Operation: Remote and/or Autonomous Control

Transkript

1 Operation: Remote and/or Autonomous Control Stephen Edwin Solar Aircraft Project, 4E1300 Fredrik Grevfors Subtask 5,

2 Sammanfattning Radiostyrning har en räckvidd på c:a 1 km, fjärrstyrning via informationslänk har en räckvidd som ökar med kvalitén på dess komponenter och ett autonomt plan kan i princip flyga tills motorerna dör. I takt med ökad räckvidd för olika kontrollmetoder ökar också kostnaden och, framför allt, komplexiteten vad gäller både underhåll och konstruktion. Beroende på projektets slutliga design kommer olika faktorer som behandlar styrningen att vara aktuella. En farkost av skärmmodell, en vinge, blir lättare att starta i förhållande till ett konventionellt flygplan men kanske samtidigt svårare att styra via roder och servon då en skärm traditionellt styrs genom förflyttning av dess tyngdpunkt. Att utrusta farkosten med en GPS-koordinerad autopilot vore utan tvekan oerhört roligt men samtidigt väldigt dyrt att köpa eller komplicerat att själv tillverka. Autopiloten i sig är en mycket komplicerad anordning. Dess olika delar måste vara väl synkroniserade för att hela systemet skall fungera över huvud taget. Om en detalj havererar, kommer med all sannolikhet hela flygplanet att haverera. Autopiloten behöver också simuleras innan den testas vid flygning om man inte gärna vill springa efter flygplanet med en radiokontroll för att styra upp eventuella fel i programmeringen. Således kan vi inte rekommendera en autopilot innan någon åtar sig ansvaret att programmera en sådan. Vår rekommendation är ett radiostyrt flygplan av traditionell modell på grund av följande: Tillgången till ingående komponenter är stor. Priset är lågt i förhållande till autonoma system. Specialfunktioner, som t. ex autopilot etc. finns färdiga att köpa. Det finns mycket information om tillvägagångssätt vad det gäller tillverkning, montering, samt handhavande av RC-system, och även mycket kunnigt branschfolk. 1

3 Innehållsförteckning Sammanfattning Innehållsförteckning Inledning 3 Varför och hur flyger ett flygplan 4 Varför kan ett flygplan flyga? 4 Hur styrs ett flygplan? 4 Start och landning 5 Start av flygplanet 5 Traditionell start med motorkraft 5 Lina 5 Ramp 5 Landning av flygplanet 6 Traditionell- eller trepunktslandning 6 Fallskärm och luftkuddar 6 Kommentar 6 Kontrollsystem 7 Alternativa system 7 Radiostyrning 7 Sändaren 7 Frekvens 8 Fjärrstyrning via informationslänk 8 Analog signal 8 Digital signal 9 Kameror 9 Autopilot 10 Accelerometrar (gyron) 10 Gyroskop (gyro) 10 Gyrofel 12 Autopilotens beståndsdelar 12 Vad skulle behövas i vårt projekt? 12 Kommentar 13 GPS-systemet 13 Tillförlitlighet och noggrannhet i GPS systemet 13 Differentiell GPS (Felkorrektion) 14 Val av mottagare 14 Tillbehör 15 Rekommendation 16 Fördelar / Nackdelar 16 Resultat 17 Sammanfattning 18 Referenser 19 Bilagor 21 2

4 Inledning I rapportens genomförande har vi strävat att, i så god mån som möjligt, uppfylla de förväntade resultaten: Uppgifter om hur flygplanet kan komma att kontrolleras. Rekommendationer till kontrollsystem med hänsyn tagen till kostnad. Uppskattning av arbetsmängd som måste läggas ner på kontrollen. I projektets definition står att läsa att farkosten skall flyga på ett begränsat område nära startplatsen samt kunna starta och landa på lokala vägsträckor. Detta främjar direktkontrollerade system vilka har ett begränsat användningsområde. Projektets kostnadsbegränsning på kronor begränsar samtidigt användandet av autonoma system som i förhållande till RC-system är dyra. I sökandet av information på de olika system har dock ingen hänsyn tagits till kostnad då det, främst inom autonoma system, finns mycket lite tryckt information inom området. Informationen rörande kontrollen av flygplanet och dess olika begrepp och delar presenteras först i en mer övergripande form för att sedan bli mer detaljerad för olika metoder och termer. Rekommendationer ges för två fall: ett enkelt, billigare system samt ett lite svårare och dyrare system. Nybörjarmodellen är den som kanske bäst passar kunskaps- och kostnadsnivå vid starten av projektet men efterhand som erfarenheterna och kanske även sponsorpengarna rullar in kan en mer komplicerad och dyrare variant av kontroll väljas. Den stora fördelen i en förprogrammerad eller autonom farkost anser vi vara räckvidden som för den kan bli mycket större än för ett radiostyrt flygplan. För att underlätta förståelsen av rapporten för icke flygkunniga samt att ge en övergripande bild av vad som skall genomföras för att kunna styra flygplanet inleds rapporten med en grundläggande sammanfattning av varför ett flygplan kan flyga och hur det flyger. 3

