Uradi sam bespilotna letjelica: Lekcija 4. Kontrolor leta..

Sadržaj

Uvod

Sada kada ste odabrali ili dizajnirali okvir UAV -a, motore, rotore, ESC -ove i bateriju, možete početi birati svoj kontrolor leta. Upravljač letenja za bespilotnu letjelicu s više rotora je integrirano kolo, koje se obično sastoji od mikroprocesora, senzora i ulazno / izlaznih pinova. Nakon raspakiranja, kontrolor leta ne zna koju vrstu ili konfiguraciju bespilotnih letjelica koristite, pa ćete u početku morati postaviti određene parametre u softveru, nakon čega se zadana konfiguracija učitava na brod. Umjesto da jednostavno usporedimo trenutno dostupne kontrolore leta, pristup koji smo ovdje zauzeli navodi koji su elementi računala odgovorni za koje funkcije, kao i aspekte na koje treba paziti.

Glavni procesor

8051 vs AVR vs PIC vs ARM: Obitelj mikrokontrolera koji čine osnovu većine moderni kontrolori leta. Arduino se temelji na AVR -u (ATmel) i čini se da je zajednica usredotočena na MultiWii kao preferirani kod. Microchip je glavni proizvođač PIC čipova. Teško je reći da je jedno bolje od drugog, sve se svodi na to što softver može učiniti. ARM (poput STM32) koristi 16/32-bitnu arhitekturu, a deseci koriste 8/16-bitne AVR-ove i PIC-ove. Kako jednokrilna računala postaju sve jeftinija, očekuje se kontrola leta sljedeće generacije koja može pokretati punopravne operacijske sustave poput Linuxa ili Androida.

CPU: Obično je njihova širina bita višekratnik 8 (8-bit, 16-bit, 32-bit, 64-bit), što u turn označava primarne registre veličine u CPU -u. Mikroprocesori mogu istovremeno obraditi samo određeni (najveći) broj bitova u memoriji (sat). Što više bitova mikroprocesor može podnijeti, to će obrada biti točnija (i brža). Na primjer, obrada 16-bitne varijable na 8-bitnom procesoru mnogo je sporija nego na 32-bitnoj. Imajte na umu da se kôd također mora izvoditi s ispravnim brojem bitova, a u vrijeme pisanja ovog teksta samo nekoliko programa koristi kôd optimiziran za 32 bita.

Radna frekvencija: Učestalost rada glavnog procesora. Prema zadanim postavkama naziva se i "radni takt". Učestalost se mjeri u hercima (ciklusi u sekundi). Što je radna frekvencija veća, procesor brže obrađuje podatke.

Program / Flash: Flash je mjesto gdje je pohranjen glavni kôd. Ako je program složen, može zauzeti puno prostora. Očigledno, što je veća memorija, više se podataka može pohraniti. Memorija je također relevantna za spremanje podataka u letu, poput GPS koordinata, planova leta, automatskog pomicanja kamere itd. Kod učitan u flash memoriju ostaje na čipu čak i nakon isključivanja napajanja.

SRAM: SRAM označava statičku memoriju s slučajnim pristupom i prostor je na čipu koji se koristi pri izvođenju izračuna. Podaci pohranjeni u RAM -u gube se kad se napajanje isključi. Što je veća količina RAM -a, više će informacija biti "lako dostupno" za izračune u bilo kojem trenutku.

EEPROM: Električno izbrisiva programabilna memorija samo za čitanje (EEPROM) obično se koristi za pohranu informacija koje se ne mijenjaju tijekom leta, kao što su postavke za razliku od podataka. pohranjene na SRAM -u, što može uključivati ​​očitanja senzora itd.

Dodatni I / O portovi: većina mikrokontrolera ima veliki broj digitalnih i analognih ulaznih i izlaznih portova, neki se na kontroleru leta koriste za senzore, drugi za komunikaciju ili za opći ulaz i izlaz. Ovi dodatni priključci mogu se spojiti na RC servo sisteme, gimbale, zujalice i drugo.

