управление квадрокоптером через ноутбук

Обзор программного обеспечения для квадрокоптера

QGroundControl обеспечивает полное управление полетом и настройку квадрокоптера на базе полетных контроллеров PX4 или ArduPilot. Он обеспечивает легкое и понятное использование для новичков, но при этом обеспечивает поддержку функций высокого уровня для опытных пользователей.

На странице загрузки программы, выберите файл соответствующий вашей ОС.

QGroundControl должен отобразить Fly View, как показано выше (в противном случае откроется окно настройки ). При подключении по USB квадрокоптера Жужа Visio или Жужа Mini Visio к программе, откроется окно суммарной информации о параметрах, здесь же отображаются флаги сенсоров и возможных ошибок.

На левом крае экрана расположены вкладки разделов настройки дрона.

Основная панель инструментов

Основная панель инструментов обеспечивает доступ к выбору различных представлений приложений и высокоуровневой информации о состоянии подключенных автомобилей. Панель инструментов одинакова во всех представлениях, за исключением «PlanView» (который имеет один значок, чтобы вернуться в режим «Fly»).

Значки просмотра и выбора

Следующие значки используются для переключения между основными видами. Они отображаются, даже если квадрокоптер не подключен.

​ Настройки
Настройтеприложение QGroundControl.

​ Настройка
Сконфигурируйте и настройте свой автомобиль.

​ План
Создание автономных миссий.

​ Fly
Контролируйте свой автомобиль (а) во время полета, включая потоковое видео.

​ Анализировать
Загрузки журналов, геотеги изображений из исследовательской миссии, доступ к консоли MAVLink.

Значки состояния отображаются, когда QGroundControl подключен к автомобилю. Они показывают статус высокого уровня автомобиля, и их можно щелкнуть для просмотра более подробной информации.

​ Сообщения транспортного средства
Щелкните, чтобы отобразить раскрывающийся список сообщений от транспортного средства. При появлении критических сообщений он изменится на знак Yield.

​ Статус GPS
Показывает количество спутников и текущий hdop.

​
Информация об уровне сигнала RC RSSI RS.

​ Телеметрия RSSI Информация об уровне
сигналов телеметрии.

​ Батарея
Оставшийся процент заряда батареи.

​ Режим
полета Текущий режим полета. Нажмите, чтобы изменить режим полета.

​ Состояние
приема RTK GPS-съемки Показывает прогресс процесса RTK GPS-съемки.

Значки просмотра и выбора

Как тебе уже должно было стать понятно к этому моменту, сборка квадрокоптера — увлекательная, но непростая затея. Для тех, кому интереснее ковыряться с софтом, а не сборкой, лучше подойдут готовые модели. В 2010 году компания Parrot выпустила рыночную версию квадрокоптера AR. Drone. Это было первое решение для массового потребления, которое имело адекватную цену и полную открытость для энтузиастов электронщиков и программистов. Аппарат стал однозначным хитом. В этой статье мы хотим рассказать о второй версии этого квадрокоптера — AR. Drone 2. 0, который вышел в 2012 году.

Технические характеристики

Квадрокоптер Parrot AR. Drone 2. 0 оснащен четырьмя моторами мощностью 14,5 Вт, которые выдают 28 500 RPM. В редукторе используются шестерни из нилатрона для понижения шумов. На контроллере каждого мотора используется 8 MIPS AVR CPU, а сам контроллер влагоустойчив. Максимальная скорость полета — 18 км/ч. На борту квадрокоптера установлены две видеокамеры:

• фронтальная HD-камера с разрешением 720p, 30 FPS с углом объектива в 92 градуса;
• нижняя QVGA-камера (320 х 240), 60 FPS с углом объектива 64 градуса. Ее AR.Drone также использует для замеров горизонтальной скорости.

«Мозги» дрона представляют собой 1 ГГц ARM Cortex A8 процессор с 800 Гц DSP TMS320DMC64x для видео, 1 Гбит DDR2 RAM на 200 МГц. И управляется это все с помощью Linux 2. Соединение с «пультом» управления (которым в штатном варианте являются iOS- и Android-девайсы) происходит по Wi-Fi. Так что коптер несет на себе Wi-Fi-точку. Ориентация в пространстве происходит за счет трехосевого гироскопа, трехосевого акселерометра, трехосевого магнитометра (магнитный компас), датчика давления и ультразвукового высотомера (на самом деле дальномера). На борту также есть USB-разъем для подключения внешнего накопителя. GPS-приемника в штатной комплектации нет, но об этом чуть ниже.

Несмотря на то что AR. Drone — это коммерческий продукт для конечного потребителя, его компоновка позволяет без проблем подключать к нему дополнительные аппаратные компоненты или вмешиваться в работу существующих. При подвеске на дрон дополнительного оборудования весом до 150 граммов это не сказывается на качестве его полета — динамике и стабилизации. При подключении аккумулятора к квадрокоптеру происходит загрузка его ОС и инициация систем. Также включается Wi-Fi-точка, к которой можно подключиться любым Wi-Fi-устройством. Изначально управление коптером доступно только с iOS- или Android-девайсов, но на projects. ardrone. org можно найти способы для подключения с ноутбуков и настольных ПК с Wi-Fi. Поскольку у AR. Drone есть открытый API, то подключаться к нему можно с чего угодно, лишь бы там работал софт с использованием штатных библиотек.

