Полетный компьютер для параплана

Полетный компьютер для параплана

Аннотация
Статья посвящена такой области как планеризм и парапланеризм, а точней одной из их составляющих – использованию полетных компьютеров. В данной статье будет рассмотрена необходимость применения полетных компьютеров, а также идея создания своего компьютера. Также в рамках статьи будет освещена тема использования фильтров для получения необходимых данных с минимальной погрешностью.

Abstract
The article is devoted to a region as the gliding and paragliding, or rather one of its components — the use of the flight computers. This article will consider the need for flight computers, as well as the idea of creating your own computer. Also in the subject of the article will highlight the use of filters to obtain the necessary data with minimum error.

Библиографическая ссылка на статью:
Панькин А.В. Программно-аппаратный навигационный комплекс для планеристов и парапланеристов // Современные научные исследования и инновации. 2017. № 2 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2017/02/78690 (дата обращения: 14.04.2022).

Парапланеризм – это развивающийся вид спорта, в котором нужно управлять парапланом, приобрел среди любителей новых ощущений широкую популярность. Параплан – представляет собой очень легкий безмоторный пилотируемый летательный аппарат, планер с мягким 2-х болочковым крылом, надуваемым через воздухозаборники набегающим потоком воздуха. Полеты на параплане может совершать любой человек, так как это не требует специальной спортивной подготовки, но привлекает многих своей зрелищностью и возможностью парить над землей.

Одной из основных задач при воздухоплавании является навигация, а при использовании безмоторных аппаратов, зависящих от восходящих и нисходящих потоков воздуха, необходимо также определять границы потоков и значения скороподъемности. Здесь на помощь приходит полетный компьютер.

Моя работа предполагает разработку специализированного блока сенсоров и программного обеспечения для смартфона, позволяющего использовать его в качестве полетного компьютера. Программное обеспечение будет обеспечивать фильтрацию поступающих с сенсоров данных, а так же их слияние и отображение в удобном интерфейсе. Такое применение значительно расширяет возможности полетных компьютеров по сравнению со специализированными. В ходе работы предполагается решить следующие научные задачи: подбор оптимального по критерию минимизации ошибки типа фильтра Калмана для фильтрации данных с сенсоров, слияние данных GPS/ГЛОНАСС, барометра и блока инерциальной навигации.

Существуют специализированные полетные компьютеры, обладающие определенным функционалом, которые позволяют измерять и отображать:

• скорость изменения высоты (скороподъемность);
• высота полёта (фактическая и над уровнем моря);
• измерение температуры;
• ориентирование на местности с использованием карты;
• измерение скорости ветра;
• скорость движения относительно земли.

На рынке существует большое количество полетных компьютеров разных производителей. На рисунке 1 представлены одни из самых популярных и цены на них. Причем в зависимости от функций и формируется конечная цена. Например, если в полетном компьютере есть система навигации, то такие компьютеры будут иметь цену уже от 300 евро, а это примерно 20тыс рублей. Не все могут себе позволить покупать специализированные полетные компьютеры, но без них полет становится небезопасным.

Рисунок 1 – Производители и цены на полетные компьютеры

У меня возникла идея создания программно-аппаратного комлпекса на базе смартфона, который решит эту проблему.

Данный разрабатываемый комплекс включает в себя:

• сам смартфон или планшет на базе Android OS со специализированным программным обеспечением (ПО), которое будет разработано. В качестве ПО также будет возможность использовать сторонние ПО, такие как Xcsoar или Xctrack, но с рядом ограничений.
• специализированный блок сенсоров – это небольшое устройство, размера примерно 5х3х1.5 см. Планируется выпуск нескольких версий креплений: можно крепить на запястье (особенно актуально для парапланеристов), а также если используются в планерах – то креплениие в кабине пилота.

Связь со смартфоном возможна с помощью Bluetooth или USB. Внешний блок сенсоров будет включать в себя:

• блок инерциальной навигации в составе: акселерометр, гироскоп, магнетометр ( IvenSense MPU -9250 );
• высокоточный барометр ( ST Micro LPS 25 HB );
• микроконтроллер;
• батарея.