5 Varför- och hur flyger ett flygplan? Varför kan ett flygplan flyga? Dragkraften från flygplanets propellrar eller turbiner får flygplanet att röra sig framåt. För att det skall kunna lyfta måste drag- och lyftkraft kunna uppväga flygplanets vikt och motståndet från luften, flygplanet måste med andra ord drivas framåt med tillräckligt hög fart. Flygplansvingens profil utformas så när en luftström sveper fram på över- och undersidan fås en lyftkraft. Genom att ge vingen en välvd ovansida och en rak undersida tvingas luften ta en längre väg på ovansidan och därmed öka sin hastighet. När luftströmmens hastighet ökar minskas lufttrycket inom samma område, dvs det uppstår ett sug. Ur detta undertryck erhålls en stor del av vingens lyftkraft. Återstoden av lyftkraften bildas på vingens undersida genom ett övertryck som vill pressa vingen uppåt. Övertrycket bildas genom att luften på undersidan minskar i hastighet på motsvarande sätt som den ökar på ovan sidan. För att öka övertrycket på undersidan ännu mer kan vingprofilens undersida göras konkav och då ännu effektivare minska luftströmmens hastighet. Om vingens framkant höjs bildar luftströmmens riktning en vinkel mot undersidan, den s.k infallsvinkeln. Hur styrs ett flygplan? För ett flygplan med fast vinge regleras flygfältet med hjälp av rörliga roder som bildar en del av bakkanterna på vingarna, fenan, och stabilisatorn. De kallas skev-, sid- och höjdroder. Rodren fungerar genom att de böjer av luftströmmen som passerar, vilket bildar krafter med motsatt riktningsverkan mot roderutslagen. För att ge maximal hävstånsverkan placeras rodren så långt som möjligt från planets mitt. Skevrodren ger utslag åt olika håll varvid en vinge lyfts och den andra sänks och flygplanet lutar åt ena sidan. Om skevrodren konstrueras så att utslaget uppåt blir större än nedåt blir luftmoståndet lägre vid den nedre vingen och planet kan lättare gå genom svängen. Sidrodret svänger stjärten höger eller vänster samtidigt som planet vinglider eller girar och nosen pekar nedåt. Höjdrodren som sitter stabilisatorns bakre kanter höjer eller sänker planets stjärt, och därmed också planets nos. Skevroder får planet att luta i sidled Sidrodret rör planets stjärt i sidled 4

6 Start och Landning Start av flygplanet Möjligheterna att få upp ett flygplan i luften beror på flera faktorer av vilka planets vikt, utformning och storlek samt motorers dragningskraft är av största betydelse. Här presenteras några startmöjligheter vilka kan vara aktuella av olika anledningar. Traditionell start med motorkraft Att starta flygplanet på det konventionella sättet genom acceleration på plant underlag med ingen annan hjälp än motorernas dragkraft känns onekligen roligast men det kan innebära en del problem. Innan start måste batteri eller ackumulator laddas vartefter elmotorerna kan startas, och om flygplanet blir stort krävs det fler eller starkare motorer vilket resulterar i högre kostnader. Om flygplanet skall kunna lyfta för egen maskin beror på dess vikt och strömförsörjningen från solcellerna men även på propellrarnas utformning. Propeller och utväxlingar på planet påverkar aktionstiden då ökad belastning ger ökad strömförbrukning. För stor propeller eller för hög utväxling kan överbelasta och skada ackumulatorn. Lina Skulle planet vara litet till både storlek och vikt skulle det lätt kunna startas med hjälp av en startlina och två personer. System med lina kan dock även tillämpas på större flygplan med hjälp av en bil på samma sätt som man startar en hängglidare med vinsch. En ring i linans ena ände hakas fast i en krok på flygplanskroppens undersida. Flygplanet hålls mot vinden så att det lyfter. Det stiger snabbt tills linan slaknar, ringen lossnar av luftdraget från kroken och linan faller till marken. Billigt, enkelt och det kräver ingen kraftig framdrivning från motorerna som istället kan dimensioneras enbart för kontrollen i luften vilket innebär mindre eller färre motorer. Ramp Metoden att skjuta upp en UAV 1 via ramp är den modell det svenska försvaret använder för sitt UAV-system Ugglan, men då rör det sig om en farkost som mest liknar en kryssningsrobot med vingar och färdas i 200 km/h. Om en katapullt med tillräckligt hög acceleration kunde tillverkas kan det ändå vara ett alternativ till att ge flygplanet lite extra dragkraft vid starten. 1 Unmanned Aerial Vehicle 5

