ג' טבת הצעת פרויקט בס"ד 1 25.12.14

ווט אוטונומינ פרויקט:שם ה

(498862203) נאור ידעי :מגישים

(981818223) יוסף זוהר

ד"ר בועז בן משה מנחה הפרויקט:

תיאור הפרויקט

שים.)מזל"ט( על פני מטוסים מאויי ישיםנה מגמה להעדיף כלי טיס בלתי מאויכיום יש

למזל"ט יתרונות רבים:

אין סיכון לחיי אדם. -בטיחות .א

יש נמוכה בהשוואה למטוס רגיל.עלות כלי הטיס הבלתי מאוי -עלות .ב

מימדיו הקטנים של המזל"ט מאפשרים לו לבצע משימות מגוונות ואיכותיות יותר מכלי טיס רגיל. -ביצועים .ג

מופעל ע"י אדם. ולכן, למרות היתרונות שנמנו לעיל, קיימים בשיטת המפעיל האנושי כמה חסרונות:אולם המזל"ט

מעבר להשקעה במזל"ט עצמו, נדרשת השקעה של תקציבים גבוהים כדי להקים סביבה -תקציבים גבוהים .א תומכת, כגון: סימולטורים, צוות טכני רחב מאוד

ת המזל"ט וישמור על כשירות. יש צורך להכשיר צוות שיטיס א -הכשרה .ב

מזל"ט המופעל ע"י אדם עלול לטעות בעת ביצוע המשימה בהתאם לשיקול דעת מוטעה של מפעילו. -טעויות .ג לעומת זאת מזל"ט המופעל על פי אלגוריתם מדויק יותר, והסיכוי לטעות נמוך יותר.

הבלתי מאוייש הקיימת כיום.מטרת עבודה זו, הנווט האוטונומי, היא לשדרג את מערכת כלי הטיס

היעדים הם:

המזל"ט יפעל באופן אוטונומי ללא התערבות אנושית. .א

הנווט האוטונומי יסייע לכלי הטיס לבצע את משימתו תוך הימנעות מהיתקלות במכשולי דרך שונים. .ב

)ראה המערכת המתוכננת בפרויקט זה מותאמת למזל"ט הפשוט ביותר, שהוא קל וקטן בהרבה ממזל"ט רגיל .גבתרשים המצורף(. לכן המזל"ט יהיה מסוגל לבצע באופן מדויק ומושלם "משימות איכות", שאינן ניתנות לביצוע

ע"י כלי גדול יותר.

בזיהוי מכשולים בעזרת חיישני עוסקים ר בניתוח תמונה ואנורוב הפרויקטים בתחום עסקו בעיק -על פי סקר שוק שערכנו

.GPSמרחק ושיערוך

בסופו של תהליך נרצה להשתתף בתחרות רחפנים אוטונומיים. תחרות זו הינה כלל ארצית, ומשתתפים בה קבוצות ממוסדות חינוך ואקדמיה, ארגונים, חברות וקבוצות פרטיות.

http://youtu.be/Yrd0WD2Vxu8קישור לסרטון התרשמות:

ג' טבת הצעת פרויקט בס"ד 8 25.12.14

תיאור המערכת

מרכיבים עיקריים: חמישה תכולל המתוכננתהמערכת

מזל"ט - AR.Drone 2 .א נתונים כלליים:

m/s 11.11: מרביתמהירות .1

100mגובה מקסימאלי: .2 (א)בגלל מגבלות בטיחות של רת"

451x451x62mmמידות: .3

380gמשקל: .4

.לזיהוי עצמים במהלך הטיסה יםמיועד - חיישני מרחק .ב

19החיישן מזהה עצמים ממרחק .SHARPשל GP2Y0A60SZ0F מסוג IR נשתמש בחיישן

7.2x8.0x22.0mm -קטי מפקו הוא ס"מ. 189ס"מ עד למרחק של הנתונים ליוןילג קישור

world.com/products/device/lineup/data/pdf/datasheet/gp2y0a60szxf_e.pdf-http://sharp

