Gørdetselvdrone

DIY drone: Lektion 4. Flight controller..

Indhold

Indledning

Nu hvor du har valgt eller designet UAV -rammen, motorer, rotorer, ESC'er og batteri, kan du begynde at vælge din flyvekontroller. Flyvekontrolleren til et ubemandet luftfartøj med flere rotorer er et integreret kredsløb, der normalt består af en mikroprocessor, sensorer og input / output-ben. Efter udpakning ved flyvekontrolleren ikke, hvilken specifik type eller konfiguration af UAV'er du bruger, så i første omgang skal du angive bestemte parametre i softwaren, hvorefter den givne konfiguration indlæses om bord. I stedet for blot at sammenligne de aktuelt tilgængelige flyvekontrollere, viser den fremgangsmåde, vi har valgt her, hvilke elementer på pc'en, der er ansvarlige for hvilke funktioner, samt aspekter, man skal passe på.

Hovedprocessor

8051 vs AVR vs PIC vs ARM: En familie af mikrokontrollere, der danner grundlaget for de fleste moderne flyvekontrollører. Arduino er baseret på AVR (ATmel), og samfundet ser ud til at være fokuseret på MultiWii som den foretrukne kode. Microchip er hovedproducenten af ​​PIC -chips. Det er svært at argumentere for, at det ene er bedre end det andet, det kommer helt ned på, hvad software kan. ARM (ligesom STM32) bruger 16/32-bit arkitektur, med snesevis ved hjælp af 8/16-bit AVR'er og PIC'er. Efterhånden som enkeltkortcomputere bliver mindre og billigere, forventes næste generations flyvekontrollere, der kan køre fuldgyldige operativsystemer som Linux eller Android.

CPU: Normalt er deres bitbredde et multiplum af 8 (8-bit, 16-bit, 32-bit, 64-bit), som i turn angiver størrelsen primære registre i CPU'en. Mikroprocessorer kan kun behandle et sæt (maksimalt) antal bits i hukommelsen ad gangen (ur). Jo flere bits mikroprocessoren kan håndtere, jo mere præcis (og hurtigere) vil behandlingen være. For eksempel er behandling af en 16-bit variabel på en 8-bit processor meget langsommere end på en 32-bit. Bemærk, at koden også skal køre med det korrekte antal bits, og på tidspunktet for denne skrivning bruger kun få programmer kode, der er optimeret til 32 bit.

Driftsfrekvens: Frekvensen, hvor hovedprocessoren arbejder. Det kaldes også "clock rate" som standard. Frekvensen måles i hertz (cyklusser pr. Sekund). Jo højere driftsfrekvens, jo hurtigere kan processoren behandle data.

Program / Flash: Flash er, hvor hovedkoden er gemt. Hvis programmet er komplekst, kan det tage meget plads. Jo større hukommelsen er, jo mere information kan den gemme. Hukommelsen er også relevant til lagring af data under flyvning såsom GPS-koordinater, flyveplaner, automatisk kamerabevægelse osv. Koden indlæst i flashhukommelsen forbliver på chippen, selv efter at strømmen er slukket.

SRAM: SRAM står for Statisk Random Access Memory og er det rum på chippen, der bruges, når der udføres beregninger. Data gemt i RAM går tabt, når strømmen slukkes. Jo højere RAM -mængde, desto flere oplysninger vil til enhver tid være "let tilgængelige" til beregninger.

EEPROM: Elektrisk sletbar programmerbar skrivebeskyttet hukommelse (EEPROM) bruges typisk til at gemme oplysninger, der ikke ændres under flyvning, f.eks. Indstillinger i modsætning til data. gemt på SRAM, som kan omfatte sensoraflæsninger osv.

Yderligere I / O -porte: de fleste mikrokontrollere har et stort antal digitale og analoge input- og outputporte, på flyvekontrollen bruges nogle til sensorer, andre til kommunikation eller til generel input og output. Disse ekstra porte kan tilsluttes RC -servoer, gimbals, summer og mere.

