DG18P02OVV069 - A System of Sensory-equipped Helicopter with a Mechanism for Safe Flight in Historical-documentation Applications in Building Interiors

DG18P02OVV069 - Systém senzoricky vybavené helikoptéry s mechanizmem pro bezpečný let v historicky-dokumentačních aplikacích v interiérech budov

Program na podporu aplikovaného výzkumu a vývoje národní a kulturní identity na léta 2016 až 2022 (NAKI II)

 

 

Specifikace výsledku: Technické specifikace platformy bezpilotní helikoptéry vybavené palubními senzory a výpočetní kapacitou umožňující autonomní let v lidmi nepřístupných interiérech historických budov. Výsledek umožňuje realizovat dokumentační techniky používané pracovníky památkářské péče v obtížně dostupných místech a v blízké vzdálenosti od skenovaných objektů.

Popis výsledku: V rámci projektu DG18P02OVV069 byl navržen a zkonstruován funkční vzorek senzoricky vybavené helikoptéry s mechanizmem pro bezpečný let v historicky-dokumentačních aplikacích v interiérech budov.  Na palubním počítači Intel NUC je zprovozněn řídicí systém pro vícerotorové helikoptéry MRS UAV System, vyvinut skupinou MRS na ČVUT v Praze. Palubní počítač dále poskytuje výpočetní prostředky pro vykonávání autonomního letu, zpracování dat z palubních senzorů v reálném čase a jejich zaznamenávání pro pozdější zpracování.

V rámci návrhu byl kladen důraz na vytvoření funkčního vzorku, který by vedle požadovaných vlastností zvyšujících bezpečnost nasazení bezpilotních prostředků v historických budovách vykazoval i výraznou úroveň modularity z hlediska snímacího zařízení a jeho orientace na helikoptéře. Navržená helikoptéra je tak schopna nést různé typy senzorického vybavení využívaného pro dokumentaci historických objektů až do váhy jednoho kilogramu. Senzorické vybavení může být umístěno na rámu helikoptéry ve dvou různých konfiguracích - na stabilizačním zařízení s nastavitelnou orientací v okolí dopředné orientace a na pasivně-tlumeném uložení s orientací směrem vzhůru. V rámci procesu návrhu funkčního vzorku byla nejprve postavena první verze systému, která byla úspěšně nasazena i v historických památkách. Následně byl zpracován druhý návrh funkčního vzorku integrující požadavky na úpravy vycházející z testování první verze systému. Na základě tohoto návrhu byla zhotovena finální verze funkčního vzorku.

Kompletní návrh hardwaru byl proveden formou počítačově asistovaného návrhu. Strukturální (nesenzorické a neelektrické) části navrženého modelu byly následně přímo použity pro strojovou výrobu strukturálních částí helikoptéry. Navržený systém je založen na osmirotorové helikoptéře s koaxiálním uspořádáním motorů splňujícím požadavek na vysokou nosnost se současným zachováním relativně malých rozměrů helikoptéry a zároveň zajišťujícím motorickou redundanci. Rám helikoptéry je sestaven z hliníkových profilů spojených prvky vyfrézovanými z desek z laminovaných uhlíkových vláken. Jednotlivé rotory jsou osazeny třinácti palcovými uhlíkovými vrtulemi, které jsou zvenčí chráněny kryty z uhlíkových desek. Kryt vrtulí slouží jako poslední bezpečnostní prvek při selhání všech ostatních protikolizních prvků, kterými je helikoptéra vybavena. V případě kolize s okolním prostředí zabraňuje kryt kontaktu vrtulí s okolním prostředím, čímž je zabráněno výraznějšímu poškození okolních objektů rotujícími vrtulemi a zároveň destrukci vrtulí, která by učinila helikoptéru neletuschopnou. Zdrojem elektrické energie helikoptéry jsou dvě 6 článkové Lithium-polymerové baterie.

Hlavní senzory a řídicí prvky helikoptéry jsou umístěny v centrální části helikoptéry na soustavě uhlíkových desek. Uprostřed centrálního prvku je umístěna distribuční deska, speciálně navržena pro předkládaný funkční vzorek. Tato deska zajišťuje základní funkce spojené s distribucí elektrické energie: připojení motorů ke zdroji elektrické energie, rozhraní pro propojení řidicí jednotky, senzorů a palubního počítače, rozhraní pro propojení řídicího modulu palubní kamery s počítačem a generování diagnostických signálů. Nad distribuční deskou je umístěna řídicí jednotka Pixhawk 2.1 zajištující převod řídicích signálů na akční zásahy jednotlivých rotorů. Na centrálním prvku je dále umístěn palubní počítač Intel NUCi7, který je hlavní výpočetní jednotkou helikoptéry. Během mise palubní počítač zpracovává všechna data ze senzorů, spouští všechny programy potřebné pro autonomní let a vykonávání požadované mise a současně zprostředkovává operátorovi rozhraní pro provádění zásahů do systému v průběhu vykonávání mise (např., umožňuje ovládat palubní kameru sloužící pro sběr dat, přerušit či pozastavit misi apod.). Ze senzorického pohledu je helikoptéra vybavena 3D laserovým skenerem Ouster OS0-128, hloubkovou kamerou Intel Realsense D435, laserovými dálkoměry Garmin Lidar Lite v3 a inerciální měřící jednotkou s trojitou redundancí a termální stabilizací obsaženou v řídicí jednotce Pixhawk 2.1.

Pro řízení navrženého systému je využit MRS UAV systém pro řízení bezpilotních helikoptér, který byl intenzivně otestován v pro let nepřiznivých podmínkách zahrnujících prašné prostředí, prostředí s různou úrovní osvětlení i let v prostředí malých rozměrů a tedy s výrazným vlivem vzdušných proudů generovaných samotnou helikoptérou. Nad rámec standardního řídicího softwaru je navržená bezpilotní helikoptéra vybavena senzory a softwarem pro odpuzování od překážek v rámci autonomního i semi-autonomního letu a dále diagnostickými prvky využívanými pro zprostředkování informace o stavu systému operátorovi a bezpečnostnímu pilotovi.

Podrobnější specifikace výsledku je dostupná v dokumentu popisujícím navržený funkční vzorek. 3D model navržené helikoptéry je dostupný přes následující odkaz. Návrhy jednotlivých PCB desek jsou rovněž dostupné přes následující odkaz.

 

Video z experimentu

Následující video prezentuje nasazení funkčního vzorku v prostředí historických budov. Více videí lze najít na stránkách https://dronument.cz.

 

tacr-logo  advacam_logo       fee-ctu-logo