Прототип блока сенсоров представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Прототип блока сенсоров

Как и было сказано ранее, в рамках данной работы будет реализовано специализированное ПО на базе Android OS. Прототип данного ПО представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Прототип специализированного ПО

Интерфейс в отличие от существующих ПО (таких как Xcsor, Xctrack) более дружелюбный и простой для использования конечными пользователями. Основные характеристики расположены в центре экрана. Маршрут, который прорисовывается на экране позволяет анализировать входные данные: красным цветом отображаются восходящие потоки, а синим нисходящие (т.е. тот момент, когда параплан двигался вниз). Также ПО позволяет записывать данные полетов и сохранять сам маршрут полета. При этом количество записей неограниченно, ограничение только во внутренней памяти используемого смартфона/планшета.

Любой измерительный прибор обладает некоторой погрешностью, на него может оказывать влияние большое количество внешних и внутренних воздействий, что приводит к тому, что информация с него оказывается зашумленной (неточной). Чем сильнее зашумлены данные, тем сложнее обработать такую информацию.

Фильтр — это алгоритм обработки данных, который исключает шумы (или уменьшает их количество) и лишнюю информацию, которая негативно влияет на результат.

В рамках первого этапа работы было проведено сравнение различных фильтров, используемых во многих областях науки и техники.

Выбор пал в сторону фильтра Калмана. Данный фильтр является одним из самых популярных алгоритмов анализа и фильтрации данных. В фильтре Калмана есть возможность задать входную информацию о характере системе, связи переменных и на основании этого построить более точную оценку, но даже в простейшем случае (без ввода априорной информации) он показывает себя очень хорошо.

Работа фильтра состоит в следующем:

1. Этап прогнозирования, когда прогнозируется, как будут вести себя величины (значения) в следующий момент времени (с учетом неточности).
2. Далее происходит измерение величин.
3. Анализируются прогнозируемые данные и те данные, которые были измерены на втором этапе.
4. Корректируется механизм предположения (также с учетом неточности и зашумленности этой информации).

В результате проведения тестирования алгоритма фильтра Калмана был получен следующий результат, изображенный на рисунке 4.

Рисунок 4 – Результат тестирования

• синяя линия – обрабатываемые значения;
• красная линия – результат работы фильтра Калмана.

В рамках исследования были проведены также тестирования и других алгоритмов: минимаксный фильтр, медианный фильтр и другие вариации фильтра Калмана. Но именно классический вариант фильтра Калмана показал наилучшие результаты.

В итоге схема программного комплекса изображена на рисунке 5. Входными данными являются: показатели с Инерциального измерительного блока ( IMU ), GPS/ГЛОНАСС, Барометар/высотомера. Далее эти показатели анализируются, обрабатываются и с помощью фильтра Калмана мы получаем данные с минимизированной погрешностью, которые передаются на блок расчета инерциальной навигации. Так мы получаем более точные выходные данные, такие как высота, местонахождение и скорость, которые мы уже видим на экране своего смартфона.

Рисунок 5 – Схема программной составляющей комплекса

Заключение

Цена разрабатываемого комплекса предполагается ниже, чем у всех текущих разработчиков полетных компьютеров. В отличие от конкурирующих устройств, разрабатываемый комплекс будет иметь более низкую цену за счет того, что основные операции выполняются на смартфоне (т.е. на стороне ПО), а также во внешний блок нет необходимо встраивать экран, так как все данные отображаются на смартфоне.

Кроме того, использование планшета в качестве полетного компьютера позволит отображать большее количество данных, поскольку планшет по сравнению с другими устройствами имеет большую диагональ.

1. Браммер К., Зиффлинг Г. Фильтр Калмана-Бьюси. Пер. с нем. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1982.
2. Сизиков В.С. Устойчивые методы обработки результатов измерений. Учебное пособие. – СПб.: «СпецЛит», 1999. – 240 с.
3. Greg Welch, Gary Bishop. An Introduction to the Kalman Filter. TR 95-041, Department of Computer Science, University of North Carolina at Chapel Hill. April 5, 2004.
4. Перов, А. И. Статистическая теория радиотехнических систем. — М.: Радиотехника, 2003. — 400 с. — ISBN 5-93108-047-3.
5. Цыплаков, А. (2011) Введение в моделирование в пространстве состояний. — Квантиль, № 9, стр. 1—24.

© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

GPS SD

Разработан для просто навигации.

Флайткомпьютер среднего уровня для тех, кто предпочитает маршрутные полеты.

GPS SD имеет все те же функции для маршрутных полетов, что и приборы
Nav SD и Live SD, за исключением специфических функций, необходимых для соревновательных полетов и лайф-трекинга.