7 Landning av flygplanet När flygplanet väl kommit upp i luften måste det ju förr eller senare komma ner igen och att landa ett fjärrstyrt flygplan kan inte vara lätt oavsett storlek. Att landa flygplanet på en vägsträcka helt autonomt eller genom förprogrammerade instruktioner förkastas med tanke på förmodad arbetsinsats. Kommentar Traditionell- eller trepunktslandning Landning i hög hastighet är riskfyllt varför modellflygare normalt har gasspjäll på motorerna för att sänka planets hastighet. Med elmotorer är detta förfarande inte möjligt och man får förlita sig till att planet har tillräckliga glidegenskaper för att kunna landa. Planet förs mot vindriktningen med avsikt att förlora höjd för att därefter gå i glidflykt i vindriktningen. Sedan är det en bedömningsfråga innan planet styrs i sidvind för att åter igen styras i motvind för själva landningen. Att utföra denna landning efter en förprogrammerad rutt känns hopplöst varför det måste röra sig om direkt kontroll genom t.ex en radiosändare. Men även med direktkontakt med flygplanet är detta en manöver att respektera, ett misstag kan räcka för haveri med ett trasigt flygplan som följd. Klart snyggast vore det dock med en trepunktslandning där planet först sätter fronthjulen i backen innan piloten sänker stjärten med höjdrodrets hjälp och sätter i sporrhjulet. Fallskärm och luftkuddar Genom att utrusta flygplanet med en fallskärm kan flygplanet, oavsett annan landningsfunktion, kanske garanteras fler flygningar utan att det behöver repareras om kontrollen av någon anledning skulle gå förlorad. Fallskärmen skulle kunna fällas ut via kommando i en programkod eller via en signal från en radiosändare. För att ytterligare stärka säkerheten kring landning kan ett tryckluftssystem i flygplanskroppen på given signal eller kommando producera en air bag för buklandning. Både start och landning kommer styras mycket av den slutliga designen av flygplanet. Den traditionella starten och landningen bygger på ett konventionellt flygplan med kropp och fast vinge. Då ju flygplanet inte skall transportera någon speciell last utöver dess interna komponenter kan det komma att röra sig om en kroppslös farkost och då är landning med fallskärm kanske det enda alternativet. Om planet ändå skulle utformas på ett konventionellt sätt och styras med radiokontroll kommer planet vid start och landning behöva handhas av någon med kunskaper på området för att minimera riskerna för haveri. Eftersom ingen i projektet besitter dessa kunskaper skulle kanske lättare start och landningsmetoder då väljas i första hand. Dock skulle kanske en erfaren modellpilot kunna övertalas att flyga farkosten åt oss. 6

8 Kontrollsystem Alternativa styrsytem Den konventionella styrningen av flygplan utför som bekant av en pilot och vid flera tillfällen även av en s.k. autopilot. Om vår farkost skall styras med autopilot kommer vi tvingas bygga den själv eftersom de autopiloter som säljs på marknaden är anpassade för bemannade flygplan och kostar mer än projektets totala budget. Vidare skulle planet kunna styras via en informationslänk mellan flygplan och pilot, där information om höjd, fart etc. sänds ner vartefter piloten reagerar och skickar upp information till styrservona. Denna typ av styrning kan göras på flera sätt t.ex. genom bildöverföring via en i planet monterad kamera, GPS koordinering eller genom vanlig radiosignaler s.k. RC-styrning. Skillnaderna mellan de olika systemen är stora vad det gäller komplexitet, räckvidd och naturligtvis priset, som ökar i takt med att de andra faktorerna ökar. Radiostyrning Radiostyrning, eller RC, fungerar så att en sändare sänder en kodad radiosignal som uppfångas i en i fordonet installerad mottagare, vilken avkodar signalen och leder den till rätt servo. Servot omvandlar den elektriska signalen till mekanisk rörelse, och denna överförs till en eller flera rörliga delar i farkosten. Servots utslag står i direkt proportion till kontrollspakens rörelse på sändaren. Normalt kontrollerar ett servo en rörlig del och varje servo arbetar på en specifik signal. RC-anläggningarna indelas efter det antal funktioner, olika signaler de omfattar. Med ett åttakanalsaggregat kan man alltså ha upp till åtta funktioner. På ett RC-flygplan reglerar normalt fyra servon sidroder, trottel, höjdroder och skevroder vilket gör planet helt manövrerbart. Utöver dessa fyra servon kan planet även utrustas med infällbart landningsställ, bromsar, rörliga klaffar, styrbart nos- eller sporrhjul etc. till priset av fler kanaler på sändaren. Sändaren En sändare som ger full kontroll över ett motordrivet flygplan behöver fyra funktioner, en för vardera sidroder, höjdroder, skevroder och trottel. En vanlig fyrakanalsändare har två kontrollspakar, som båda manövreras 360 och samtidigt styr två servon var. Spakarna återgår automatiskt till neutralläge när man släpper dem, trottelspaken har tandad upphängning och stannar i inställt läge. 7