Таким образом, мы просто можем зайти на квадрокоптер с правами root. Что это дает? Ну, например, в рамках контеста Positive Hack Days CFT 2012 было задание на перехват управления дроном, которое успешно решили. А на соревновании DroneGames 2012 был продемонстрирован вирус, которым заражался один дрон, и далее тот начинал заражать им другие дроны в зоне видимости, перехватывая управление ими. Имея под рукой BusyBox и рутовый доступ к нему, можно делать и не такое. Это полезная функция для энтузиастов, но дыра в безопасности для злоумышленников. Поэтому для Wi-Fi AR. Drone можно установить защиту WPA2, используя мод ardrone-wpa2 из GitHub и защитить свой дрон от кулхацкеров. Еще один недостаток Wi-Fi — у него ограниченный радиус действия, при выходе из которого квадрокоптер принудительно приземлится. Что будет под дроном в этот момент: ровная площадка, лес или вода — его не сильно волнует. Конечно, можно без проблем поставить более мощную Wi-Fi-антенну для расширения радиуса, но есть и другие способы. Например, при помощи Arduino и типовых для авиамоделирования модулей приемника и передатчика радиус полета дрона повышается до 1,5–2 км. Но можно сделать радиус полета вообще практически бесконечным — с помощью той же Arduino и GSM-модуля координировать полет дрона можно через сотовую сеть. Главное, чтобы в зоне полета было устойчивое сотовое покрытие.

Глаза

Видеокамеры, установленные на борту квадрокоптера, играют разные роли. Фронтальная камера транслирует видеопоток 720p по Wi-Fi на управляющее устройство. Этот поток можно записывать на устройстве (эту функцию предлагают стандартные приложения) или подключить внешний USB-накопитель к самому дрону, и запись будет вестись на него. На накопителе должно быть минимум 100 Мб свободного пространства и файловая система FAT32.

Вертикальная камера, расположенная в нижней части корпуса дрона, дает QVGA-разрешение. В ПО AR. Drone заложена функция отслеживания горизонтальной скорости с использованием вертикальной камеры по принципу, аналогичному принципу в компьютерных мышках.

Говоря о видео, нельзя не упомянуть звук: микрофонов на борту AR. Drone нет. Это понятно, потому что шум от четырех моторов забил бы любой микрофон. Опыты, проведенные с подвешиванием камер GoPro к AR. Drone и записью видео со звуком, показали, что качество звука даже при использовании алгоритмов шумоподавления оставляет желать лучшего. Но что мешает кому-то выйти с гениальным решением этой проблемы и удивить весь мир?

При всем при этом на борт дрона можно установить динамик и, пролетая над компанией друзей, транслировать Вагнера и его «Полет валькирий».

Крылья и тело

Эксплуатация дрона предполагается как в помещении, так и на открытых пространствах. В комплекте предусмотрены два сменных кожуха из вспененного полипропилена. Этот материал легок, но обеспечивает достаточную жесткость конструкции. Кожух для полетов в помещении имеет защиту винтов, которая сможет предохранить от несильных столкновений. Для полетов на открытом пространстве используется облегченный вариант кожуха, не имеющий защиты винтов, как следствие, он весит почти в два раза меньше.

Поведение в воздухе регулируется настройками приложений. Углы, скорости реакций, ограничения высот и ряд других параметров хорошо регулируются настройками. Квадрокоптер умеет делать боковой переворот на 360 градусов. Выполнять этот маневр лучше с запасом высоты, так как на завершающем этапе он теряет где-то 40–50 см высоты. Остальные же маневры выполняются в штатных приложениях или за счет наклона устройств, тогда приложение получает информацию с гироскопов мобильного устройства и передает команды на рули, или за счет нарисованных на экране джойстиков. Возможна и комбинация этих методов.

При полете в помещении можно включить функцию поддержания высоты, которую дрон определяет с помощью ультразвуковых дальномеров (на высотах менее 6 м), но тут есть особенность: если в комнате стоит стол, то, пролетая над ним, дрон немного наберет высоту, так как поверхность (стол) стала к нему ближе, чем была (пол). Надо учитывать это, чтобы квадрокоптер не уперся в потолок.

Также у дрона есть функция стабилизации полета, которая пригождается как в помещении, так и вне его. В помещении винты квадрокоптера создают воздушные возмущения, которые, отражаясь от близко стоящей мебели или других предметов, способны влиять на сам квадрокоптер. Поэтому в плотно заставленных комнатах дрон немного покачивается от собственных воздушных потоков.

Вне помещений стабилизация пригождается для борьбы с ветром. При слабом ветре дрон достаточно хорошо себя стабилизирует, но на сильном (особенно на высоте) его заметно качает. Говоря о метеоусловиях, нельзя не упомянуть, что инструкция не рекомендует использовать AR. Drone в дождь и снег. Это связано с открытостью многих элементов (контроллеров моторов, самих моторов) и подверженностью их коррозии.

AR в DRONE

Теперь пара слов о том, почему дрон имеет такое название. Название AR. Drone происходит от Augmented Reality Drone. Создатели сразу закладывали идею создания дополненной реальности при помощи квадрокоптера. Реализуется эта идея простым способом: на картинку, получаемую с камер устройства, накладываются дополнительные образы, и вокруг этого строятся игры. В App Store от Apple есть ряд бесплатных игр, выпущенных Parrot и использующих подход дополненной реальности. Коротко о некоторых из них:

Freeflight — бесплатное приложение от Parrot, доступное для скачивания в App Store и Google Market. Приложение предоставляет возможность для пилотирования AR. Drone и обновления его прошивки. После запуска (особенно первого) лучше сразу запустить функцию проверки наличия обновленной прошивки, и если она есть, то поставить ее.

Интерфейс управления Freeflight

При пилотировании доступны два инструмента управления дроном: вращение вокруг собственной оси и управление высотой; управление перемещением в горизонтальной плоскости. При наклонах смартфона дрон будет следовать в направлении наклона (вперед, вправо, влево, назад). На основной экран приложения во время полета выводится информация с камер, и есть возможность переключать вид между фронтальной и вертикальной камерами. Отдельно вынесены икнопки взлета, посадки и аварийного отключения винтов. В приложении множество настроек, которые влияют на высоту взлета при взлете, скорости реакции на движения смартфона, максимальные углы кренов квадрокоптера и многое другое. Но есть нюанс — на смартфон людям иногда звонят, и это может случиться во время пилотирования. Пока вы будете думать, принимать звонок или нет, квад зависнет в ожидании решения. Если вы примете звонок, то квад продолжит висеть, а по окончании звонка автоматически приземлится. Поэтому лучше десять раз посмотреть, какая поверхность сейчас под ним, а то сядет на дерево или в лужу.

Упасть «камнем» в штатной ситуации он может только в одном случае — если нажать кнопку аварийного отключения питания. При этом винты моментально обесточиваются. Во всех остальных случаях он или сядет сам, или дождется, пока его посадят. Также в приложении есть социальная составляющая, которая называется AR. Drone Academy. Но об этом чуть ниже. Субъективно приложение оставляет приятное впечатление — запустил, и полетели.

Rescue — очень занимательная штука. В комплект поставки дрона входит специальная картинка, которую дрон распознает как базу. Она будет использоваться для посадки и как центр происходящих событий. При запуске одной из миссий в пространстве вокруг дрона (виртуальном, естественно) появляются различные предметы, которые надо собирать. Количество зависит от объема доступного помещения. По мере сбора предметов начинают появляться неприятельские летательные объекты, которые надо сбивать ракетами. Hunter — мультиплеер-игра, где один игрок управляет дроном, а второму лучше убегать. Здесь идет игра в войнушку между человеком, на котором специальная кепка, и дроном. У человека также смартфон, и он может «стрелять» по дрону. Но кепка в комплекте с дроном не идет, а быстро найти ее не получилось. Хотя на eBay она, конечно, есть.

Дополненная врагами реальность

Race — для этого приложения требуются физические аксессуары: «пончики», через которые надо пролетать, и финишные конусы. Суть — гонки на время через подготовленные трассы.

Прохождение трасс на время

Карта спотовна примереМосквы

SDK/API

• Library — набор high-level API для доступа к функциям дрона;
• Tool — набор готовых библиотек для симуляции геймпада, обработки видеопотоков, навигационных данных и прочего;
• Engine — шаблоны проектов для iOS-приложений с описанными методами и контролами.

Среди одной из стандартных возможностей, реализуемых API, распознавание нескольких стандартных графических паттернов. В комплекте поставки дрона идет изображение для калибровки распознавания «базы для посадки» и сине-оранжевые липучки для наклейки их на объекты, которые надо отслеживать. Во-первых, этот функционал активно используется в играх для обнаружения дроном «противника». Во-вторых, наличие упрощенного способа распознавания объектов открывает интересные перспективы. Таким образом разработчику не надо углубляться в алгоритмы компьютерного зрения и реализовывать с нуля распознавание образов. Например, можно наклеить штатную липучку на велосипедный/лыжный/сноубордический шлем и написать программу, по которой дрон будет следовать за шлемом, обеспечивая аэровидеосъемку твоего путешествия в HD.

Единственный минус подобной эксплуатации — ресурс аккумулятора. Штатный аккумулятор имеет напряжение 11,1 В, ресурс 1000 мА • ч и обеспечивает около восьми минут полета, что не очень много. Но в продаже имеются и аккумуляторы емкостью 2300 мА • ч, что увеличивает время эксплуатации вдвое. Можно подумать, что, взяв с собой ящик аккумуляторов, будешь просто менять их по ходу действия. Но это не очень хорошая идея. Моторы AR. Drone не предназначены для длительной непрерывной эксплуатации — это обратная сторона малого энергопотребления и достойной тяги. Поэтому при непрерывной эксплуатации с заменой аккумуляторов они просто перегреются, что может привести к печальным последствиям и неожиданной встрече с землей.

Nodecopter

Продолжая тему программного управления AR. Drone, нельзя не коснуться мода под названием Nodecopter. Это мод, с использованием которого управлять полетом дрона можно с помощью Node. Для разработчиков это несколько более дружественный способ, нежели писать и компилировать код на Си с использованием API-библиотек. Это также снижает некий «порог вхождения» за счет того, что разработка под Node. js значительно проще, чем под Си, и таким образом большее количество людей может принимать участие в программировании под AR. Drone.

Мод позволяет получать данные сенсоров и простыми операциями передавать команды дрону. Подобные скрипты часто используются на мероприятиях для предварительного программирования программы полета дрона и дальше запуска демонстрации.

GPS, QGroundControl и полет по вейпоинтам

С помощью Node. js можно раздавать коптеру команды лишь в стиле «повернись направо на 0,5», «сделай флип налево» и прочее в таком стиле. Но для полета по маршруту этого мало или как минимум это неудобно. Встроенного GPS-приемника в квадрокоптере нет. Проблема решается разными способами. Например, возможна установка на него внешнего GPS-приемника с помощью Arduino. Также Parrot в феврале этого года анонсировала выпуск подключаемого GPS-модуля. Он подключается к бортовому USB-разъему и передает координаты устройству. Кроме того, он содержит в себе четырехгигабайтный накопитель и выполняет функцию флешки для записи видео. Анонсированный модуль поддерживает протокол MAVLink, что дает возможность использовать, например, софт QGroundControl, с помощью которого можно расставить заранее маршрутные точки и запустить дрон для полета по ним. А поскольку MAVLink имеет открытый исходный код и API, это позволяет писать любой софт для навигации дрона.

Дополнительные сенсоры

Открытость платформы AR. Drone и доступность его аппаратных компонентов делают его легко модифицируемым. С помощью мода Dronduino можно без труда интегрировать AR. Drone с Ardiuno Nano. Таким образом можно совместно использовать возможности платформ и добавлять на квадрокоптер дополнительные сенсоры, системы навигации, освещение, звуковые динамики, управление с джойстика и многое другое.

Интеграция управления AR. Drone с такими девайсами, как Nintendo Wii и Microsoft Kinect, уже давно не фантастика. Сенсоры распознают движения «пилота» и передают команды на квадрокоптер. Да, написание софта для Microsoft Kinect требует определенной квалификации, но для того API/SDK и делаются. Но если посмотреть дальше, то выходит, что «пульт» уже и не так уж нужен. На Kickstarter был размещен девайс под названием MYO — это браслет, который надевается на руку, получает информацию, считывая электрическую активность в мышцах двигающейся руки, и передает команды по Bluetooth. В проморолике было показано управление AR. Drone с помощью такого браслета. Он еще недоступен публично и все еще ожидает своего выхода на рынок, но ролики выглядят крайне многообещающе. То есть, если предположить, что проблему управления дроном мы решили и пульт больше не нужен, осталось решить вопрос с выводом телеметрии дрона. И тут приходит мысль об очках. Ведь если вывести всю необходимую информацию на очки и обеспечить управление с помощью носимого браслета, то и пульт больше не нужен.

Заключение

Итак, что же в этом AR. Drone такого, что им увлеклось столько людей? Есть же другие квадрокоптеры, которые могут, в отличие от AR. Drone, нести до килограмма полезной нагрузки. Могут находиться в воздухе до часа, при этом активно транслируя видео и навигационный поток на землю. Они же могут летать в плохих метеоусловиях, будь то проливной дождь или сильный снегопад. Круто? Ну круто же! А сколько они стоят? Как правило, это профессиональные летательные аппараты и цены исчисляются тысячами и десятками тысяч евро. И да, у многих других квадро- и октокоптеров есть свои API и SDK, но нет такой популярности. Но вряд ли найдется много желающих разбирать свой квадрокоптер за 2 тысячи евро, чтобы подключить к нему Arduino или какую-то дополнительную плату. Да и производители подобных коптеров не сильно стремятся пускать энтузиастов внутрь своих устройств. Так что же такое AR. Drone? Можно сказать, что это Arduino в мире любительских летательных аппаратов. Это платформа по скромной для рынка этих аппаратов стоимости, которая позволяет любому энтузиасту авиамоделисту, электронщику или программисту реализовывать свои идеи. Не зря вокруг этого продукта собралось такое сообщество и такое количество различных модификаций и усовершенствований. Подходит этот квадрокоптер и для тех, кто видит в нем лишь средство для игры, — интеграция из коробки со смартфонами и интуитивное управление позволяют использовать его по принципу «включил и играй». Доступность устройства тоже вносит свой вклад — в отличие от многих других квадрокоптеров, AR. Drone есть в наличии во многих розничных магазинах России, и далеко не только в Москве. Так что хочется надеяться, что компания Parrot продолжит развитие линейки AR. Drone, чтобы все увлеченные летающими роботами люди смогли реализовывать свои идеи. Drone — это и игрушка, и инструмент, и каждый использует его так, как больше хочется.

• Какие бывают дроны
• Автономная навигация
• Практика
• Полетный контроллер
• Robot Operating System
• Программный симулятор реального мира Gazebo
• Образ Docker
• Как работает софт управления
• Запуск софта
• Посмотрим на код
• Что дальше?

Управлять квадрокоптером — это целое искусство, но писать программы, которые позволяют ему летать в автономном режиме, — дело не менее захватывающее. В этой статье я расскажу о том, как создать программу на Python, которая будет вести беспилотник, и покажу, как протестировать ее в симуляторе.

Нашими основными инструментами будут среда разработки приложений для робототехники Robot Operating System и программный симулятор Gazebo. Их используют, чтобы тестировать алгоритмы в симуляционной среде и разбивать при этом как можно меньше техники. И ROS, и Gazebo работают в Linux — мы будем работать в Ubuntu 16.

Какие бывают дроны

Дроны бывают разные. По конструкции различают несколько типов дронов:

• мультироторный — коптеры;
• самолетный — fixed wing;
• гибридный — он взлетает вертикально, потом использует крылья.

Также дроны делятся на потребительские (consumer) и коммерческие (commercial).

Потребительские, как ты понимаешь, — это те, которые можно купить в магазине и использовать как летающую камеру. DJI Phantom и Mavic — хорошие модели. Есть и менее дорогие, но они определенно уступают по качеству. Такие квадрокоптеры используют для съемки разных мероприятий, зданий, исторических объектов. Например, с беспилотника можно сделать серию фотографий здания или памятника, а затем создать из них 3D-модель объекта методом фотограмметрии.

Как правило, такие дроны летают на ручном управлении, реже по миссии в автономном режиме по GPS-координатам. Рынок потребительских квадрокоптеров больше чем наполовину принадлежит одной компании — DJI. С ней очень сложно конкурировать, поскольку там делают реально крутой продукт: доступный, функциональный, удобный. Хотя в области квадрокоптеров для селфи DJI начинает теснить компания Skydio со своим дроном R2. Фишка этого дрона в том, что он может летать автономно, например за мотоциклистом в лесу. При этом беспилотник видит все препятствия и прокладывает автономный безопасный маршрут в реальном времени так, чтобы человек всегда оставался в кадре. Реально крутая штука.

Коммерческие дроны используются в компаниях для решения определенной задачи. Одни следят за состоянием сельхозполей, летая над ними регулярно и делая фотографии, другие умеют распылять удобрения точечно. Дроны используют на стройках, в карьерах. Каждый день они облетают строительный объект, делают фотографии, по которым создается 3D-модель в облаке, и уже она помогает отслеживать ежедневные изменения.

Пример российской компании, которая активно работает с этой технологией на рынке США, — Traceair.

Другой способ применения — осмотр трубопроводов дронами. Это особенно актуально для России: у нас газовые трубопроводы тянутся на тысячи километров, и надо контролировать утечки и врезки.

Ну и конечно, у всех на слуху доставка товаров дронами. Не знаю, заработает ли когда-нибудь сервис Amazon Prime Air, но уже сейчас компания Matternet доставляет товары в Цюрихе и некоторых городах США, а компания Zipline давно отправляет медикаменты в полет над просторами Африки. В России успехов тут пока намного меньше, недавно была новость про дрон Почты России, который разбился на первом тесте, а Сбербанк тестирует доставку денег дронами.

Компании Volocopter и Ehang уже имеют летающие прототипы такси, а компания с российскими корнями Hoversurf разрабатывает летающий байк.

В помещениях тоже есть задачи для коммерческих дронов, но пока они не сильно распространены, в этой области идут интенсивные R&D-исследования. Возможные применения для такого вида дронов:

• инвентаризация складских помещений;
• инспекции строек внутри зданий;
• контроль за безопасностью в подземных шахтах;
• инспекции промышленного оборудования в цехах.

Поживем — увидим, какие проекты будут реализованы и задисраптят нашу жизнь. Глобальная цель — сделать систему управления дроном, которой герой фильма «Бегущий по лезвию 2049» мог бы сказать: «Сфотографируй тут все!»

Автономная навигация

Коммерческое применение дронов обычно требует автономного полета, а не ручного управления. Связано это с тем, что часто коммерческие полеты надо выполнять регулярно в одном и том же месте и по одному и тому же полетному плану, который можно запрограммировать и снизить издержки на пилота.

Для автономного управления дрону надо как минимум знать с высокой точностью свои координаты в пространстве. На открытом пространстве можно использовать GPS — точность достигается в несколько метров. Дополнительная наземная станция и технология GPS RTK увеличат точность до нескольких сантиметров. Но наземную станцию не всегда возможно использовать, и это очень дорого. Обычного GPS хватает для задания маршрута полета над сельхозполями, стройками, трубопроводами, и дроны в этих случаях летают автономно. Эта функция есть у любого современного дрона, который можно найти в продаже.

В таком режиме безопасно летать только в открытом небе без препятствий. Если речь идет об обследовании зданий, трубопроводов или применении внутри помещений, то тут не обойтись без дополнительных сенсоров, определяющих расстояние до объектов. Тут используют одномерные сонары, лидары, двумерные лидары, 3D-лидары и камеры глубины. На борту дрона должен быть установлен дополнительный вычислитель, который в реальном времени будет считывать данные с этих сенсоров, строить 3D-модель окружающего пространства и планировать в нем безопасный маршрут.

Есть еще одна важная проблема: если мы летаем в замкнутом пространстве или между высокими зданиями, то сигнал GPS будет недоступен и необходимо иметь другой источник координат дрона в пространстве. Можно определять свои координаты на борту, обрабатывая видеопоток с бортовых камер — лучше использовать стереокамеры или камеры глубины. Такой алгоритм называется SLAM (Simultaneous Localization and Mapping).

В потоке кадров с камеры алгоритм ищет особые точки (features), которыми могут быть маленькие уголки, какие-то неоднородности. Точкам присваиваются дескрипторы таким образом, что, если мы найдем эту же точку в последующих кадрах, когда камера уже успела переместиться в пространстве, ей будет присвоен такой же дескриптор и алгоритм сможет сказать: «Вот на этом кадре есть такая же точка, что и на предыдущем».

Алгоритм не знает 3D-координаты особых точек и координаты камеры в моменты съемок кадров — эти параметры ему как раз и надо вычислить. Он отслеживает изменения пиксельных координат особых точек между кадрами и пытается подобрать такие параметры, чтобы, если спроецировать особые точки в плоскость кадра, получались наблюдаемые или измеренные пиксельные координаты.

В итоге получается оценка перемещения камеры в пространстве. Обычно алгоритм SLAM очень требователен к вычислительным ресурсам, но есть камера Intel RealSense T265 с микросхемой, реализующей вычисления SLAM на аппаратном уровне.

Для организации автономного управления дроном необходимо решить три задачи.

• Определить координаты дрона в пространстве. Использовать для этого GPS-приемник или вычислять на борту координаты, обрабатывая видеопоток алгоритмом SLAM. А лучше использовать оба подхода, чтобы знать как глобальные, так и локальные координаты дрона
• Построить 3D-карту окружения дрона с помощью сенсоров типа стереокамер, камер глубины, лидаров.
• Добавить софт для планирования маршрута с учетом цели полета, текущих координат и карты окружения.

Практика

Поскольку мы хотим затестить простую программу управления дроном в автономном режиме и при этом ничего не разбить, воспользуемся эмулятором. Нам понадобится следующий софт.

Полетный контроллер

Непосредственно вращением моторов и полетом дрона управляет полетный контроллер, представляющий собой плату Pixhawk с процессором ARM на борту и прошивкой под названием PX4. Сам программный код PX4 можно скомпилировать в режиме software in the loop как раз для тестирования на персональном компьютере на Intel x84 CPU. Софт PX4 в этом режиме думает, что он работает на реальном железе полетного контроллера, хотя на самом деле он выполняется в симуляционной среде на ПК и получает подменные данные с сенсоров.

Robot Operating System

Нам потребуется много разных программных модулей. Одни будут работать с сенсорами, другие будут реализовывать SLAM, третьи — строить 3D-карту, четвертые — планировать в ней безопасный маршрут. Для создания этих модулей мы используем Robot Operating System (ROS) — распространенный фреймворк для разработки приложений робототехники. Приложение для ROS представляет собой набор взаимодействующих пакетов, каждый экземпляр которых называется узел, или node.

Один из узлов называется мастер (master node) и отвечает за регистрацию остальных узлов приложения. Каждый узел представляет собой отдельный процесс Linux. ROS предоставляет механизм передачи и синхронизации сообщений между узлами. Существуют как стандартные сообщения, так и определенные программистом. В качестве сообщений выступают данные с сенсоров, видеокадры, облака точек, команды управления и передачи параметров.

Узлы ROS могут быть запущены на разных машинах — в этом случае взаимодействуют они через сетевой интерфейс. В составе ROS есть специальный узел rviz, он служит для графической визуализации передаваемых в ROS сообщений. Например, можно посмотреть, как БПЛА видит мир вокруг себя, отобразить траекторию его движения и видеопоток с камеры.

Для создания пакетов ROS предоставляет возможность использовать языки C++ и Python.

Продолжение доступно только участникам

Членство в сообществе в течение указанного срока откроет тебе доступ ко ВСЕМ материалам «Хакера», позволит скачивать выпуски в PDF, отключит рекламу на сайте и увеличит личную накопительную скидку!
Подробнее

Вариант 2. Открой один материал

Заинтересовала статья, но нет возможности стать членом клуба «Xakep. ru»? Тогда этот вариант для тебя!
Обрати внимание: этот способ подходит только для статей, опубликованных более двух месяцев назад.

Я уже участник «Xakep. ru»

• Что такое квадрокоптер и для чего это надо
• Теория полета
• Рама
• info
• Моторы и пропеллеры
• Питание и контроллеры питания
• WWW
• Бортовой компьютер и сенсоры
• Безопасность
• Управление

Несмотря на то что квадрокоптеры крайне модная тема, выбирать компоненты для сборки своего аппарата по-прежнему не так просто. Выбор деталей для конкретного проекта — это мучительный поиск оптимального сочетания веса, мощности и функ-циональности. Поэтому прежде, чем окунуться в мир бесчисленных интернет-магазинов и безымянных китайских производителей, давай проделаем подготовительную работу.

Что такое квадрокоптер и для чего это надо

Мультироторы, они же мультикоптеры или просто коптеры, — это беспилотные летательные аппараты, предназначенные для развлечения, съемки фото и видео с воздуха или отработки автоматизированных систем.

Коптеры обычно различают по числу используемых моторов — начиная от бикоптера с двумя моторами (как GunShip из фильма «Аватар») и заканчивая октакоптером с восемью. На самом деле число моторов ограничено только твоей фантазией, бюджетом и возможностями полетного контроллера. Классическим вариантом является квадрокоптер с четырьмя моторами, расположенными на перекрещивающихся лучах. Такую конфигурацию еще в 1920 году попытался соорудить француз Этьен Омишен (Étienne Oehmichen), и в 1922 году у него это даже получилось. По сути, это самый простой и дешевый вариант сделать летательный аппарат, способный без особых проблем поднимать в воздух небольшие камеры вроде GoPro. Но если ты собираешься взлетать с серьезной фото- и видеотехникой, то стоит выбирать коптер с большим числом моторов — это не только увеличит грузоподъемность, но и добавит надежности, если в полете выйдет из строя один или несколько моторов.

Теория полета

В теории полета (аэродинамике) принято выделять три угла (или три оси вращения), которые задают ориентацию и направление вектора движения летательного аппарата. Проще говоря, летательный аппарат куда-то «смотрит» и куда-то двигается. Причем двигаться он может не туда, куда «смотрит». Даже самолеты в полете имеют какую-то составляющую «сноса», которая уводит их от курсового направления. А вертолеты вообще могут летать боком.

Три эти угла принято называть крен, тангаж и рыскание. Крен — это поворот аппарата вокруг его продольной оси (оси, которая проходит от носа до хвоста). Тангаж — это поворот вокруг его поперечной оси (клюет носом, задирает хвост). Рыскание — поворот вокруг вертикальной оси, больше всего похожий на поворот в «наземном» понимании.

Основные маневры (слева направо): движение по прямой, крен/тангаж и рыскание

В классической схеме вертолета основной винт при помощи автомата перекоса лопастей управляет креном и тангажем. Так как основной винт обладает ненулевым сопротивлением воздуха, у вертолета возникает вращающий момент, направленный в сторону, противоположную вращению винта, и, чтобы его скомпенсировать, у вертолета есть хвостовой винт. Изменяя производительность хвостового винта (оборотами или шагом), классический вертолет управляет своим рысканием. В нашем же случае все сложнее. У нас есть четыре винта, два из них вращаются по часовой стрелке, два — против часовой. В большинстве конфигураций используются винты с неизменяемым шагом и управлять можно только их оборотами. Если они все будут вращаться с одинаковой скоростью, то они скомпенсируют друг друга: рыскание, крен и тангаж будут нулевыми.

Если мы увеличим обороты одного винта, вращающегося по часовой стрелке, и уменьшим обороты другого винта, вращающегося по часовой стрелке, то мы сохраним общий момент вращения и рыскание по-прежнему будет нулевым, но крен или тангаж (в зависимости от того, где мы сделаем ему «нос») изменятся. А если мы увеличим обороты на обоих винтах, вращающихся по часовой стрелке, а на винтах, вращающихся против часовой стрелки, уменьшим (чтобы сохранить общую подъемную силу), то возникнет вращающий момент, который изменит угол рыскания. Понятное дело, что все это будем делать не мы сами, а бортовой компьютер, который будет принимать сигнал с ручек управления, добавлять поправки с акселерометра и гироскопа и крутить винтами, как ему надо. Для того чтобы спроектировать коптер, необходимо найти баланс между весом, временем полета, мощностью двигателей и другими характеристиками. Все это зависит от конкретных задач. Все хотят, чтобы коптер летал выше, быстрее и дольше, но в среднем время полета составляет от 10 до 20 минут в зависимости от емкости аккумулятора и общего полетного веса. Стоит запомнить, что все характеристики связаны между собой и, к примеру, увеличение емкости аккумулятора приведет к увеличению веса и, как следствие, к уменьшению времени полета. Чтобы узнать, сколько примерно твоя конструкция будет висеть в воздухе и сможет ли вообще оторваться от земли, существует хороший онлайн-калькулятор ecalc. Но прежде чем вбивать в него данные, нужно сформулировать требования к будущему аппарату. Будешь ли ты устанавливать на аппарат камеру или другую технику? Насколько быстрым должен быть аппарат? Как далеко тебе нужно летать? Давай посмотрим на характеристики различных компонентов.

PX4 — бортовой компьютер с полноценной UNIX-системой

Рама

Основной момент, который нужно решить при выборе рамы, — будешь ли ты использовать готовую раму или же делать ее сам. С готовой рамой все проще, да и заказывать в любом случае придется множество деталей. При этом, учитывая цены в китайских магазинах, самодельный вариант может оказаться дороже. С другой стороны, собственную раму в случае аварии будет проще починить. Ну и, естественно, своими руками можно сделать любую, даже самую сумасшедшую конструкцию. Рассмотрим поподробнее самосборный вариант.

Сделать раму можно из любых подручных материалов (дерево, алюминий, пластик и так далее). Можно подойти чуть серьезнее и выпилить ее на ЧПУ-станке из плетеного карбона, причем можно усложнить задачу и сделать складную конструкцию.

Самый простой вариант для любителей DIY — пойти в OBI, «Леруа Мерлен» или на строительный рынок и купить квадратную алюминиевую трубу 12 × 12, а также алюминиевый лист толщиной в 1,5 мм. Для того чтобы сделать раму из таких материалов типа «четыре палки и крепеж», достаточно дрели или ножовки по металлу. Но нужно быть готовым к тому, что такая конструкция прослужит недолго. Все-таки все эти профили делают из очень мягкого материала (АД31/АД33), при полетах он будет легко гнуться.

Oehmichen № 2, пилотируемый квадрокоптер французского инженере Этьена Омишена, запущенный в 1922 году

В качестве образца для твоей рамы можно взять упрощенную заводскую раму или же найти в интернете готовый чертеж. Более сложные материалы (например, углепластик) можно заменить на алюминий — если и получится тяжелее, то ненамного. В любом случае стоит обращать внимание на длину и симметричность лучей. Длина лучей выбирается исходя из диаметра используемых пропеллеров, так, чтобы после их установки расстояние между окружностями вращающихся винтов было не менее 1–2 см, и уж тем более эти окружности не должны пересекаться. Моторы, устанавливаемые на лучах, должны быть равноудалены от центра рамы, где будет располагаться «мозг», и (в большинстве случаев) находиться на одном расстоянии друг от друга, образуя равносторонний многоугольник.

При проектировании стоит учесть, что центр рамы должен совпадать с центром тяжести, поэтому установить аккумулятор сзади между лучами — плохая идея, если он не будет скомпенсирован грузом спереди, например камерой. Продумай, на что будет приземляться твой аппарат, для новичков можно посоветовать приспособить что-то мягкое на «пузе» или концах лучей, например плотный поролон или теннисные мячики. А также защити аккумулятор на случай неудачного приземления, например установи его между пластинами рамы или расположи под высокими посадочными лыжами.

Info

Полет от первого лица (FPV) очень захватывает, особенно если пользоваться видео-очками и HeadTracker’ом, который будет повторять движения головы на подвесе FPV-камеры, создавая ощущение, что находишься в кабине пилота.

Моторы и пропеллеры

Из-за вращения моторов в разные стороны приходится использовать разнонаправленные пропеллеры: прямого вращения (против часовой) и обратного вращения (по часовой). Обычно используются двухлопастные пропеллеры, их легче балансировать и найти магазинах, в то время как трехлопастные дадут больше тяги при меньшем диаметре винта, но доставят много головной боли при балансировке. Плохой (дешевый и неотбалансированный) пропеллер может развалиться в полете или вызвать сильные вибрации, которые передадутся на датчики полетного контроллера. Это приведет к серьезным проблемам со стабилизацией и вызовет сильное смазывание и «желе» на видео, если ты снимаешь что-то с коптера или летаешь с видом от первого лица.

Регулятор скорости,он же ESC

У любого пропеллера есть два основных параметра: диаметр и шаг. Их обозначают по-разному: 10 × 4. 5, 10 × 45 или просто 1045. Это означает, что диаметр пропеллера 10 дюймов, а его шаг 4,5 дюйма. Чем длиннее пропеллер и больше шаг, тем большую тягу он сможет создавать, но при этом повысится нагрузка на мотор и увеличится потребление тока, в результате он может сильно перегреться и электроника выйдет из строя. Поэтому винты подбираются под мотор. Ну или мотор под винты, тут как посмотреть. Обычно на сайтах продавцов моторов можно встретить информацию о рекомендуемых пропеллерах и аккумуляторах для выбранного мотора, а также тесты создаваемой тяги и эффективности. Существуют и пропеллеры с изменяемым шагом, что в теории повысит маневренность, но в реальности добавит сложную механику, имеющую свойство изнашиваться и ломаться с последующим дорогостоящим ремонтом.

Также чем больше винт, тем больше его инерция. Если нужна маневренность, лучше выбрать винты с большим шагом или трехлопастные. Они при том же размере создают тягу в 1,2–1,5 раза больше. Понятно, что винты и скорость их вращения нужно подбирать так, чтобы они смогли создать тягу большую, чем вес аппарата.