A / D-omformer: Hvis sensorerne anvender en indbygget analog spænding (normalt 0-3,3V eller 0-5V), skal den analoge A digitale omformer konvertere disse aflæsninger til digitale data. Som med processoren bestemmer antallet af bits, som ADC kan håndtere, den maksimale nøjagtighed. Tilknyttet dette er den urfrekvens, hvormed mikroprocessoren kan læse data (gange i sekundet) for at sikre, at information ikke går tabt. Det er imidlertid svært ikke at miste nogle af dataene under denne konvertering, så jo højere bitdybde ADC'en er, desto mere præcise bliver målingerne, men det er vigtigt, at processoren kan håndtere den hastighed, hvormed dataene er bliver sendt.

Strømforsyning

Ofte beskriver flyvekontrolspecifikationer to spændingsområder, hvoraf det første er indgangsspændingsområdet for selve flyvekontrolleren (de fleste arbejder ved mærkespænding 5V), og den anden er indgangsspændingsområdet for hovedmikroprocessoren (3,3V eller 5V). Da flyvekontrolleren er en integreret enhed, skal du kun være opmærksom på controllerens indgangsspændingsområde. De fleste multi-rotor UAV-flyvekontroller fungerer ved 5V, da denne spænding genereres af BEC (se afsnittet " Powerplant" for mere information).

Lad os gentage. Ideelt set er det ikke nødvendigt at drive flyvekontrolleren separat fra hovedbatteriet. Den eneste undtagelse er, hvis du har brug for et backup -batteri, hvis hovedbatteriet afgiver så meget strøm, at BEC ikke kan generere nok strøm / spænding og dermed forårsage strømafbrydelse / nulstilling. Men i dette tilfælde bruges kondensatorer ofte i stedet for et backupbatteri.

Sensorer

Fra et hardware -synspunkt er en flyvekontroller i det væsentlige en almindelig programmerbar mikrokontroller, kun med specielle sensorer om bord. Flyvekontrolleren vil som et minimum omfatte et 3-akset gyroskop, men ingen automatisk nivellering. Ikke alle flyvekontrollere er udstyret med følgende sensorer, men de kan også indeholde en kombination af dem:

  • Accelerometer: Som navnet antyder, måler accelerometre lineær acceleration i tre akser (lad os kalde dem: X, Y og Z). Normalt målt i "G (på russisk. Samme)". Standardværdien (normal) er g = 9,80665 m / s². For at bestemme positionen kan accelerometerets output integreres to gange, selvom objektet på grund af tab ved output kan blive udsat for drift. Det mest markante kendetegn ved triaksiale accelerometre er, at de registrerer tyngdekraften, og som sådan kan de vide, hvilken retning de skal "sænke". Dette spiller en stor rolle for at sikre stabiliteten af ​​multi-rotor UAV. Accelerometeret skal monteres på flyvekontrolleren, så de lineære akser falder sammen med dronens hovedakser.

  • Gyroskop: Gyroskopet måler ændringen af ​​vinkler langs tre vinkelakser (lad os kalder dem: alfa, beta og gamma). Normalt målt i grader i sekundet. Bemærk, at gyroskopet ikke måler absolutte vinkler direkte, men du kan iterere for at få en vinkel, der ligesom accelerometeret tilskynder til drift. Outputtet af et ægte gyroskop har en tendens til at være analog eller I2C, men for det meste behøver du ikke bekymre dig om dette, da alle indgående data behandles af flyvekontrollerkoden. Gyroskopet skal installeres, så dets rotationsakse falder sammen med UAV -aksen.

  • Inertial Measurement Unit (IMU): IMU er i det væsentlige et lille bræt, der indeholder både et accelerometer og et gyroskop (normalt flerakset). De fleste af disse inkluderer et tre-akset accelerometer og et tre-akset gyroskop, andre kan omfatte yderligere sensorer, såsom et tre-akset magnetometer, der giver i alt 9 måleakser.

  • Kompas / magnetometer: Et elektronisk magnetisk kompas, der er i stand til at registrere Jordens magnetfelt og bruge disse data til bestemmelse af retningen af ​​dronens kompas (i forhold til den magnetiske nordpol). Denne sensor er næsten altid til stede, hvis systemet har en GPS -indgang og er tilgængelig fra en til tre akser.