9 Jämte spakarna finns normalt rodertrimm med vilka man kan finjustera rodren när styrspaken står i neutralt läge så att flygplanet går i planflykt rakt fram. Rodertrimmen skall inte användas regelbundet. Behöver man justera med rodertrimmen ofta skall linksystemet mellan servo och roder justeras. Trotteln kan också anslutas till en trimm för maximering av motorvarvet. Många sändare har ställbara reduceringar av roderutslagen. I allmänhet finns det två reduceringar för antingen skev- och höjdroder eller sid- och höjdroder. Vid komplicerade manövrar eller då mer uppmärksamhet behöver riktas till andra funktioner kan skevroderutslagen förhandsinställas så att de blir mindre känsliga. En sändare för flygplan är försedd med två huvudkontroller, höjd- och sidroder eller höjd- och skevroder. Kontrollerna kräver olika manövrering och varierar mellan olika utföranden av sändare. På vissa sändare finns en anslutning för dubbelkommando, s.k. buddybox, vilken ger möjlighet för en annan pilot att koppla in sig på sändaren och ta över kontrollen av flygplanet. Frekvens I Sverige är 35 MHz-bandet endast tillåtet för modellflyg, men även 27, 30 och 40 MHz-banden är tillåtna för radiostyrning av modeller. 27 MHz-bandet bör dock undvikas vad det gäller flygning eftersom det har störning av kommunikationsradiotrafik och radiostyrda bilar vilka använder bandet. Varje band har flera frekvenser som är färg- och nummerkodade och endast en farkost kan använda en speciell frekvens inom ett visst område. Två farkoster på samma frekvens stör varandras signaler. Televerket samt SMFF (Sveriges Modellflygförbund) ger information om otillåtna frekvenser på respektive band. Fjärrstyrning via informationslänk Att styra planet via nedlänkad information kan gå till på flera sätt men fungerar generellt på samma sätt som RC. Informationen som piloten sänder består av datafiler som sedan styr planets servon via en i flygplanskroppen monterad CPU 2 eller mikrokontroller. Analog signal Om den data som sänds ner från flygplanet består av analog bildinformation vilken skall översättas till den skärm piloten styr efter uppstår en del problem. För att bildfilerna skall kunna överföras i realtid krävs att det sitter en kraftig räkneprocessor i planet så att piloten kan styra efter det han ser på skärmen. Med en fördröjning på insignalen om 5 10 sekunder, eller mer, blir det ju ganska svårt att landa eller reagera på oförutsedda händelser i luften. Fungerande system av denna typen har tillverkats av vardera en tysk och en amerikansk hobbyflygare som vi lyckats finna och anses fullt möjligt att tillverka enligt källor från autonoma system på KTH med inriktning mot datorseende, men det rör sig om dyra kameror och avancerad programkod och reglerteknik. 2 Central Processing Unit. 8

10 Digital signal Dyra kameror och avancerade reglersystem är nog ännu mer aktuellt vad det gäller digitala signaler men de har också enorma fördelar mot den analoga varianten. Fördröjningen mellan bilden som genereras i planets kamera och den kamera som piloten styr efter kan minimeras och, i avancerade system, helt tas bort. De system som idag används av bl.a. mobiltelefoner, s.k. GPRS-tjänster (kan överföra 1 Mb digital information på 1 minut) och Edge-system (1 Mb på 20 sekunder), kräver uppkoppling mot internet vilket känns lite onödigt. Inte heller WCDMA 3 -systemet, som beräknas komma ut på marknaden tidigast om tre år, duger (2 Mb/s) då det kräver att sändare och mottagare rör sig i låg hastighet gentemot varandra. Nutida teknik som kan lösa vårt problem tycks vara interaktiv DAB 4 eller DVB 5 som redan nu överför 1 Mb/s och finns utvecklad på flera håll, men den har ett par stora nackdelar. Den snabba radiomottagaren, s.k. bredbandig nedlänk, har mycket hög strömförbrukning vilken dock försöker begränsas med motsvarande långsam radiosändare, s.k smalbandig upplänk. Överföringssystemet kallas asymmetrisk access och duger utmärkt för videouppspelning, surfande på internet etc. men inte då man samtidigt som bilden ses vill kunna styra ett flygplan, dock är fördröjningen inte särskilt lång om planet flygs i ett störningsfritt område. Ett annat problem är att systemet än så länge bara finns tillgängligt kring större städer i Sverige och inte ännu i så stor utsträckning. Kameror När det gäller överföringen av bilder kan det utföras analogt eller digitalt. Då den information vi behöver för att kunna styra planet från marken via en bildskärm är digital borde alltså digitala kameror vara att föredra. Analoga vhs- och video8 kameror har använts till liknande projekt men då endast för att filma sceneriet så att säga. Mer avancerade UAV-system som de det svenska och amerikanska försvaret använder IRkameror för både dag- nattvision och svartvit lågljus TV för dager. De analoga kamerornas möjlighet att ge skarp bild på stora avstånd är en klar fördel när det handlar om filmning från flygplan. När det gäller zooming med digitala kameror, s.k. DV-kameror, talar man om optisk- och digital zoom. All zooming som sker i den optiska räckvidden ger knivskarp bild men det handlar sällan om mer än 20 gångers förstoring. Den digital zoomen kan ge upp emot 400 gångers förstoring till priset av betydligt oskarpare bild. Bildens skarphet kanske inte är så viktig dock när det gäller styrning av ett flygplan. Att bygga en liten kamera för vidare montage på vårt flygplan är inte så krångligt då samtliga delar finns att köpa hos ELFA. Lyckligtvis finns det dock ett färdigt kamerapaket att köpa på Claes Olsson AB ingående samma komponenter som säljs hos ELFA men till mindre än halva priset faktiskt; 2300 kronor. Denna kamera har provats av modellflygare och enligt de bilder som visas upp på internet ger den fina resultat. 3 Wideband Code Division Multiple Access 4 Digital Audio Broadcasting. 5 Digital Video Broadcasting. 9