НЕДОРОГИЕ ВАРИОМЕТРЫ С МИНИМАЛЬНЫМ ФУНКЦИОНАЛОМ

Основное преимущество данного класса — это цена. При этом мы получаем достаточно продвинутый прибор высокой точности с набором функций, которых более чем достаточно для самостоятельных начальных и даже дальних маршрутных полетов. Сейчас минимальный функционал уже включает в себя:

• два вариометра: аналоговый и цифровой, причем каждый со своей независимой регулировкой;
• три альтиметра: абсолютной (от уровня моря), относительной (выставляемой по выбору пилота от уровня старта или посадки) и «зироу» (обнуляемой одним нажатием кнопки для удобства работы в потоке);
• измерение текущего давления и температуры;
• автоматическое запоминание факта взлета (перепад высоты);
• память приблизительно на 100 полетов с фиксацией даты, полетного времени, максимальных значений скороподъемности и набора.

Дополнительно бывают опции подключения вертушки для измерения текущей горизонтальной скорости (что нужно только для дельтапланеристов для определения скорости срыва), и возможности скачивания данных на компьютер (что в данном классе приборов практически не используется). В общем это самый бюджетный вариант для начинающего, который пока не решил, будет ли он летать серьезные маршруты или ограничится только полетами выходного дня в зоне своего параклуба.

парапланерный прибор
FlyMaster VARIO

Данная прибор имеет самый полный набор всех необходимых функций для пилотов и даже немного больше .

Flymaster VARIO является новым парапланерным приборов для полетов от фирмы Flymaster Avionics.

После создания прибора Flymaster F1’s который уже подтвердил свои высокие характеристики, являясь очень чувствительным и точным вариометром, который обнаружит даже самый слабый из термиков, давая преимущество перед остальными пилотами, мы пошли дальше и создали новый парапланерный прибор FlyMaster VARIO.

Среди многих особенностей у FlyMaster VARIO есть график барограммы полета. На экран выводиться линия зависимости высоты от времени и 3 высотомера. Память этого прибора вмещает информацию о более чем 1600 полетов с регистрацией отчетов о каждом полете. Такими параметрами не может похвастаться ни один из современных парапланерных приборов. Другая характерная особенность — интерфейс RF, встроенный в прибор FlyMaster VARIO. Он так же отличается высокой разрешающей способностью экрана и превосходным контрастом. А с помощю провода с разъемом «миниUSB — автоприкуриватель», можно подключить его к системе питания парамотора и тогда аккумуляторы не будут разряжаться. Кстати данный прибор (как и прибор FlyMaster NAV) можно по радио каналу подключить к моторному прибору и выводить данные о моторе (температуру, обороты и остаток топлива) на экран прибора FlyMaster VARIO. В сочетании с подсветкой — это идеальный вариант для мотористов.

Еще одно из основных отличий от обычного вариометра, у FlyMaster B1 есть встроенный современный литиево-ионный аккумулятор высокой производительности. Данного аккумулятора хватает на 20 часов полета. При этом данные аккумуляторы не обладают «памятью» и он не требует полной разрядки. Его можно заряжать с любого момента.

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ
ПРИБОРА FLYMASTER VARIO

1. График высоты

FLYMASTER VARIO имеет возможность отображения барограммы полета. Как только пилот стартует, начинает рисоватся график высоты относительно времени. Значения высоты отображаются на вертикальной оси координат, а время – по горизонтальной. Временной интервал, который отбражается на экране является неизменным и равен 2 минутам. Это означает, что вы всегда можете видеть барограмму вашего полёта за прошедшие 2 минуты.

Прибор выдает информацию о температуре окружающего воздуха в 0 C или F с разрешением в 0.1 0 C. Но в полете нужно учитывать, что датчик температуры находится внутри прибора, поэтому возможна задержка между изменением температуры и показаниями прибора.

3. Альтиметры 1, 2 и 3

В процессе полета Вы можете одновременно видить три значения высоты. Поля данных Альтиметров на полётном дисплее указывают абсолютную высоту в метрах в зависимости от настроек или относительную (к примеру Альт. 3). Фактически высота полёта — это барометрическое давление воздуха, пересчитанное в метры и естественно, она полностью зависит от QNH – давления в данной точке, приведённого к среднему давлению, рассчитанному на уровне моря. В полётном режиме Альтиметр 3 может быть быстро сброшен на «0» путём кратковременного нажатия на кнопку.