A / D pretvarač: Ako senzori koriste ugrađeni analogni napon (obično 0-3.3V ili 0-5V), analogni A digitalni pretvarač mora pretvoriti ta očitanja digitalnih podataka. Kao i kod procesora, broj bitova koje ADC može obraditi određuje najveću točnost. S tim je povezana i brzina takta pri kojoj mikroprocesor može čitati podatke (puta u sekundi) kako bi se osiguralo da se informacije ne izgube. Međutim, teško je ne izgubiti neke podatke tijekom ove pretvorbe, pa što je veća bitna dubina ADC -a, očitanja će biti točnija, ali važno je da procesor može podnijeti brzinu kojom se podaci se šalje.

Napajanje električnom energijom

Često specifikacije kontrolera leta opisuju dva raspona napona, od kojih je prvi raspon ulaznog napona samog kontrolera leta (većina radi pri nazivnom naponu 5V), a drugi je raspon ulaznog napona glavnog mikroprocesora (3,3 V ili 5 V). Budući da je kontrolor leta ugrađen uređaj, trebate obratiti pozornost samo na raspon ulaznog napona kontrolera. Većina kontrolora leta s bespilotnom letjelicom s više rotora radi na 5 V, budući da ovaj napon generira BEC (za više informacija pogledajte odjeljak " Pogonska jedinica").

Ponovimo. U idealnom slučaju, nema potrebe za napajanjem kontrolera leta odvojeno od glavne baterije. Jedina iznimka je ako vam je potrebna pomoćna baterija u slučaju da glavna baterija odaje toliko energije da BEC ne može generirati dovoljno struje / napona, pa uzrokuje nestanak / resetiranje napajanja. No, u ovom se slučaju umjesto rezervne baterije često koriste kondenzatori.

Senzori

S hardverskog gledišta, kontrolor leta je u biti običan programabilni mikrokontroler, samo sa posebnim senzorima na vozilu. Kontrolor leta će u najmanju ruku uključivati ​​troosni žiroskop, ali bez automatskog niveliranja. Nisu svi kontrolori leta opremljeni sljedećim senzorima, ali mogu uključivati ​​i njihovu kombinaciju:

  • Akcelerometar: Kao što naziv govori, mjerači ubrzanja mjere linearno ubrzanje u tri osi (nazovimo ih: X, Y i Z). Obično se mjeri u "G (na ruskom. Isto)". Standardna (normalna) vrijednost je g = 9,80665 m / s². Kako bi se odredio položaj, izlaz mjerača ubrzanja može se integrirati dva puta, iako zbog gubitaka na izlazu objekt može biti podložan zanošenju. Najznačajnija karakteristika troosnih akcelerometra je da registriraju gravitaciju i kao takvi mogu znati u kojem smjeru se "spustiti". To igra važnu ulogu u osiguravanju stabilnosti bespilotne letjelice s više rotora. Akcelerometar mora biti postavljen na kontroler leta tako da se linearne osi podudaraju s glavnim osama drona.

  • Žiroskop: Žiroskop mjeri brzinu promjene kutova duž tri kutne osi (uzmimo nazovite ih: alfa, beta i gama). Obično se mjeri u stupnjevima u sekundi. Imajte na umu da žiroskop ne mjeri apsolutne kutove izravno, ali možete ponoviti kako biste dobili kut koji, poput akcelerometra, potiče zanošenje. Izlaz pravog žiroskopa obično je analogni ili I2C, ali većinu vremena ne morate brinuti o tome jer se svi dolazni podaci obrađuju kodom kontrolera leta. Žiroskop se mora postaviti tako da se njegova os rotacije podudara s osi bespilotne letjelice.

  • Inercijalna mjerna jedinica (IMU): IMU je u biti mala ploča koja sadrži oba akcelerometar i žiroskop (obično višeosni). Većina od njih uključuje troosni akcelerometar i troosni žiroskop, drugi mogu uključivati ​​dodatne senzore, poput troosnog magnetometra, koji pružaju ukupno 9 mjernih osi.

  • Kompas / magnetometar: Elektronički magnetski kompas koji može detektirati magnetsko polje Zemlje i koristiti ti podaci za određivanje smjera kompasa drona (u odnosu na sjeverni magnetski pol). Ovaj je senzor gotovo uvijek prisutan ako sustav ima GPS ulaz i dostupan je od jedne do tri osi.

