Системы для управления квадрокоптером

rc-transmitter-channels Статьи

В этой статье мы обсудим основные характеристики аппаратуры управления, покажем на что обратить внимание при покупке: цена, число каналов, моды, частоты и другой функционал.

Оригинал: How To Choose RC Transmitter For Quadcopter

Аппаратура управления (передатчик) и приемник — это первое что необходимо купить при сборке коптера. Новички могут запутаться при выборе. В отличие от других комплектующих, которые часто ломаются или устаревают, хорошая аппаратура управления будет служить вам годами, так что вполне логично вложить немного больше для покупки более качественного варианта.

Содержание
  1. Что такое аппаратура управления (передатчик и приемник)?
  2. Каналы
  3. Моды
  4. Рабочая частота
  5. Приёмники
  6. Как выбрать приёмник
  7. На что обратить внимание при выборе передатчика?
  8. Железо и функционал
  9. Эргономика
  10. Поддержка телеметрии
  11. Возможность установки внешнего радиомодуля
  12. Зачем вкладываться в хороший передатчик?
  13. Обзор популярных передатчиков
  14. Рекомендации по выбору передатчика
  15. Мой опыт с самого начала
  16. Что такое полетный контроллер?
  17. Прошивки для ПК
  18. Интерфейс и настройка
  19. Процессор (микроконтроллер)
  20. UART (последовательные порты)
  21. Количество последовательных портов в полетном контроллере
  22. Инвертирование сигнала последовательного порта
  23. Гироскопы (Gyro), инерциальная навигация (IMU)
  24. Что лучше высокая частота опроса или шум?
  25. I2c или SPI?
  26. Расположение элементов
  27. Полетные контроллеры «всё-в-одном» и их функционал
  28. Регуляторы скорости «4-в-1» и ПК «всё-в-одном»
  29. Формат крепежа
  30. Прочие функции
  31. Типы разъемов
  32. BEC (стабилизатор напряжения)
  33. Управление камерой
  34. Кнопка boot (активация загрузчика)
  35. История изменений
  36. 4 Управление моделью коптера
  37. 1 Переменные проекта — сигналы модели
  38. 2 Оптимальное управление
  39. 3 Регулятор высоты
  40. 4 Регулятор ориентации коптера
  41. 5 Регулятор положения коптера в пространстве
  42. 6 Регулятор положения коптера в пространстве по каналам крена и тангажа
  43. Список литературы
  44. Устройство и принципы программирования
  45. Есть два уровня программирования
  46. Типы БПЛА
  47. Для чего используются
  48. Есть комплекты для обучения
  49. Железо дрона
  50. Чем занимается полетный контроллер
  51. Чем управляется квадрокоптер?
  52. В чем разница между Дроном и Квадрокоптером?
  53. Какой штраф за полет на Квадрокоптере?
  54. Где нельзя использовать квадрокоптер?

Что такое аппаратура управления (передатчик и приемник)?

Аппаратура управления (TX) — это устройство, которое позволяет пилоту удаленно управлять коптером. Сигнал/команды получает приемник, который, в свою очередь, подключается к полетному контроллеру.

Если вы новичок и интересуетесь дронами, тогда читайте наше руководство для начинающих.

Каналы

Число каналов — это количество функций летательного аппарата, которыми можно управлять.

Например: газ, направление (рысканье, курс), тангаж (он же питч, наклон вперед/назад), крен (ролл, влево/вправо), каждая функция требует отдельный канал. Как видите, для управления коптером минимально требуется 4 канала.

Для хоббийных коптеров вам определенно захочется иметь больше каналов.

rc-transmitter-channels-9298008

Дополнительные каналы часто называют AUX, они представлены в виде тумблеров и крутилок (переменные резисторы). Вы можете использовать их для смены полетных режимов или для активации разных функций коптера.

В общем, рекомендуется иметь как минимум 5 или 6 каналов. Дополнительные 1 или 2 канала можно использовать для арминга коптера (перевода в активный режим) и для переключения полетных режимов.

5-channel-transmitter-diagram-1-3077411

Передатчики с бОльшим числом каналов (6+) обычно стоят дороже. Как правило, у них выше качество сборки и гораздо больше функций, чем у простых 4х или 5 канальных передатчиков.

Чтобы не запутаться, учтите, что в английском языке стики часто называют gimbal; что также означает и подвес камеры — camera gimbal, не перепутайте.

radio-controller-gimbal-transmitter-rc-300x220-7483792

Моды

Есть 4 разных конфигурации стиков: mode 1, mode 2, mode 3, mode 4.

Mode 1 — руль высоты на левом стике, газ справа.

Mode 2 — наиболее часто встречаемый режим, потому что коптер будет повторять движения стиков. Руль высоты справа, газ — слева. При этом правый стик подпружинен по обеим осям и автоматически возвращается в центр; левый стик центрируется только по горизонтальной оси (рысканье, курс) и щелкает при вертикальном движении (если трещотки нет, то двигается с небольшим усилием) — т. при увеличении и уменьшении газа.

stickmodes-8788287

Mode 3 — тоже самое что и Mode 1, только элероны и руль направления поменяны местами.

Mode 4 — тоже самое что и Mode 2, только элероны и руль направления поменяны местами.

how-to-choose-rc-radio-transmitter-tx-mode-3-4-8578267

В некоторых передатчиках благодаря тому, что аппаратно стики одинаковые, легко меняются режимы Mode 1 на Mode 3 и наоборот; а также Mode 2 и Mode 4. Это достигается простой заменой канала элеронов и руля направления.

Нет правильного и неправильного выбора, это вопрос привычки. Если вы не знаете с чего начать, то выбирайте mode 2, т. это наиболее популярная мода у пилотов коптеров, да и аппаратуру потом продать будет проще.

Рабочая частота

Самая популярная частота — 2,4 ГГц. Более низкие частоты тоже используются (27 МГц, 72 МГц, 433 МГц, 900 МГц и 1,3 МГц), но в нашем хобби (коптеры) они значительно менее популярны.

Если вам интересно, то вот краткое техническое описание.

Те, кто занимаются моделизмом довольно давно, должны помнить частоты 27 МГц и 72 МГц с номерами каналом и кварцами (кварцевые резонаторы нужны были для настройки на определенный канал, в приемнике ставился аналогичный кварц для привязки его к передатчику). Этой технологией пользовались десятилетиями, она позволяла передавать сигнал на большие расстояния, а сигнал хорошо огибал препятствия. Однако такой сигнал мог глушиться другими передатчиками, работающими на тех же частотах (даже при использовании разных брендов). Другой проблемой был размер антенн, их длина была порядка метра. Кварцы для выбора канала были не очень надежными, их легко можно было повредить; при полетах в компаниях их часто приходилось менять.

2,4 ГГц — новое поколение систем, в настоящее время это самая популярная частота для управления устройствами как летающими в небе, так и ездящими по земле. С появлением алгоритмов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, благодаря которым нет необходимости вручную выбирать частоты и каналы, эта частота стала стандартной для радиоуправляемых моделей. Антенна меньше, вес тоже меньше, но обычно радиус приема меньше, чем у 27/72 МГц (спорный вопрос, прим. перев).

Возможно вы слышали о других частотах, например, 1,3 ГГц, 868/900 МГц, 433 МГц; на этих частотах работает дальнобойное оборудование для тяжелых моделей.

Все производители передатчиков используют алгоритмы с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, так что использовать аппаратуру стало очень просто. Программное обеспечение постоянно сканирует эфир для поиска наилучшей частоты, отслеживает помехи, и автоматически переходит на свободные каналы. Это происходит множество раз в секунду, так что вы не увидите пауз или сбоев управления, как это было раньше. Еще одно достоинство этих алгоритмов в том, что вы можете одновременно летать с другими пилотами, не боясь заглушить их аппаратуру.

