pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2026-17-2-108-116pimi-1046Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsЭкспериментальное исследование работы демпферных подвесов для съёмочной аппаратуры беспилотных летательных аппаратов на основе комплексного анализа оптического потока и сигналов инерциальных датчиковExperimental Evaluation of Damping Suspension Performance for Unmanned Aerial Vehicle Camera Equipment Using Combined Optical Flow and Inertial Sensor AnalysisЛомакоА. А.LamakaA. A.

Адрес для переписки:Ломако А. А.Институт прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко Белорусского государственного университета,ул. Курчатова, 7, г. Минск 220045, Беларусьe-mail: alekseylomako@gmail.com

 Address for correspondence:Lamaka A. A.A.N. Sevchenko Institute of Applied Physical Problems of Belarusian State University,Kurchatov str., 7, Minsk 220045, Belarus e-mail: alekseylomako@gmail.com

alekseylomako@gmail.comКатковскийЛ. В.KatkovskyL. V.

г. Минск

Minsk

ИвутьП. В.IvutsP. V.

г. Минск

Minsk

ДомарацкийА. В.DamaratskiA. V.

г. Минск

Minsk

ЩербаковН. Г.ShcherbakouN. G.

г. Минск

Minsk

Институт прикладных физических проблем имени А.Н. Севченко Белорусского государственного университетаБеларусьA.N. Sevchenko Institute of Applied Physical Problems of Belarusian State UniversityBelarus202608072026172108116Copyright © Ломако А.А., Катковский Л.В., Ивуть П.В., Домарацкий А.В., Щербаков Н.Г., 20262026Ломако А.А., Катковский Л.В., Ивуть П.В., Домарацкий А.В., Щербаков Н.Г.Lamaka A.A., Katkovsky L.V., Ivuts P.V., Damaratski A.V., Shcherbakou N.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/1046

Обеспечение стабилизации съёмочной аппаратуры на борту беспилотных летательных аппаратов является критическим фактором качества аэрофотосъёмки и спектрометрических измерений, при этом объективная сравнительная оценка эффективности различных демпферных подвесов в реальных условиях полёта остаётся методически сложной задачей. Целью работы являлась экспериментальная оценка эффективности демпферных подвесов для полезной нагрузки беспилотных летательных аппаратов с использованием комплексного анализа данных инерциального измерительного модуля и компьютерного зрения. Исследования выполнены на комплексе с беспилотным летательным аппаратом Matrice 300 RTK и регистратором данных на Raspberry Pi. Демпферные подвесы, работающие на сжатие и растяжение, сравнивались с жёстким креплением. Описываются использованные методы анализа видеопотока для определения амплитудно-частотных характеристик углов ориентации съёмочной системы. Указываются методы обработки данных инерциального измерительного модуля для получения информации о динамике углов ориентации. Раскрывается методика комплексной обработки данных камеры и инерциального блока, позволяющая объединить низкочастотную точность оптического потока и широкополосность измерений инерциальных датчиков. Проводились исследования эффективности работы типов демпферных подвесов на скоростях полёта дрона от 1 до 7 м/с. Установлено, что лучшей эффективностью обладает подвес с силиконовыми демпферами, работающими на сжатие, который позволяет уменьшать энергию вибрационных процессов на величину до 77 % в диапазоне от 0 до 85 Гц.

Ensuring stabilization of imaging equipment onboard unmanned aerial vehicles is a critical factor for the quality of aerial photography and spectrometric measurements, while objective comparative assessment of the effectiveness of various damping suspensions under real flight conditions remains a methodologically challenging task. Аim of this work was an experimental evaluation of the damping suspensions for UAV payloads effectiveness using integrated analysis of IMU data and computer vision. Studies were carried out on a system based on the Matrice 300 RTK unmanned aerial vehicle and a Raspberry Pi data logger. Damping suspensions operating in compression and tension were compared with rigid mounting. Methods used for video stream analysis to determine the amplitude-frequency characteristics of the imaging system orientation angles were described. Data processing methods from the inertial measurement unit to obtain information on the dynamics of orientation angles are indicated. A method for integrated processing of camera and IMU data is disclosed, which allows combining the low-frequency accuracy of optical flow with the broad bandwidth of inertial sensor measurements. The effectiveness of different types of damping suspensions was investigated at drone flight speeds from 1 to 7 m/s. It was found that the best performance was exhibited by a suspension with silicone dampers operating in compression, which reduced the energy of vibration processes by up to 77 % in the range from 0 to 85 Hz.