  • Tlak / barometar: Budući da se atmosferski tlak mijenja s udaljenošću od razine mora, možete koristiti senzor tlaka za dobivanje prilično točnog očitanja visine bespilotne letjelice. Kako bi izračunali najtočniju visinu, većina kontrolora leta prima podatke istodobno sa senzora tlaka i satelitskog navigacijskog sustava (GPS). Prilikom sastavljanja imajte na umu da je poželjno da je rupa u kućištu barometra prekrivena komadom pjenaste gume kako bi se smanjio negativan utjecaj vjetra na strugotinu.

  • GPS: Globalni sustav pozicioniranja (GPS) za određivanje vašeg određenom geografskom položaju, koristi signale koje šalje nekoliko satelita koji kruže oko Zemlje. Kontrolor leta može imati ugrađeni GPS modul i kabelski povezan. GPS antenu ne treba miješati sa samim GPS modulom, koji može izgledati kao mala crna kutija ili obična antena "Patka". Da bi dobio točne podatke o lokaciji, GPS modul mora primati podatke s više satelita, i što više, to bolje.

  • Udaljenost: Senzori udaljenosti sve se više koriste na bespilotnim letjelicama jer GPS koordinate i senzori tlaka ne mogu odrediti koliko ste udaljeni od tla (brda, planine ili zgrade) ili ćete se sudariti s nekim predmetom ili ne. Senzor udaljenosti okrenut prema dolje može se temeljiti na ultrazvučnoj, laserskoj ili lidar tehnologiji (IR senzori mogu imati problema na sunčevoj svjetlosti). Senzori udaljenosti rijetko su standardno uključeni s kontrolorom leta.

Načini letenja

Dolje je popis najpopularnijih načina leta, međutim, svi oni možda nisu dostupni u kontrolori leta... "Način letenja" način je na koji kontrolor leta koristi senzore i dolazne radio naredbe za stabilizaciju i let bespilotnom letjelicom. Ako korištena kontrolna oprema ima pet ili više kanala, korisnik može konfigurirati softver koji će mu omogućiti promjenu načina rada kroz 5. kanal (pomoćni prekidač) izravno tijekom leta.

  • ACRO - obično zadani način rada, od svih dostupnih senzora, kontrolor leta koristi samo žiroskop (dron se ne može automatski nivelirati). Relevantno za sportski (akrobatski) let.
  • KUT - stabilan način rada; od svih dostupnih senzora, kontrolor leta koristi žiroskop i mjerač ubrzanja. Kutovi su ograničeni. Držat će dron u vodoravnom položaju (ali bez zadržavanja položaja).
  • HORIZON - kombinira stabilnost načina rada "KUT", kada su štapići blizu središta i sporo se kreću te akrobacije načina "ACRO" kada su štapići u ekstremnim položajima i brzo se kreću. Kontrolor leta koristi samo žiroskop.
  • BARO (Zadržavanje nadmorske visine) - stabilan način rada; od svih dostupnih senzora, kontrolor leta koristi žiroskop, akcelerometar i barometar. Kutovi su ograničeni. Barometar se koristi za održavanje određene (fiksne) nadmorske visine kada se ne daju naredbe iz upravljačke opreme.
  • MAG (Zadržavanje smjera) - način zaključavanja smjera (smjer kompasa), dron će zadržati orijentaciju Yaw. Od svih raspoloživih senzora, kontrolor leta koristi žiroskop, akcelerometar i kompas.
  • HEADFREE (CareFree, Headless) - eliminira praćenje orijentacije (Yaw) drona i tako vam omogućuje kretanje u 2D smjeru prema kretanju ROLL / PITCH upravljačka palica. Od svih raspoloživih senzora, kontrolor leta koristi žiroskop, akcelerometar i kompas.
  • GPS / Povratak na dom - Automatski koristi kompas i GPS za povratak na mjesto polijetanja. Od svih dostupnih senzora, kontrolor leta koristi žiroskop, akcelerometar, kompas i GPS modul.
  • GPS / međutočka - omogućuje bespilotnoj letjelici da autonomno prati unaprijed postavljene GPS točke. Od svih dostupnih senzora, kontrolor leta koristi žiroskop, akcelerometar, kompas i GPS modul.
  • GPS / Zadržavanje položaja - zadržava trenutni položaj pomoću GPS -a i barometra (ako su dostupni). Od svih dostupnih senzora, kontrolor leta koristi žiroskop, akcelerometar, kompas i GPS modul.
  • Failsafe - ako nisu navedeni drugi načini leta, dron se prebacuje u način rada Acro. Od svih dostupnih senzora, kontrolor leta koristi samo žiroskop. Relevantno u slučaju grešaka u softveru bespilotne letjelice, omogućuje vam da vratite kontrolu nad UAV -om pomoću prethodno postavljenih naredbi.