Приёмники

Обычно в комплекте с передатчиком идет и приёмник. Важно помнить, что передатчики работают (как правило) с приемниками только того же производителя. Например, если вы купили FrSky Taranis, то нужно будет использовать приемники FrSky, или другие приемники, совместимые с FrSky.

Привязка приемника к передатчику — очень простой процесс, делать это нужно только один раз при покупке нового приемника. Большинство аппаратур управления позволяют использовать множество приемников. вы можете создать несколько профилей разных моделей и менять для них настройки индивидуально. Просто прочтите инструкцию к вашему приёмнику.

После того как приёмник привязан к передатчику, он будет игнорировать команды других передатчиков.

Как выбрать приёмник

Ваши требования к приёмникам (доступность, размер, вес) также влияют и на выбор передатчика. Например, система FrSky стала популярной благодаря небольшому размеру приемников, она идеально подошла для миникоптеров.

В этом списке мы описали все самые популярные приемники FrSky для мини и микро коптеров.

Также нужно учесть какие протоколы будут доступны в приемнике — PWM, PPM, SBUS. В общем и целом, SBUS лучше, чем PPM благодаря низкой задержке сигнала, и они оба лучше PWM, благодаря количеству необходимых проводов. Более подробно про протоколы в приемниках (англ).

На что обратить внимание при выборе передатчика?

Диапазон цен просто огромный, начиная от дешевых передатчиков за $50 и заканчивая аппаратурой за $1000 и выше.

Если ваш бюджет ограничен, и вы не готовы потратить $200 за Taranis, тогда чтобы ощутить все прелести полетов есть смысл потратиться на дешевую 6 канальную аппаратуру. Позже, когда станете опытнее сможете приобрести более дорогой передатчик. Хотя, я думаю, вам следует приобрести один из нормальных передатчиков, которые мы порекомендуем ниже.

Железо и функционал

При выборе хорошего передатчика нужно учесть очень много вещей, например: экран (разрешение, подсветка и т. ), как ощущаются стики (их качество), наличие памяти на несколько моделей, режим тренера и т. Кому-то нужны экспоненты и кривые, которые позволяют менять реакцию стиков, например, смягчают реакцию в центре (конечно, вы можете задать экспоненты и в полетном контроллере, что и предпочитает делать большинство пилотов, при этом не снижается точность передачи сигнала).

Некоторые передатчики можно программировать и перепрошивать. Их можно настраивать под себя, менять музыку, звуки, голосовые сообщения и многое другое. Прежде чем покупать изучите доступные варианты.

Эргономика

Эргономика — вещь достаточно личная, никто не сможет сказать вам, какой передатчик будет лучше лежать именно в ваших руках. Учтите вес передатчика, расположение стиков и тумблеров, насколько крупные у вас руки, длинные или нет пальцы, всё имеет значение.

Я не думаю, что нужно очень сильно этим заморачиваться. Передатчики, описанные здесь выпускаются компаниями, которые занимаются этим годами и они знают как сделать хороший передатчик. Если вы все еще сомневаетесь, тогда сходите на какое-нибудь местное мероприятие и попробуйте аппаратуру других пилотов.

Поддержка телеметрии

Чем больше я занимаюсь коптерами, тем больше ценю телеметрию. Это очень полезный функционал, он позволяет приемнику отправлять данные назад в аппаратуру управления, например, RSSI (уровень принимаемого сигнала), напряжение аккумулятора, потребляемый ток и т.

Возможность установки внешнего радиомодуля

Помимо встроенного радиомодуля, некоторые передатчики имеют отсек для внешнего модуля. Внешние модули могут работать на других частотах, например, на 433 МГц, вместо 2,4 ГГц или могут использовать системы/протоколы других брендов. Taranis с модулем Orange можно использовать с приемниками Spektrum.

Зачем вкладываться в хороший передатчик?

Качественный передатчик — это долгосрочное вложение.

С дополнительными скриптами мы можем выполнять разные интересные вещи, например, настраивать PID коэффициенты или рейты прямо в полете. наличие дополнительных каналов управления — это огромное преимущество. Еще одно преимущество хорошего передатчика — это возможность настраивать отдельные профили для разных моделей.

Еще одна фишка, которую «нужно иметь» — прямое подключение передатчика к компьютеру через USB, это позволяет вам использовать передатчик в симуляторах безо всяких дополнительных железок. Тренировка в FPV симуляторах позволит вам почувствовать стики и натренировать мышечную память. Некоторые дешевые передатчики в таких случаях требуют дополнительных усилий и железок.

Обзор популярных передатчиков

Внешний видМодельКол-во каналовЦена
Flysky FS-T66$56
Spektrum DXe6$60
Turnigy Evolution8$68
Turnigy 9X (обзор, англ)8$73
Turnigy 9XR8$111
FrSky Taranis Q X7 (обзор, купить)16$110
Spektrum DX6e6$180
FrSky Taranis X9D Plus (обзор, англ; купить)16$205
TBS Tango10$250
FrSky Horus X12S (купить на GearBest, horusrc)16$500
Spektrum DX9 Black9$600

Рекомендации по выбору передатчика

Лично я предпочитаю Taranis X9D Plus и Taranis QX7.

  • Обе эти аппаратуры работают под управлением прошивки с открытым исходным кодом, OpenTX
  • Совместимы с большим количеством приемников FrSky, которые поддерживают PWM, PPM, SBUS; они доступны по цене, маленькие по размеру и весят совсем немного
  • У QX7 тумблеров меньше, чем у X9D; кроме того, меньше разрешение экрана, но это совсем не важно для коптеров. Некоторые говорят, что QX7 лучше лежит в руках чем X9D, хотя это дело личных предпочтений

Обновление (март 2017) — FrSky выпустила обновленную версию, X9D SE (Special Edition) в которой установлены стики на датчиках Холла (M9 Gimbals), корпус под карбон, новые тумблеры.

Мой опыт с самого начала

В самом начале я купил Turnigy 9X. Это было доступное решение за $60, дающее простор в плане самостоятельных апгрейдов! Вот мой обзор этой аппаратуры (англ). Но я быстро вырос, мне понадобился дополнительный функционал и поэтому купил Taranis X9D Plus.

В то же время вышла 9XR-Pro, которая была отличным обновлением 9X. Её функционал был как у более дорогих передатчиков, но стоила она значительно дешевле. Передатчик можно было перепрошить; а благодаря тому, что у него есть возможность установки внешнего радиомодуля, то получалось использовать с другими системами: Frsky, Orange (dsmx/dsm2). Благодаря поддержке сообщества появилось очень много модификаций.

Это был очень заманчивый вариант, но я рад, что купил X9D. Передатчик X9D позволяет делать очень многое, он стоит своих денег. X9D стал одним из самых популярных передатчиков в нашем хобби. Не говоря уже о доступности большого количества маленьких и легких приемников с телеметрией. Вот список инструкций, модификаций, и апгрейдов для Taranis X9D. Конечно, учтите, что есть более простая версия — QX7.

Есть и другие топовые аппаратуры управления: Futaba T10/T18, Spektrum DX9/DX18, JR-XG11/XG14 и т. Вот, например, сравнение DX6 и Taranis (англ).

Количество полётных контроллеров, имеющихся в продаже, может смутить новичка. Цель этой статьи — показать каким образом можно выбрать подходящий для вашего коптера.

Оригинал: How to Choose Flight Controller for Quadcopter

Если вы только начинаете летать, тогда не забудьте прочесть руководство для начинающих пилотов гоночных коптеров.

Я собрал все характеристики всех полетных контроллеров в одну таблицу, так что вы легко их сможете сравнить.

Что такое полетный контроллер?