угловая вибрацияспектральный анализаэрофотосъёмкаинерционные измерениякомпьютерное зрениеangular vibrationspectral analysisaerial photographyinertial measurementscomputer visionReferencesTelli K [et al.]. A Comprehensive Review of Recent Research Trends on Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). Systems. 2023;(11):400 р. DOI: 10.3390/systems11080400Telli K [et al.]. A Comprehensive Review of Recent Research Trends on Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). Systems. 2023;(11):400 р. DOI: 10.3390/systems11080400Hildmann H, Kovacs E. Review: Using Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) as Mobile Sensing Platforms (MSPs) for Disaster Response, Civil Security and Public Safety. Drones, 2019;(3):59 р. DOI: 10.3390/drones3030059Hildmann H, Kovacs E. Review: Using Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) as Mobile Sensing Platforms (MSPs) for Disaster Response, Civil Security and Public Safety. Drones, 2019;(3):59 р. DOI: 10.3390/drones3030059Dogotari M [et al.]. Development of a UAV-Borne LiDAR System for Surveying Applications. Proceedings. 2019;(30):75 p. DOI: 10.3390/proceedings2019030075Dogotari M [et al.]. Development of a UAV-Borne LiDAR System for Surveying Applications. Proceedings. 2019;(30):75 p. DOI: 10.3390/proceedings2019030075Geronel RS, Botez RM, Bueno DD. On the Effect of Flexibility on the Dynamics of a Suspended Payload Carried by a Quadrotor. Designs. 2022;6(31):2-28. DOI: 10.3390/designs6020031Geronel RS, Botez RM, Bueno DD. On the Effect of Flexibility on the Dynamics of a Suspended Payload Carried by a Quadrotor. Designs. 2022;6(31):2-28. DOI: 10.3390/designs6020031Lamaka AA, Gutarau AV, Shcherbakou NG, Ivuts PV. Photospectral Data Obtaining with the Unmanned Aerial Spectrometry Vehicle. Devices and Methods of Measurements. 2023;14(1):7-17. DOI: 10.21122/2220-9506-2023-14-1-7-17Lamaka AA, Gutarau AV, Shcherbakou NG, Ivuts PV. Photospectral Data Obtaining with the Unmanned Aerial Spectrometry Vehicle. Devices and Methods of Measurements. 2023;14(1):7-17. DOI: 10.21122/2220-9506-2023-14-1-7-17Cocuzza S, Doria A. Modeling and Identification of Vibrations in a UAV for Aerial Manipulation. Advances in Italian Mechanism Science. Mechanisms and Machine Science. 2020;91. DOI: 10.1007/978-3-030-55807-9_21Cocuzza S, Doria A. Modeling and Identification of Vibrations in a UAV for Aerial Manipulation. Advances in Italian Mechanism Science. Mechanisms and Machine Science. 2020;91. DOI: 10.1007/978-3-030-55807-9_21Suvorkin V [et al.]. Assessment of Noise of MEMS IMU Sensors of Different Grades for GNSS/IMU Navigation. Sensors. 2024;24:1953 p. DOI: 10.3390/s24061953Suvorkin V [et al.]. Assessment of Noise of MEMS IMU Sensors of Different Grades for GNSS/IMU Navigation. Sensors. 2024;24:1953 p. DOI: 10.3390/s24061953Lucas BD, Kanade T. An iterative image registration technique with an application to stereo vision. Proceedings of the 7th International Joint Conference on Artificial Intelligence (IJCAI). 1981;2:674-679 pp.Lucas BD, Kanade T. An iterative image registration technique with an application to stereo vision. Proceedings of the 7th International Joint Conference on Artificial Intelligence (IJCAI). 1981;2:674-679 pp.Fischler MA, Bolles RC. Random Sample Consensus: A Paradigm for Model Fitting with Applications to Image Analysis and Automated Cartography. Communications of the ACM. 1981;24(6):381-395. DOI: 10.1145/358669.358692Fischler MA, Bolles RC. Random Sample Consensus: A Paradigm for Model Fitting with Applications to Image Analysis and Automated Cartography. Communications of the ACM. 1981;24(6):381-395. DOI: 10.1145/358669.358692Shi J, Tomasi C. Good features to track. Proceedings of IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR). 1994:593-600 pp. DOI: 10.1109/CVPR.1994.323794Shi J, Tomasi C. Good features to track. Proceedings of IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR). 1994:593-600 pp. DOI: 10.1109/CVPR.1994.323794Matveev VV, Raspopov VYa. Fundamentals of Strapdown Inertial Navigation Systems. Saint Petersburg: Elektropribor, 2009;280 p. (In Russ.).Matveev VV, Raspopov VYa. Fundamentals of Strapdown Inertial Navigation Systems. Saint Petersburg: Elektropribor, 2009;280 p. (In Russ.).Megyesi D, Bréda R, Schrötter M. Adaptive Control and Estimation of the Condition of a Small Unmanned Aircraft Using a Kalman Filter. Energies. 2021;14:2292 p. DOI: 10.3390/en14082292Megyesi D, Bréda R, Schrötter M. Adaptive Control and Estimation of the Condition of a Small Unmanned Aircraft Using a Kalman Filter. Energies. 2021;14:2292 p. DOI: 10.3390/en14082292

The authors declare that there are no conflicts of interest present.