11 Autopilot Vad beträffar en autopilot tänkte vi först förklara vad en autopilot innebär. En autopilot är ett data system som styr en maskin i en programmerad riktning i vårat fall ett flygplan. Det finns många olika sorters autopiloter till ett flygplan. Den vanligaste och mest avancerade Är en autopilot som navigerar via så kallade bryt punkter (waypoints). Dessa är antingen baserade på GPS eller radiofyrar som är uppställda på strategiska platser på marken. Radiofyrarna skickar en positions signal till flygplanets autopilot vilket räknar snabbt ut avstånd till radiofyren. Ett flygplan måste ha kontakt med minst tre stycken radiofyrar för att få exakt position. GPS systemet tar vi upp separat. Dessa autopiloter har även start och landningsfunktion vilket gör att i teorin behövs inga riktiga piloter utan kan på egen hand genomföra en flygning från start till landning. Andra nivåer på autopiloter är att man i en flygning kan koppla in en riktning (heading) rakt fram som flygplanet flyger. Detta gör att en pilot måste styra flygplanet på rätt kurs för att sedan aktivera autopiloten. Autopiloten styr sedan rakt fram tills piloten inaktiverar autopiloten. Styrsignalerna genereras från så kallade accelerometrar vilket även här tar upp separat. Accelerometrar (Gyron) När man vill ta sig från en plats till en annan med en helikopter eller ett flygplan, underlättar det om man har hjälp av gyron. Det finns magnetkompass, gyrosynkompass, tröghetsnavigerings-system, stjärnföljare eller en GPS. Gyron användes för första gången i styrnings- och navigerings sammanhang kring år De första gyrokompasserna för fartyg togs fram på 10-talet. För flygplan dröjde det till 30-talet innan det kom i allmänt bruk. Mellan talet utvecklades precisionsgyron typ tröghetsnavigeringssystem. Därefter utvecklades stjärnföljare för att positionsbestämma satelliter och robotar. Stjärnföljare arbetar i kombination med tröghetsnavigering, vilket ger en mycket exakt positions bestämning av farkosten. På senare år har GPS:n tagit över för att positionsbestämma flygplan. Dock så kommer gyron att alltid finnas för positions- bestämning eller för kursangivelse, i någon form. Nu mera finns det också laser- och elektrostatiska gyron. Vi har nämnt ett antal olika modeller på olika gyron som finns i nuläget. Det gyro vi kommer att ta upp är vad ett standard gyro används till och hur det fungerar. Vi utesluter vissa gyron på grund av att dessa inte är aktuella i vårat projekt.. Gyroskop (gyro) Gyroskop (gyro) är ett instrument som mäter en kropps vinkelrörelse i förhållande till ett inertialsystem. De traditionella gyrona har ett roterande svänghjul (rotorer) och en eller flera kardanringar vilka i sin tur är upphängda i ett fundament. Se figur, sidan

12 Visar ett en axel gyro, med inaxel (insignal) och utaxel (utsignal). Genom kardanringarna är rotorn isolerad från fundamentet. Om rotorn och kardanringarna rörde sig friktionsfritt skulle rotorn behålla sin orientering oberoende av fundamentets rörelse, även om den inte roterade. Fundamentets läge relativt ett inertialsystem skulle då kunna uppmätas. Men på grund av icke önskade moment, orsakade av friktion, massobalans mm ändrar spinnaxelns riktning. Om rotorn roterar minskar momentets inverkan på spinnaxeln, därför roterar rotorn i praktiken med cirka r/min. Gyroskopisk precision innebär att rotorn med dess spinnaxel vrids i den riktning som är vinkelrätt mot spinnaxeln och det anbringande momentet d.v.s. att den påförda kraften verkar 90 efter i rotationsriktningen. Genom att rotorn med spinnaxeln vill behålla sitt läge kan man mäta vinkeländringar mellan kardanringarna. Visar hur ett gyro rör sig när det utsätts för en kraft. 11

13 Gyrofel Några feltyper som själva gyrot har är drift och fel i vinkelmätningen. Med drift menas precision orsakad av störningar. Störningar kan orsakas av: friktion i upphängningen massobalanser kombinerande med accelerationer elförbindningar avvikelse från avsedd arbetstemperatur yttre magnetfält Fel i vinkelmätningen kan också uppstå på grund av fel i övervakningssystemet. Vid mätning av stora vinkelrörelser hur fundamentet kan man få korskopplings fel d.v.s. gyrot reagerar för rörelse kring fel axel. För kursgyron kallas detta för kardanfel och uppstår när flygningen avviker från horisontalplanet. Kursgyron har även skenbar(referens)drift som beror på jordens rotation, den är i Sverige 12 till 15 /timme. Detta var lite allmän information om hur ett vanlig gyro fungerar. Autopilotens bestånds delar Vad består då en autopilot av? Det finns många varianter och vi kommer att ta upp den mest vanliga modellen. Autopilotens hjärna består av en dator som bearbetar information från ett navigationssystem. Datorn får dess utom in information från accelerometrar, gyron, som sitter utplacerade på flygplanets kropp. Dessa accelerometrar känner av hur planet ligger i luften. Autopiloten får också information från höjd- och hastighetsmätare. Med all denna information beräknar datorn vilken position, var och hur snabbt man kommer till den punkt man vill flyga till. Det finns ett flertal instrument som ger ytterliggare information till datorn men jag har valt att inte ta med dessa ty det är oviktigt i vårat projekt. Vad skulle behövas i vårt projekt? Först och främst behövs ett navigationssystem. I vårt fall ligger GPS närmast till hands. Denna enhet bestämmer var vi just nu befinner oss. Den kopplas i sin tur till en översättare som kan samla information om flera brytpunkter. Denna översättare skickar nu enbart var planet just nu befinner sig och den aktuella brytpunkten. Enbart två koordinater skickas till huvuddatorn. Huvuddatorn skickar i sin tur ut styr signaler till accelerometrarna (gyron) och kontrollerar så att flygplanet ligger rätt i luften. Om nu dessa inte gör det så korrigerar huvuddatorn dessa genom att påverka rodren på flygplanet. Varje sekund skickas en ny position från översättaren till huvuddatorn om flygplanets position som då bearbetas, jämförs och korrigeras. Detta är nu mycket förenklat. Som ni märker är det ett mycket komplext system. I fall vi nu bestämmer oss för att styra via autopilot föreslår vi att köpa en komplett autopilot. Med detta beslut slipper vi att programmera in styrlagar och kommunikations protokoll mellan navigationsinstrument och huvud dator. 12