Полетный контроллер (ПК, flight controller, FC) — это мозг летательного аппарата. По сути, это плата с кучей датчиков, которая отслеживает движение дрона и команды от пользователя. Используя полученные данные, она управляет скоростью вращения моторов для того, чтобы коптер двигался так, как задумал пилот.

У всех ПК имеется базовый набор датчиков: гироскопы (Gyro) и акселерометры (acc); некоторые продвинутые конфигурации имеют также барометр (измеряет давление воздуха, а значит и высоту полета) и магнитометр (компас).

ПК — это также точка подключения всей прочей периферии типа GPS, светодиодов, сонаров и т.

Контроллеры для гоночных дронов очень быстро эволюционируют: становятся меньше, имеют всё более быстрые процессоры, более современные датчики и всё больше встроенных функций.

fc-flight-controller-evolution-size-processor-features-mini-quad-racing-drone-1024x811-7592214

Эволюция полетных контроллеров

Прошивки для ПК

Помимо различий в железе, имеются различия и в прошивках, которые работают на этих ПК и у которых разный функционал и разные области применения. Например, iNAV разработан для использования с GPS, а KISS — больше предназначен для гонок.

Вот список прошивок для мини-коптеров. Если вы совсем в этом не разбираетесь, то мой вам совет, используйте Betaflight.

fc-firmware-list-mini-quad-rc-qaducotper-fpv-racing-drone-1719761

Самые популярные прошивки для полетных контроллеров

Betaflight — это прошивка с открытым исходным кодом, разрабатывается и поддерживается сообществом хоббийщиков. У нее самая большая пользовательская база, так что в случае каких-то вопросов вам быстро помогут. К тому же она поддерживает максимальное число полетных контроллеров.

Другие популярные прошивки для FPV дронов — это FlightOne и KISS. Их исходный код закрыт, а железо и сами прошивки поддерживаются только производителями, так что с ними работает очень небольшое число полетных контроллеров.

После того, как вы выберите прошивку, ищите совместимый с ней полетный контроллер.

Интерфейс и настройка

Современные прошивки для ПК можно настраивать, используя специальные программы, установленные на компьютер или смартфон; или даже прямо с пульта управления. У каждой прошивки свой пользовательский интерфейс управления, при помощи которого меняются настройки. Некоторые программы очень похожи друг на друга, но установка одних и тех же параметров в разных прошивках может дать совершенно разный результат, так что не торопитесь, а основательно изучите выбранную прошивку.

«Тюнинг» — этот термин мы используем, когда меняем ПИД коэффициенты (PID), рейты (rates) и некоторые другие настройки. При помощи тюнинга мы можем настроить коптер «под себя».

Процессор (микроконтроллер)

Процессоры в полетных контроллерах на самом деле должны называться не процессорами, а микроконтроллерами; в них хранится прошивка и они же её исполняют.

В настоящее время есть 5 основных типов процессоров: F1, F3, F4, F7 и H7. В основном они отличаются размером памяти и вычислительными мощностями.

F1F3F4F7H7
Частота72 МГц72 МГц168 МГц216 МГц480 МГц
Память128 кБ256 кБ1 МБ1 МБ128 кБ

Подробнее про различия между сериями процессоров F1, F3, F4 и F7

Мы рекомендуем брать F4 или F7, новые прошивки уже не поддерживают серии F1 и F3, т. в них недостаточно места.

flight-controller-fc-proccessor-stm32-f1-f3-f4-f7-cpu-chip-1024x322-8957507

Процессоры для ПК (слева направо): STM32 F1, F3, F4

UART (последовательные порты)

UART расшифровывается как Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, что означает асинхронный последовательный порт.

UART — это, как правило, аппаратный последовательный интерфейс, который позволит вам подключить разные внешние устройства к полетному контроллеру. Например, приемник, телеметрию, транспондер для гонок, управление видеопередатчиком и т.

У каждого последовательного порта два контакта: TX — для передачи, RX — для приема. Запомните, TX на периферийном устройстве подключается к RX на полетном контроллере и наоборот!

Пример: на полётнике есть UART3 (контакты R3 и T3) и UART6 (контакты R6 и T6). Вы можете назначить им задачи на вкладке Ports в Betaflight конфигураторе.

what-is-uart-flight-controller-fc-ports-tab-betaflight-1024x582-9640666

Количество последовательных портов в полетном контроллере

Возможно, вам потребуются (а может и нет) дополнительные последовательные порты, чем больше свободных есть, тем проще будет в будущем.

Количество портов зависит от дизайна платы и используемого процессора. Например, на ПК с F1 обычно только 2 порта, у F3 и F4 может быть от 3 до 5, а у F7 — шесть или даже 7.

F1F3F4F7
2 порта3-5 портов3-6 портов6-7 портов

Инвертирование сигнала последовательного порта

Процессоры F3 и F7 могут инвертировать сигнал встроенным инвертором, а F1 и F4 — нет.

Сигналы Frsky SBUS и SmartPort являются инвертированными, поэтому владельцам ПК на F3 и F7 повезло, такие данные понимаются без проблем (F3 и F7 — более новые серии процессоров, подробнее тут).

Однако, более старые процессоры, типа F1 и F4 требуют наличия внешнего инвертора сигнала, который и подключается к соответствующему последовательному порту. Для удобства пользователей некоторые ПК на F4 уже имеют схемы для инверсии сигналов SBUS и SmartPort, так что приемник подключается напрямую к ПК. Если встроенного инвертора нет, то вам придется использовать одно обходных решений, например, программную эмуляцию последовательного порта (soft serial) или найти неинвертированный сигнал на приемнике.

Если портов не хватает, можно использовать программную эмуляцию (soft serial) чтобы «создать» ещё больше портов. К сожалению, эмулируемые порты работают медленнее аппаратных (нельзя выставить большую скорость) и не подходят для важных задач, где требуется быстрая реакция, например не подойдут для работы с приемниками. Ну и, конечно, программная эмуляция требует довольно много ресурсов процессора.

Гироскопы (Gyro), инерциальная навигация (IMU)

Цель датчиков на ПК определить ориентацию коптера в пространстве и отследить его движения. Микросхема с датчиками (IMU) содержит как гироскопы, так и акселерометры.

Самые часто используемые полетные режимы Betaflight — это, наверное, Acro (акро, или ручной режим) и Angle (самовыравнивание). В акро режиме используются только гироскопы, а в Angle и гироскопы, и акселерометры.

А т. большинство пилотов FPV дронов летают в Acro, то акселерометры часто просто отключаются в настройках Betaflight, это позволяет сэкономить вычислительные ресурсы. По этой же причине под инерциальной навигацией обычно подразумевают только гироскопы (gyro).

Наиболее популярные гироскопы, используемые в полётниках:

IMUСпособ подключения, шиныМакс. частота сэмплирования
MPU6000SPI, i2c8K
MPU6050i2c4K
MPU6500SPI, i2c32K
MPU9150*i2c4K
MPU9250*SPI, i2c32K
ICM20602SPI, i2c32K
ICM20608SPI, i2c32K
ICM20689SPI, i2c32K

* MPU9150 — это MPU6050 со встроенным магнитометром AK8975, а MPU9250 — это MPU6500 с тем же магнитометром.

flight-controller-fc-mpu-6000-6050-6500-gyro-accelerometer-3419768

Гироскопы и акселерометры на полетном контроллере

Что лучше высокая частота опроса или шум?

У IMU есть две основные характеристики: максимальная частота сэмплирования и насколько полученные данные будут зашумлены (механическими вибрациями и электрическими помехами).

В настоящее время очень часто используют микросхему MPU6000, которая поддерживает частоту опроса до 8k, и обладает (неоднократно проверено) хорошей устойчивостью к разного рода шумам и помехам. Главное стараться избегать MPU6500 и MPU9250, хотя у них больше рабочая частота, но и уровень шумов тоже значительно выше.