4. Регулировка громкости звукового вариометра

Значок громкоговорителя, расположенный в левом верхнем углу дисплея прибора, указывает текущий уровень громкости сигнала вариометра. Уровень громкости соответствует количеству символических звуковых волн исходящих от значка громкоговорителя. Максимальная грмкость — 3 полосочки, крестик — когда звук выключен

Часы на дисплее показывают текущее время суток. Настроить часы можно в соответствующий пункт меню настроек.

6. Таймер полетного времени

Прибор FLYMASTER VARIO оснащён таймером, который показывает продолжительность полёта в Часах:Минутах:Секундах. Как только прибор зафиксирует изменение высоты ±5 метров, автоматически включается таймер полета. Выключение таймера происходит автоматически, вместе с выключением прибора. Сразу после включения таймера, информация о полёте начинает автоматически записываться в память прибора.

7. Цифровой и аналоговый вариометры

В полете необходима информация о текущей скорости подъема или снижения. Скорость подъема или снижения отображается полоской аналогового вариометра расположенной, вдоль правой стороны экрана прибора. На шкале имеются деления, цена мелких делений — 0,25 м/с, а более крупных 1 м/с. Верхняя и нижняя точка шкалы соответствует от -5 м/с и +5 м/с. Цена одного деления аналоговой шкалы равняется 0,25 м/с. Не смотря на то, что крайними значениями шкалы являются значения ±5 м/с, прибор FlyMaster VARIO способен отображать и большие значения вертикальной скорости, к примеру ±10 м/с. С ростом вертикальной скорости полоска аналогового вариометра закрашивается тёмным цветов, пока не будет достигнуто значение +5. Если скорость превысит 5 м/с, полоска вариометра начнёт разкрашиваться (как бы очищаться) до тех пор пока не будет достигнуто значение +10. Далее шкала будет закрашиваться и раскрашиваться по аналогии. Максимальное значение ±99 м/с. Такой же алгоритм работы и для отображения скорости снижения.

Крупные цифры по центру экрана — это значение скорости подъема или снижения в цифрах. Точность показания цифрового вариометра составляет 0,1 м/с. Цифровой вариометр отличается от аналогового наличием возможности усреднения значения. По умолчанию время усреднения равняется 10 секундам, но может быть изменено по желанию пилота. Таким образом, посмотрев на значение цифрового вариометра Вы сможете определить с какой скоростью Вы всреднем поднимались за прошедшие 10 секунд. Это очень удобно в слабых потоках, где часть спирали попадает в нисходящую зону. Так же Вам в этом поможет График высоты (см. пунк 1)

8. Максимальная и минимальная вертикальная скорость

Сверху и снизу от значения цифрового вариометра располагаются две небольшие цифры. Они меняются в процессе полета и представляют собой максимальные значения скорости подъема или снижения от начала полёта. Так же они зависят от выбранного пилотом времени усреднения. Эти значения обнуляются при выключении прибора, но они сохраняются в виде данных о полет в памяти прибора.

Наведите мышкой на интересуещее поле дисплея
и узнаете что на нем отображается.

9. Память полётов

«память полётов» позволяет пилоту получить доступ к подробной информации о прошедших полётах.

• Время в полёте (таймер полета)
• Максимальная скорость подъема
• Максимальная скорость снижения
• Высота точки старта
• Высота точки посадки
• Максимально достигнутая высота.
• Высота набора над стартом.

10. Возможность подключения к компьютеру

Для скачивания данных на компьютер и детального анализа всех даннах, включаяя барограмму полета.

11. Обновление прошивки парапланерного прибора Flymaster VARIO

Поскольку иногда мы добавляем новые возможности к прибору FLYMASTER VARIO, мы сделали этот процесс наиболее простым для пользователя. Первым шагом процедуры обновления является установка USB драйверов на ваш компьютер. Для этого вам необходимо соединить ваш FlyMaster VARIO с компьютером при помощи USB шнура (шнурпоставляется в комплекте с прибором) и следовать инструкциям вашей операционной системы по установке драйверов.

Это очень полезная опция, т.к. большинство парапланерных приборов не позволяет самостоятельно делать перепрошивку и в случае проблем с ПО требует отправки производителю, что в конечном счете расходует ваши время и деньги.

Помимо всего выше сказанного у прибора есть еще ряд очень серьезных отличий от конкурентов.

