. В фильтре Калмана есть возможность задать входную информацию о характере системе, связи переменных и на основании этого построить более точную оценку, но даже в простейшем случае (без ввода априорной информации) он показывает себя очень хорошо.

Работа фильтра состоит в следующем:

  1. Этап прогнозирования, когда прогнозируется, как будут вести себя величины (значения) в следующий момент времени (с учетом неточности).
  2. Далее происходит измерение величин.
  3. Анализируются прогнозируемые данные и те данные, которые были измерены на втором этапе.
  4. Корректируется механизм предположения (также с учетом неточности и зашумленности этой информации).

В результате проведения тестирования алгоритма фильтра Калмана был получен следующий результат, изображенный на рисунке 4.

Рисунок 4 – Результат тестирования

,где:

  • синяя линия – обрабатываемые значения;
  • красная линия – результат работы фильтра Калмана.

В рамках исследования были проведены также тестирования и других алгоритмов: минимаксный фильтр, медианный фильтр и другие вариации фильтра Калмана. Но именно классический вариант фильтра Калмана показал наилучшие результаты.

В итоге схема программного комплекса изображена на рисунке 5. Входными данными являются: показатели с Инерциального измерительного блока (IMU), GPS/ГЛОНАСС, Барометар/высотомера. Далее эти показатели анализируются, обрабатываются и с помощью фильтра Калмана мы получаем данные с минимизированной погрешностью, которые передаются на блок расчета инерциальной навигации. Так мы получаем более точные выходные данные, такие как высота, местонахождение и скорость, которые мы уже видим на экране своего смартфона.

Рисунок 5 – Схема программной составляющей комплекса

Заключение

Цена разрабатываемого комплекса предполагается ниже, чем у всех текущих разработчиков полетных компьютеров. В отличие от конкурирующих устройств, разрабатываемый комплекс будет иметь более низкую цену за счет того, что основные операции выполняются на смартфоне (т.е. на стороне ПО), а также во внешний блок нет необходимо встраивать экран, так как все данные отображаются на смартфоне.

Кроме того, использование планшета в качестве полетного компьютера позволит отображать большее количество данных, поскольку планшет по сравнению с другими устройствами имеет большую диагональ.


Библиографический список
  1. Браммер К., Зиффлинг Г. Фильтр Калмана-Бьюси. Пер. с нем. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1982.
  2. Сизиков В.С. Устойчивые методы обработки результатов измерений. Учебное пособие. – СПб.: «СпецЛит», 1999. – 240 с.
  3. Greg Welch, Gary Bishop. An Introduction to the Kalman Filter. TR 95-041, Department of Computer Science, University of North Carolina at Chapel Hill. April 5, 2004.
  4. Перов, А. И. Статистическая теория радиотехнических систем. — М.: Радиотехника, 2003. — 400 с. — ISBN 5-93108-047-3.
  5. Цыплаков, А. (2011) Введение в моделирование в пространстве состояний. — Квантиль, № 9, стр. 1—24.


Все статьи автора «Панькин Александр Викторович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация