Multi-beam optical sensor for measuring drone coordinates

Abstract

The article presents a multi-beam optical sensor for measuring drone coordinates in threedimensional space. The first part of this sensor is installed around a landing pad or a goods delivery pad. It forms a set of low-energy optical beams of a certain shape. Each beam transmits a digital code that characterizes its location relatively the pad. The second part of this sensor is a small set of miniature photodetector units that are fixed under the drone. The proposed technique based on the beam code analysis helps to calculate the drone coordinates relatively the pad. This sensor guarantees few centimetres accuracy, which is necessary for accurate drone taking off or landing without usage of an expensive digital camera or a human operator. The paper describes the classification of drone coordinate measurement techniques, sensor design, and experimental tests of the proposed optical sensor. The advantages and possible applications of these sensors are also discussed.

В статті представлено багатопроменеву оптико-електронну систему для вимірювання координат дрона в тривимірному просторі. Всі існуючі системи умовно можна поділити на два класи: системи, які використовують камери, і системи, які не використовують камери. В нашій роботі показано новий метод системи, яка не використовує камеру. Одна частина цієї системи встановлюється навколо посадкової площадки або площадки, над якою необхідно здійснити позиціонування. Він утворює набір низькоенергетичних оптичних променів певної форми. Кожний промінь передає цифровий код, який характеризує його розташування відносно площадки. Друга частина цієї системи – це невеликий набір мініатюрних фотодетекторів, які закріплюються під дроном. Запропонована методика на основі порівняння коду променя дозволяє розрахувати координати дрона відносно площадки. Ця система гарантує точність у кілька десятків сантиметрів, що необхідно для точного зльоту чи посадки дрона без використання дорогої цифрової камери чи людини-оператора. В статті запропоновано розрахунок кількості однакових променів випромінювальної частини, які необхідні для досягнення встановленої точності. Розрахунок проводився в двох напрямках: горизонтальному та вертикальному. Це дає змогу корегувати положення дрона у тривимірному просторі як для зльоту/посадки, так і для підтримки одного положення на висоті. Представлений працюючий прототип системи, яка складається з випромінювального блока на землі та приймального блока на дроні. Випромінювальний блок формує у просторі кодовані промені, які надходять до приймального блока. Приймальний блок оброблює отриману інформацію і надсилає сигнали до блока управління дроном для корегування його положення відносно посадкової зони. Показано результати досліджень при застосуванні різних діафрагм для світлодіодів та фотоприймальних пристроїв. Вибрано найкращий варіант конструкції блоків та отримано оцінку похибок вимірювання координат дронів.