.את מיקומו הנוכחי ולאן הוא צריך להגיע זל"טמיועד לומר למ - GPSרכיב .ג

.u-blox MAX-7נשתמש ברכיב .מאוד יקרכיב קומפקטי ומדוה

html-modules/max-modules/pvt-blox.com/en/gps-http://www.u.7 - קישור

.ונותן הוראות טיסה למזל"ט GPS-הממקבל את הנתונים מהחיישנים ו - בקר טיסה .ד

יחסית.חזק קטנים וכוח עיבוד הנתונים שלו שממדיו ,Teensy 3.1שתמש בבקר מסוג נ https://www.pjrc.com/teensy/teensy31.html - קישור

להעברת הנתונים מבקר הטיסה למזל"ט. Bluetoothנשתמש ברכיב - נתונים מעביר .ה

במהלך העבודה:שהרכבנו )חלקית( משולבתמערכת

ג' טבת הצעת פרויקט בס"ד 4 25.12.14

רכיבי הפרויקט

:סכמת המערכת

מקרא:

. בקר טיסהa . מערכת ניווט:4 . מזל"ט1

b רכיב .GPS . חיישן מרחקc . טלפון חכם8

d רכיב .Bluetooth

המערכת תפעל באופן הבא: - אפיון המערכת

יאסוף את הנתונים הבאים: (a) בקר הטיסה .א

הסנסורים -מדי מרחק(c) ,אם קיימים עצמים במרחב של המזל"ט.יספקו מידע

ה: -מיקוםGPS (b) קו הגובה.את יספק את קו האורך ו

המובנה Bluetooth-אל רכיב ה Bluetooth (d)-בעזרת רכיב ה stream-ב הנתונים מסעיף א' יועברו .ב

.(2)בטלפון החכם

ג' טבת הצעת פרויקט בס"ד 3 25.12.14

הנתונים יכללו: .(2) אל הטלפון החכם (1)שלחו מהמזל"ט יי NavDataנתוני .ג

a. גובה מעל פני הקרקע

b. :אוריינטציה

i. yaw

ii. roll

iii. pitch

c. מהירות טיסה

d. מצב סוללה

'( יעברו עיבוד ג-הנתונים מהסעיפים הנ"ל )ב' .ד בטלפון החכם.

על סמך עיבוד הנתונים, הטלפון החכם ישלח .ה

WiFi-בעזרת רכיב ה (1)פקודות אל המזל"ט שמובנה בטלפון החכם.

בטלפון החכם. מובניתה 3G-עשו בעזרת שימוש בטכנולוגית היפקודות חירום י .ו

Use Case:

ג' טבת הצעת פרויקט בס"ד 8 25.12.14

ג' טבת הצעת פרויקט בס"ד 6 25.12.14

UML - Class diagram:

]חשוב לשים לב: מפאת חוסר חילקנו את המחלקות -מקום

"ARDrone" הקשורות למחלקת דיאגרמות[ 8-ל

ג' טבת הצעת פרויקט בס"ד 7 25.12.14

ג' טבת הצעת פרויקט בס"ד 2 25.12.14

ג' טבת הצעת פרויקט בס"ד 0 25.12.14

פלטפורמת הפיתוח

ובחירת החומרה האתגר הטכנולוגי

מבית AR.Drone 2-ב בחרנושיהיה קל משקל וקטן. המתאים ביותר לצרכים שלנו, מזל"טה את חיפשנו. בחירת מזל"ט

Parrot .באמצעות אליומתחבר מפעיל המזל"טWiFi ,בנוסף, המזל"ט שולח נתונים בזמן אמת אודות הטיסה )גובה .נתוני הטיסה והמצלמות אנו למות, קדמית ותחתונה. בעזרת מצ 8 למזל"ט מחוברותוכו'(. , מהירות טיסהאוריינטציה

( על אובייקט מסוים בקרקע, כך Optic Flow) "להינעל"למזל"ט האפשרות וס.יכולים לנתח בזמן אמת את התנהגות המט

. תיעוד מלא ומפורט לכך וקיים ,ניתן לתכנות AR.Drone 2בנוסף, . במהלך הריחוף מעל האובייקטהוא יכול להישאר יציב יש הרבה ספריות לשליטה במזל"ט ברחבי הרשת.כמו כן

ומבצע את כל ,GPS-ח המקבל את כל הנתונים מהמזל"ט, מהסנסורים ומהובקר הטיסה הינו המ. בחירת בקר טיסהבקר שיענה על כל היינו צריכים לבחורואנו בקרים בשוק, הרבה יש בכל זמן נתון. פקודותלמזל"ט לתתהחישובים ע"מ

.נתונים חזק כוח עיבודודיוק בעל בעל ממדים קטנים, קל לתפעול, הדרישות:

הוא יכול .Arduinoוגם mini PC, כרטיס המכיל בתוכו PCDuino 2-בהתחלנו להתנסות

לא התכונות החזקות שבו אך ,Ubuntuואת מערכת ההפעלה Androidלהריץ מערכת .לפרויקטהתאימו

, קטןבקר יותר רצינו להחליפו באך ,בקר זה ענה לדרישותינו. Arduino unoהמשכנו עם

,בקר קטן מאוד - teensy 3.1vבחרנו לעבוד עם העיבוד. לכןנופל ממנו מבחינת כוח ינואש

.Arduino-שכוח העיבוד שלו עולה על כרטיסי ה

:בשני סוגים התנסינו. חיישני מרחק של רבים םסוגי יש. בחירת חיישני מרחק

1. IR Sensor - והקרן מוחזרת ,לאובייקט אינפרא אדום אורקרן שולח חיישן הזרה של קרן האור ומחשב את המרחק החהלחיישן. החיישן מודד את זווית

אובייקט.מה

8. Ultrasonic Sensor - המעריכים, סונארל או לרדאר דומה עיקרון על עובד החיישן . בהתאמה קולה גלי או מהרדיו ההדים פירוש ידי על אובייקטאת המרחק מה

מאוד קטן, מדויק מצאנו דגם ספציפי מכיוון ש( המערכת תיאורראה ) IR-בחרנו את חיישני ה אפסי. ומשקלו ,יחסית

כיום יש מהווה חלק מרכזי במערכת הניווט האוטונומי. GPS-רכיב ה. GPSבחירת רכיב

. הוא מאוד GPS u-blox MAX-7-ה רכיבאנו בחרנו את קים. קטנים ומדוי GPSהרבה רכיבי .שבחרנו קיים מצפן מובנהובמודול ,מדויק

שפת פיתוח וסביבת עבודה

חלקים: 8-נושא זה מתחלק ל

.Teensy 3.1פיתוח הקוד ל: .א

יס החכם.עם תוסף שיש להתקין בשביל לעבוד עם הכרט Arduinoהפיתוח נעשה בסביבת עבודה של

.C :שפת תכנות

.Androidקוד לטלפון החכם מבוסס הפיתוח .ב

.Eclipse ADTנעשה ב:הפיתוח

.Javaשפת תכנות:

PCDuino 2

teensy 3.1v

Ultrasonic vs IR

ג' טבת הצעת פרויקט בס"ד 19 25.12.14

אלגוריתמים

שונים: (mode) מזל"ט ל"מצבים"נחלק את פעולות ה

מצב "קרקע" .א

מצב "המתנה" .ב

מצב "טיסה אל היעד" .ג

)מיידית / לא מיידית( "סכנה"מצב .ד

מצב "התגברות על מכשול" .ה

כל מצב מכיל מספר שלבים.

נחלק את המצבים לשלושה תרשימים:

: תרשים זה מתאר את המזל"ט בתחילת התהליך: המזל"ט במצב "קרקע". לאחר בדיקת תקינות המזל"ט 1תרשים מס' (8-4עובר למצב "המתנה". הריבוע המסומן באדום הינו מעבר לתרשימים הבאים )

הפעלת

ט"המזל

קיימת בעיהמופיעה הודעה מתאימה על

מסך הטלפון החכם

:דוגמאות לבעיהבטריה חלשה

אין חיבור למטוס

המערכת תקינה

ומחוברת כראויט עולה לאוויר ומחכה "המזל

(אחת או יותר)צ "לנ

עדיין לא התקבלה מטרה ט שומר על מיקום "המזל

Optic flowנוכחי בעזרת

ונזהר מעצמים דינאמיים

התקבלה מטרהט מתכוונן אל המטרה "המזל

בעזרת אזימוט ומתחיל בנסיעה בקו ישר אל היעד

:חיבור המערכותWifi, Bluetooth

ובדיקת תקינות

ג' טבת הצעת פרויקט בס"ד 11 25.12.14

נקודת ביןל: תרשים זה מתאר את המצב "טיסה אל היעד", בהנחה שלא קיימים מכשולים בין נקודת המוצא 8תרשים מס' היעד.

ם ישנם נעבוד לפי תרשים זה. אך בהמשך התרשי לכןבשלב ראשון לא יהיו מכשולים בדרך, וחשוב לשים לב: ייתכן שועם מכשולים ,ללא מכשולים )תרשים זה( שלב זה מתפצל לשניים:"התקבלה מטרה", ו מצבים המחזירים אותנו לשלב

, מובא להלן(.4)תרשים

התקבלה מטרהט מתכוונן אל המטרה "המזל

בעזרת אזימוט ומתחיל בנסיעה בקו ישר אל היעד

אין מכשולט ממשיך בטיסה "המזל

ישירה אל היעד

ט הגיע אל היעד"המזלשניות8ממתין

התקבלה מטרה נוספתהאלגוריתם יחזור לשלב

"התקבלה מטרה"

לא התקבלה מטרה נוספתהמטוס נוחת בנקודה

ט לא הגיע אל היעד"המזל-תוך זמן קצוב ביחס למטרה

האלגוריתם יחזור לשלב

"התקבלה מטרה"

ג' טבת הצעת פרויקט בס"ד 18 25.12.14

מצב "התגברות על מכשול".את התרשים זה מתאר את המצב "סכנה" )מיידית / לא מיידית(, ו: 4תרשים מס'

נעבוד לפי תרשים זה. אך בהמשך התרשים ישנם מצבים לכןבשלב ראשון נגיע למכשול, וחשוב לשים לב: ייתכן שוללא מכשולים )תרשים ,(כולל מכשולים )תרשים זה שניים:זה מתפצל ל שלב"התקבלה מטרה", ו שלבהמחזירים אותנו ל

, הובא לעיל(.8

התקבלה מטרהט מתכוונן אל המטרה "המזל

בעזרת אזימוט ומתחיל בנסיעה בקו ישר אל היעד

המטוס מתקרב למכשול

סכנה לא מיידיתט עוצר באוויר"המזל

ובודק אם יש מכשול , שניות8-לנוסף מימין

אין מכשולט מסתובב ימינה "המזל(Yaw) עד שהמכשול נעלם

מהסנסור הקידמי

התגברות על המכשולהאלגוריתם יחזור לשלב

עם שינוי " התקבלה מטרה"נקודת המוצא

זיהוי מכשול נוסףט "אם במהלך הטיסה המזל

חוזרים -מזהה מכשול מלפניו המטוס מתקרב "לשלב

"למכשול

ט טס ישר"המזל

שניות2-במשך כ

קיים מכשול(Yaw)ט מסתובב שמאלה "המזל

עד שהמכשול נעלם מהסנסור הקידמי וממשיך באלגוריתם של

"אין מכשול"

סכנה מיידיתט נסוג לאחור"המזל

וממשיך באלגוריתם של"סכנה לא מיידית"

ג' טבת הצעת פרויקט בס"ד 14 25.12.14

ייתכנות

והוא יוכל לטוס מנקודה לנקודה בלי ,שניתן להרכיב אותה על מזל"טהאתגר העומד לפנינו בפרויקט זה הוא ליצור מערכת .למרות שהוא טס בגובה נמוךיצליח להתחמק ממכשולים וגם ,התערבות יד אדם

אתגר זה מעורר מספר בעיות:

?מכשול במרחק כלשהומולו : כיצד יגיב המזל"ט כאשר הוא מזההראשונהבעיה

לעצור. לאחר מכן ישנן כמה אפשרויות: -תגובה ראשונית

נמצא המכשול, ידע היכןילאחר ש מעלות במקום ולמפות את השטח בנקודה שבה המזל"ט עומד. 469להסתובב .1 הוא יוכל לנווט ולעקוף אותו.

