Беспилотный транспорт и логистические системы

Умное изделие и
Технологии передачи энергии

Ульяновский государственный университет «УлГУ»

Объединенная авиастроительная корпорация «ОАК»

Московский авиационный институт «МАИ»

ООО «3В Сервис»

Проблема
Основной недостаток моделей БПЛА - короткое время полета, связанное с системой питания. Решением этой проблемы занимается множество компаний. Готовые решения включают проводные дроны (с дальностью полета на десятки метров), с индукционной зарядкой и другие решения. У этих систем есть один большой недостаток - малый радиус действия.



Предлагаемое решение
Мы предложили систему, которая позволит подзаряжать дрон в воздухе с помощью лазерной установки. Дальность действия такой установки может быть более километра.
Результаты проекта могут найти применение в самых разных сферах: от служб доставки еды и транспортных компаний, где она позволит уменьшит плотность инфраструктуры, как склады и кухни, спасательных операций, где с помощью системы можно будет ускорить проведение операций в труднодоступной для человека местности.
Цель данного проекта - разработать систему наведения и передачи энергии на парящий дрон.
Для достижения этой цели мы поставили перед собой данные задачи:
1. Провести анализ литературы и аналогичных разработок
2. разработать алгоритм поиска БПЛА и передачи энергии
Создать модель наземной установки
3. Разработать принципиальную электрическую схему умного устройства
4. Собрать устройство и провести испытания

Цель и задачи
1. Получение данных о местоположении БПЛА при помощи GPS.
2. Уточнение полученных координат при помощи камеры и акселерометра.
3. Подтверждение попадания по дрону, используя слабый лазер.
4. Передача энергии основным лазером
Алгоритм работы системы
Этапы работы
3
Для дрона и ФП была разработана 3D-модель наземной установки и её принципиальная электрическая схема. Схема включает:
- raspberry pi 3 для обработки видео и компьютерного зрения;
- arduino nano для управления шаговыми моторами и включения лазера;
- лазер, шаговые моторы, драйвера к ним, видеокамера, преобразователи напряжения.
Модель наземной установки
1
Аналоги
Анализ информации позволил выявить аналоги нашей разработки:
- технология LaserMotive для передачи энергии на большие расстояния с помощью мощного статического лазера;
- проект powerin.space посвящен передаче энергии для подзарядки мобильных устройств и дронов с помощью мощного ИК-лазера и сложной интерференционной оптики.
4
Алгоритм компьютерного зрения
Мы разработали два алгоритма слежения БПЛА с помощью компьютерного зрения. Первый, более быстрый алгоритм работает при помощи цветового фильтра, в то время как второй, более медленный но точный алгоритм работает при помощи сверточной нейронной сети.
Нами был так-же разработан тестовый приемник, который мы подзаряжали вместо самого дрона из-за низкой мощности данного лазера. Он включает фотоприемник и светодиод, используемый для наведения установки, а так-же печатную плату с пищалкой, используемой для тестирования системы.
Приемник
5
2
Эксперименты
Экспериментальные исследования были посвящены измерению параметров трех лазеров - зеленого (ЗЛ), красного (КЛ) и инфракрасного (ИКЛ) - и их воздействию на различные фотовольтаические элементы - фотоприемники (ФП).
Параметры лазеров следующие: ЗЛ - 520нм/100мВт, КЛ - 650нм/5мВт, ИКЛ - 850нм/3мВт.
Мы измеряли площади лазерных пучков по фотографиям и вычисляли соответствующие плотности оптической мощности [Вт/см2]; яркость [лк] измеряли с помощью люксметра при различных расстояниях до излучателя.
Исследования ФП проводились следующим образом. ФП располагался на различном расстоянии от излучателя и с различной ориентацией поверхности ФП к лазерному пучку для исследования эффективных углов падения света на ФП и максимальных расстояниях передачи энергии. Падающее на ФП излучение приводило к возникновению напряжения на ФП, которое измерялось мультиметром. В результате экспериментов мы выбрали самый мощный лазер (ЗЛ) и ФП с оптимальной эффективностью. Схема из нескольких ФП позволила получить более 2 В.
Технология LaserMotive
Беспроводная передача энергии лазерным излучением powerin.space
После создания 3D моделей и разработки принципа работы мы распечатали детали и собрали прототип наземной станции и светоприёмника.
Прототип наземной станции и приемника
6
gps-модуль
комбинированный модуль(гироскоп, акселерометр)
драйвер шагового двигателя
arduino nano
шаговые двигатели
raspberry pi 3
Сверточная нейронная сеть
Простой алгоритм
• замена шаговых двигателей на более точные электродвигатели
• увеличение разрешения видео(замена камеры)
увеличение мощности лазера
• заменить механическую систему наведения на механико-оптическую
• комбинировать компьютерное зрение с оптической системой обратной свзязи с уголковыми отражателями
улучшение аппаратной базы
замена системы наведения
-1-
-2-
Планы развития проекта

Команда
Щвецов Даниил
программист
Артемий Одышев
программист

Никита Локтев

инженер

Марат Мулюков

инженер
Архип Саввин
физик-исследователь
Данил Толпекин
физик-исследователь
Фотоотчет
Направление «Беспилотный транспорт и логистические системы»
Контакты
+7 (916) 154 38 98

© Большие вызовы — 2021