LiTH Utveckling och implementering av regulator för styrning av gimbalmonterade sensorer i UAV:er. Systemskiss. Björn Wallebäck Version 1.

Transkript

1 Utveckling och implementering av regulator för Systemskiss Björn Wallebäck Version 1.0 Granskad Godkänd Status 1

2 Utveckling och implementering av regulator för PROJEKTIDENTITET 2005/VT Linköpings tekniska högskola, ISY Namn Ansvar Telefon E-post Birgitta Wingqvist Kundansvarig (KUN) Dokumentansvarig (DOK) Mattias Designansvarig (DES) Källstrand Samir Losic Petter Eriksson Kvalitetsansvarig (KVA) Björn Wallebäck Testansvarig (TES) Peter Nohira Johan Gunnar Projektledare (PL) Kund: FOI IR-system Kontaktperson hos kund: Morgan Ulvklo, , Kursansvarig: Anders Hansson, , Handledare: Martin Enqvist, , 2

3 Utveckling och implementering av regulator för Innehåll 1 INLEDNING PARTER MÅL ANVÄNDNING DEFINITIONER ÖVERSIKT AV SYSTEMET BEROENDEN TILL ANDRA SYSTEM INGÅENDE DELSYSTEM DESIGNFILOSOFI SIMULERINGSMILJÖ INGÅENDE KOMPONENTER FORDONSMODELL FLYGBANOR GIMBALMODELL FORDONSFILTER GIMBALREGLERING SCENESERVER-KOPPLING IMPLEMENTERING INGÅENDE KOMPONENTER FUNKTIONSBESKRIVNING ALGORITMER REFERENSER

4 Utveckling och implementering av regulator för Dokumenthistorik version datum utförda förändringar utförda av granskad Första utkast BW ME, BiW Småfel rättade BW 4

5 Utveckling och implementering av regulator för 1 Inledning Projektet syftar till att utveckla och implementera en regulator för intelligent riktning av gimbalmonterade IR/EO-sensorer. FOI har utvecklat en gimbal där olika sensorer har monterats. Gimbalen är placerad under en mätplattform utformad som en UAV. För närvarande finns en enkel reglering för gimbalen. I projektet ska gimbalen simuleras och regleringen av den förbättras. Detta dokument innehåller de uppslag och idéer som kommit fram under tolkningen av kravspecifikationen. Systemskissen ligger även som grund för den framtida designspecifikationen. Figur 1. UAV med gimbalmonterade sensorer. 1.1 Parter Beställare: Jon Kronander, Reglerteknik, ISY Kund: Morgan Ulvklo, IR-system, FOI Producent: Åtta studenter som läser kursen (TSRT71) på. 1.2 Mål Målet med projektet är att utifrån befintliga och i projektet framtagna modeller simulera mätplattformen och gimbalen. En regulator, som utifrån de mekaniska begränsningar som finns i gimbalen, konstrueras så att ett fordon på marken kan följas. Regulatorn ska även implementeras för att användas på mätplattformen. 1.3 Användning Projektet består huvudsakligen av två delar. Den ena delen är en simuleringsmiljö som ska kunna användas för att designa och utvärdera referenssignalgenerering och reglering av gimbal. Den andra delen är en implementering av de simulerade systemen. Denna ska kunna användas för att testa systemen på mätplattformen. Implementationen ska kunna användas för att följa mål, t.ex. stridsfordon, från luften. 5

6 1.4 Definitioner Utveckling och implementering av regulator för UAV: Unmanned Aerial Vehicle. En obemannad flygande farkost som vanligtvis används för spaning eller övervakning. QWIP/MASP: Den mätplattform som utvecklats av FOI på vilken gimbalen sitter som ska simuleras och regleras i projektet. QNX: Realtidsoperativsystem som används i QWIP/MASP för viss styrning och viss datalagring. IR/EO: Infrared/Electro optical. RDMK: realtidsdistribution av målkoordinater. IMU: Inertia measurement unit. 2 Översikt av systemet QWIP/MASP är ett försökssystem utvecklat av FOI. Systemet består av en fritt hängande mätplattform utformad som en UAV som lyfts av en helikopter. Denna UAV innehåller högpresterande navigationsutrustning i form av RTK-GPS samt IMU. Under sitter det en styrbar gimbal med IR/EO-sensorer monterade. Mätplattformen samt gimbalen ska simuleras i en simuleringsmiljö. Utöver denna simulering ska regulatorer och referenssignalgenerering implementeras för att köras på QWIP/MASP-systemet. Målen kommer att utgöras av fordon på marken som meddelar sin position till QWIP/MASP via RDMK-systemet. Figur 2. Realtidsdistribution av målkoordinater 6

