Точная система внутреннего позиционирования для автономных дронов
Мы объясняем, как проектировать и строить автономные дроны для работы в помещениях, а также какие системы внутреннего позиционирования использовать для отслеживания дронов в помещениях, когда они не являются автономными.
Хотя мы сосредоточены на дронах для помещений и автономной навигации внутри помещений, система позиционирования дронов отлично работает и на улице.
Для дронов на базе Pixhawk/ArduPilot/PX4, пожалуйста, воспользуйтесь следующей ссылкой.
Для дронов DJI в помещениях существует отдельная страница: Как управлять дроном DJI автономно в помещении?
Читайте здесь, чтобы узнать как выбрать между DJI и Pixhawk.
Другие материалы Marvelmind по теме дронов
- Успех клиента: автономный полёт дрона в помещении на базе PixHawk + ArduPilot
- Питание маяков от внешнего источника питания
- Система внутреннего позиционирования для соревнований дронов
- Сколько стационарных маяков нужно для покрытия офисного пространства автономным патрульным дроном?
- Использование IA для дронов
- Отслеживание DJI в помещении: издание для двух комнат
- Точное отслеживание XYZ для роёв дронов и шоу дронов в помещении
- Автономная посадочная платформа для дрона
- Деградация точности в точной системе позиционирования в помещении и как её избежать
- Помощь: PixHawk + PX4 + парные маяки для определения местоположения и направления вместо магнетометров
- Помощь: полёты автономных дронов для инспекции на складе
- Отслеживание микродрона в помещении на большом расстоянии
- Отслеживание микродрона с включённым Real-time Player
- Отслеживание микродрона с отключённым Real-time Player
- Точное (±2 см) отслеживание в помещении в XYZ без GPS/ГЛОНАСС
- Точное (±2 см) отслеживание дрона на улице без GPS/ГЛОНАСС — горизонтальный полёт на двух эшелонах
- Полностью автономный полёт в помещении
- Помощь: установка мобильного маяка на коптер
- Помощь: Z-координаты для коптеров — подробное объяснение
- Отслеживание коптера на улице с точностью в несколько сантиметров
Рекомендуемая система RTLS для дронов — краткие советы
Если вы только знакомитесь с системой Marvelmind Indoor «GPS» и не знаете, что выбрать, приобретите Starter Set Super-MP, где MP означает «многоцелевой» — это наиболее безопасный выбор.
Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с рекомендуемыми вариантами ниже.
В целом это лучший и наиболее безопасный выбор, если вы не уверены, что выбрать или какие именно эксперименты будете проводить, но хотите одновременно иметь наибольшую гибкость и производительность.
Это лучший выбор, когда необходимо подключение к PixHawk, поскольку на Super-Beacon легкодоступны два контакта для подключения к PixHawk. Подробнее.
Конфигурация:
– https://marvelmind.com/product/starter-set-super-mp-3d/
– https://marvelmind.com/product/super-beacon/ — дополнительный мобильный маяк для конфигурации с парными маяками, обеспечивающий одновременное определение местоположения и направления. Подробнее о демонстрации парных маяков
Набор разработан для микродронов (<100 г), поскольку мобильный маяк Mini-TX очень маленький и лёгкий. Mini-TX обеспечивает дальность до 15–20 м до стационарных маяков, чего достаточно для большинства реальных случаев. Набор также можно использовать для более крупных дронов, однако дальность ультразвука Mini-TX меньше, чем у Super-Beacon. Поэтому, если вес не является критически важным, лучше использовать Super-Beacon в качестве мобильных маяков. Только если вес действительно является единственным вашим ограничением, Mini-TX не имеет аналогов.
Mini-TX отлично подходит для отслеживания. Новая версия Mini-TX-2 также идеально подходит для подключения к PixHawk, поскольку оснащена специальным 6-контактным разъёмом с двумя контактами для подключения к PixHawk (TX + GND) — аналогично Super-Beacon. Обратите внимание, что более старые версии Mini-TX, поставлявшиеся в 2022 году и ранее, не имели 6-контактного разъёма на нижней стороне.