А вот и моторчик на 850 kV

И наконец, бесколлекторные моторы. У моторов есть ключевой параметр — kV. Это количество оборотов в минуту, которые сделает мотор, на поданный вольт напряжения. Это не мощность мотора, это его, скажем так, «передаточное число». Чем меньше kV, тем меньше оборотов, но выше крутящий момент. Чем больше kV при той же мощности, тем больше оборотов и ниже момент. При выборе мотора ориентируются на то, что в штатном режиме он будет работать при мощности 50% от максимальной. Не стоит думать, что чем kV больше — тем лучше, для коптеров с типичной 3S-батареей рекомендуемое число находится в диапазоне от 700 до 1000 kV.

Более прочный материал — дюраль (Д16Т). Практически не гнется, достаточно пружинистый, и его применяют в авиации. Профили из него в ОБИ не продаются, но можно поймать на Митинском рынке на третьем этаже, на рынке ТВЦ «Строй» тоже были.

Питание и контроллеры питания

Капитан подсказывает: чем больше мощность мотора, тем больше батарейка ему нужна. Большая батарейка — это не только емкость (читай, время полета), но и максимальный ток, которая она отдает. Но чем больше батарейка, тем больше и ее вес, что вынуждает скорректировать наши прикидки относительно винтов и моторов. На сегодняшний день все используют литий-полимерные батарейки (LiPo). Они легкие, емкие, с высоким током разрядки. Единственный минус — при отрицательных температурах работают плохо, но если их держать в кармане и подключать непосредственно перед полетом, то во время разряда они сами слегка разогреваются и не успевают замерзнуть. LiPo-элементы вырабатывают напряжение 3,7 В.

При выборе батареи стоит обращать внимание на три ее параметра: емкость, измеряемую в миллиампер-часах, максимальный ток разряда в емкостях аккумулятора (С) и число ячеек (S). Первые два параметра связаны между собой, и при их перемножении ты узнаешь, сколько тока сможет отдавать этот аккумулятор продолжительное время. Например, твои моторы потребляют 10 А каждый и их четыре штуки, а батарея имеет параметры 2200 мА · ч 30/40C, таким образом, коптеру требуется 4 • 10 A = 40 A, а батарея может выдавать 2,2 A • 30 = 66 A или 2,2 А • 40 = 88 А в течение 5–10 секунд, что явно будет достаточно для питания аппарата. Также эти коэффициенты напрямую влияют на вес аккумулятора. Внимание! Если тока будет не хватать, то в лучшем случае батарея надуется и выйдет из строя, а в худшем загорится или взорвется; это же может произойти при коротком замыкании, повреждении или неправильных условиях хранения и зарядки, поэтому используй специализированные зарядные устройства, аккумуляторы храни в специальных негорючих пакетах и летай с «пищалкой», которая предупредит о разрядке. Число ячеек (S) указывает на количество LiPo-элементов в батарее, каждый элемент выдает 3,7 В, и, например, 3S-аккумулятор будет отдавать примерно 11,1 В. Стоит обращать внимание на этот параметр, так как от него зависят скорость оборотов моторов и тип используемых регуляторов.

Элементы батареи объединяют последовательно или параллельно. При последовательном включении увеличивается напряжение, при параллельном — емкость. Схему подключения элементов в батарее можно понять по ее маркировке. Например, 3S1P (или просто 3S) — это три последовательно подключенных элемента. Напряжение такой батареи будет 11,1 В. 4S2P — это восемь элементов, две группы, подключенных параллельно по четыре последовательных элемента.

Однако моторы подключаются к батарее не напрямую, а через так называемые регуляторы скорости. Регуляторы скорости (они же «регули» или ESC) управляют скоростью вращения моторов, заставляя твой коптер балансировать на месте или лететь в нужном направлении. Большинство регуляторов имеют встроенный стабилизатор тока на 5 В, от которого можно питать электронику (в частности, «мозг»), можно использовать отдельный стабилизатор тока (UBEC). Выбираются контроллеры скорости исходя из потребления мотором тока, а также возможности перепрошивки. Обычные регули довольно медлительны в плане отклика на поступающий сигнал и имеют множество лишних настроек для коптеростроительства, поэтому их перепрошивают кастомными прошивками SimonK или BLHeli. Китайцы и тут подсуетились, и часто можно встретить регуляторы скорости с уже обновленной прошивкой. Не забывай, что такие регули не следят за состоянием аккумулятора и могут разрядить его ниже 3,0 В на банку, что приведет к его порче. Но в то же время на обычных ESC стоит переключить тип используемого аккумулятора с LiPo на NiMH или отключить уменьшение оборотов при разрядке источника питания (согласно инструкции), чтобы под конец полета внезапно не отключился мотор и твой беспилотник не упал.

Моторы подключаются к регулятору скорости тремя проводами, последовательность не имеет значения, но если поменять любые два из трех проводов местами, то мотор будет вращаться в обратном направлении, что очень важно для коптеров.

Два силовых провода, идущих от регулятора, надо подключить к батарейке. НЕ ПЕРЕПУТАЙ ПОЛЯРНОСТЬ! Вообще, для удобства регуляторы подключают не к самой батарейке, а к так называемому Power Distribution Module — модулю распределения энергии. Это, в общем-то, просто плата, на которой припаяны силовые провода регуляторов, распаяны разветвления для них и припаян силовой кабель, идущий к батарее. Конечно, батарею не надо припаивать, а надо соединить через разъем. Ты же не хочешь перепаивать батарею каждый раз, как она сядет.

Можно ли управлять Квадрокоптером с телефона?

Правый рычажок — для управления движение вперед, назад, влево и вправо по плоскости. Левый рычажок используется для управления высоты и поворотом вокруг своей оси на месте. Если развернуть квадрокоптер передней частью к себе, нажать правый рычажок вправо — квадркопотер полетит от себя вправо!