• Имеется кнопка RESET (нажатие тонким стержнем) для быстрого сброса настроек.
• Очень точный и чуствительный датчик давления последнего поколения.
• Функция ПРЕДПОТОК — информирует о находящемся поблизости восходящем потоке.
• Вместо батареек в комплекте идут литиевые аккумуляторы, которых хватает на 20 часов полета.
  С возможностью их быстро заряжать от сети ( 2-3 часа), от компьютера через кабель USB-mini UUSB за 15 часов.
• Прибор поставляется в комплекте со шнуром и футляром для хранения и транспортировки.

Более подробнуб информацию о функциях и настройках Вы сможете узнать из инструкции FlyMaster B1 (VARIO)

Полетный компьютер для параплана

Ребята, я всегда держу цену до последнего, но текущий рост цен на комплектующие не оставляет выбора. Пока цена на Mvario поднялась на 150р. Что будет дальше — посмотрим.

Питание прибора от 2х пальчиковых батареек.
Размеры 9.5х7х2см. Вес 80гр без батареек.
В комплект входит прибор и чехол.

Портативный электронный вариометр способен сохранять данные скорости по 50-100 последним полетам. Более универсальные устройства наделены и другими функциями, такими как GPS.

Виды вариометров по функционалу и способу исполнения

Самый бедный функционал имеют вариометры для установки в приборную панель летательных аппаратов. Они имеют свой особенный форм-фактор и размер. Обычно нужно, чтобы при разработке вертолета или самолета заранее конструктивно предусматривалась установка определенного вариометра.

Переносные приборы, предназначенные для использования в летательных аппаратах без встроенной измерительной техники условно можно разделить на 3 группы:

1. Акустические.
2. С экраном.
3. С GPS.

Акустические

Звуковой вариометр часто называют «пищалка». Это самое простое электронное устройство, сообщающее об изменении высоты. Оно не имеет дисплея. В результате вертикального ускорения прибор создает звуковой сигнал. Чем выше скорость, тем чаще повторение звуков и их тональность. Сигнал подъема и снижения отличается.

Порог срабатывания устройства на набор высоты и снижение отличается. Обычно сигнал при снижении возникает при ускорении свыше -2,5 м/сек. При наборе высоты прибор реагирует на скорость 0,3-0,5 м/сек. Такие вариометры редко предусматривают возможность регулировки чувствительности срабатывания. Поэтому важно сразу выбирать прибор с подходящими параметрами.

Несмотря на малый функционал и отсутствие дисплея, в целях безопасности устройство может отслеживать уровень зарядки батарейки. При включении в зависимости от производителя оно сообщает одним или двумя звуковыми сигналами о состоянии источника питания. Если устройство молчит, то батарейку нужно поменять.

Недостаток акустического вариометра не только в малой функциональности и отсутствии возможности определения точной скорости, но и затруднениях использования. Применяя прибор на планере или другой пилотируемой технике при сильных ветровых порывах сложно услышать сигнал. Его рекомендуют размещать поближе к уху.

С экраном

Оснащенный дисплеем вариометр дороже акустического в 3-4 раза. Это устройство помимо звукового оповещения выводит на экран цифровые показатели скорости. Нередко даже приборы с монохромным дисплеем имеют встроенный альтиметр (устройство определения высоты полета) и могут выводить график изменения высот. Дисплеи таких устройств имеют антибликовое покрытие, что нужно для нормального считывания данных под ярким солнечным светом.

В вариометрах такого класса имеется цифровой и аналоговый датчик. Это позволяет контролировать точность по двум показателям. Однако диапазон цифрового устройства в несколько раз выше. При несовпадении данных с двух датчиков прибор создает звуковой сигнал об ошибке, что дает понять об опасности доверия к получаемым данным.

С GPS

Вариометры с GPS отличаются от аналогов с дисплеем наличием встроенного навигатора. Это позволяет автоматически составлять карту полета, определять пройденное расстояние. Многие приборы позволяют отслеживать текущее местонахождение в реальном времени. На корпусе устройства может иметься кнопка SOS для подачи сигнала бедствия на ранее запрограммированный адрес электронной почты или номер. Нередко такие приборы сами загружают данные о маршруте и изменениях высоты полета в личный кабинет на сервере производителя, откуда их можно скопировать для внесения в статистику.

По сути это уже не просто вариометр, а целый полетный компьютер. Он может иметь возможность настройки дисплея для вывода только интересующих замеров. Такие устройства пользуются спросом при пилотировании не моторизированных аппаратов.