Kutilsiudělejtesami

DIY dron: Lekce 4. Ovladač letu..

Obsah

Úvod

Nyní, když jste vybrali nebo navrhli rám UAV, motory, rotory, ESC a baterii, můžete začít s výběrem letového ovladače. Ovladač letu pro vícerotorový bezpilotní letoun je integrovaný obvod, který se obvykle skládá z mikroprocesoru, senzorů a vstupních / výstupních pinů. Po vybalení ovladač letu neví, jaký konkrétní typ nebo konfiguraci UAV používáte, takže zpočátku budete muset v softwaru nastavit určité parametry, poté se daná konfigurace načte na palubu. Přístup, který jsme zde zvolili, místo pouhého porovnávání aktuálně dostupných letových ovladačů uvádí, které prvky počítače jsou zodpovědné za které funkce a také aspekty, na které je třeba dávat pozor.

Hlavní procesor

8051 vs AVR vs PIC vs ARM: Rodina mikrokontrolérů, které tvoří základ většiny moderní letové ovladače. Arduino je založeno na AVR (ATmel) a komunita se zdá být zaměřena na MultiWii jako preferovaný kód. Microchip je hlavním výrobcem PIC čipů. Je těžké tvrdit, že jeden je lepší než druhý, vše závisí na tom, co software dokáže. ARM (jako STM32) používá 16/32bitovou architekturu, desítky používají 8/16bitové AVR a PIC. Jelikož jsou jednodeskové počítače stále levnější, očekává se, že letové ovladače příští generace budou moci provozovat plnohodnotné operační systémy, jako je Linux nebo Android.

CPU: Obvykle je jejich bitová šířka násobkem 8 (8bitové, 16bitové, 32bitové, 64bitové), což v turn označuje velikost primárních registrů v CPU. Mikroprocesory mohou zpracovávat pouze nastavený (maximální) počet bitů v paměti najednou (hodiny). Čím více bitů mikroprocesor zvládne, tím bude zpracování přesnější (a rychlejší). Například zpracování 16bitové proměnné na 8bitovém procesoru je mnohem pomalejší než na 32bitovém. Všimněte si toho, že kód musí také běžet se správným počtem bitů a v době psaní tohoto článku pouze několik programů používá kód, který je optimalizován pro 32 bitů.

Pracovní frekvence: Frekvence, na které pracuje hlavní procesor. Ve výchozím nastavení se také nazývá „hodinová frekvence“. Frekvence se měří v hertzech (cyklech za sekundu). Čím vyšší je pracovní frekvence, tím rychleji může procesor zpracovávat data.

Program / Flash: Flash je místo, kde je uložen hlavní kód. Pokud je program složitý, může zabrat spoustu místa. Je zřejmé, že čím větší paměť, tím více informací může uložit. Paměť je také užitečná pro ukládání údajů za letu, jako jsou souřadnice GPS, letové plány, automatický pohyb kamery atd. Kód načtený do paměti flash zůstává na čipu i po vypnutí napájení.

SRAM: SRAM znamená Static Random Access Memory a je prostorem na čipu, který se používá při provádění výpočtů. Po vypnutí napájení se data uložená v paměti RAM ztratí. Čím vyšší je velikost RAM, tím více informací bude „snadno dostupných“ pro výpočty v daném okamžiku.

EEPROM: Elektricky mazatelná programovatelná paměť pouze pro čtení (EEPROM) se obvykle používá k ukládání informací, které se během letu nemění, například nastavení na rozdíl od dat. uloženy na SRAM, což může zahrnovat čtení senzorů atd.

Další I / O porty: většina mikrokontrolérů má velké množství digitálních a analogových vstupních a výstupních portů, na letovém ovladači jsou některé použity pro senzory, jiné pro komunikaci nebo pro obecný vstup a výstup. Tyto další porty lze připojit k RC servům, kardanům, bzučákům a dalším.