14 Kommentar Om någon skulle vara intresserad av att bygga ett system som möjliggör visuell styrning av flygplanet av pilot på marken ges det som examensarbete på 20 högskolepoäng a 800 timmar av Flygtekniska Försöksanstaltens UAV-grupp under FOI 6. Det faktum att FOI inte bara önskar forskning inom ovan nämnda område utan även inom styrsytemet som helhet för sina UAV-projekt har bidragit till att vi släppt förhoppningarna om att, just nu, själva kunna utveckla ett sådant system. Att DAB och DVB än så länge bara finns i några städer gör att det där uppstår andra problem som t.ex. störningar och tillstånd. Om planerna på att lägga ned alla dagens analoga TVsändningar innan år 2010 förverkligas kommer tekniken kunna utvecklas i de nätens överflöd av kapacitet men till dess kan vi ju inte gärna vänta. GPS-systemet GPS ( Global Positioning System) även kallat "NAVSTAR" består av 27 satelliter i omloppsbana kring jorden. Denna bana ligger på km höjd. Satelliternas inbördes placering är sådan att minst 5 alltid är tillgängliga för en användare på marken. Var och en av dessa sänder en datakod som kan tas emot på marken eller i ett flygplan. Signalerna sänds på två frekvenser 1575,42 MHz och 1227,6 MHz. I dagsläget är endast den ena frekvensen tillgänglig för civilt bruk. Eftersom varje satellits position är känd (satellitalmanacka) kan en mottagare på marken jämföra datakoden och räkna ut avståndet till varje satellit och beräkna sin egen position. Det är också möjligt att tillämpa metoden att mäta på bärvågen, vilket ger ökad noggrannhet men kräver längre mättid. Som en bonus får man också en noggrann tidsangivelse. Observera dock att tiden anges för GMT (Greenwich Mean Time) och måste korrigeras till svensk tid, + 1 timma vid Svensk normaltid och + 2 timmar då vi har sommartid. Det finns även ett liknande ryskt system "GLONASS", som kan kombineras med GPS. Tillförlitlighet och noggrannhet i GPS systemet Tillgängligheten hos NAVSTAR är så god att många länder tillåter GPS-baserad navigation som ombord på fartyg och flygplan. Tack och lov så har USA tagit bort det medvetna feltillägget S/A fr. o m S/A innebar bland annat att man kunde se en fart/kurs indikering på en mottagare även om den låg på trädgårdsbordet. Som en följd därav kunde det inte garanteras bättre noggrannhet än ± 100 meter 95 % av tiden och ± 300 meter 99,99 % av tiden. Nu är det ju alltid risk för att det slås på igen och då gäller åter igen ovanstående värden. Utöver Uncle Sam's eventuella påverkan måste även signalernas färd ned genom Jonosfären och Troposfären medräknas. Andra försämrande faktorer är reflektion av signaler, klockfel, banfel och kvalitet hos mottagare. Med alla fel inräknade kan man inte räkna med en noggrannhet som är bättre än ca ±20-30 meter. Detta varierar ju givetvis och man kommer att se noggrannheter på metern när vid enstaka tillfällen. 6 Totalförsvarets forskningsinstitut (Tidigare FFA). 13

