¿Cómo implemento la medición precisa de la distancia (al suelo) en un UAV similar a un avión para alturas superiores a 10 m?

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¿Cómo implemento la medición de distancia de drones a tierra para aterrizajes de piloto automático para alturas superiores a 10 m? Encontré que el ultrasonido es demasiado impreciso, y mucho menos el GPS. La altura máxima es de 1000 m, Vmax es de 100 km / h, el promedio es de 72 km / h. El dron es como un avión, no * helicóptero más o menos.

Gracias por cualquier aportación!

bigote falso
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eh ... 20 m / s es 72 km / h
AndrejaKo
Vmax es de 100 km / h. La media es de 20 m / s. Gracias por mencionarlo. :)
fakemustache
Puede hacer clic en el texto 'editar' debajo de las etiquetas para corregir cualquier error o aclarar su pregunta. Otros usuarios con suficiente representante también pueden hacer esto, así que lo arreglaré por usted.
Kevin Vermeer
@reemrevnikev, gracias!
bigote falso
¿Por qué necesitas alturas de más de 10 m? Cuando aterrizas de todos modos, estás dentro de los 7 metros más o menos que puede hacer un sensor ultrasónico.
AndreKR

Respuestas:

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Probablemente esté buscando un altímetro de radar, pero creo que 1000 m de altura será un desafío si desea construirlo usted mismo, debido a la potencia requerida para obtener una reflexión detectable a esa distancia. Un par de cientos de metros pueden ser un objetivo más realista para el radar de baja potencia hecho en casa.

Aquí hay esquemas de altímetro de aterrizaje por radar que son útiles a aproximadamente 1000 pies.

Jaroslav Cmunt
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También hay equipos comerciales, como este: bennettavionics.com/radaraltimeter.html
Jaroslav Cmunt
Hemos considerado esto. No es exactamente un proyecto "casero", así que creo que tenemos los medios para construir, tal vez incluso comprar un radar-altímetro. ¡Gracias!
bigote falso
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asegurarse de que cualquier cosa que hagas está en conformidad con las normas de emisiones para su región
vicatcu
ese diseño es un buen ejemplo, pero podría llegar fácilmente a 3000m con un PA de mayor potencia (200mW quizás) y un circuito receptor más sensible, así como un procesamiento posterior mejorado. Controlar el barrido en una mansión inteligente y llevar la salida del LPF a un DSP para el procesamiento posterior ayudará mucho. En ese momento, realmente ha construido un radar FMCW y puede obtener una buena cantidad de información adicional (condiciones climáticas, tipo de cobertura del suelo, otros aviones debajo de usted, etc.). La antena utilizada influirá en gran medida en el rendimiento y qué tipo de información puede determinar.
Mark
SiverIMA ( siversima.com ) hace algunos front- end que probablemente podría usar para salvarse del desarrollo de RF, pero no son baratos y probablemente exageren para esta aplicación. He utilizado el front-end de 10Ghz FMCW para las pruebas de prototipo.
Mark
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En aviones reales, tendrán un altímetro de radar y un altímetro barométrico. El altímetro barométrico se usa en altitudes más altas y el altímetro de radar se usa durante el despegue y el aterrizaje para medir la distancia al suelo real (es decir, en altitudes donde los cambios de elevación del terreno son una preocupación importante, generalmente 5000 pies).

vicatcu
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O para sensores generales / finos más generales, puede usar GPS para un sensor grueso y, por debajo de cierta altura, usar radar / ultrasonidos / IR / lo que sea.
Nick T
@Nick, aunque de acuerdo con la altitud del GPS, es con mucho la dimensión menos precisa. He visto variaciones en algunos receptores GPS del orden de +/- 30 metros para un receptor estacionario.
vicatcu
Tiendo a estar de acuerdo con vicatcu, el GPS es inexacto. Desafortunadamente, dado que el GPS se implementa de una forma u otra.
fakemustache
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En realidad, un solo sensor probablemente no será lo suficientemente preciso como para hacer lo que desea. La mayor parte de lo que sé está relacionado con los AGV (vehículos terrestres), pero creo que se aplican algunos de los mismos principios.

Probablemente desee utilizar una combinación de sensores para obtener la precisión que necesita. Algunos de estos pueden ser bastante caros.

  • GPS: un módulo GPS estándar debería ser capaz de reducir la precisión de aproximadamente 1m +/-. Si avanza a una configuración diferencial (una estación en tierra, otra en el avión), entonces debería poder obtener una precisión significativamente mayor, pero a un costo mucho más alto. Algo como 10 cm o incluso 1 cm debería ser posible (con datos de velocidad), pero con un costo significativamente mayor.

  • INS: puede complementar su sistema de GPS con mediciones intertiales. El auge de los dispositivos MEMS ha puesto a disposición de los consumidores sensores de estado sólido relativamente decentes. Agregar datos de acelerómetro, girómetro y magnetómetro a los datos del GPS debería hacer que la señal sea más precisa y tener en cuenta las posibles "fallas" en sus lecturas de GPS.

  • Navegación asistida por radio: no estoy enteramente enterado de esto, pero muchos aeropuertos usan una radio asistencia para ayudar a aterrizar los aviones. Es posible que pueda investigar cómo funcionan realmente estos sistemas e implementar los suyos propios (legalmente, por supuesto).