A / D převodník: Pokud senzory používají integrované analogové napětí (obvykle 0-3,3V nebo 0-5V), musí analogový digitální převodník A převádět tyto hodnoty digitálních dat. Stejně jako u procesoru určuje maximální přesnost počet bitů, které ADC zvládne. S tím je spojena hodinová rychlost, při které může mikroprocesor číst data (časy za sekundu), aby zajistil, že informace nebudou ztraceny. Během této konverze je však obtížné neztratit některá data, takže čím vyšší je bitová hloubka ADC, tím přesnější budou údaje, ale je důležité, aby procesor zvládl rychlost, s jakou jsou data být odeslán.

Napájení

Specifikace letového ovladače často popisují dva rozsahy napětí, z nichž první je rozsah vstupního napětí samotného letového ovladače (většina pracuje při jmenovitém napětí 5 V) a druhá je rozsah vstupního napětí hlavního mikroprocesoru (3,3 V nebo 5 V). Vzhledem k tomu, že letový ovladač je integrované zařízení, musíte věnovat pozornost pouze rozsahu vstupního napětí ovladače. Většina vícerotorových letových ovladačů UAV pracuje na 5V, protože toto napětí je generováno BEC (další informace viz část „ Pohonná jednotka “).

Zopakujme si to. V ideálním případě není potřeba napájet letový ovladač odděleně od hlavní baterie. Jedinou výjimkou je, pokud potřebujete záložní baterii v případě, že hlavní baterie vydává tolik energie, že BEC nemůže generovat dostatek proudu / napětí, což způsobí výpadek / reset napájení. V tomto případě se však místo záložní baterie často používají kondenzátory.

Senzory

Z hardwarového hlediska je letový ovladač v podstatě běžný programovatelný mikrokontrolér, pouze se speciálními senzory na palubě. Minimálně bude letový ovladač obsahovat 3osý gyroskop, ale bez automatického vyrovnávání. Ne všechny letové ovladače jsou vybaveny následujícími senzory, ale mohou také obsahovat jejich kombinaci:

  • Akcelerometr: Jak naznačuje název, akcelerometry měří lineární zrychlení ve třech osách (říkejme jim: X, Y a Z). Obvykle se měří v „G (v ruštině. Stejné)“. Standardní (normální) hodnota je g = 9,80665 m / s². Pro určení polohy může být výstup akcelerometru integrován dvakrát, i když kvůli ztrátám na výstupu může předmět podléhat driftu. Nejvýznamnější charakteristikou triaxiálních akcelerometrů je, že registrují gravitaci a jako takové mohou vědět, kterým směrem „sestoupit“. To hraje hlavní roli při zajišťování stability vícerotorového UAV. Akcelerometr musí být namontován na letovém ovladači tak, aby se lineární osy shodovaly s hlavními osami dronu.

  • Gyroskop: Gyroskop měří rychlost změny úhlů podél tří úhlových os (pojďme říkejte jim: alfa, beta a gama). Obvykle se měří ve stupních za sekundu. Gyroskop neměří absolutní úhly přímo, ale můžete iterovat, abyste získali úhel, který stejně jako akcelerometr podporuje drift. Výstup skutečného gyroskopu bývá analogový nebo I2C, ale většinou si s tím nemusíte dělat starosti, protože všechna příchozí data jsou zpracovávána kódem letového ovladače. Gyroskop musí být nainstalován tak, aby se jeho osa otáčení shodovala s osou UAV.

  • Inerciální měřicí jednotka (IMU): IMU je v podstatě malá deska, která obsahuje obojí akcelerometr a gyroskop (obvykle víceosý). Většina z nich zahrnuje tříosý akcelerometr a tříosý gyroskop, jiné mohou zahrnovat další senzory, jako například tříosý magnetometr, poskytující celkem 9 os měření.

  • Kompas / magnetometr: Elektronický magnetický kompas schopný detekovat magnetické pole Země a pomocí tato data k určení směru kompasu dronu (vzhledem k magnetickému severnímu pólu). Tento snímač je téměř vždy přítomen, pokud má systém vstup GPS a je k dispozici od jedné do tří os.

