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UAV Autopilot [ENG] [FULL]

Hardware and software design of an UAV Autopilot. Contact to, epffpe@gmail.com. You can download a free book: https://github.com/epffpe/MemoriaPFC
by

Eugenio Peñate

on 10 December 2013

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Transcript of UAV Autopilot [ENG] [FULL]

Eugenio Peñate Fariñas
UAV Autopilot
Test
My motivation
Videos
Software Architecture
Hardware Architecture
Main Board
System Overview
Misiones “aburridas, sucias o peligrosas”.
Espionaje. La policía americana los usa.
Reparto de mercancia
Seguimiento de vehículos
Fronteras, patrullas costeras, monitorización.
Seguridad Nacional
Cartografía digital.
Búsqueda y rescate.
Detección y gestión de lucha contra incendios
Comunicaciones y servicios de radiodifusión.
Apoyo al control de tráfico aéreo.
Monitorización de las líneas de transmisión de energía.
Investigación del medio ambiente y Control/Gestión de la calidad del aire.
UAV Missions
UAVs are generally used for "dull, dirty, or dangerous" missions, where a piloted aircraft may be to dangerous or expensive.
What's a UAV?
Estudios recientes hechos por Teal Group, el mercado de UAVs en todo el mundo alcanza los
89 billones de dólares
.
ASD Media indica que el mercado de la carga de pago alcanza
2.3 bn€
Mercado de UAVs
Mi piloto automático.
Diseñado con componentes modernos de bajo coste.
Esto permite a los diseñadores de UAVs reducir el coste de producción y producir más UAVs.
Tres componentes claves, la electrónica, el software de abordo y el software de la estación en tierra (GCS).
Solucion
Primera idea: Los militares han imaginado el valor que podría tener un vehículo aéreo no tripulado (UAV) que pueda espiar al enemigo o incluso lanzar bombas a un objetivo sin poner en peligro a un piloto humano.
Uso de los UAVs se ha incrementado mucho durante los ultimos años.
Aunque este crecimiento ha sido impulsado principalmente por la demanda de los organismos de defensa de los gobiernos, los UAV están siendo utilizados actualmente para fines no militares.
Hoy en día se emplean para propósitos que van desde el seguimiento de la fauna silvestre, hasta la vigilancia de incendios forestales.
Los avances en la tecnología electrónica han permitido la automatización de estos aviones y convertirlos en una plataforma útil para la teledetección.
Debido al desarrollo de sensores en la actividad industrial de la automoción y otros sectores, el coste de los componentes necesarios para construir estos sistemas se ha reducido en gran medida.
Introducción
Much of us wanted to be a pilot from child
That led me to buy a RC plane
I read a college develops an autopilot
I can do this!!
UAVs are aircraft that do not have a pilot onboard.
They can be very large
or very small
LOW COST
Replace
men by machine
All UAV need a system that
controls the airplane
Thanks to the smartphones revolution today is at our fingertips
Waypoints navigation.
Aircraft and payload control.
Control and monitoring of the mission is carried out in the ground control station (GCS).
Manual flight control mode.
Fly-by-wire flight control mode.
Autonomous flight control mode.
Kernel RTOS
tasks
Scheduler
Counting semaphores
Impresionante
News
3:41 minutos
hablan del negocio
hablan de la numero de drones
2001 -> 90 drones
2012 -> 9500 drones
critica
Drones Markers Lobbying 2011
Northrop Grum. -> $4Millones
Raythenon -> $7.4 Millones
General Atomics -> $2.3 Millones
Documental interesante
Largo
Primera parte militares
segunda parte aplicaciones civiles
Preguntas
Events
Mutex
Timers
Mailboxes
Memory Pool
Hardware
CSP
SSP
Retaget
UART DMA
I2C
UART RS-232
ADC
DMA
RTC
BSP
Accelerometer
COMM
Gyroscopo
Magnetometer
Barometric Pressure
Temperature
GPS
Pitot
Autopilot algorithms
Pressure - speed
Air data system
Altitude - satic pressure
Mach number
Calibrated airspeed
True airspeed
Kalman Filter
Fly-by-wire flight control
FaultHandler
Statistics
Batería
Input Servos
Output Servos
Digital GPIO
ADC
CAN Bus
RS-485
USB
USB
Flash Mem
SD-Card
Timers
External modules
Radio
Vídeo
Strap-down system
Attitude/heading reference system
Navigation system
Autopilot and flight management system
Height control
Heading control
Speed control
Mavlink
GPIO
?
Opportunity
Flight control
Modules test
HIL
Real flight test
Modules
Hardware
in the loop
Flight
AI MIT
Design challenge
10 cm
6 cm
System Overview
Main onboard control electronic
Video Transmission
Telemetry Radio
Ground Control Station
Telemetry Radio
Antena
Sensors embedded on the PCB
Flight control surfaces
5.8GHz
Video Transmiter
Inside the plane
Ground control
Video
Video
5.8GHz
915MHz
Antenna
Tracking Antenna
Servos 360º
Software de Control en PC
Analog video flight information
Video Receiver
epffpe@gmail.com
Sensors on the board
1xModule IMU 10DoF (ADIS16407)
1xchip IMU 7DoF (3acc+3gyro+temp)
1xAcelerometro ( 3-Axis chip )
1xGyro ( 3-Axis chip + temp )
1xMagnetometer ( 3-Axis chip )
1xGPS embedded
1xAbsolute pressure Sensor (15 - 115kPa)
1xDifferential pressure Sensor (0 - 3.92kPa)
1xBattery Monitor
1xTemp Sensor (onBoard 12bits)
Microcontrollers
1xSensor DSC (ARM Cortex-M3)
150DMIPS@120MHz
512 KB Flash
64 KB RAM
1xControl DSC (ARM Cortex-M3)
90DMIPS@72MHz
32 KB Flash
8 KB RAM
Control & Payload
12xServos Input
20x
Serovos Output
6xGP Digital Input/Output
2xAnalog Input 10bits
1xAnalog Video Output Port
1x
Analog Video
Input Port to draw on video on real time
Communications
4xRS-232
1xRS-485
2xBus CAN
1xUSB
1xI2C port
Flight Recorder
1xFlash memory (16MB)
1xMicroSD (up to 32GB)
Others
1xSWJ-DP, SW-DP (JTAG y SW). DWT, ITM over SWV
1xDC-DC Converter
1xBattery CR1220 for RTC
Interface
2xLeds
2xPush buttom
Manual control
Mission planning.
Telemetry data
Control de la aeronave con un joystick
Control del tracking antenna
Se usa google maps como mapa
Manual Control
35 MHz o 2.4 GHz
RX RC
Manual/Autonomous/fly-by-wire
Telemetry
INTA
ALO
ALBA
Adquisición de imágenes aéreas en
misiones civiles y militares de corto alcance de bajo coste
Proporciona información en tiempo real en misiones de reconocimiento, vigilancia y adquisición de blancos.
Consistente en tres vehículos aéreos equipados con sensores visibles o infrarrojos, una unidad de control móvil, desde donde se realiza la planificación de la misión, el control de vuelo y el procesado de las imágenes obtenidas y, por último, de un sistema de lanzamiento.
- Modo de operación:
En modo autónomo el vehículo aéreo sigue la trayectoria establecida en la misión siguiendo una serie de puntos de paso (waypoints) predefinidos utilizando datos adquiridos por GPS.
En modo manual, el piloto controla el vehículo aéreo directamente, realizándose un filtrado previo de los comandos enviados por
el autopiloto.
La configuración del sistema de observación depende del tipo de misión a realizar. El sistema permite la dotación de una cámara
de televisión fija de alta resolución, una cámara montada en plataforma con posibilidad de movimiento en azimuth y elevación o
un sensor infrarrojo (mini-FLIR) para observación nocturna.
INDRA
Transceiver 900MHz
Pout:
16W
Sensitivity:
-120dBm@2kbps
-101dBm@
115200kbps
FHSS, en cada canal GFSK
Transceiver 900MHz
Pout:
16W
Sensitivity:
-120dBm@2kbps
-101dBm@
115200kbps
FHSS, each channel GFSK
Hardware & Software Design
Hardware Architecture
Telemetry Radio
Video Transmitter
Transceiver 900MHz
Pout:
16W
Sensitivity:
-120dBm@2kbps
-101dBm@
115200kbps
FHSS, en cada canal GFSK
UAV Assembly
Audio
5.5MHz
Vídeo
5.8GHz
Modulación FM
Modulación
FM
Button
Leds
Time Management
Memory Management
ISR Support
AHRS Results
Static measures temperature varying (
18-40ºC
)
Sampling every 20 ms for 24h (~4Million samples)
ACCURACY (1σ):