  • Tryk / barometer: Da atmosfærisk tryk ændres med afstanden fra havets overflade, kan du bruge en tryksensor for at få en nogenlunde nøjagtig højdemåling af UAV. For at beregne den mest nøjagtige højde modtager de fleste flyvekontrollere data samtidigt fra en tryksensor og et satellitnavigationssystem (GPS). Ved montering skal du være opmærksom på, at hullet i barometerhuset er dækket med et stykke skumgummi for at reducere vindens negative effekt på chippen.

  • GPS: Global Positioning System (GPS) for at bestemme din specifik geografisk placering, bruger signaler sendt af flere satellitter, der kredser om jorden. Flyvekontrolleren kan både have et indbygget GPS-modul og et kabelforbundet. GPS -antennen bør ikke forveksles med selve GPS -modulet, der kan ligne en lille sort boks eller en almindelig “And” -antenne. For at få nøjagtige placeringsdata skal GPS -modulet modtage data fra flere satellitter, og jo flere jo bedre.

  • Afstand: Afstandssensorer bruges i stigende grad på droner, da GPS -koordinater og trykfølere ikke kan fortælle dig hvor langt du er fra jorden (bakke, bjerg eller bygning), eller om du vil kollidere med et objekt eller ej. Den nedadrettede afstandssensor kan være baseret på ultralyds-, laser- eller lidar -teknologi (IR -sensorer kan opleve problemer i sollys). Afstandssensorer er sjældent inkluderet som standard med en flyvekontroller.

Flytilstande

Nedenfor er en liste over de mest populære flyvemåder, men det er ikke sikkert, at alle er tilgængelige i flyvekontrollører... "Flytilstand" er den måde, hvorpå flyvekontrolleren bruger sensorer og indgående radiokommandoer til at stabilisere og flyve UAV. Hvis det brugte kontroludstyr har fem eller flere kanaler, kan brugeren konfigurere softwaren, som giver ham mulighed for at skifte tilstande via den 5. kanal (hjælpekontakt) direkte under flyvningen.

  • ACRO - normalt er standardtilstanden for alle tilgængelige sensorer, flyvekontrolleren bruger kun gyroskopet (dronen kan ikke automatisk nivellere sig selv). Relevant til sport (akrobatisk) flyvning.
  • ANGLE - stabil tilstand; af alle tilgængelige sensorer bruger flyvekontrolleren et gyroskop og et accelerometer. Vinklerne er begrænsede. Vil holde dronen i en vandret position (men uden at holde positionen).
  • HORIZON - kombinerer stabiliteten i "ANGLE" -tilstanden, når pindene er nær midten og bevæger sig langsomt, og akrobatikken i "ACRO" -tilstand, når pindene er i deres ekstreme positioner og bevæger sig hurtigt. Flyvekontrolleren bruger kun gyroskopet.
  • BARO (Altitude Hold) - stabil tilstand; af alle tilgængelige sensorer bruger flyvekontrollen et gyroskop, et accelerometer og et barometer. Vinklerne er begrænsede. Barometeret bruges til at opretholde en bestemt (fast) højde, når der ikke gives kommandoer fra kontroludstyret.
  • MAG (Heading Hold) - kurs låsetilstand (kompasretning), vil dronen beholde Yaw -orientering. Af alle de tilgængelige sensorer bruger flyvekontrollen et gyroskop, et accelerometer og et kompas.
  • HEADFREE (CareFree, Headless) - eliminerer orienteringssporing (Yaw) af dronen og giver dig dermed mulighed for at bevæge dig i 2D -retning ifølge bevægelse ROLL / PITCH kontrolpind. Af alle de tilgængelige sensorer bruger flyvekontrollen et gyroskop, et accelerometer og et kompas.
  • GPS / Return to Home - Bruger automatisk kompas og GPS til at vende tilbage til startstedet. Af alle de tilgængelige sensorer bruger flyvekontrolleren et gyroskop, et accelerometer, et kompas og et GPS -modul.
  • GPS / Waypoint - giver dronen mulighed for autonomt at følge forudindstillede GPS -punkter. Af alle de tilgængelige sensorer bruger flyvekontrolleren et gyroskop, et accelerometer, et kompas og et GPS -modul.
  • GPS / Position Hold - holder den aktuelle position ved hjælp af GPS og barometer (hvis tilgængelig). Af alle de tilgængelige sensorer bruger flyvekontrolleren et gyroskop, et accelerometer, et kompas og et GPS -modul.
  • Fejlsikker - hvis der ikke er angivet andre flyvemåder, skifter dronen til Acro -tilstand. Af alle de tilgængelige sensorer bruges kun gyroskopet af flyvekontrolleren. Relevant i tilfælde af fejl i dronens software, giver det dig mulighed for at gendanne kontrollen over UAV'en ved hjælp af tidligere forudindstillede kommandoer.