  • Tlak / barometr: Protože se atmosférický tlak mění se vzdáleností od hladiny moře, můžete použít snímač tlaku pro získání poměrně přesného odečtu nadmořské výšky UAV. Aby bylo možné vypočítat nejpřesnější nadmořskou výšku, většina letových kontrolorů přijímá data současně ze snímače tlaku a satelitního navigačního systému (GPS). Při montáži mějte na paměti, že je vhodnější, aby otvor v pouzdru barometru byl pokryt kusem pěnové gumy, aby se omezil negativní účinek větru na čip.

  • GPS: Global Positioning System (GPS) k určení vaší konkrétní geografická poloha, využívá signály vyslané několika satelity obíhajícími kolem Země. Letový ovladač může mít vestavěný modul GPS i kabel připojený. Anténu GPS byste neměli zaměňovat se samotným modulem GPS, který může vypadat jako malá černá skříňka nebo běžná „kachní“ anténa. Abyste získali přesná data o poloze, musí modul GPS přijímat data z více satelitů a čím více, tím lépe.

  • Vzdálenost: Senzory vzdálenosti jsou stále častěji používány na dronech, protože GPS souřadnice a snímače tlaku nedokážou zjistit jak daleko jste od země (kopec, hora nebo budova), nebo zda narazíte do předmětu nebo ne. Senzor vzdálenosti směřující dolů může být založen na ultrazvukové, laserové nebo lidarové technologii (infračervené senzory mohou mít problémy se slunečním zářením). Snímače vzdálenosti jsou zřídka součástí standardního vybavení letového ovladače.

Letové režimy

Níže je uveden seznam nejpopulárnějších letových režimů, ale ne všechny mohou být k dispozici v letoví kontroloři... „Letový režim“ je způsob, jakým letový kontrolor používá senzory a příchozí rádiové povely ke stabilizaci a letu UAV. Pokud má použité řídicí zařízení pět nebo více kanálů, může uživatel konfigurovat software, který mu umožní měnit režimy přes 5. kanál (pomocný spínač) přímo během letu.

  • ACRO - obvykle výchozí režim, ze všech dostupných senzorů používá letový ovladač pouze gyroskop (dron se nemůže sám automaticky vyrovnat). Relevantní pro sportovní (akrobatický) let.
  • ANGLE - stabilní režim; ze všech dostupných senzorů používá letový ovladač gyroskop a akcelerometr. Úhly jsou omezené. Udrží dron ve vodorovné poloze (ale bez držení polohy).
  • HORIZON - kombinuje stabilitu režimu "ANGLE", když jsou hole blízko středu a pohybují se pomalu, a akrobacie režimu „ACRO“, když jsou hole v krajních polohách a rychle se pohybují. Letový ovladač používá pouze gyroskop.
  • BARO (Nadmořská výška) - stabilní režim; ze všech dostupných senzorů používá letový ovladač gyroskop, akcelerometr a barometr. Úhly jsou omezené. Barometr se používá k udržení určité (pevné) nadmořské výšky, pokud nejsou z ovládacího zařízení vydávány žádné příkazy.
  • MAG (Heading Hold) - režim zamčení nadpisu (směr kompasu), dron si zachová orientaci vybočení. Ze všech dostupných senzorů používá letový ovladač gyroskop, akcelerometr a kompas.
  • HEADFREE (CareFree, Headless) - eliminuje sledování orientace (vybočení) dronu a umožňuje vám tak pohyb ve 2D směru podle pohybu ROLL / PITCH ovládací páčka. Ze všech dostupných senzorů používá letový ovladač gyroskop, akcelerometr a kompas.
  • GPS / Návrat domů - Automaticky používá kompas a GPS k návratu na místo startu. Ze všech dostupných senzorů používá letový ovladač gyroskop, akcelerometr, kompas a modul GPS.
  • GPS / Waypoint - umožňuje dronu samostatně sledovat přednastavené body GPS. Ze všech dostupných senzorů používá letový ovladač gyroskop, akcelerometr, kompas a modul GPS.
  • GPS / Position Hold - udržuje aktuální polohu pomocí GPS a barometru (je -li k dispozici). Ze všech dostupných senzorů používá letový ovladač gyroskop, akcelerometr, kompas a modul GPS.
  • Failsafe - pokud nebyly zadány žádné jiné letové režimy, dron se přepne do režimu Acro. Řídicí jednotka letu používá ze všech dostupných senzorů pouze gyroskop. Relevantní v případě selhání softwaru dronu vám umožňuje obnovit kontrolu nad UAV pomocí dříve přednastavených příkazů.

Software

PID regulátor (přiřazení a nastavení)

Proporcionální integrální derivát (PID) or Proportional-Integral-Derivative (PID) je kus softwaru letového ovladače, který čte data ze senzorů a vypočítává, jak rychle se musí motory otáčet, aby udržely požadovanou rychlost UAV.

Vývojáři UAV připravených k letu mají tendenci optimálně ladit parametry PID regulátoru, a proto je většina dronů RTF perfektně pilotována přímo po vybalení z krabice. Co nelze říci o vlastních sestavách UAV, kde je důležité použít univerzální letový ovladač vhodný pro jakoukoli sestavu více rotorů se schopností upravovat hodnoty PID, dokud nesplní požadované letové vlastnosti koncového uživatele.

GUI

Graphical User Interface (GUI) or Graphical User Interface Je to, co se používá k vizuální úpravě kódu (pomocí počítače), který bude načten do letového ovladače. Software dodávaný s letovými ovladači je stále lepší a lepší; první letové ovladače používaly většinou textová rozhraní, která vyžadovala, aby uživatelé porozuměli téměř veškerému kódu a změnili konkrétní sekce tak, aby vyhovovaly designu. V poslední době GUI používá interaktivní grafická rozhraní, aby uživateli usnadnila konfiguraci potřebných parametrů.

Další funkce

Software používaný u některých letových kontrolorů může mít další funkce, které nejsou k dispozici ostatní. Volba konkrétního letového ovladače může nakonec záviset na tom, jaké další funkce / funkce vývojář nabízí. Mezi tyto funkce může patřit:

  • Autonomní navigace po trasových bodech - Umožňuje uživateli nastavit trasové body GPS, které bude dron samostatně sledovat.
  • Oribiting - pohyb dronu kolem dané GPS souřadnice, kdy přední část dronu je vždy směřována k dané souřadnici (relevantní pro střelbu).
  • Follow me - mnoho UAV má funkci „Follow Me“, která může být založena na satelitním určování polohy (například sledování souřadnic GPS smartphonu nebo modulu zabudovaného do řídicí zařízení GPS).
  • 3D obraz - Většina 3D snímků je pořizována po letu pomocí snímků a dat GPS získaných během letu.
  • Open Source - Software některých letových kontrolorů nelze měnit / konfigurovat. Open source produkty obecně umožňují zkušeným uživatelům upravit kód tak, aby vyhovoval jejich specifickým potřebám.

Komunikace

Rádiové ovládání (RC)

Rádiové ovládání obvykle obsahuje RC vysílač / RC vysílač (v bezobslužném hobby - rádiové řídicí zařízení / dálkové ovládání) a RC přijímač (RC přijímač)

  • Throttle / Elevation
  • Yaw
  • Rozteč
    • ​​
  • Roll

Všechny ostatní dostupné kanály lze použít k takovým akcím, jako jsou:

  • Zapnutí (aktivace nebo aktivace) / deaktivace (deaktivace nebo deaktivace) - zapnutí / vypnutí motorů...
  • Ovládání kardanu (posouvání nahoru / dolů, otáčení ve směru / proti směru hodinových ručiček, zoom)
  • Změna letových režimů (ACRO / ANGLE atd.)
  • Aktivace / aktivace užitečného zatížení (padák), bzučák nebo jiné zařízení)
  • Jakákoli jiná aplikace

Většina uživatelů (piloti UAV) dává přednost ručnímu ovládání, což opět dokazuje, že pilotování pomocí ovládací zařízení je stále volbou číslo jedna. RC přijímač sám o sobě jednoduše přenáší hodnoty pocházející z RC vysílače, což znamená, že nemůže ovládat dron. RC přijímač musí být připojen k letovému ovladači, který musí být naprogramován tak, aby přijímal RC signály. Na trhu je velmi málo letových ovladačů, které přijímají příchozí rádiové povely přímo z přijímače a většina počítačů dokonce poskytuje napájení přijímači z jednoho z pinů. Další úvahy při výběru dálkového ovladače zahrnují:

  • Ne všechny RC vysílače mohou poskytovat plný rozsah RC signálů od 500 ms do 2500 ms; někteří tento rozsah uměle omezují, protože většina RC se používá pro rádiem řízená auta, letadla a helikoptéry.
  • Dosah / Max. dosah vzduchu (měřeno ve stopách nebo metrech) RC systémy-výrobci téměř nikdy neposkytují, protože tento parametr je ovlivněn mnoha faktory, jako je hluk, teplota, vlhkost, výkon baterie a další.
  • Některé RC systémy mají přijímač, který má také vestavěný vysílač pro přenos dat ze senzoru (např. Souřadnice GPS), které se pak zobrazí na LCD RC vysílače.

Bluetooth

Produkty Bluetooth a novější BLE (Bluetooth Low Energy) byly původně určeny k přenosu dat mezi zařízeními bez párování nebo frekvence vhodný. Některé komerčně dostupné letové ovladače mohou odesílat a přijímat data bezdrátově prostřednictvím připojení Bluetooth, což usnadňuje odstraňování problémů v terénu.

Wi-Fi

Ovládání Wi-Fi se obvykle dosahuje prostřednictvím routeru Wi-Fi, počítač (včetně notebooku, stolního počítače, tabletu) nebo chytrého telefonu. Wi-Fi si dokáže poradit s přenosem dat i streamováním videa, ale zároveň je tato technologie obtížnější na konfiguraci / implementaci. Stejně jako u všech zařízení Wi-Fi je vzdálenost omezena vysílačem Wi-Fi.

Rádiofrekvenční (RF nebo RF)

Řízení radiofrekvenční (RF) v této souvislosti označuje k bezdrátovému přenosu dat z počítače nebo mikrokontroléru do letadla pomocí RF vysílače / přijímače (nebo dvoupásmového transceiveru). Použití konvenční RF jednotky připojené k počítači umožňuje obousměrnou komunikaci na dlouhé vzdálenosti s vysokou hustotou dat (obvykle v sériovém formátu).

Smartphone

Ačkoli se nejedná o typ komunikace, otázkou je, jak ovládat dron pomocí smartphonu, dost na to, aby měl samostatnou sekci. Moderní smartphony jsou v podstatě výkonné počítače, které shodou okolností mohou také telefonovat. Téměř všechny smartphony mají vestavěný modul Bluetooth a modul WiFi, z nichž každý slouží k ovládání dronu a / nebo přijímání dat a / nebo videa.

Infračervený (IR)

TV dálkový ovladač) se k ovládání dronů používá jen zřídka, protože i v běžných místnostech (nemluvě o otevřených prostorech) je infračerveného rušení tolik, že není příliš spolehlivé. Navzdory skutečnosti, že technologii lze použít k ovládání UAV, nelze ji nabídnout jako hlavní možnost.

Další úvahy

Funkčnost: Výrobci letových ovladačů se obvykle snaží poskytnout co nejvíce funkcí - jsou ve výchozím nastavení zahrnuty nebo zakoupeny samostatně jako možnosti / doplňky. Níže je uvedeno jen několik z mnoha dalších funkcí, na které byste se měli při srovnání letových ovladačů podívat.