Учтите, что разные серии гироскопов ICM имеют разные характеристики. ICM20689 — один из худших вариантов, легко восприимчив к шуму, да и с надежностью проблемы. Если приходится выбирать из ICM, то берите модель 20602.

В последнее время появляется всё больше и больше ПК с гироскопами на отдельной плате с антивибрационной развязкой (кусок поролона, чтобы снизить вибрации от моторов).

holybro-kakute-f4-aio-flight-controller-fc-1-1024x768-6151342

Антивибрационное крепление гироскопов на ПК Kakute F4

Обновление (окт 2019). Начиная с версии Betaflight 4. 1 нет поддержки частоты 32кГц, так что если вы используете гироскопы ICM с Betaflight, то looptime будет не больше 8кГц.

Скорость работы гироскопов — это палка о двух концах: если питание чистое, и шумов нет, тогда серия ICM на 32k будет работать лучше, чем MPU6000. Однако, если регуляторы и моторы начнут генерировать помехи, а коптер вибрирует, тогда ICM хуже, чем MPU6000.

Несколько советов как крепить ПК с демпферами (антивибрационное крепление) и использовать конденсаторы для фильтрации помех по питанию.

I2c или SPI?

i2c и SPI — это названия шин для подключения гироскопов к процессору. Выбранная шина может ограничить частоты опроса гироскопов и ограничит looptime.

Лучше всего использовать SPI, т. она позволяет работать с бОльшими частотами, чем i2c, у которой лимит в 4k. Практически все современные ПК используют SPI.

Расположение элементов

Расположение контактов и разъемов влияет на простоту сборки.

Многие пилоты смотрят только на технические характеристики полетных контроллеров и упускают важность дизайна/компоновки элементов.

Хорошие пример — CLRacing F7 и Kakute F7. Два отличных полётника, с уверенностью могу их порекомендовать, но глядя только на компоновку скажу, что CLRacing F7 однозначно выигрывает, все контактные площадки расположены по краям платы и сгруппированы по выполняемым функциям. Контакты на Kakute скучкованы, в результате легко получить комок проводов.

cl-racing-f7-flight-controller-fc-top-1024x768-8626648

Полетный контроллер CL Racing F7

kakute-f7-flight-controller-top-1024x768-1432396

Полетные контроллер Kakute F7

Это дело вкуса, а он у всех разный.

Полетные контроллеры «всё-в-одном» и их функционал

Полетники «Всё-в-одном» («All In One») имеют встроенную плату распределения питания (PDB) и огромные контакты для толстых проводов, идущих от аккумулятора. Термин появился в те времена, когда обычно применялись отдельные PDB со стабилизаторами питания для полетных контроллеров, но сейчас в ПК встраивают очень много компонентов, так что термин теперь значит немного другое.

Одной из первых функций, которую встроили в ПК — это OSD (экранное меню) — Betaflight OSD.

Ещё одна бесценная фишка — датчик тока: с ним гораздо проще оценить степень разряда аккумулятора, и он же отличный инструмент для тестирования. Тут более подробно про его калибровку (англ).

Также часто в ПК встраивают барометр и магнитометр (компас).

Нет «правильного» полётника «все-в-одном», но при желании можно найти плату, в которой есть всё, даже приёмник, видеопередатчик и даже регуляторы.

Первым таким ПК у меня был RacerStar Tattoo F4S, он не очень надежный.

Регуляторы скорости «4-в-1» и ПК «всё-в-одном»

Сейчас регуляторами «4-в-1» никого не удивишь, и часто они разработаны для сборки в стек с конкретным полетным контроллером и в этом случае они играют роль PDB. Разъемы и схемы соединений не стандартизированы, так что перед покупкой убедитесь в совместимости ПК и таких регулей.

Можно ли использовать полетный контроллер типа «всё-в-одном» с регуляторами «4-в-1»? Да, можно, но мы не рекомендуем.

ПК «все-в-одном» лучше использовать с 4 отдельными регуляторами.

how-to-build-fpv-mini-quad-racing-drone-solder-esc-to-fc-1024x683-5050798

Обычный полетный контроллер лучше совмещать с PDB и отдельными регуляторами или с регуляторами «4-в-1».

clracing-f7-v2-fc-soldering-close-up-fs225-speedybee-build-1024x683-8960970

Формат крепежа

В данном случае подразумевается расстояние между монтажными отверстиями в плате полетного контроллера. Обычно это 30,5 х 30,5 мм, 20 х 20 мм или 16 х 16 мм. Формат крепежа определяет как размеры платы, так и размеры модели. В коптерах с 5″ пропами обычно используются ПК с крепежом 30,5 х 30,5, в более мелких коптерах — 20 х 20 мм. Формат 16 х 16 мм набирает популярность в классе коптеров с диагональю до 100 мм.

flight-controller-mounting-pattern-holes-fc-racing-drone-mini-quad-1024x768-4392713

Прочие функции

Данные черного ящика (англ

Есть два способа записать и сохранить данные черного ящика: на чип флэш-памяти, установленный на плате ПК или на MicroSD карточку, вставленную в слот.

Чип памяти дешевле, но как правило он имеет небольшую ёмкость и хранит относительно немного данных. Обычно 10 — 20 минут полетного времени (в зависимости от частоты запрашиваемых данных). Кроме того, загрузка данных с этого чипа идет довольно медленно, может уйти до 5 минут времени на загрузку лога длиной всего 1 минуту.

ПК со встроенным слотом для MicroSD карточек, позволяют хранить данные неделями, без необходимости очистки свободного места. Кроме того, чтение логов очень быстрое.

Логи черного ящика больше нужны опытным пилотам, для диагностики почти незаметных проблем с летными характеристиками; и для гонщиков, старающихся выжать всё возможное из своего коптера. Для обычных хоббийщиков он, возможно, и не нужен.

Кстати, есть еще третий вариант — можно купить внешний логгер (Open Logger) со слотом для microSD и подключить его через свободный UART к ПК.

Типы разъемов

Три основных типа разъемов на полетных контроллерах:

  • Пластиковые разъемы типа JST
  • Контактные площадки («пятаки») для пайки проводов
  • Сквозные отверстия

Пластиковые разъемы менее надежны, но при этом позволяют быстро отключать/подключать кабели. Контактные площадки более крепкие, но есть риск их перегреть при пайке, и тогда они отслоятся от платы. Наиболее универсальный вариант — сквозные отверстия: можно припаять провода или штыревые разъемы.

fc-flight-controller-solder-pads-through-holes-plastic-jst-connector-1130605

  • Совет: как выпаять штыревые разъемы (англ)
  • Совет: как восстановить отслоившиеся контактные площадки (англ)

BEC (стабилизатор напряжения)

В большинстве полётников уже есть стаб на 5 вольт. В некоторых есть и на 9, и 12 вольт (или на какое-нибудь другое напряжение). Эти стабилизаторы часто называют BEC (battery eliminator circuit).

Несмотря на то, что значительную часть FPV оборудования (камеры, видеопередатчики) можно подключать напрямую к литиевому аккумулятору, я считаю, что изображение будет лучше, если питать их через стабилизатор.

Подробнее про подключение FPV оборудования для минимизации помех (англ).

Управление камерой

Позволяет настраивать курсовую камеру прямо с аппы и через Betaflight OSD.

Кнопка boot (активация загрузчика)

Нажатая кнопка boot при подаче питания переводит процессор полетного контроллера в режим загрузчика (bootloader mode). В этом режиме можно обновить прошивку, даже если стандартные программы этого сделать не могут.

Подробнее про кнопку загрузчика (boot button)

У многих ПК есть два контакта которые нужно закорачивать для этой цели. Но гораздо приятнее, когда стоит кнопка.

Слева кнопка загрузчика, справа — контакты для этой же цели

История изменений

  • Декабрь 2014 — первая версия статьи
  • Ноябрь 2016 — добавлена информация о прошивках, обновлен список фич в ПК
  • Февраль 2017 — обновлена информация о процессорах и гироскопах
  • Апрель 2017 — добавлена инфографика об эволюции полетных контроллеров, обновлен список процессоров
  • Май 2018 — обновлена информация об интеграции функций в ПК
  • Октябрь 2018 — добавлена информация о форматах крепежа
  • Февраль 2020 — изменен адрес страницы, обновлены разделы о прошивках, гироскопах, добавлен схемы подключения и информация о платах «все-в-одном», компоновку разъемов и управление камерой

Продолжение статьи «Введение в моделирование динамики квадро-, гекса- и октокоптеров».

В этой части автор Александр Щекатуров, рассказывает основные принципы создания системы управления и ее моделирования в структурном виде. Всем кто одолел первые части лекций по теории управления в технических система, все будет ясно и понятно (ну почти). Лекции на хабре лежат по ссылкам:

  • Введение в теорию автоматического управления.
  • Математическое описание систем автоматического управления 2.1 — 2.3, 2.3 — 2.8, 2.9 — 2.13

В данной статье мы попробуем применить эти данные на практике. Используя модель, мы разберемся как воздействовать на коптер, что бы он летел в нужную нам сторону.

n4yl3audaheckhrvj0x14ygujio-8487604

4 Управление моделью коптера

Всё что было описано в предыдущей части – это, по сути, формулировка «внутреннего» закона полета коптера – отвечающего на вопрос как именно объект будет менять свои ускорения, скорости и координаты в зависимости от приложенных сил и моментов. мы записали уравнение F(t) = ma(t) (и аналогичное для суммарного момента и углового ускорения) для октокоптера заданной геометрической конструкции. В эти уравнения входят некоторые константы – масса коптера, его моменты инерции по главным осям (составляющие тензора инерции), угол отклонения силы тяги ВМГ от вертикали, длины лучей рамы коптера, и некоторые другие массогабаритные характеристики. Как правило, это константы, за редким исключением. Но т. задача поставлена в общем виде, мы не подставили ещё конкретных чисел, а все эти величины заменили на символы (символьные константы и/или переменные), и теперь требуется их задать числами для работоспособности модели. Для двигателей это будет коэффициент пропорциональности между квадратом угловой скорости и силой тяги, для массы коптера – масса рамы плюс массы всех ВМГ и т.

1 Переменные проекта — сигналы модели

В SimInTech используется плоский неструктурированный список сигналов, и/или структурированная (объектно-ориентированная) база сигналов для задания констант и переменных модели, если в ней есть типовые (повторяющиеся) элементы. В данной модели были и тем и другим способом заведены следующие сигналы (переменные и константы), см. рисунки 13 и 14:

uvzofewiqls00ljseooalqbsss8-6221550

Рисунок 13. Сигналы проекта

4t_cpfvvujnhstvcknetljd9apo-4095221

Рисунок 14. База сигналов проекта

Среди повторяющихся элементов в коптере явно можно выделить ВМГ – они все однотипны и параметризуются одинаковыми (по смыслу) переменными. Также, для регуляторов, которых будет всего 6 (по числу каналов регулирования) – тоже можно выделить однотипные элементы. Если это будут ПИД-регуляторы, то коэффициенты пропорциональности P, I, D будут в наличии у каждого из регуляторов, со своим конкретным значением.

Таким образом, в одном месте в структурированном виде собраны все константы (параметризующие модель) и переменные, используемые для вычислений. В дальнейшем их легко можно забирать отсюда, из базы сигналов, и использовать в других частях модели. При необходимости вносить в модель корректировки констант – это тоже удобно делать когда они все сведены в одном месте модели, а не разбросаны в разных местах.

Рассмотрим немного подробнее параметризацию двигателей (см. рисунок 15). Всего в базе 8 групп сигналов, по 15 сигналов в каждой – то есть 120 переменных и констант, описывающих состояние всех двигателей. Важными и задаваемыми пользователем (разработчиком модели) являются wnom, wmin – номинальная и минимальная частоты вращения. В дальнейшем эти значения используются в модели двигателя, ограничивая «снизу» текущую частоту вращения, и для расчета текущих оборотов ВМГ в единицах измерения. Остальные переменные – расчитываются в модели и зависят от времени. В эту же категорию можно в дальнейшем добавить и коэффициенты пропорциональности между квадратом угловой скорости и силой тяги ВМГ.

2-ymba4oaqqxradyamq5-trdw44-3162048

Рисунок 15. Категория «Двигатели»

2 Оптимальное управление

С точки зрения управления коптер представляет собой не самую простую конструкцию – мы имеем 8 двигателей, которыми можно управлять индивидуально, но практически каждый из них влияет на все 12 из переменных состояния (фазовых координат) коптера. То есть, если мы будем «рулить» одним из двигателей – менять его обороты в большую или меньшую сторону, это будет оказывать воздействие на каждую из координат x, y, z и на каждую из трёх угловых скоростей. Кроме случаев, когда вектор тяги параллелен какой-либо из координатных плоскостей системы B – тогда на 4 из 12 переменных состояния данная сила тяги воздействовать не будет. И, если бы мы делали всё методами классической теории управления, то можно было бы записать 8х12 = 96 передаточных функций между 8 входными воздействиями и 12 выходными (переменными состояния) коптера.

Также, изменение оборотов (частоты вращения) двигателей приводит к нелинейному (а к квадратичному) изменению силы тяги. В проектировании регуляторов коптера это предполагается как аксиома, и она довольно хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Задача оптимального управления заключается в том, чтобы перевести коптер из точки А в точку Б с минимальным перерегулированием, по оптимальной (как правило кратчайшей) траектории и за минимальное время. При этом налагаются ограничения на максимальную скорость, ускорения и углы наклона коптера (отклонение от горизонтальности). Проблема заключается в том, что в «прямую» сторону можно довольно несложно посчитать – как воздействует каждый из двигателей (8 переменных – 8 частот вращения) на каждую из 12 переменных состояния. А если учитывать еще и ускорения, то на каждую из 18 переменных. Но в задаче управления требуется наоборот – при заданных начальных и конечных координатах требуется вычислить как именно надо управлять двигателями чтобы коптер перешел из одного состояния в другое.

Если не сильно вдаваться в теоретические дебри теории оптимального управления и нелинейного программирования, такую задачу можно свести и решить методом множителей Лагранжа, а точнее – условиями и методом Каруша-Куна-Такера, где ограничения, накладываемые на переменные, представляют собой неравенства.

Чтобы упростить изложение, приведем краткий ход решения задачи. Для начала запишем матрицу Г размерностью 6х8 – по количеству каналов управления (6) и количеству ВМГ (8), которая будет отображать как именно каждый из двигателей влияет на каждый из каналов управления:

для вычисления момента сил, который создаёт i-ая ВМГ в том же направлении:

Примечание: если у ВМГ будет еще реактивный момент, то у будет еще одно слагаемое.

Легко видеть, что матрица Г показывает зависимость между квадратом угловой скорости i-ой ВМГ и управляющими (силовыми) воздействиями по каждому из каналов управления:. Нам же нужно получить обратное решение – зависимость угловой скорости i-ого двигателя от поданного управляющего воздействия по какому-либо из каналов управления. В общем виде эта задача имеет бесконечное множество решений, однако среди этого бесконечного множества можно выделить по тому или иному критерию или способу оптимальное решение.

x0u59f4j1iwp6khjjteevlstx8-6389094

Рисунок 16. Структура регулятора

, которая вычисляется как:

Она же и является оптимальным решением поставленной задачи с наложенными ограничениями на решение.

На практике, для заданной геометрии коптера и полученных 48 чисел в матрице Г, получаем другие 48 чисел, которые определяют правило управления (микширования) двигателей, при поступлении той или иной команды по какому-либо каналу управления. На рисунке 16 представлена общая схема построения регулятора. Задатчик положения вырабатывает нужные координаты, в которые требуется привести коптер. Они сравниваются по какому-то алгоритму с измеренными координатами и управляющий алгоритм вырабатывает 6 управляющих воздействий, по каждому из каналов управления.

На основе посчитанной псевдообратной матрицы , блок управления двигателями вычисляет текущие заданные значения угловых скоростей для каждого из 8 двигателей, как бы суммируя пришедшие 6 команд по каналам управления и определенным образом микшируя двигатели при этом. Сформированные 8 угловых скоростей отправляются на задатчик оборотов двигателей и осуществляется регулирование и управление коптером (см. рисунок 16).

Управляющие команды по каждому из каналов управления формируются как рассогласование между заданной координатой (углом) и текущей, измеренной координатой. Это в самом простом варианте. В более сложном управляющий алгоритм должен иметь в своём составе алгоритм приоритетности стабилизации положения коптера над алгоритмом перемещения в пространстве. Дело в том, что по каждому из каналов есть запас (располагаемая у ВМГ возможность) управления. И, если (например) мы сделаем приоритетным перемещение по оси х то при большом рассогласовании между текущей координатой x и заданной регулятор будет стремиться наклонить всё больше и больше коптер вокруг оси y, и при определенном наклоне уже не хватит возможностей двигателей обеспечивать стабилизацию коптера и регулирование высоты полёта. Для коптера с конкретными параметрами двигателей, винтов, массы и размеров это всё можно вычислить и наложить нужные ограничения на управляющие воздействия ui(t), а также их приоритет. Но это выходит за рамки данной статьи, где мы делаем модель в общем виде. Просто отметим, что стабилизация положения для коптера – самая важная задача, перемещение – уже вторична, поскольку без стабильного положения переместиться куда-либо целенаправленно будет невозможно.

Выпишем аналитические выражения для элементов первых двух столбцов матрицы Г в случае рассматриваемого октокоптера (без реактивного момента ВМГ и без прецессии!):

Видно, что первая ВМГ (ось силы тяги которой параллельна плоскости yz) не создаёт никакой силы вдоль оси x и никакого момента вокруг оси x (т. пересекает её). Поэтому при управлении по оси x или для создания вращательного момента вокруг оси x первый двигатель «бесполезен». Аналогично будет с 5-ым двигателем, а для 3-его и 7-ого будет такая же картина для оси y (всё справедливо в системе координат В).

0eospraxemhsn7m6gffqyecdqgk-6093590

Аналитические выражения для матрицы будут гораздо более громоздкими и большого смысла не имеют – проще вычислить численно матрицу Г, а потом и искомую. В нашем случае для одного из вариантов октокоптера, она получилась равной:

Смысл матрицы примерно в следующем: она показывает на какое количество надо изменить частоту вращения каждой i-ой ВМГ (из 8), чтобы осуществить единичное управляющее воздействие на объект по тому или иному каналу управления. Например, если мы хотим к коптеру приложить силу 1 Н по каналу управления x (первая колонка), то угловую скорость 1-го двигателя и 5-го менять не надо, а к текущим угловым скоростям других двигателей надо добавить или отнять примерно 13,8 рад/с. Это довольно приличное изменение угловой скорости, и вообще управляемость по каналам x, y появилась здесь как побочное следствие того, что каждая из ВМГ повёрнута вокруг своего луча еще на 3 градуса.

Если бы все ВМГ были расположены вертикально, то первые две колонки матрицы получились бы бесконечными – т. коптер с вертикально расположенными ВМГ по горизонтальным осям не управляется вообще! Управление по этим осям (в инерциальном пространстве) достигается поворотом коптера вокруг осей и перенаправлением суммарного вектора тяги в какую-либо сторону.

Третья колонка – управление по оси z, имеет отрицательные числа т. ось z направлена вниз, а вектора силы тяги ВМГ – вверх. Обратим внимание, что абсолютные значения чисел третьей колонки гораздо меньше, чем первой и второй и все имеют один и тот же знак. Это означает что коптер имеет гораздо лучшую управляемость по вертикальной оси, что очевидно, т. все ВМГ как раз и работают практически в эту сторону (а не влево-вправо-вперёд-назад). Четвёртая колонка и пятая – это управляемость коптера по крену и тангажу, последняя шестая – по курсу. Видно, что по курсу коптер гораздо слабее управляем, чем по крену и тангажу. Но для наших целей, и для целей настоящей обучающей статьи, этого было достаточно. Подбором направлений сил тяги ВМГ (и перевычислением матриц для новой геометрии) можно этот баланс менять.

Обратим также внимание на то, что теоретически – при вычисленном и приведенном здесь количественно микшировании двигателей, достигается только управление по выбранному каналу, без влияния на другие каналы управления. при выбранном расположении ВМГ у октокоптера, в некоторых малых пределах можно изменять направление вектора тяги, без создания поворотных моментов т. не наклоняя сам коптер, и он будет горизонтально лететь и управляться без наклонов. Но только в очень узком диапазоне скоростей и внешних возмущений.

Общая структура регулятора приведена на рисунках 17 и 18.

gpl7b0zlpjvo2n8ixyo9ymqmfgs-2566730

Рисунок 17. Общая схема регулятора

ki1fm8fbkkv1sqtqej3k0bpmtwu-4948308

Рисунок 18. Схема каналов регулятора

В самом простейшем случае — на 6 входов регулятора поступают заданные фазовые координаты, они сравниваются с текущими (измеренными) и в общем случае в соответствии с матрицей

3 Регулятор высоты

Регулятор высоты можно выделить отдельно от других, поскольку он задействует примерно одинаково все двигатели, и даже без матриц Г и понятно: для того чтобы коптер летел вверх, надо увеличивать газ, а чтобы вниз – уменьшать обороты ВМГ. В качестве простейшего регулятора высоты можно взять обычный ПИД-регулятор, который справится с управлением при верно подобранных коэффициентах. На рисунке 19 показан один из вариантов регулятора, с доработкой ограничения вертикальной скорости, если текущая позиция отличается от заданной более чем на 5 метров.

jcnoemjpt4votvqb4vxhqg2cv50-9067456

Рисунок 18. Регулятор высоты, один из вариантов

В чем основная идея регулятора: на вход подается текущая величина рассогласования между заданной высотой и измеренной высотой, подаётся текущая вертикальная скорость и ограничение на вертикальную скорость. Если рассогласование больше 5 метров, то регулятор работает в режиме ограничения скорости и стремится к тому, чтобы вертикальная скорость vz стала равной +OGRV м/с или -OGRV м/с в зависимости от направления полёта. Если рассогласование менее 5 м, то регулятор стремится к нулевой скорости полёта и сведению в ноль рассогласования по высоте.

Выходной сигнал регулятора подается с коэффициентами матрицы (согласно третьей колонке) на каждый из 8 двигателей.

4 Регулятор ориентации коптера

Углы φ крена и θ тангажа являются одними из самых важных для коптера т. отвечают за стабилизацию его положения в пространстве, и должны иметь самый высший приоритет среди других каналов управления. Поскольку коптер симметричен, то регуляторы с точностью до осей симметрии похожи друг на друга.

В стабильном состоянии по каждой из осей и угол наклона должен быть нулевым, угловая скорость должна быть нулевой, и приложенный момент сил тоже должен быть нулевым. Регулятор ориентации должен быть достаточно быстродействующим чтобы успевать парировать внешние возмущающие моменты и не давать коптеру сильно отклоняться от нулевой позиции, т. любой наклон коптера приводит к уменьшению вертикальной составляющей силы тяги и к уводу коптера в соответствующую сторону вбок.