15 Noggrannheten i höjdangivelserna är normalt ca 1,5 gånger sämre än horisontellt p g a bristen på satellit signaler från banpositioner under ca 3 över horisonten. Det gör att trianguleringen blir svårare för att bestämma höjden. Det finns numer GPS-mottagare med inbyggd barometer för att ta hand om detta bekymmer. Dessa är kalibreringsbara och kan även visa trender i lufttryck och logga tillryggalagd sträckas höjdförändringar. Differentiell GPS (Felkorrektion) Vad kan då göras för att bättra på noggrannheten? Genom att upprätta referensstationer runt om i världen vars uppgift är att jämföra erhållet värde från GPS-systemet med sin kända position och beräkna avvikelsen kan en stor del av felvisningen rättas till. Referensstationerna rapporterar sitt mätvärde via en databehandlingscentral till den enskilda användaren via radio. Det svenska Sjöfartsverket har i likhet med många andra länder byggt ett system av långvågssändare runt vår kust som sänder en korrektionssignal som kan mottagas av särskilda DGPS-mottagare och användas av de flesta GPS-mottagare. Detta system ger god täckning i Östersjön och kring Europas kuster med noggrannhet ned mot 8-10 m, om en kvalitetsmottagare och antenn används. Även våra stora sjöar är inom dessa stationers räckvidd. Tyvärr så är täckningen över landmassan inte någonting att räkna med. För att erhålla god noggrannhet på land och även kring våra kuster tillhandahåller Teracom en tjänst som kallas Epos. Detta system sänder korrektionssignalen vi RDS (Radio Data System) över P3 sändarna i Sverige, detta innebär att överallt där du hör P3 & P4 i stereo kan du få DGPS. Fler länder följer Sveriges exempel och inför liknande system. Epos Premium innebär ca 2 meters noggrannhet. Även här betyder mottagare och antennkvalitet mycket för erhållen precision. Sjöfartsverkets system är gratis för användaren efter att du köpt en DGPS-mottagare. Epos-mottagare är billigare än ovanstående mottagare men en abonnemangsavgift tillkommer per år. För närvarande ca 6000:- / år exkl. moms. Det har nu tillkommit en ny tjänst som sänder korrektionsdata via "DARC" kanalen på P3 & P4 nätet. En mottagare för denna tjänst kostar som en Epos-mottagare men ingen avgift utgår. Noggrannheten kan uppgå till bättre än 5 meter. Vi måste tänka på att kvaliteten hos vår utrustning har stor betydelse för erhållen noggrannhet. För att vi skall kunna utnyttja denna korrektion krävs att vår GPS-mottagare kan ta emot data i formatet "RTCM 104". Val av mottagare Mottagare för fast installation har ofta större och tydligare display men kräver fast anslutning för strömförsörjning. En handhållen mottagare har oftast samma finesser som de fast monterade och de som har anslutning för extern antenn ger också lika god mottagning i svåra förhållanden som de fast monterade. Mottagarenheten är oftast samma oavsett om mottagaren är handhållen eller fast. Däremot så skiljer sig mottagarna sig åt på några viktiga punkter. Mottagaren kan lyssna på satellitsignalerna en och en eller alla på en gång. Sekventiella mottagare drar normalt lite mindre ström och är något billigare att tillverka men behöver längre tid för att bestämma sin position och längre tid för att återfinna den efter avbrott. Parallellmottagare följer samtliga 14

16 satelliter som är tillgängliga samtidigt och är därför snabbare till första positionsbestämningen och behåller låsningen i betydligt svårare lägen än sekventiella. Antalet tillgängliga kanaler är också av betydelse, eftersom antalet mottagna satelliter och dess inbördes spridning påverkar precisionen. Det behövs låsning på 3 satelliter för att erhålla s.k. tvådimensionell position och 4 satelliter för tredimensionell position, dvs. inkl höjd över havsytan. Antalet synliga satelliter vid varje givet tillfälle varierar mellan 4 och 11 st. varför mottagare med fler än 12 kanaler inte ökar noggrannheten.( om inte även GLONASS utnyttjas ) Flertalet mottagare använder sig av 8 eller 12 kanaler sekventiellt eller parallellt, och några nöjer sig med 5-6 kanaler men kan med programvara låta mottagaren använda de bästa satellitpositionerna i beräkningen. För användning till sjöss och på öppna ytor är det inte någon större skillnad i prestanda mellan olika mottagartyper. Däremot i skogsmarker där mottagningsförhållanden kan variera är en mångkanalig parallell-mottagare att föredra, möjlighet att ansluta eller flytta extern antenn hjälper också till att förbättra resultatet. Den för tillfället mest avancerade mottagaren för amatörbruk i skogen, Garmin etrex Summit har förutom sin 12-kanaliga parallellmottagare en inbyggd elektronisk kompass och barometer. Med kompassfunktionen kan man projicera en position genom att syfta med mottagaren, låsa riktningen och ange ett uppskattat avstånd. Tillbehör Listan över bra tillbehör kan göras mycket lång, men här kommer endast de i vårt tycke viktigaste tillbehören att behandlas. Kabel för extern strömförsörjning eller extra batteripack, och med möjlighet till att ansluta mottagaren till en dator för hantering av brytpunkter och rutter. Med Garmin mottagare kan även data överföras mellan två mottagare. 15

17 Rekommendation Fördelar/Nackdelar Radiokontrollerat Fördelar Kostnaden, tillgängligheten av produkter, reservdelar och kunskaper inom RC-flyg samt dess relativa enkla konstruktion. Nackdelar Räckvidden är utan tvekan den stora nackdelen, men en annan viktig faktor är handhavandet av RC-sändaren. Fördelar Genom att använda autopilot får vi ett system som är hel automatiskt. Vi kan ställa in alla inställningar på marken och sen köra programmet helt själv. Vi har full kontroll över hela flygningen och all nödvändig information sänds ner till vår anslutna dator. Dessutom är det den klart coolaste lösningen. Autopilot Nackdelar Priset för ett sådant system är väldigt dyrt. Efter som vi har ca kronor att röra oss med får vi aldrig ett system med dessa prestanda. Om vi nu mot förmodan skulle bestämma oss för ett autonomt system måste vi bygga det själv. Detta är otroligt tidskrävande. I en rapport från FOA som en student har gjort tar det cirka 800 heltid arbetstimmar att designa. Sedan har vi själva byggandet plus programmeringen av mikroprocessorerna. Detta är alldeles för tidskrävande. Varje komponent i autopilotsystemet kräver alla sin teknologi som måste vara kompatibel med övriga komponenter. Ifall detta nu inte går måste avancerade omskrivningsprogram skrivas vilket kräver stor kunskap i området, dels från komponenterna men även programmeringsmässigt. Nackdelarna för autonoma system är betydligt fler i vårt fall än fördelarna. 16