Software

PID -controller (tildeling og indstilling)

Proportional Integral Derivate (PID) eller Proportional-Integral-Derivative (PID) er et stykke flyvekontrollersoftware, der læser data fra sensorer og beregner, hvor hurtigt motorerne skal rotere for at UAV'en skal bevæge sig med den ønskede hastighed.

Udviklere af flyvefærdige UAV'er har en tendens til at optimere PID-controllerens parametre optimalt, hvorfor de fleste RTF-droner er perfekt piloteret lige ud af kassen. Hvad kan man ikke sige om brugerdefinerede UAV-samlinger, hvor det er vigtigt at bruge en universel flyvekontroller, der er egnet til enhver multirotorsamling, med mulighed for at justere PID-værdier, indtil de opfylder slutbrugerens krævede flyveegenskaber.

GUI

Grafisk brugergrænseflade (GUI) eller grafisk brugergrænseflade Er det, der bruges til visuelt at redigere koden (ved hjælp af en computer), der indlæses i flyvekontrolleren. Den software, der følger med flyvekontrollere, bliver ved med at blive bedre og bedre; de første flyvekontrollere brugte hovedsageligt tekstbaserede grænseflader, hvilket krævede, at brugerne forstod næsten hele koden og ændrede specifikke sektioner, så de passer til designet. For nylig har GUI brugt interaktive grafiske grænseflader for at gøre det lettere for brugeren at konfigurere de nødvendige parametre.

Yderligere funktioner

Softwaren, der bruges på nogle flyvekontrollere, kan have yderligere funktioner, der ikke er tilgængelige for andre. Valget af en bestemt flyvekontroller kan i sidste ende afhænge af, hvilke yderligere funktioner / funktionalitet, der tilbydes af udvikleren. Disse funktioner kan omfatte:

  • Autonom Waypoint Navigation - Tillader brugeren at indstille GPS -waypoints, som dronen vil følge autonomt.
  • Oribiting - bevægelse af dronen omkring et givet GPS -koordinat, hvor fronten af ​​dronen altid er rettet mod den givne koordinat (relevant for skydning).
  • Følg mig - mange UAV'er har en "Følg mig" -funktion, som kan baseres på satellitpositionering (f.eks. Sporing af GPS -koordinaterne på en smartphone eller et modul indbygget i kontroludstyr GPS).
  • 3D -billede - De fleste 3D -billeder tages efter flyvning ved hjælp af billeder og GPS -data hentet under flyvningen.
  • Open Source - Softwaren til nogle flyvekontrollere kan ikke ændres / konfigureres. Open source -produkter giver generelt strømbrugerne mulighed for at ændre koden, så den passer til deres specifikke behov.