Конфигурация:
– https://marvelmind.com/product/starter-set-nia-03-smalldrone
Расширенная версия варианта «Starter Set Super-MP-3D + Super-Beacon — определение местоположения и направления на дроне».
Функция Precise-Z, физически состоящая из 2 дополнительных стационарных маяков, обеспечивает возможность получения точных Z-координат во всём диапазоне значений Z.
Подробнее:
– Руководство по размещению — слайд Precise-Z
– Видеообъяснение о координатах Z и размещении маяков
Конфигурация:
– https://marvelmind.com/product/starter-set-super-mp-3d/
– https://marvelmind.com/product/super-beacon/ — дополнительный мобильный маяк для конфигурации с парными маяками, обеспечивающий одновременное определение местоположения и направления. Подробнее о демонстрации парных маяков
– https://marvelmind.com/product/super-beacon/ — дополнительные стационарные маяки для функции Precise-Z
Использование Marvelmind Indoor «GPS» для дронов и квадрокоптеров
Система внутреннего позиционирования Marvelmind или Marvelmind Indoor «GPS» широко используется для дронов и квадрокоптеров различными способами:
- Управление автономными дронами в помещениях и на улице. Уличные дроны — управление на «последней миле», которая при необходимости может составлять сотни метров, однако максимальное расстояние от мобильного маяка на дроне до трёх или более стационарных маяков, обслуживающих мобильный маяк, не должно превышать
- Отслеживание дронов в помещениях
- Автоматическая посадка дрона в помещении и на улице или помощь при посадке дрона
- Инспекция склада с использованием автономных дронов в помещении
- Шоу дронов
Система внутреннего позиционирования для малого дрона не имеет принципиальных отличий от других систем внутреннего позиционирования, например используемых для более крупных дронов или других трёхмерных (XYZ) систем позиционирования в помещениях.
Единственная особенность — это вес мобильного маяка (тега), устанавливаемого на дрон. Эта проблема решается за счёт использования облегчённой версии Mini-TX без корпуса и аккумулятора или с заменой аккумулятора на очень лёгкий.
Кроме того, небольшие дроны зачастую являются базовыми — они лишены бортового компьютера или автопилота, например таких как Pixhawk и аналогичные модели. Вся интеллектуальная составляющая сосредоточена на наземной станции. Однако существуют и исключения.
Рои дронов и шоу дронов могут включать десятки и даже сотни машин. При полётах на улице RTK GPS работает очень хорошо. Однако RTK GPS не функционирует в помещениях.
Типичная система внутреннего позиционирования для дронов опирается на NIA — мобильный маяк в режиме NIA излучает ультразвук. Однако в этом случае практическое количество поддерживаемых дронов составит 1–8, поскольку при использовании NIA частота обновления местоположения на один дрон снижается пропорционально числу дронов.
IA следует использовать, если рой дронов в помещении состоит из десятков машин. Однако в режиме IA мобильный маяк прослушивает ультразвук, поэтому для борьбы с шумом от пропеллеров и обеспечения корректной работы системы необходимо применять специальные решения. Узнать больше о решении.
К нам еженедельно поступают запросы на автономные дроны или системы внутреннего позиционирования для автономных дронов в помещениях — прежде всего для инспекции складов, автоматизированного сканирования штрихкодов или считывания RFID.
Потребность в решении подобной задачи и живой интерес к её реализации с помощью дронов несомненно существуют.
Создание такой системы для практических применений — сложная, но выполнимая задача. Давайте рассмотрим детали реализации.
Хрупкость решения — наиболее существенная практическая проблема. Тем не менее существуют как решения, так и надёжные альтернативы.