Для сведения к нулю трёх составляющих – угла, скорости и момента – они должны быть входными сигналами в регулятор. Один из вариантов представлен на рисунке 19. Заданное значение равно нулю, и в стабильном состоянии выходной сигнал сумматора будет равен нулю. Если появляется какое-то ненулевой состояние, то выход регулятора будет также отличен от нуля, далее он домножается на вектор, равный 4-ой колонке псевдообратной матрицы , представленной выше и формируется вектор усилий на 8 ВМГ, который должен компенсировать возникший дисбаланс поворота вокруг оси.

cpacawiuh_tigjyzpwny5a6m8xk-3348024

Рисунок 19. Регулятор крена

eh1sfjc6jv8btst8nqbzshi-zui-5597773

Рисунок 20. Коэффициенты блока типа «Размножитель» в регуляторе крена

Аналогично выполнен и регулятор по каналу тангажа (представлен на рисунке 21).

8dlzvr7ukdwyhdc_9uaqfisj55q-5784978

Рисунок 21. Регулятор тангажа

clufil5fkg_iltqyvwpel_pausg-2564385

Рисунок 22. Коэффициенты блока типа «Размножитель» в регуляторе тангажа

Конкретные значения на линиях регулятора, пропорциональных углу, угловой скорости и угловому ускорению (моменту сил) подбираются численным экспериментом для данного коптера (с конкретными массой, моментами инерции по осям, двигателями, размером рамы и т.

5 Регулятор положения коптера в пространстве

Итого, регулятор ориентации коптера и регулятор высоты, работая совместно, обеспечивают «висение» коптера в определённой точке пространства в состоянии динамического равновесия. При этом, у коптера еще остается некоторый запас управляемости, который позволяет ему двигаться целенаправленно вдоль координатных осей. Но данные регуляторы несколько сложнее чем регулятор ориентации.

Во-первых, они работают в системе координат В, а в общем случае коптер вращается в пространстве (по курсу) и направления осей x и y системы В не совпадают с такими же осями в системе I. Поэтому рассогласование его позиции в системе I надо переводить в систему В и дополнительно подготавливать задание на регулятор положения по осям x и y.

Во-вторых, рассогласование в этом регуляторе может быть как небольшим, так и значительным, а обычный ПИД-регулятор, как правило, не может одинаково эффективно работать с малыми и с большими отклонениями, требуется доработка регулятора – например, переключение регулятора положения в режим поддержания постоянной скорости при каких-то условиях.

В-третьих, у классического коптера с винтами, расположенными в одной плоскости и параллельными силами тяги, направленными вверх, практически нет возможности создавать боковую силу тяги – т. по существу, коптер является неуправляемым по осям X и Y. В нашем варианте, когда винты довернуты еще на 3 градуса вокруг своих лучей, у них появляется небольшая сила тяги направленная в стороны, и микшированием двигателей можно создавать боковую силу тяги. Однако, она очень несущественна, почти нулевая – об этом свидетельствуют большие числа в 1 и 2 колонках матрицы — для того, чтобы создать силу тяги величиной 1Н в сторону, нужно изменить частоту вращения двигателей почти на 15 рад/с (квадрат частоты вращения – на 191 (1/с)2). С точки зрения управления, это слишком большая величина. Поэтому коптеры управляются по направлениям X и Y при помощи других каналов управления – поворачиваясь вокруг осей X и Y (об этом напишем дальше).

Но структурно – если делать регулятор по каналам Х и Y типовым образом, регулятор может быть выполнен аналогично регуляторам ориентации – на выходе формируется управляющее воздействие по каналу X (Y) и домножается на вектор – 1 (или 2) колонку матрицы , а полученные 8 сигналов подаются на ВМГ.

Один из вариантов регулятора по каналу X и Y представлены на рисунке 23 и 24.

vkhy_jthk9w_d0zx6b1nkmyvkrq-9363232

Рисунок 23. Регулятор по каналу Х

oevisksr_2-dd_l3hfpuf7kh3k-7620056

Рисунок 24. Регулятор по каналу Y

Регуляторы двухрежимные, при отклонении от заданной позиции более чем на 5 метров, переключаются в режим работы «V» и поддерживают скорость по направлению на уровне REGX_OGRV (или REGY_OGRV) м/с. При этом, интегрирующая ветка регулятора отключается. При переходе в режим позиции, интегрирующая ветка включается в работу с некоторой задержкой – чтобы коптер успел подлететь к заданной точке и не набралась существенная величина на интеграторе за время «подлета».

Но, отметим еще раз – такой подход будет справедлив и оправдан при существенной управляемости коптера по горизонтальным осям, что может быть достигнуто относительно большим наклоном винтов от вертикальной оси.

Приведенные здесь регуляторы, хотя и кажутся сложными на первый взгляд, являются только лишь базовыми версиями, которые позволяют управлять коптерами. Дальнейшая разработка модели может (и должна) привести к более сложным регуляторам и к повышению качества переходных процессов.

В сумме, на выходе всех 6 каналов управления (по курсу регулятор во многом аналогичен регуляторам ориентации и для сокращения материала не приводим его здесь) мы имеем по каналу регулятора высоты некоторую «базовую» желаемую частоту вращения для каждой из 8 ВМГ, и некоторую «добавку», сформированную остальными 5-ю каналами управления. Единственный нюанс – микшированные добавки, т. это не прямая добавка к частоте вращения, а добавка к квадрату частоты вращения, и для того чтобы вычислить добавку именно к частоте вращения, надо еще дополнительно проделать несложные математические вычисления, см. рисунок 25:

hbgqyy8vor5undigvf9wl3o0ng-8676278

Рисунок 25. Суммирование каналов управления

Сложность вычисления в том, что добавка частоты вращения зависит и от нужного квадрата добавки, и от самой базовой частоты вращения – и чтобы вычислить итоговую частоту вращения как сумму базовой и добавки надо предварительно сделать еще ряд вычислений:

где квадраты скоростей – это сигналы, выходы каналов управления.

Таким образом, в зависимости от текущего уровня «базовой» частоты вращения (которая определяется в основном массой коптера и, возможно, груза и получается на выходе из регулятора высоты), определяется нужная «добавка» угловой скорости для каждой из ВМГ, суммируется с базовой частотой вращения и отправляется как задатчик на регулятор двигателя каждой из ВМГ.

6 Регулятор положения коптера в пространстве по каналам крена и тангажа

Опишем кратко подход, который используется для формирования задания по крену и тангажу для того, чтобы коптер летел в заданном направлении. Для простоты, предположим что курс коптера нулевой (угол ψ равен нулю всегда), тогда для того чтобы коптер двигался вдоль оси X, требуется изменить его угол тангажа θ, а для того чтобы он двигался вдоль оси Y, требуется изменить угол крена.

Путем несложных выкладок, можно получить следующие формулы для вычисления угла наклона:

где и – рассогласования заданных значений координат и измеренных в инерциальной системе отсчета, а выражения под арксинусом дополнительно ограничиваются некоторой величиной (полученной исходя из запасов управляемости коптера по крену и тангажу), например, диапазоном.

Если такие величины подать вместо нулевого значения на вход регуляторам крена и тангажа, то регулятор будет дополнительно доворачивать коптер на небольшой угол, для полета вдоль своих осей X и Y. Если учитывать еще и возможность изменения курса, то формулы получатся посложнее, но смысл управления будет тем же самым. Реализация такого управления показана на рисунке 26.

lirbwzbe64bnctaqcguow5kxts0-8238221

Список литературы

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.

Рассказать про создание виртуального пульта управления в SimInTech?

44%
Да, очень интересно
17

0%
Нет, и так все понятно
0

Проголосовали 18 пользователей. Воздержались 4 пользователя.