עד שהוא לא מזהה אף מכשול שעומד מולו. לאחר מכן ,(שמאלראש )לדוגמא, לצד להסתובב לכיוון מוגדר מ .8 המזל"ט ימשיך ישר כמה מטרים, יעצור ויכוון עצמו מחדש לכיוון הנקודה הבאה שעליו להגיע.

סתיים המזל"ט יעצור ויכוון עצמו מחדש לכיוון הנקודה הבאה ישהמכשול לצד המכשול עד שהוא מסתיים. כלטוס .4 להגיע.שעליו

צטרך לשפר אותו בעזרת שינויי חומרה.לא יהיה יעיל במקרי קצה, ולכן נ של ההימנעות ממכשולים ייתכן שהאלגוריתם

GPS (latitude,longitude .)חישוב המרחק והמיקום. המזל"ט אמור לזהות את מיקומו הנוכחי ולקבל נקודת :שנייהבעיה חית לנקודה הבאה, להסתובב כך שיהיה מול הנקודה ולהתחיל לטוס על המזל"ט לחשב את הזווית בין הנקודה הנוכ

ישפיעו על יעילות האלגוריתם ונאלץ להתחשב במקרי קצה אלו ייתכן שגורמים חיצוניים )כגון, רוח חזקה( ישירות לנקודה. ולשפר את האלגוריתם.

לא יכסה את כל מקרי את החיישניםקום בו בחרנו להציב ייתכן שהמימיקום החיישנים על המזל"ט. : שלישיתבעיה במקרה כזה נאלץ .להוביל להתרסקותועלול ו לאי זיהוי של מכשול שנמצא מול או לצידי המזל"טהקצה, ועלול לגרום

לשנות את המיקום או להוסיף חיישנים.

הגות חריגה התנחלשה, WiFiהנחתת המזל"ט במקרה חרום. כאשר המזל"ט יכנס למצב בעייתי )קליטת :רביעיתבעיה להנחית אותו בלחיצת כפתור. צריכה להיות אפשרות ,(שלא לפי האלגוריתם

עומדות לפנינו מספר אפשרויות לפתרון בעיה זו:

שהמכשיר מזהה שיחה כלרשת, ו simיהיה מחובר באמצעות כרטיס הטלפון החכםר ימכש. 3Gשימוש בטכנולוגית .1 ידי.וא פוקד על המזל"ט לנחות באופן מיה ,נכנסת

חוסר קליטה שהשיחה מתנתקת )מסיבות שונות כמו: כעולה לאוויר ומחכה למשימה. המזל"ט ,נכנסת שיחהשכ .8 ינחת באופן מיידי. )אפשרות זו הפוכה מהאפשרות הראשונה( טהמזל" ,להנחית אותו( החלטת המפעילזור או בא

של לוחפיזי ל )חיבור RC receiverלחבר למזל"ט .4שמתקבלת תשדורת כ. (, ראה תמונההמזל"ט המזל"ט נוחת באופן מיידי. ,מסוימת

ג' טבת הצעת פרויקט בס"ד 13 25.12.14

:טיפוס עובד-מימוש אב

.שיצרנו בטלפון החכםאפליקציה ל streamפלט החיישנים עובר ב: .לבקר Bluetooth-חיברנו את החיישנים ואת רכיב ה פקודות למזל"ט. על פיהם האפליקציה מקבלת את הנתונים ושולחת

.אפליקציהבוקיבלנו את הנתונים ,לבקר GPS-ה רכיב גם אתלאחר מכן חיברנו

:ראשונית( רסה)ג מתוך האפליקציה לדוגמא תמונות

מכשול. ללאמתארת מצב שמאליתתמונה

.)השינוי מסומן במסגרת אדומה( מזל"טהקדמי של ה חיישןמתארת זיהוי מכשול ב ימניתתמונה

לוח זמנים

מטלה לביצועמועד אחרון הצעה לביצוע פרויקטל ה סופיתהגש ..0313.1

עובדת ראשונית בגרסה הפרויקט הצגת ..0.1301

הפרויקטים ביום פרויקט הצגת ..0.13.1

הנדרש והציוד הפוסטר, המצגת הגשת ..031301

ג' טבת הצעת פרויקט בס"ד 18 25.12.14

סקר ספרות

1. Project Name: Node Copter

Control of the AR.Drone using node.js.