Marvelmind Indoor «GPS» поддерживает PixHawk с ArduPilot и PX4
Marvelmind Indoor «GPS» поддерживает как PixHawk с ArduPilot, так и PX4:
- Marvelmind и ArduPilot — ссылка на ArduPilot.org
- Руководство по интеграции Marvelmind и PX4 — пошаговое руководство с настройками и снимками экрана для Mission Planner, PixHawk и аппаратного подключения
- Руководство по интеграции PixHawk и Marvelmind — пошаговое руководство по интеграции PixHawk, ArduPilot и Marvelmind для дронов
Marvelmind и PixHawk
Использование комбинации Marvelmind Indoor «GPS» и PixHawk — это наиболее простой и быстрый способ автономных полётов в помещении.
Правильное построение системы внутреннего позиционирования для квадрокоптеров
Существует несколько, но достаточно простых аспектов, которые необходимо учитывать для успешных полётов в помещении:
- Руководство по настройке автономного коптера — основные и практические рекомендации по настройке системы Indoor «GPS» для использования с автономными коптерами/дронами в помещении и на улице
- Руководство по размещению — практические советы и примеры установки системы Marvelmind Indoor «GPS» для достижения наилучшей производительности в различных приложениях и конфигурациях
- Помощь: Z-координаты для коптеров — подробное объяснение в видео на YouTube о том, как правильно разместить стационарные маяки для достижения хорошей точности по оси Z. Если воспользоваться советом невозможно из-за условий среды, не позволяющих использовать конфигурацию Precise Z с 4+2 стационарными маяками. Помните, что эта конфигурация рекомендуется только для опытных пользователей и только в тех случаях, когда значительно более простая, надёжная и даже более точная установка с четырьмя стационарными маяками над зоной полётов не может быть использована или является нецелесообразной
Обратитесь на страницу Продукты для ознакомления с различными вариантами стартовых наборов.
Помните, что всего три стационарных маяка обеспечат низкую устойчивость к перекрытиям при трёхмерном (XYZ) отслеживании. Любое перекрытие любого стационарного маяка — ситуация с отсутствием прямой видимости — приведёт к отсутствию или ошибочному отслеживанию, как в GPS: «нет видимости спутников = нет координат GPS = нет отслеживания».
Поэтому мы рекомендуем резервирование не менее N+1 для стационарных маяков. Именно поэтому наши стартовые наборы для 3D включают 4 стационарных маяка.
Ещё лучше обеспечить резервирование 2N с полностью перекрывающимися трёхмерными подкартами. Это будет либо 3+3, либо 4+4 стационарных маяка. Система автоматически выберет наилучшую подкарту для отслеживания. Такая система очень устойчива, и при правильном размещении маяков можно летать даже в сложных помещениях с колоннами, не испытывая проблем с отслеживанием.
Ключ к отличному отслеживанию — обеспечение надлежащего покрытия в любой точке полёта. Это означает, что мобильные маяки на дроне должны иметь прямую видимость до трёх или более стационарных маяков одной подкарты в пределах 30 м.
Правильное размещение, как правило, является ключевым и жизненно важным для дронов, поскольку они требуют трёхмерных возможностей; дроны быстры, а ошибки могут быть особенно дорогостоящими. На что обратить внимание?
- Наиболее важным требованием для хорошего отслеживания или автономного полёта является обеспечение прямой видимости от мобильных маяков на дроне до 3 или более стационарных маяков
- Не полагайтесь на магнетометры в помещениях. Используйте конфигурацию с парными маяками для определения местоположения и направления
- Размещайте стационарные маяки так, чтобы углы от мобильного до стационарных маяков составляли 30 градусов и более. Смотрите подробное объяснение в видео
- Используйте конфигурации Precise-Z, когда невозможно иными способами обеспечить правильные углы к стационарным маякам
Отслеживание одного дрона в одном большом открытом пространстве — очень простая задача. С помощью Starter Set Super-MP или Starter Set NIA-SmallDrone точную трёхмерную систему отслеживания можно настроить за 10–15 минут, включая распаковку и обновление программного обеспечения, для только что полученного набора. Если все первоначальные обновления программного обеспечения выполнены заранее, систему можно развернуть менее чем за минуту.