Kommunikation

Radiostyring (RC)

Radiostyring omfatter typisk RC -sender / RC sender (i ubemandet hobby - radiostyringsudstyr / fjernbetjening) og RC -modtager (RC -modtager)

  • Throttle / Elevation
  • Yaw
  • Stigning
    • ​​
  • Rul

Alle andre tilgængelige kanaler kan bruges til handlinger som:

  • Tilkobling (tilkobling eller tilkobling) / frakobling (frakobling eller frakobling) - til- / frakobling af motorer...
  • Gimbal kontrol (pan op / ned, drej med uret / mod uret, zoom)
  • Skift flytilstande (ACRO / ANGLE osv.)
  • Aktiver / Aktiver nyttelast (faldskærm, summer eller anden enhed)
  • Enhver anden applikation

De fleste brugere (UAV -piloter) foretrækker manuel kontrol, dette viser endnu en gang, at piloter med kontroludstyr er stadig nummer et valg. I sig selv sender RC -modtageren simpelthen de værdier, der kommer fra RC -senderen, hvilket betyder, at den ikke kan styre dronen. RC -modtageren skal tilsluttes en flyvekontroller, som igen skal programmeres til at modtage RC -signaler. Der er meget få flyvekontrollere på markedet, der accepterer indgående radiokommandoer fra modtageren direkte, og de fleste pc'er giver endda strøm til modtageren fra en af ​​benene. Yderligere overvejelser ved valg af fjernbetjening omfatter:

  • Ikke alle RC -sendere kan levere hele spektret af RC -signaler fra 500 ms til 2500 ms; nogle begrænser kunstigt denne rækkevidde, da de fleste RC'er i brug er til radiostyrede biler, fly og helikoptere.
  • Område / maks. luftinterval (målt i fod eller meter) RC -systemer-leveres næsten aldrig af producenter, da denne parameter påvirkes af mange faktorer såsom støj, temperatur, fugtighed, batteristrøm og andre.
  • Nogle RC-systemer har en modtager, der også har en indbygget sender til overførsel af data fra sensoren (f.eks. GPS-koordinater), som derefter vil blive vist på LCD-skærmen på RC-senderen.

Bluetooth

Bluetooth og senere BLE (Bluetooth Low Energy) produkter var oprindeligt beregnet til at overføre data mellem enheder uden parring eller frekvens matchende. Nogle kommercielt tilgængelige flyvekontrollere kan sende og modtage data trådløst over en Bluetooth -forbindelse, hvilket gør det lettere at foretage fejlfinding i marken.

Wi-Fi

Wi-Fi-kontrol opnås normalt via en Wi-Fi-router, computer (inklusive bærbar, stationær, tablet) eller smartphone. Wi-Fi er i stand til at klare både datatransmission og videostreaming, men på samme tid er denne teknologi vanskeligere at konfigurere / implementere. Som med alle Wi-Fi-enheder er afstanden begrænset af Wi-Fi-senderen.

Radiofrekvens (RF eller RF)

Radiofrekvens (RF) kontrol refererer i denne sammenhæng til trådløs overførsel af data fra en computer eller mikrokontroller til et fly ved hjælp af en RF-sender / modtager (eller dual-band transceiver). Brug af en konventionel RF-enhed, der er tilsluttet en computer, tillader tovejskommunikation over lange afstande med høj datatæthed (normalt i serielt format).

Smartphone

Selvom dette ikke er en kommunikationstype, er selve spørgsmålet, hvordan man styrer en drone ved hjælp af en smartphone, nok til at give den en separat sektion. Moderne smartphones er i det væsentlige kraftfulde computere, der tilfældigt også kan foretage telefonopkald. Næsten alle smartphones har et indbygget Bluetooth-modul samt et WiFi-modul, der hver bruges til at styre dronen og / eller modtage data og / eller video.

Infrarød (IR)

TV -fjernbetjening) bruges sjældent til at styre droner, da selv i almindelige rum (for ikke at tale om åbne rum) er der så meget infrarød interferens, at det ikke er særlig pålideligt. På trods af at teknologien kan bruges til at styre UAV, kan den ikke tilbydes som hovedmuligheden.

Yderligere overvejelser

Funktionalitet: Flyvekontrolproducenter forsøger normalt at levere så mange funktioner som muligt - er enten inkluderet som standard eller købt separat som optioner / tilføjelser. Nedenfor er blot nogle få af de mange ekstra funktioner, du måske vil se på, når du sammenligner flycontrollere.