18 Resultat Vår rekommendation måste bli ett radiostyrt flygplan på grund av dess låga kostnader och förhållandevis enkla konstruktion. Om radiosignalen förstärks och en enkel kamera monteras på flygplanet kan radiostyrningen bibehållas på en längre räckvidd än den som begränsas av pilotens syn, vilken uppskattas till att vara c:a 1 kilometer av modellflygare vi talat med. Den totala kostnaden för ett RC-system med 6-kanalig sändare, 4 st. kullagrade servon, ackumulatorer i både sändare och mottagare är c:a 3500 kronor. En enkel kamera för montage på flygplanskroppen, om det kommer finnas en sådan, kostar hos Claes Ohlsson AB c:a 2300 kronor inklusive färgkameramodul, mottagare, stativ och två transformatorer. Innan vi vet planets slutliga utformning, storlek och vikt känns det svårt att rekommendera start- och landningsmetoder men vi är av den åsikten att det vore absolut snyggast med den konventionella metoden. Detta kräver dock att någon av projektets medlemmar blir utbildad inom modellflygets konst innan flygning eller att en erfaren pilot hyrs in för ändamålet. Som en förebyggande åtgärd anser vi att en fallskärm borde tillhöra den slutliga designen av flygplanet för eventuell landningsmetod samt extra säkerhet mot haverier. Om den slutgiltiga designen blir en farkost med endast en stor vinge, skärm, anses start via lina eller vinsch vara optimalt tillsammans med landning via ovan nämnda fallskärm. Skulle budgeten på kronor öka på grund av investerare eller dylikt vill vi rekommendera en lite mer komplicerad kontrollmetod vilken består av en kombination av RC-styrning och autopilot. Enligt denna modell skulle planets flygrutt programmeras för att sedan följas av autopiloten. Autopilotens kontroll över planet skulle dock kunna brytas av en radiosignal om en pilot på marken skulle vilja ta över vid eventuella oförutsedda händelser. Denna modell blir då egentligen bara en påbyggnad av den ovan rekommenderade metoden och skulle således kunna appliceras på den i takt med ökade tillgångar och kunskaper. 17

19 Sammanfattning Radiostyrning har en räckvidd på c:a 1 km, fjärrstyrning via informationslänk har en räckvidd som ökar med kvalitén på dess komponenter och ett autonomt plan kan i princip flyga tills motorerna dör. I takt med ökad räckvidd för olika kontrollmetoder ökar också kostnaden och, framför allt, komplexiteten vad gäller både underhåll och konstruktion. Beroende på projektets slutliga design kommer olika faktorer som behandlar styrningen att vara aktuella. En farkost av skärmmodell, en vinge, blir lättare att starta i förhållande till ett konventionellt flygplan men kanske samtidigt svårare att styra via roder och servon då en skärm traditionellt styrs genom förflyttning av dess tyngdpunkt. Att utrusta farkosten med en GPS-koordinerad autopilot vore utan tvekan oerhört roligt men samtidigt väldigt dyrt att köpa eller komplicerat att själv tillverka. Autopiloten i sig är en mycket komplicerad anordning. Dess olika delar måste vara väl synkroniserade för att hela systemet skall fungera över huvud taget. Om en detalj havererar, kommer med all sannolikhet hela flygplanet att haverera. Autopiloten behöver också simuleras innan den testas vid flygning om man inte gärna vill springa efter flygplanet med en radiokontroll för att styra upp eventuella fel i programmeringen. Således kan vi inte rekommendera en autopilot innan någon åtar sig ansvaret att programmera en sådan. Vår rekommendation är ett radiostyrt flygplan av traditionell modell på grund av följande: Tillgången till ingående komponenter är stor. Priset är lågt i förhållande till autonoma system. Specialfunktioner, som t. ex autopilot etc. finns färdiga att köpa. Det finns mycket information om tillvägagångssätt vad det gäller tillverkning, montering, samt handhavande av RC-system, och även mycket kunnigt branschfolk. Stephen Edwin m98_edn@m.kth.se Fredrik Grevfors m98_grf@m.kth.se 18

20 Referenser Jackson A. & Day D, Modellbygge, Forum, 1996 Danielsson H, Börja med modellflyg - del 1: Radioflyg, Allt om Hobby, nr 1, 1997 Björstadius Urban, Nu är det digital video som gäller!, PC för Alla, nr 7, 2000 ETSI, Radio broadcasting systems, Digital Audio Broadcasting (DAB) to movile, portable and fixed receivers, ETS , Eriksson M. & Säterberg H, Dynamic radio resource management schemes for interactive services in DVB-T and DAB, Karskrona, Graupner, Modellbau, 48 FS, nr 4, 2000 ELFA-katalogen, nr 49, september 2000 augusti Länkar Butikspersonal på: Wenzells Hobby AB Roffe s Modelflyg

21 Bilagor Förkortningar vid GPS användning ALT = höjd BRG = Bearing = bäring DGPS = Differentiell GPS DST = Avstånd ETA = Beräknad ankomsttid. ETE = beräknad tid på väg. GPS = Global Positioning System NMEA = positionsdata ur mottagaren RTCM = korrektionsdata in SOG = Speed Over Ground = fart SPD = fart TRK = Track = Kurs över grund. TRN = Gira XTE = Cross Track Error = fel i sida Ett RC-plans uppbyggnad 20