Автономный полёт — значительно более сложная задача, поскольку необходимо точно отслеживать дрон и интегрировать его автопилот с самим дроном/шасси, которое, как правило, собирается из различных компонентов (шасси, двигатели, драйверы двигателей, телеметрия, дистанционное управление). Кроме того, автопилот должен быть интегрирован с системой внутреннего позиционирования, как описано выше.
Если автономный полёт одного дрона является сложной задачей, то автономный полёт роя дронов — это вершина данной пирамиды сложности. Это ещё более сложная, но всё же выполнимая задача, если подходить к ней шаг за шагом.
Прежде чем глубоко погружаться в тему роёв дронов в помещениях, ответим на базовый вопрос: «Как летят тысячи дронов в небе?» — всё просто: они используют систему позиционирования RTK GPS. Однако помните, что RTK GPS опирается на GPS. Если нет GPS, нет и RTK GPS. Поэтому, как только мы перемещаемся в помещение или другие зоны, где GNSS недоступен, забудьте о GPS (ГЛОНАСС, Beidou, Galileo и т.д.)
Малые дроны слишком малы. Большие дроны слишком велики
Иметь огромный рой малых дронов и устраивать красивое шоу было бы замечательно. Однако:
- Размер аккумулятора vs. время шоу vs. размер дрона
- Автопилот и система внутреннего позиционирования имеют ненулевую массу. Существует нижнее ограничение на размер дронов
- Дроны нуждаются в определении направления. Лучше всего это достигается за счёт двух или более точек определения местоположения на дронах. Чем больше расстояние между ними, тем выше точность определения угла
Если дроны слишком большие:
- Их сложно держать на расстоянии друг от друга. Необходимо большее безопасное расстояние между ними и, как следствие, большее пространство для шоу
- Крупные дроны тяжелее, шумнее и опаснее. Шум и защитные сети могут разрушить всю идею шоу
Сохраняйте у дронов убеждённость в том, что они одни
Во многих случаях можно настроить автономный полёт нескольких дронов так, что они даже не будут знать о существовании других дронов рядом. Они считают себя такими уникальными и исключительными. В ваших интересах поддерживать в них это наивное убеждение, поскольку это самый простой способ создания роёв дронов.
Примеры конфигураций системы внутреннего позиционирования для шоу дронов на базе Marvelmind Indoor «GPS»
Используя комбинацию решений, можно управлять роем дронов с помощью IA: Система внутреннего позиционирования для шоу дронов и роёв.
Это сложное решение может не подойти, если вы только знакомитесь с нашей системой или дронами в целом. Однако оно обеспечивает наилучшую производительность для шоу дронов в помещениях, поскольку позволяет управлять несколькими автономными дронами без снижения частоты обновления местоположения и обеспечивает максимальную точность позиционирования ±2 см.
Конфигурация:
- IA
- 4 × https://marvelmind.com/product/super-beacon/ — стационарные маяки, размещённые вокруг и над зоной полётов
- 1 × Modem v5.1
- 10 × Mini-RX + микрофон — гибридный мобильный маяк для каждого дрона
Как было сказано выше, первое, что необходимо решить, — нужно ли определять направление на основе парных маяков. Если да, то на каждый дрон потребуется два мобильных маяка. Если нет — только один мобильный маяк на дрон.
Можно летать с одним мобильным маяком, однако программное обеспечение на автопилоте должно быть более сложным — не готовым к использованию «из коробки», поскольку оно должно обеспечивать определение направления и компенсацию дрейфа гироскопа дрона во время полёта. Это сложно. Выполнимо. Но сложно. И по возможности мы всегда рекомендуем конфигурацию с парными маяками как простое решение для определения направления в помещении, в том числе в статике.
Однако, как обсуждалось выше, для роёв дронов или шоу дронов в помещениях это может быть не лучшим вариантом. Поэтому в качестве основного варианта для дрона мы рассмотрим более сложный и менее надёжный вариант на основе одного мобильного маяка.
