Система управления автономного охранного квадрокоптера

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 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.