Softver

PID regulator (dodjeljivanje i postavljanje)

Proporcionalni integralni derivat (PID) ili Proporcionalno-integralno izvedenica (PID) dio je softvera kontrolera leta koji čita podatke sa senzora i izračunava koliko se brzo motori moraju okretati kako bi se održala željena brzina bespilotne letjelice.

Razvojnici bespilotnih letjelica spremnih za let skloni su optimalnom podešavanju parametara PID kontrolera, zbog čega je većina bespilotnih letjelica RTF savršeno pilotirana odmah iz kutije. Što se ne može reći o prilagođenim sklopovima bespilotnih letjelica, gdje je važno koristiti univerzalni kontroler leta prikladan za bilo koji sklop s više rotora, s mogućnošću podešavanja PID vrijednosti sve dok ne zadovolje potrebne karakteristike leta krajnjeg korisnika.

GUI

Grafičko korisničko sučelje (GUI) ili Grafičko korisničko sučelje Je li ono što se koristi za vizualno uređivanje koda (pomoću računala) koji će se učitati u kontrolor leta. Softver koji dolazi s kontrolorima leta sve je bolji i bolji; prvi kontrolori leta koristili su uglavnom tekstualna sučelja, što je od korisnika zahtijevalo da razumiju gotovo cijeli kôd i mijenjaju određene odjeljke koji odgovaraju dizajnu. Nedavno je GUI koristio interaktivna grafička sučelja kako bi korisniku olakšao konfiguriranje potrebnih parametara.

Dodatne značajke

Softver koji se koristi na nekim kontrolorima leta može imati dodatne značajke koje nisu dostupne drugi. Izbor određenog kontrolora leta može u konačnici ovisiti o tome koje dodatne mogućnosti / funkcionalnosti nudi programer. Ove funkcije mogu uključivati:

  • Autonomna navigacija međutočkama - Omogućuje korisniku postavljanje GPS međutočaka koje će bespilotna letjelica pratiti autonomno.
  • Oribiting - kretanje drona oko zadane GPS koordinate, pri čemu je prednji dio drona uvijek usmjeren prema zadanoj koordinati (relevantno za snimanje).
  • Slijedite me - mnogi bespilotni letjelice imaju funkciju "Prati me", koja se može temeljiti na satelitskom pozicioniranju (na primjer, praćenje GPS koordinata pametnog telefona ili modul ugrađen u upravljačka oprema GPS).
  • 3D slika - Većina 3D slika snimljena je nakon leta pomoću slika i GPS podataka prikupljenih tijekom leta.
  • Open Source - Softver nekih kontrolora leta ne može se mijenjati / konfigurirati. Proizvodi otvorenog koda općenito dopuštaju naprednim korisnicima da mijenjaju kôd prema svojim specifičnim potrebama.

Komunikacije

Radio upravljanje (RC)

Radio upravljanje obično uključuje RC odašiljač / RC odašiljač (u bespilotnom hobiju - oprema za radio -upravljanje / daljinsko upravljanje) i RC prijemnik (RC prijemnik)

  • Prigušivač / Nadmorska visina
  • Zakretanje
  • Nagib
  • ​​
  • Rola

Svi drugi dostupni kanali mogu se koristiti za radnje kao što su:

  • Naoružavanje (Naoružavanje ili naoružavanje) / Razoružavanje (razoružavanje ili razoružavanje) - aktiviranje / deaktiviranje motora...
  • Kontrola gimbala (pomicanje gore / dolje, rotiranje u smjeru kazaljke na satu / suprotno od kazaljke na satu, zumiranje)
  • Promjena načina leta (ACRO / ANGLE, itd.)
  • Aktiviranje / aktiviranje korisnog tereta (padobran, zujalica ili drugi uređaj)
  • Bilo koja druga primjena