Конфигурация:
- MF NIA — MF NIA настоятельно рекомендуется для роёв дронов, поскольку NIA будет слишком медленным, а дроны могут быть слишком шумными для IA
- 4 × https://marvelmind.com/product/super-beacon/ — стационарные маяки, размещённые вокруг и над зоной полётов
- 1 × Modem v5.1
- 10 × Super-Beacon — мобильные маяки для десяти дронов
- 14 × лицензии MF NIA
Если ваши дроны очень маленькие и не могут нести груз 27 г (облегчённая версия Super-Beacon), то Mini-TX без дополнительного аккумулятора и корпуса — ваш лучший выбор. В облегчённой конфигурации он весит всего 6,7 г.
Однако Mini-TX работает только на одной частоте (31 кГц). Таким образом, NIA остаётся единственным вариантом. Поэтому при наличии десяти дронов частота обновления местоположения на один дрон составит 1/10 от общей частоты обновления системы. Для небольшой подкарты 5×5 м возможно достичь 20–25 Гц по всей системе. Таким образом, на один дрон частота обновления местоположения составит ~2–2,5 Гц. Такая частота обновления подходит для шоу с медленными движениями. Но это всё равно значительно лучше, чем ничего.
Конфигурация:
- NIA
- 4 × https://marvelmind.com/product/super-beacon/ — стационарные маяки, размещённые вокруг и над зоной полётов
- 1 × Modem v5.1 — центральный контроллер системы. Через него можно отслеживать данные и управлять дронами
- 10 × Mini-TX — мобильные маяки для десяти дронов
Системы на основе UWB
Системы позиционирования дронов в помещениях на основе UWB принципиально мало отличаются от Marvelmind Indoor «GPS». Разумеется, базовые технологии различаются (время пролёта UWB по сравнению со временем пролёта ультразвука). Но архитектура и сетевые элементы очень схожи.
Практические различия между UWB и Marvelmind Indoor «GPS»:
- UWB примерно в десять раз менее точен, чем ультразвук, то есть дроны менее устойчивы в воздухе
- Однако UWB принципиально не подвержен влиянию акустического шума от дронов
- UWB может в принципе поддерживать больше дронов одновременно. Действительно ли UWB поддерживает больше дронов на практике и какова итоговая частота обновления на один дрон — зависит от реализации конкретной системы UWB. Системы на основе IA могут легко соперничать с системами на основе UWB по ёмкости и превосходить их по точности в десять раз
Оптические системы — QR-коды вокруг
Становятся всё более популярными благодаря потенциальной простоте:
- Камера направлена вниз на QR-коды (или другие специальные паттерны) на полу. QR-коды обеспечивают как местоположение, так и направление
- QR-коды могут располагаться над дронами (на потолке), если так удобнее
- QR-коды могут находиться вокруг дрона, но тогда потребуется несколько камер или специальные камеры с «рыбьим глазом»
Преимущества:
- Относительно недорогая система позиционирования
- Нет необходимости в активных маяках вокруг
Недостатки:
- Необходимость в QR-кодах вокруг — иногда они нежелательны или даже невозможны
- Требования к специальному освещению
- Система основана на триангуляции, поэтому QR-коды должны быть расположены плотно и достаточно близко, иначе точность позиционирования снижается
Рассмотрите альтернативу: автономная посадочная платформа для дрона.
Системы на основе захвата движения
Впечатляющие шоу дронов заставляют нас думать, что дроны невероятно умны. Однако это очень обманчивое впечатление. Жемчужина всей системы — не дроны, а система позиционирования. Дроны довольно просты. Они даже не знают, что их отслеживают. Более того, ими полностью управляют дистанционно на основе данных о местоположении из системы отслеживания. Таким образом, они ещё проще. Но это нормально. Неважно, каким образом достигается результат, главное — что выступление впечатляет и действительно производит неизгладимое впечатление.