Yaw < 0.10º


Roll < 0.05º


Pich < 0.05º
OnChipFlash
Antenas Telemetría
Antena de vídeo
Conectores para antenas de telemetría
Batería de LiPo
Receptor del control manual
Autopilot
Compartimento
Telemetría
Physical space available
Configuración de los compartimentos
Rx control manual
Autopilot
Tx Vídeo
Antena video
Servos para el control de la aeronave
Compartimento
de telemetría
Antenas de telemetría
Batería LiPo
Tx Vídeo: 5.8GHz
Pout:
0.5W
Control
Waypoints Navigation
Inter uC Comm
HIL with turbulence
SupersonicOS
More pictures: http://www.flickr.com/photos/58635241@N07/sets/72157626585112319/
In the past it only could be afford by the military
Objetive
Waypoint Navigation
Other
http://www.flickr.com/photos/58635241@N07/sets/72157630312262236/
http://www.flickr.com/photos/58635241@N07/sets/72157629893565611/
http://www.flickr.com/photos/58635241@N07/
RF & Microwave
More circuits in: http://www.flickr.com/photos/58635241@N07/sets/72157626024115552/
PCB ribs
Fiberglass
UAV Autopilot
Robotics
Aerial Band - Superheterodyne Receiver
108 -137MHz
Transceiver 2.65GHz. Pout: 18.7dBm
Front-end microwave
Rx Version 0
Rx Version 1
10.7MHz IF Amplif+CAG+Dem
Rx Version 5
IR image. Thermal distribution
Paste Mask manufacture in Kapton.
3D Model
PCB before soldering
Top soldered
Particle Filter
Ultrasonic Range Finder
Medium Wave super regenerative receiver
HF Superheterondyne receiver
Göttingen 398
Questions
?
Flying in real
RC Take off
RC Landing
http://www.youtube.com/playlist?list=PLYa-Frja0QOCd7jHLMcxtDe2kU1qXF3zx&feature=mh_lolz
Flying a Piper
NXT Lego Mindstorm
Artificial Intelligence for robotics
UDACITY
Machine learning
lineal regression
logistic regression
regularization
neural networks
support vector machines
k-means
Probabilistic Robotics
Bayes filter
Kalman filter, EKF
Information filter
histogram filter
particle filter
Monte Carlo localization
Occupancy grid Mapping
SLAM: GraphSlam
assembly
Autopilot Algorithms
User Interface
Future research
Enlarge
Payload space
http://www.flickr.com/photos/58635241@N07/sets/72157634726463974/
HIL Demo
Full documentation:

https://github.com/epffpe/MemoriaPFC
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