Para una visión más detallada de algunas de estas consideraciones, echaría un vistazo a DIYDrones. Han reunido algunos sistemas bastante integrados que utilizan GPS, INS, Barómetros y una gran variedad de otros sensores. También han abordado algunos de los difíciles desafíos de filtrado que vienen con múltiples fuentes de datos en un sistema aerotransportado.

mjcarroll
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Muy buenos puntos. Gracias. Hemos tenido la idea con la estación terrestre GPS, no sé por qué no la buscamos, lo mencionaré una vez más en nuestra próxima reunión.
Fakemustache
2
Un posible enfoque de menor costo para la estación terrestre y el móvil puede ser RTKlib. Es una solución RTK (diferencial) de código abierto. Creo que el creador de la biblioteca también ha portado la solución a un Beagleboard, con algunos consejos sobre cómo hacer lo mismo. Creo que su implementación utiliza un sensor uBlox (del orden de 300 dólares) junto con una estación base más costosa, capaz de generar correcciones RTK. Esto reduciría el costo de comprar dos unidades con capacidad RTK (varios miles de dólares).
mjcarroll
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Un barómetro funcionaría bastante bien si obtienes algo así como una resolución de 10 cm, lo único complicado es que tu dron necesitará conocer la presión barométrica a nivel del suelo y eso tiende a cambiar con el clima.

Si desea un control de ubicación de alto rendimiento, entonces probablemente no se moverá por un sistema basado en visión con una computadora de alta potencia que pueda reconocer la pista de aterrizaje y golpear la zona correcta a la velocidad correcta.

dren.dk
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Lamentablemente, no podemos implementar una solución basada en la visión debido a limitaciones de peso. La CPU central del dron ya se usa para la entrada de sensores y otros procesamientos de imágenes y hemos alcanzado la cantidad máxima de carga útil.
bigote falso
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Si va a aterrizar en sitios de aterrizaje bajo su control, colocaría varios emisores de radio alrededor del sitio y compararía la potencia de la señal. Esa es la única forma confiable y fácil de implementar.

Si desea aterrizar en cualquier lugar, solo el GPS (+ -1m posible en EE. UU.), Las mediciones ultrasónicas o láser son opciones válidas, pero ninguna de ellas es perfecta.

BarsMonster
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Lo que pasa con los emisores de radio es muy interesante, pero demasiado complejo.
bigote falso
No realmente complejo. Sería complejo tratar de medir el retraso de propagación, pero el nivel de potencia es fácil de medir con un receptor detector simple, condensador y ADC.
BarsMonster
¿Podría darnos un poco más de información sobre cómo medir el nivel de potencia? mis habilidades de google han demostrado ser deficientes.
kasterma
Bueno, mira el receptor RF más simple: circuito LC, detector de diodos, condensador para suavizar la señal. Entonces puede medir esto con precisión ADC.
BarsMonster
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Un telémetro láser le dará una buena precisión y exactitud, y está diseñado para su distancia esperada, pero puede ser pesado (debido a la óptica) y resolverá la distancia a un punto en lugar de un área más grande.

El resultado medido puede cambiar rápidamente si va sobre un terreno que tiene mucha variación (como un bosque o una ciudad), y puede ser difícil obtener una lectura sobre superficies reflectantes como el agua que no devolverá gran parte del haz en la dirección que vino.

Sin embargo, esto debe considerarse como una opción. Los telémetros portátiles de consumo para caza o golf van desde $ 50 hasta más de $ 200; No estoy seguro de los precios comerciales para la integración en un sistema como un UAV.

Kevin Vermeer
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También tuvimos esa idea, y por ahora es nuestra favorita. Como la medición precisa de la altura es solo para el aterrizaje del piloto automático, no importa que la altura sea solo para un punto ... Espero que el área de aterrizaje esté en el suelo. :)) El principal problema que veo con esta técnica es que el resultado varía con el ángulo del UAV, que es especialmente difícil para los procedimientos de aterrizaje. ¿O no estoy pensando en esto?
Fakemustache
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Siempre quise probar esto:

Monte una cámara orientada hacia abajo en el UAV. La calidad es sobre todo irrelevante. Agarra cuadros de él en un intervalo fijo. Analice pares de imágenes para determinar qué tan rápido parece moverse el suelo. Aquí hay muchas opciones para algoritmos. Ahora, dada su velocidad de GPS (¡no la velocidad aérea!), Usted sabe qué tan rápido está yendo realmente y qué tan rápido parece moverse el suelo. A 0 altitud, el movimiento aparente (correctamente ajustado) sería 1: 1. A medida que gana altitud, la velocidad aparente del suelo se reducirá.

Ben Jackson
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Técnica interesante! El OP publicó un comentario a esta respuesta indicando que "Desafortunadamente no podemos implementar una solución basada en la visión debido a limitaciones de peso". Aún así, sería interesante ver si esta técnica también podría usarse para controlar la actitud horizontal.
Kevin Vermeer
Esto realmente suena hermoso. : DI se asegurará de mencionarlo.
bigote falso
Si puede colocar un GPS, puede colocar una cámara. Puede tomar un poco de esfuerzo, pero las cámaras de los teléfonos celulares son pequeñas .
Connor Wolf
El problema no es la cámara, tenemos eso. El problema es el costo (complejidad) del procesamiento de imágenes, ya que la CPU central tiene que manejarlo y no tenemos la capacidad de cambiarlo.
Fakemustache