Системы на основе захвата движения:
- Они дорогие или очень дорогие, поскольку требуют быстрых инфракрасных камер высокого разрешения, большого объёма передачи данных (кабельных соединений) между камерами и центральным компьютером, мощного компьютера и специального инфракрасного освещения
- По своей природе они ограничены по охватываемой площади, поскольку определение местоположения основано на триангуляции, и, как правило, ограничены зоной около 10×10 м
- С положительной стороны, трекеры на дронах лёгкие и пассивные — просто световые отражатели
Примеры реализации точного позиционирования, отслеживания и навигации дронов на базе Marvelmind Indoor «GPS»
Точное (±2 см) отслеживание квадрокоптера DJI Phantom в помещении в трёх измерениях (XYZ)
- Точное отслеживание по X, Y, Z (вид XY + вид XZ + вид YZ)
- Необработанные данные и постобработанные данные из Player в Dashboard — обратите внимание, что сегодня то же самое доступно не в режиме постобработки, а в Real-Time Player
- Экосистема DJI закрыта — по крайней мере, для серий Phantom и Mavic. Таким образом, Phantom можно отслеживать, но нельзя управлять автономно в помещении (без более глубокого вмешательства в систему)
- Узнать больше об автономных полётах дронов DJI в помещении
Точное (±2 см) отслеживание квадрокоптера DJI Phantom на улице в трёх измерениях (XYZ)
- Точное (±2 см) отслеживание в XYZ (вид XY + вид XZ + вид YZ) — то же самое, что выше, но на улице
- В данной демонстрации и выше используется та же конфигурация Precise-Z, состоящая из 4+2 стационарных маяков. Подробнее в Руководстве по размещению
- Узнать больше об автономных полётах дронов DJI в помещении
Полностью автономный полёт в помещении
- Небольшой коптер летит полностью автономно, опираясь на Marvelmind Indoor «GPS»
Использование IA для отслеживания дронов и управления роями дронов в помещении
Благодаря комбинации решений можно использовать IA для позиционирования дронов в помещении:
- Специальный ультразвуковой отражатель, защищающий микрофон от шума собственных пропеллеров
- Размещение стационарных маяков непосредственно над дроном
- Использование специальных острых и узкополосных DSP-фильтров
Отслеживание малых и микродронов в помещении
С помощью маяков Mini-TX можно отслеживать даже микродроны (менее 100 г).
Starter Set NIA-SmallDrone специально разработан для дронов такого класса.
Минимальная конфигурация для отслеживания дрона — любой набор NIA с поддержкой 3D. Например, три стационарных маяка + 1 мобильный маяк + 1 модем и архитектура NIA или MF NIA уже подойдут для дрона.
Дроны для инспекции склада
Использование дронов для инспекции склада весьма популярно — поиск потерянных паллет, обеспечение безопасности и т.д. Да, это выполнимая задача, но на практике очень сложная:
- В целом очень сложная среда
- Дроны падают и ломаются => высокая цена ошибки
- Дроны потенциально опасны в эксплуатации и сложны в разработке и использовании
Тем не менее решение очень перспективно. Поэтому разработчики дронов или систем для складов используют нашу систему внутреннего позиционирования для подобных решений. В видео мы объясняем особенности среды (узкие проходы и высокие стеллажи), как эти особенности влияют на точность и как оптимально построить систему.
Автономная посадочная платформа для дронов
Можно создать автономную посадочную платформу для дрона. Она даже может быть подвижной:
- Четыре стационарных Super-Beacon направлены вверх и размещены по краям платформы. Чем больше платформа — тем выше точность определения расстояния
- Два мобильных Super-Beacon направлены вниз
Дрон летит, используя обычный RTK GPS или даже просто GPS, когда находится далеко и на расстоянии до 30 м от платформы. Он переходит на координаты Indoor «GPS» и совершает посадку по этим координатам. Как уже упоминалось, платформа может быть неподвижной относительно Земли или перемещаться. Для дрона это не имеет значения. Таким образом, можно точно приземлиться, например, на движущееся транспортное средство.
Автономный полёт у наших клиентов
Автономный полёт у наших клиентов с Pixhawk + Marvelmind
«Могу ли я управлять DJI Mavic автономно в помещении?»
Да, можете.
Узнайте больше об автономных полётах дронов DJI в помещении.