7 Utveckling och implementering av regulator för 2.1 Beroenden till andra system Simuleringsmiljön kommer att köras på en PC och är ej beroende av externa system. Implementeringen av regulatorerna ska kopplas till de övriga systemen i QWIP/MASP. De regulatorer som implementeras ska även kunna testas genom att köras mot simuleringsmiljön. Detta betyder att simuleringsmiljön och implementeringen måste vara kompatibla. 2.2 Ingående delsystem Simuleringsmiljö består av: Fordonsmodell Flygbanor Gimbalmodell Modell av styrmodulen bestående av fordonsfilter, regulator samt referenssignalgenerator Koppling till SceneServer Implementeringen består av: Fordonsfilter Regulator Referenssignalgenerering Kommunikation med QWIP/MASP 2.3 Designfilosofi Systemet ska designas så att det fungerar tillsammans med de nu existerande systemen utvecklade av FOI. Det ska även kunna byggas ut och förbättras om så önskas, varför ett modulärt tänkande ska tillämpas. 3 Simuleringsmiljö För att underlätta utvecklingsarbetet av QWIP/MASP behövs en simuleringsmiljö. I simuleringsmiljön kan systemets prestanda testas och utvärderas. Simuleringsmiljön kommer att vara enkel men för situationen tillräcklig. Den kommer att innehålla modeller för fordon vilka rör sig på marken med viss hastighet. Läget hos fordonen överförs sedan via en GPRSmodell som fördröjer signalerna. Den kommer också att innehålla förutbestämda flygbanor för UAV:n vilka genererats från modell eller loggats ur tidigare fältförsök. Simuleringen kommer att implementeras i Matlab/Simulink med koppling mot SceneServer för visualisering. 7

8 3.1 Ingående komponenter Utveckling och implementering av regulator för Till grund för simuleringen ligger ett antal olika modeller för komponenterna. Dessa är: Fordonsmodell Modell för generering av flygbanor Gimbalmodell Modell av styrmodulen bestående av fordonsfilter, regulator samt referenssignalgenerator Figur 3. Blockschema av simuleringsmiljön 3.2 Fordonsmodell En modell för fordon utvecklades under våren 2004 på uppdrag av FOI i projektkursen TSRT71. Den bestod av ett punktformigt fordon där punken utplacerats på en tänkt bakaxel. För att skapa simulerade banor används funktioner vilka först omvandlar data som fås genom att man klickar på en karta för att lagra koordinater till en spline. Utifrån detta samt en fordonsmodell skapas en styrlag för fordonet. Denna modell kan troligtvis användas med vissa modifikationer, vilket kommer att utredas. 3.3 Flygbanor Flygbanorna ska vara genererade från modell eller loggade från tidigare fältförsök. För att generera flygbanor kommer troligtvis samma verktyg användas som vid banorna för fordonen ovan. 3.4 Gimbalmodell En modell för gimbalen gjordes i ett examensarbete under 2002 av Per Skoglar (2002). En undersökning om i vilken omfattning modellen kommer att användas kommer att göras. 8

9 3.5 Fordonsfilter Utveckling och implementering av regulator för Eftersom GPRS-nätet användas för distribuering av målkoordinator kommer en obestämd tidsfördröjning att uppstå. Denna tidsfördröjning leder till att den aktuella positionen hos målfordonet måste skattas under de tidsintervall man inte har korrekt positionsdata. Detta var ett av huvudområdena i förra årets projekt kallat RDMK. Detta system estimerar via Kalmanfiltrering rörliga fordons positioner i realtid och distribuerar dessa till en central positionsserver. Hit kan sedan system som QWIP/MASP ansluta sig för att prenumerera på målpositioner via JForward. Detta system kommer att användas med viss modifikation. 3.6 Gimbalreglering Detta system består av referenssignalgenerering samt regulator. Referenssignalgenerering får in skattade positioner från kalmanfiltret ovan. Beroende på given uppgift väljs en eller flera positioner ut. Då endast en position väljs ut så är uppgiften att rikta gimbalen mot det önskade målet så att vi helst inte tappar det ur synfältet. Detta kräver att någon slags framkoppling sker med hänsyn till gimbalens begränsningar. Vid följning av flera mål väljer en prioriteringsalgoritm ut ett mål att titta på. Olika prioriteringsalgoritmer kommer att utvärderas. Regulatorn har till uppgift att ställa in gimbalen mot de önskade referensvinklarna samt eventuellt referensvinkelhastigheter. Olika sorters regulatorer kommer att utvärderas. Troligtvis måste någon slags modellbaserad regulator användas, där man tar hänsyn till de inre tillstånden hos gimbalen. Regleringen måste ta hänsyn till fördröjningar som finns i det verkliga systemet, dessa ska även finnas med i simuleringen. 3.7 SceneServer-koppling Visualisering av simulerad data görs med en koppling mot SceneServer. 4 Implementering Till att börja med kommer regulatorn och referenssignalgenereringen att implementeras i simuleringsmiljön för att göra design och utvärdering enklare. För att testa dessa komponenter på QWIP/MASP ska regulatorer och referenssignalgenerering sedan implementeras och testas på QNX. 4.1 Ingående komponenter Implementeringen på QWIP/MASP består av följande delsystem: Fordonsfilter Regulator Referenssignalgenerering 9