Nodecopter team create client protocol with Node.js, platform built on Chrome's JavaScript

runtime for easily building fast, scalable network applications

Link: http://www.nodecopter.com/

2. Project Name: Autonomous People Tracking using Parrot AR-Drone 2.0

Using the front camera so that the plane will follow a certain character, People detection is done

using Histogram of Gradient (HOG) feature and tracking with a particle filter.

Link: https://www.youtube.com/watch?v=SJY1zxVtWsU

3. Project Name: AR Drone Target Tracking with OpenCV - Optical Flow

Using optic flow to follow a signal

Link: https://www.youtube.com/watch?v=C95bngCOv9Q

4. Project Name: Helping Robots See

Explore computer-vision-based algorithms and machine-learning methods to help an ARDrone

quad-rotor helicopter autonomously navigate

Link: https://www.youtube.com/watch?v=o_O2o2ly-34&list=PL63FC304EF5263230&index=13

5. Project Name: AR Drone Face Tracking

Quadcopter programmed to detect and follow a face. A Haar feature detector is used to identify a

face and a camshift algorithm is used to track the face. A controller reorients the quadcopter to

center the face within the video frame.

Link: https://www.youtube.com/watch?v=VghVtljvWew

6. Project Name: quadcopter project

Obstacle Avoidance System For Parrot AR.Drone Quadcopter, very good work with the IR sensors.

Work with Node.js and JavaScript.

Link: https://tsouthprojects.wordpress.com/category/2-quadcopter/,

https://www.youtube.com/watch?v=WUs2IV1kdU

7. Project Name: Extended Wifi Signal

Antennae kit serves to increase wifi range and reliability.

The antenna is connected directly to the drone and

increases the WiFi range. It seems in Ardrone2 no

antenna connector as in Ardrone 1.

Link: http://ardroneshow.com/ar-drone-2-0-modded-

main-board-wifi-antennae-kit/

ג' טבת הצעת פרויקט בס"ד 16 25.12.14

8. Project Name: Autonomous robotic plane flies indoors

The MIT researchers have completed a series of flight tests in which an autonomous robotic plane

running their state-estimation algorithm successfully threaded its way among pillars in the parking

garage under MIT’s State Center.

Link: http://newsoffice.mit.edu/2012/autonomous-robotic-plane-flies-indoors-0810

Sensors

9. Sharp infrared IR ranger comparison

Sharp infrared detectors and rangers boast a small package, very low power consumption and a

variety of output options. In order to maximize each sensor's potential, it is important to

understand how these types of IR sensors work, their effective ranges, and how to interface to

them.

Link: http://www.acroname.com/articles/sharp.html

10. Ultrasonic Sensors

Datasheets, Application Notes, Pictures, & Other Documents

This site has tutorials on how to operate the sensors. In addition, there are programs that show

how to work with Arduino cards.

Link: http://www.maxbotix.com/downloads.htm

GPS

11. u-center GNSS evaluation software

The u-center GNSS evaluation software provides a powerful tool for evaluation, performance

analysis and configuration of u-blox GNSS receivers. Its unique flexibility makes the u-center GNSS

evaluation software an invaluable tool for evaluation, analysis and configuration of u-blox GNSS

receivers. u-blox GNSS receivers can be configured using the u-center evaluation software.

Link: http://www.u-blox.com/en/evaluation-tools-a-software/u-center/u-center.html

12. NMEA Parser - Java Language

Use for parse the GPS data.

Link: https://github.com/HvB/UsbGps4Droid/blob/master/src/org/broeuschmeul/android/gps/nmea/util/NmeaParser.java