Dæmpning: Selv små vibrationer i rammen, normalt forårsaget af ubalancerede rotorer og / eller motorer, kan detekteres af det indbyggede accelerometer, som igen sender de relevante signaler til hovedprocessoren, som vil tage korrigerende handlinger. Disse mindre rettelser er unødvendige eller uønskede til stabil flyvning, og det er bedst at holde flyvekontrollen vibrerende så lidt som muligt. Af denne grund bruges vibrationsdæmpere / spjæld ofte mellem flyvekontrolleren og rammen.

Kabinet: Det beskyttende kabinet omkring flyvekontrolleren kan hjælpe i forskellige situationer. Ud over at være mere æstetisk tiltalende end et rent PCB, giver et kabinet ofte et vist niveau af elektrisk beskyttelse. elementer, samt yderligere beskyttelse i tilfælde af et nedbrud.

Montering: Der er forskellige måder at montere flyvekontrollen på rammen, og ikke alle flyvekontroller har de samme monteringsmuligheder:

  1. Fire huller i en afstand på 30,5 mm eller 45 mm fra hinanden i firkant.
  2. Flad bund til brug med et klistermærke.
  3. Fire huller i et rektangel (standard ikke installeret).

Fællesskab: Da du bygger en brugerdefineret drone, kan deltagelse i et onlinefællesskab hjælpe meget, især hvis du støder på problemer eller ønsker råd. Det kan også være nyttigt at få råd fra samfundet eller se brugerfeedback vedrørende kvaliteten og brugervenligheden af ​​forskellige flyvekontrollere.

Tilbehør: For fuld brug af produktet kan du, ud over selve flyvekontrollen, have brug for relaterede varer (tilbehør eller ekstraudstyr). Sådant tilbehør kan omfatte, men er ikke begrænset til: GPS -modul og / eller GPS -antenne; kabler; monteringstilbehør; skærm (LCD / OLED);

Eksempel

Så med alle disse forskellige sammenligninger, hvilke oplysninger kan du få om flyvekontrolleren, og hvad kan flyvekontrolleren indeholde? Vi har valgt Quadrino Nano Flight Controller

Hovedprocessor

Brugt ombord på ATMel ATMega2560 er en af ​​de mest kraftfulde Arduino-kompatible ATMel-chips. Selvom den har i alt 100 ben, herunder 16 analog-digitale kanaler og fem SPI-porte, på grund af den lille størrelse og den tilsigtede brug som flyvekontroller, er der kun få af dem til stede på tavlen.

  • AVR vs PIC: AVR
  • Processor: 8-bit
  • Driftsfrekvens: 16MHz
  • Programhukommelse / Flash: 256KB
  • SRAM: 8KB
  • EEPROM: 4KB
  • Yderligere I / O -ben: 3 × I2C; 1 × UART; 2 × 10-benede GPIO'er; Servo med 5x udgange; OLED-port
  • A / D-omformer: 10-bit

Sensorer

Quadrino Nano inkluderer MPU9150 IMU-chippen, der indeholder et 3-akset gyroskop, et 3-akset accelerometer og et 3-akset magnetometer. Dette hjælper med at holde brættet lille nok uden at gå på kompromis med sensorkvaliteten. MS5611 barometeret giver trykdata og er dækket med et stykke skum. Integreret Venus 838FLPx GPS med ekstern GPS -antenne (inkluderet).

Software

Quadrino Nano blev bygget specifikt til at bruge den nyeste MultiWii -software (baseret på Arduino). I stedet for at ændre Arduino -koden direkte, blev der oprettet en separat, mere grafisk software.

Kommunikation

  • Direkte input fra standard RC -modtager.
  • Dedikeret Spektrum -satellitmodtagerport
  • Seriel (SBus- og / eller Bluetooth- eller 3DR -radioer)

Yderligere faktorer

  1. Kabinet: Beskyttende gennemsigtigt kabinet inkluderet som standard
  2. Montering: Der er to hovedmåder til montering af Quadrino Nano til drone: skruer og møtrikker eller skumgummimærkat.
  3. Kompakt design: selve controlleren (undtagen GPS -antennen) måler 53x53 mm.

.
Lignende artikler