10 Utveckling och implementering av regulator för Kommunikation med QWIP/MASP Figur 4. Blockschema över mätplattformen 4.2 Funktionsbeskrivning Systemet får in målkoordinator via GPRS-nätet från den centrala positionsservern eller från modell. Dessa behandlas i fordonsfiltret för att generera skattningar. Med hjälp av dessa bestämmer referensgeneratorn utifrån gimbalens GPS-position, attitydvinklar, kamerans avbildning och vald uppgift en punkt på marken att titta på. Därefter genereras referensvinklar samt referensvinkelhastigheter som skickas till gimbalregulatorn. Denna riktar in gimbalen mot de givna referenserna. 4.3 Algoritmer Framtagning och utvärdering av regleralgoritmer ska göras för implementation i Java. Dessa algoritmer ska både implementeras på en dator kopplad mot QWIP/MASP samt på den PC/104 som sitter monterad ombord. Eventuella algoritmer för fordonsfiltret ska undersökas. 10

11 Utveckling och implementering av regulator för 5 Referenser Eriksson, Lars Torsten & Wiedersheim-Paul, Finn (1991), Att utreda forska och rapportera. 1 uppl, Liber Ekonomi, Malmö. ISBN Ingemark, Peter (1990), Layout med dator. Principer för funktionell formgivning. Studentlitteratur, Lund. Jarrick, Arne & Josephson, Olle (1996), Från tanke till text. En språkhandbok för uppsatsskrivande studenter. 2 uppl, Studentlitteratur, Lund. Svenska skrivreger (2000), Svenska språknämnden. 2 uppl, Liber AB, Stockholm. ISBN X Elektroniska källor Adamsson, Adam (1999). Behov av rapportmallar <anders@institution.se> [e-post]. Personligt brev till Christian Krysander Harnad, S: Post Gutenberg Galaxy: The Fourth Revolution in the Means of Production of Knowledge in The Public-Access Computer Systems Review vol 2, no 1, pp [FTP]. Hämtat från <ftp://cogsci.ecs.soton.ac.uk/pub/harnad/harnad91.postgutenberg> Knepph, Otto <Otto.Knepph@fek.uu.se> Life is a Dream [Newsgroup]. Hämtat från <alt.books.reviews> Seabrook, RHC seabrook@clark.net Community and Progress 22 jan [Listserv]. Hämtat från <cybernmind@jefferson.village.virginia.edu> Seabrook, RHC seabrook@clark.net Community and Progress 22 jan [Listserv]. Hämtat från <cybernmind@jefferson.village.virginia.edu> via listserv@jefferson.village.edu> Zariski, A. Student Peer Assessment in Teriary Education: Promise, Perils, and Practice i Abort, J & Willcoxson. (eds), 1996, Teaching and Learning Within and Across Disciplines, Murdoch University, Perth [www]. Hämtat från < Opublicerade källor Bertilsson, Bertil, (2001), Risk och säkerhet ur ett samhällsvetenskapligt perspektiv. Institutionen för Tema, tema Teknik och social förändring vid Linköpings universitet (diskussionsunderlag), Linköping 11

12 Personlig kommunikation Utveckling och implementering av regulator för Cesarson, Cesar, verkställande direktör vid Mallproduktion AB, Linköping (telefonintervju) Davidsson, David, projektledare vid AB Skrivhjälp, Norrköping (brev). 12