Većina korisnika (piloti bespilotnih letjelica) preferiraju ručno upravljanje, što još jednom dokazuje da pilotiranje s upravljačka oprema i dalje je izbor broj jedan. RC prijemnik sam po sebi odašilje vrijednosti koje dolaze iz daljinskog upravljača, što znači da ne može upravljati dronom. RC prijamnik mora biti spojen na kontroler leta, koji pak mora biti programiran za prijem RC signala. Na tržištu postoji vrlo malo kontrolora leta koji prihvaćaju dolazne radio naredbe s prijemnika, a većina računala čak i napaja prijemnik s jednog od pinova. Dodatna razmatranja pri odabiru daljinskog upravljača uključuju:

  • Ne mogu svi RC odašiljači pružiti cijeli raspon RC signala od 500 ms do 2500 ms; neki umjetno ograničavaju ovaj raspon, budući da je većina daljinskih upravljača u upotrebi za radijski upravljane automobile, avione i helikoptere.
  • Domet / maks. raspon zraka (mjereno u stopama ili metrima) Proizvođači gotovo nikada ne pružaju RC sustave-, jer na ovaj parametar utječu mnogi čimbenici kao što su buka, temperatura, vlaga, snaga baterije i drugi.
  • Neki RC sustavi imaju prijemnik koji također ima ugrađeni odašiljač za prijenos podataka sa senzora (npr. GPS koordinate), koji će se zatim prikazati na LCD-u RC odašiljača.

Bluetooth

Bluetooth i kasniji BLE (Bluetooth Low Energy) proizvodi izvorno su bili namijenjeni za prijenos podataka između uređaja bez uparivanja ili frekvencije podudaranje. Neki komercijalno dostupni kontrolori leta mogu bežično slati i primati podatke putem Bluetooth veze, što olakšava rješavanje problema na terenu.

Wi-Fi

Upravljanje Wi-Fi-jem obično se postiže putem Wi-Fi usmjerivača, računalo (uključujući prijenosno računalo, stolno računalo, tablet) ili pametni telefon. Wi-Fi se može nositi i s prijenosom podataka i sa streamingom videa, no istodobno je ovu tehnologiju teže konfigurirati / implementirati. Kao i kod svih Wi-Fi uređaja, udaljenost je ograničena Wi-Fi odašiljačem.

Radiofrekvencija (RF ili RF)

Upravljanje radiofrekvencijom (RF) u ovom kontekstu odnosi se na za bežični prijenos podataka s računala ili mikrokontrolera u zrakoplov pomoću RF odašiljača / prijamnika (ili dvopojasnog primopredajnika). Korištenje konvencionalne RF jedinice spojene na računalo omogućuje dvosmjernu komunikaciju na velikim udaljenostima s velikom gustoćom podataka (obično u serijskom formatu).

Pametni telefon

Iako ovo nije vrsta komunikacije, samo je pitanje kako kontrolirati bespilotna letjelica koja koristi pametni telefon, dovoljno da joj da zaseban odjeljak. Suvremeni pametni telefoni u biti su moćna računala koja, slučajno, mogu upućivati ​​i telefonske pozive. Gotovo svi pametni telefoni imaju ugrađen Bluetooth modul, kao i WiFi modul, od kojih se svaki koristi za upravljanje dronom i / ili primanje podataka i / ili videa.

Infracrveni (IC)

TV daljinski upravljač) rijetko se koristi za upravljanje dronovima, budući da se čak u običnim sobama (da ne govorimo o otvorenim prostorima) ima toliko infracrvenih smetnji da nisu baš pouzdane. Unatoč činjenici da se tehnologija može koristiti za upravljanje bespilotnim letjelicama, ne može se ponuditi kao glavna opcija.

Dodatna razmatranja

Funkcionalnost: Proizvođači kontrolora letenja obično pokušavaju osigurati što više funkcija - uključeni su prema zadanim postavkama ili se kupuju zasebno kao opcije / dodaci. Dolje je samo nekoliko od mnogih dodatnih značajki koje biste mogli htjeti pogledati prilikom usporedbe kontrolora leta.