Tlumení: I malé vibrace v rámu, obvykle způsobené nevyváženými rotory a / nebo motory, lze detekovat pomocí vestavěného akcelerometru, který zase odešle příslušné signály do hlavního procesoru, který provede nápravná opatření. Tyto drobné opravy jsou pro stabilní let zbytečné nebo nežádoucí a je nejlepší nechat letový ovladač vibrovat co nejméně. Z tohoto důvodu se mezi ovladačem letu a rámem často používají tlumiče / tlumiče vibrací.

Příloha: Ochranný kryt kolem letového ovladače může pomoci v různých situacích. Kromě toho, že skříň je estetičtější než holý PCB, často poskytuje určitou úroveň elektrické ochrany. prvky, jakož i dodatečnou ochranu v případě havárie.

Montáž: Existuje několik způsobů, jak připevnit letový ovladač k rámu, a ne všechny letové ovladače mají stejné možnosti montáže:

  1. Čtyři otvory ve vzdálenosti 30,5 mm nebo 45 mm od sebe na druhou.
  2. Ploché dno pro použití s ​​nálepkou.
  3. Čtyři otvory v obdélníku (standardní není nainstalován).

Komunita: Protože stavíte vlastní dron, účast v online komunitě může hodně pomoci, zvláště pokud narazíte na problémy nebo chcete radu. Pomoci může také získání rady od komunity nebo zobrazení zpětné vazby od uživatelů ohledně kvality a snadného používání různých letových kontrolorů.

Příslušenství: Pro plné využití výrobku mohou být kromě samotného letového ovladače vyžadovány další položky (příslušenství nebo doplňky). Takové příslušenství může zahrnovat, ale není omezeno na: modul GPS a / nebo GPS anténu; kabely; montážní příslušenství; obrazovka (LCD / OLED);

Příklad

Takže při všech těchto různých porovnáních, jaké informace můžete získat o letovém kontroléru a co může letový ovladač obsahovat? Jako příklad jsme vybrali Quadrino Nano Flight Controller

Hlavní procesor

Použitý integrovaný ATMel ATMega2560 je jedním z nejvýkonnějších čipů ATMel kompatibilních s Arduino. Ačkoli má celkem 100 pinů, včetně 16 analogově-digitálních kanálů a pěti portů SPI, díky své malé velikosti a zamýšlenému použití jako letový ovladač je na desce přítomno jen několik z nich.

  • AVR vs PIC: AVR
  • Procesor: 8bitový
  • Provozní frekvence: 16 MHz
  • Programová paměť / Flash: 256 kB
  • SRAM: 8 kB
  • EEPROM: 4KB
  • Další I / O piny: 3 × I2C; 1 × UART; 2 × 10pinový GPIO; Servo s 5x výstupy; OLED port
  • A / D převodník: 10bitový

Senzory

Quadrino Nano obsahuje čip MPU9150 IMU, který obsahuje 3osý gyroskop, 3osý akcelerometr a 3osý magnetometr. To pomáhá udržet desku dostatečně malou, aniž by byla obětována kvalita senzoru. Barometr MS5611 poskytuje údaje o tlaku a je pokryt kusem pěny. Integrovaná GPS Venus 838FLPx s externí anténou GPS (součást dodávky).

Software

Quadrino Nano byl postaven speciálně pro použití nejnovějšího softwaru MultiWii (na bázi Arduina). Místo přímé úpravy kódu Arduino byl vytvořen samostatný grafičtější software.

Komunikace

  • Přímý vstup ze standardního RC přijímače.
  • Vyhrazený port satelitního přijímače Spektrum
  • Sériové (vysílače SBus a / nebo Bluetooth nebo 3DR)

Doplňkové faktory

  1. Kryt: Ochranný průsvitný kryt součástí standardní výbavy
  2. Montáž: Existují dva hlavní způsoby připevnění Quadrina Nano do dronu: šrouby a matice nebo nálepka z pěnové gumy.
  3. Kompaktní design: samotný ovladač (kromě GPS antény) měří 53x53 mm.

.
Podobné články