Устройство и принципы программирования

Для программирования дрона сегодня не надо разбираться в физике полета и прочих тонкостях, поскольку эти вопросы за вас уже решили разработчики контроллеров и SDK. Тем не менее, тема остается не такой простой. И в этом посте мы хотим рассказать, с какой стороны к ней подступиться.

Фото с омского «Хакатона по применению малых БПЛА»

Под катом — из чего состоит дрон, какие бывают комплекты и как начать с ними работу.

Есть два уровня программирования

Если рассуждать о глубине погружения в тему программирования беспилотных летательных аппаратов, можно выделить два «уровня»:

  • Планирование и закладка в аппарат полетного плана для готового решения, а также последующий контроль его исполнения. Этот уровень позволяет решать множество очень интересных задач, хотя и ограничен возможностями используемой платформы;
  • Создание собственной системы управления — своего рода «системное программирование» в мире БПЛА.

На Хабре любят DIY и тут довольно много рассказов о деталях второго уровня (например вот этот пост), в то время как первый до сих пор охвачен слабо. В основном обсуждают детали программирования в определенном SDK или сравнивают аппараты, что понятно лишь тем, кто в теме. Так что далее будем говорить именно про первый уровень.

5ccf8002800daaef0f91f2633e2fd90e-4754268

Программирование под готовые платформы выводит летательные аппараты далеко за рамки класса «игрушек». Это полноценная разработка, которая просто использует библиотеки и функции автопилота для серийно выпускаемого дрона (или для open source полетного контроллера), так что создатель программы может сосредоточиться на решении своей задачи, будь то аэрофотосъемка или воздушные световые шоу.

Самое важное: программирование позволяет снять с оператора часть задач по управлению в режиме реального времени, что на самом деле упрощает применение БПЛА. Не у каждого любителя фотосъемки найдется время и желание учиться пилотировать дрон в сложных условиях.

Типы БПЛА

Исторически сложилось так, что беспилотники классифицируют по исполнению — самолетному и мультироторному. Мультироторные можно разделить по количеству винтов: монокоптеры, квадрокоптеры, гексакоптеры и т. Такие БПЛА получили широкое распространение, поскольку им не нужны дополнительные устройства для взлета и посадки. Недавно появился третий класс БПЛА — конвертопланы. Но такая конструкция чаще встречается в специализированных разработках.

Для чего используются

Конструкция определяет возможное применение. Сфер, где успели «засветиться» беспилотные летательные аппараты уже довольно много. Даже если говорить только о «гражданских» машинах (не ориентированных на военных или спасателей), это:

  • геодезия и картография;
  • сельское хозяйство (в части контроля и обработки полей);
  • фермерство;
  • аэрофотосъемка,
  • обычная фото и видео съемка;
  • предпроектные исследования и контроль объектов строительства;
  • доставка товаров;
  • мониторинг протяженных объектов.

7d7d98cd4be7bbba5cf1836b852c2bcb-2720132

Применение беспилотника во многом определяется тем, какую полезную нагрузку он способен нести: может ли поднять посылку с грузом или вынужден ограничиться экшн-камерой.

Есть комплекты для обучения

Доступность обучающих комплектов уже потянула за собой массовое появление как кружков по работе с дронами, так и всевозможных мероприятий — семинаров, мастер-классов, олимпиад.

Обучающий набор DJI EDU

Например, в конце января в Точке кипения Омского технического университета (ОГТУ) проходил хакатон, посвященный программированию дронов.

Один из организаторов хакатона — Александр Голунов — помогал нам в подготовке этого поста

Любопытно, что до мероприятия ребята, принимавшие в нем участие, не были знакомых с беспилотниками. Некоторые из них увидели дрон вживую первый раз в жизни. Но после знакомства — блочной сборки, настройки, калибровки БПЛА, а также построения виртуального полетного плана — они смогли предложить новые способы применения дронов в быту. Как бы это о том, что ничего сложного тут, в целом, нет.

800d13591ba4eb305bd7da5b3fcca725-6741967

b472fd2f910d1996aaac852c56d2345a-3050362

Железо дрона

С точки зрения железа дрон состоит из:

  • рамы, на которой крепятся агрегаты и защитный кожух. Последний, кстати, присутствует не всегда, но какая-то защита движущихся частей аппарата, а заодно и окружающих от удара этими движущимися частями, есть почти везде;
  • необходимого количества роторов;
  • аккумулятора;
  • набора датчиков. Самый простой дрон может летать с трехосевым акселерометром, но управлять им будет сложно. Заметно упрощают этот процесс: трехосевой акселерометр, трехосевой датчик угловой скорости (ДУС), барометр и магнитометр. Также в списке датчиков могут присутствовать: компас, гироскоп, GPS или приемник любой другой системы глобального позиционирования;
  • модуля связи. Это может быть радиосвязь с пультом управления (наземной станцией) или 4G-модем для получения команд и отправки телеметрии через интернет;
  • полезной нагрузки, например камеры на подвесе, сонара, дальномера и т.п.;
  • сердца дрона — полетного контроллера, который всем этим управляет.

Пример состава оборудования программируемого дрона с полетным контроллером pixhawk

Чем занимается полетный контроллер

Контроллер решает классические задачи по:

  • ориентации беспилотника вокруг его центра масс;
  • ориентации центра масс беспилотника в пространстве;
  • движению БПЛА по маршруту;
  • избежанию коллизий с другими беспилотниками, если это групповой полет, или с иными объектами. Например, есть много разработок безопасных дронов, которые не сталкиваются с людьми, — все зависит от конкретной задачи;
  • управлению полезной нагрузкой — камерой, захватами для груза и т.п.;
  • передаче информации, в частности, приему команд с пульта, если управление осуществляется вручную;
  • корректировке полета, в т.ч. в больших формациях.

Полетный контроллер Arducopter

Полетный контроллер DJI A3

Полетные контроллеры присутствуют на рынке как самостоятельно, так и в составе готовых дронов.

Среди готовых решений широко известны китайские DJI. Вслед за полетным контроллером, шесть лет назад, китайцы предложили SDK, с которым можно создавать вполне профессиональные решения. Вот лишь небольшой список уже решенных задач:

  • контроль неправильно припаркованных автомобилей и дорожного движения в целом;
  • обследование и обработка территорий в сельском хозяйстве (в том числе, поля и виноградники);
  • 3D-реконструкция модели поверхности земли — маркшейдерские работы, трехмерная реконструкция природных туристических объектов и т.п.;
  • контроль флотилии дронов для развлекательных целей или быстрого прочесывания местности.

fa43ce183d823b3125239303599c94e0-4450169

Чем управляется квадрокоптер?

Во всех моделях органы управления практически идентичны. Обычно пульт делится на две части: левый и правый стик. С помощью левого контроллера регулируется высота полета и вращение квадрокоптера вокруг оси. Правый стик позволяет контролировать крен и тангаж для определения направления полета и управления наклоном

В чем разница между Дроном и Квадрокоптером?

Беспилотник (БПЛА) или беспилотный летательный аппарат, может передвигаться только по воздуху. Следовательно, так можно назвать и дрон , но только если он летает. Квадрокоптер – разновидность мультикоптеров. Если в нем нет пилота, то такую технику можно назвать дроном

Какой штраф за полет на Квадрокоптере?

4 КоАП РФ предусматривает ответственность за такие полёты в виде штрафа от 20 до 50 тыс

Где нельзя использовать квадрокоптер?

Запускать дрон можно в светлое время суток на высоту не более 150 м — над водой или над землей. При этом запрещено «летать» над аэродромами, тюрьмами, военными базами. Любые массовые и спортивные мероприятия снимать с дрона тоже не разрешается

Оцените статью
RusPilot.com