Prigušivanje: Čak i male vibracije u okviru, obično uzrokovane neuravnoteženim rotorima i / ili motorima, mogu se detektirati pomoću ugrađenog mjerača ubrzanja, koji pak će poslati odgovarajuće signale glavnom procesoru, koji će poduzeti korektivne radnje. Ovi manji popravci su nepotrebni ili nisu poželjni za stabilan let, pa je najbolje da kontroler leta zadrži što manje vibracija. Iz tog razloga, prigušivači vibracija / prigušivači često se koriste između kontrolera leta i okvira.

Kućište: Zaštitno kućište oko kontrolora leta može pomoći u raznim situacijama. Osim što je estetski ugodnije od golog PCB -a, kućište često pruža i određenu razinu električne zaštite. elemenata, kao i dodatnu zaštitu u slučaju sudara.

Montaža: Postoje različiti načini postavljanja kontrolora leta na okvir, a nemaju svi kontrolori leta iste mogućnosti ugradnje:

  1. Četiri rupe na kvadratu udaljene 30,5 mm ili 45 mm jedna od druge.
  2. Ravno dno za upotrebu s naljepnicom.
  3. Četiri rupe u pravokutniku (standard nije instaliran).

Zajednica: Budući da gradite prilagođeni dron, sudjelovanje u mrežnoj zajednici može vam puno pomoći, osobito ako naiđete na probleme ili želite savjet. Dobivanje savjeta zajednice ili pregled povratnih informacija korisnika o kvaliteti i jednostavnosti korištenja različitih kontrolora leta također mogu biti korisni.

Pribor: Za potpunu uporabu proizvoda, osim samog kontrolora leta, mogu biti potrebni dodatni predmeti (pribor ili opcije). Takvi dodaci mogu uključivati, ali nisu ograničeni na: GPS modul i / ili GPS antenu; kabeli; pribor za montažu; zaslon (LCD / OLED);

Primjer

Uz sve te različite usporedbe, koje podatke možete dobiti o kontroloru leta i što bi kontrolor leta mogao uključiti? Za primjer smo odabrali Quadrino Nano kontroler leta

Glavni procesor

Koristi se na brodu ATMel ATMega2560 jedan je od najmoćnijih ATMel čipova kompatibilnih s Arduinom. Iako ima ukupno 100 pinova, uključujući 16 analogno-digitalnih kanala i pet SPI portova, zbog svoje male veličine i namjeravane uporabe kao kontrolor leta, samo je nekoliko njih prisutno na ploči.

  • AVR vs PIC: AVR
  • Procesor: 8-bitni
  • Radna frekvencija: 16MHz
  • Programska memorija / Flash: 256KB
  • SRAM: 8KB
  • EEPROM: 4KB
  • Dodatni I / O pinovi: 3 × I2C; 1 × UART; 2 × 10-pinski GPIO-i; Servo sa 5x izlaza; OLED priključak
  • A / D pretvarač: 10-bitni

Senzori

Quadrino Nano uključuje MPU9150 IMU čip, koji uključuje troosni žiroskop, troosni akcelerometar i troosni magnetometar. To pomaže da ploča ostane dovoljno mala bez žrtvovanja kvalitete senzora. Barometar MS5611 daje podatke o tlaku i prekriven je komadom pjene. Integrirani Venus 838FLPx GPS s vanjskom GPS antenom (uključeno).

Softver

Quadrino Nano napravljen je posebno za korištenje najnovijeg softvera MultiWii (na bazi Arduina). Umjesto izravne izmjene Arduino koda, stvoren je zaseban grafički softver.

Komunikacija

  • Izravni ulaz sa standardnog RC prijemnika.
  • Namjenski port za satelitski prijemnik Spektrum
  • Serijski (SBus i / ili Bluetooth ili 3DR radio aparati)

Dodatni čimbenici

  1. Kućište: Zaštitno prozirno kućište standardno uključeno
  2. Montaža: Postoje dva glavna načina pričvršćivanja Quadrina Nano za drone: vijci i matice ili naljepnica od pjenaste gume.
  3. Kompaktan dizajn: sam kontroler (isključujući GPS antenu) ima dimenzije 53x53 mm.

.