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Drone DIY: Lição 4. Controlador de voo..

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Introdução

Agora que você selecionou ou projetou a estrutura, motores, rotores, ESCs e bateria do UAV, pode começar a escolher seu controlador de vôo. O controlador de vôo para um veículo aéreo não tripulado com múltiplos rotores é um circuito integrado, geralmente consistindo em um microprocessador, sensores e pinos de entrada / saída. Depois de desempacotar, o controlador de vôo não sabe que tipo específico ou configuração de UAVs você está usando, então inicialmente você precisará definir certos parâmetros no software, após o qual a configuração fornecida é carregada a bordo. Em vez de simplesmente comparar os controladores de vôo disponíveis atualmente, a abordagem que adotamos aqui lista quais elementos do PC são responsáveis ​​por quais funções, bem como aspectos a serem observados.

Processador principal

8051 vs AVR vs PIC vs ARM: Uma família de microcontroladores que formam a base da maioria controladores de vôo modernos. O Arduino é baseado em AVR (ATmel) e a comunidade parece estar focada no MultiWii como o código preferido. Microchip é o principal fabricante de chips PIC. É difícil argumentar que um é melhor do que o outro, tudo se resume ao que o software pode fazer. ARM (como STM32) usa arquitetura de 16/32 bits, com dezenas usando AVRs e PICs de 8/16 bits. À medida que os computadores de placa única se tornam cada vez mais baratos, os controladores de vôo da próxima geração podem rodar sistemas operacionais completos, como Linux ou Android.

CPU: Normalmente, sua largura de bits é um múltiplo de 8 (8 bits, 16 bits, 32 bits, 64 bits), que em por sua vez, indica o tamanho dos registradores primários na CPU. Os microprocessadores só podem processar um número definido (máximo) de bits na memória por vez (relógio). Quanto mais bits o microprocessador puder manipular, mais preciso (e mais rápido) será o processamento. Por exemplo, o processamento de uma variável de 16 bits em um processador de 8 bits é muito mais lento do que em um de 32 bits. Observe que o código também deve ser executado com o número correto de bits e, no momento da redação deste artigo, apenas alguns programas usam código otimizado para 32 bits.

Frequência operacional: A frequência na qual o processador principal opera. Também é chamado de "taxa de clock" por padrão. A frequência é medida em hertz (ciclos por segundo). Quanto mais alta a frequência de operação, mais rápido o processador pode processar os dados.

Programa / Flash: Flash é onde o código principal é armazenado. Se o programa for complexo, pode ocupar muito espaço. Obviamente, quanto maior a memória, mais informações ela pode armazenar. A memória também é relevante para armazenar dados em vôo, como coordenadas de GPS, planos de vôo, movimento automático da câmera, etc. O código carregado na memória flash permanece no chip mesmo após o desligamento.

SRAM: SRAM significa Static Random Access Memory e é o espaço no chip que é usado ao realizar cálculos. Os dados armazenados na RAM são perdidos quando a alimentação é desligada. Quanto maior a quantidade de RAM, mais informações estarão “prontamente disponíveis” para cálculos a qualquer momento.

EEPROM: A memória somente leitura programável apagável eletricamente (EEPROM) é normalmente usada para armazenar informações que não mudam durante o vôo, como configurações em vez de dados. armazenado em SRAM, que pode incluir leituras de sensor, etc.

Portas de E / S adicionais: a maioria dos microcontroladores tem um grande número de portas de entrada e saída digitais e analógicas, no controlador de vôo algumas são usadas para sensores, outras para comunicação ou para entrada e saída geral. Essas portas adicionais podem ser conectadas a servos RC, cardan, campainhas e muito mais.

Conversor A / D: Se os sensores usam uma tensão analógica integrada (geralmente 0-3,3 V ou 0-5 V), o conversor analógico A digital deve converter essas leituras para dados digitais. Tal como acontece com o processador, o número de bits que o ADC pode manipular determina a precisão máxima. Associado a isso está a taxa de clock em que o microprocessador pode ler os dados (vezes por segundo) para garantir que as informações não sejam perdidas. No entanto, é difícil não perder alguns dos dados durante esta conversão, portanto, quanto maior a profundidade de bits do ADC, mais precisas serão as leituras, mas é importante que o processador possa lidar com a velocidade em que os dados são sendo enviado.

Fonte de alimentação

Muitas vezes, as especificações do controlador de vôo descrevem duas faixas de tensão, a primeira das quais é a faixa de tensão de entrada do próprio controlador de vôo (a maioria opera na tensão nominal de 5 V), e a segunda é a faixa de tensão de entrada do microprocessador principal (3,3 V ou 5 V). Como o controlador de vôo é um dispositivo embutido, você só precisa prestar atenção à faixa de tensão de entrada do controlador. A maioria dos controladores de vôo de UAV com múltiplos rotores opera a 5 V, já que essa tensão é gerada pelo BEC (consulte a seção " Powerplant" para obter mais informações).

Vamos repetir. Idealmente, não há necessidade de alimentar o controlador de vôo separadamente da bateria principal. A única exceção é se você precisar de uma bateria de reserva no caso de a bateria principal estar emitindo tanta energia que o BEC não pode gerar corrente / tensão suficiente, causando uma queda de energia / reinicialização. Mas, neste caso, os capacitores costumam ser usados ​​em vez de uma bateria de reserva.

Sensores

Do ponto de vista do hardware, um controlador de vôo é essencialmente um microcontrolador programável regular, apenas com sensores especiais a bordo. No mínimo, o controlador de vôo incluirá um giroscópio de 3 eixos, mas sem autonivelamento. Nem todos os controladores de vôo são equipados com os seguintes sensores, mas eles também podem incluir uma combinação deles:

  • Acelerômetro: Como o nome sugere, os acelerômetros medem a aceleração linear em três eixos (vamos chamá-los de: X, Y e Z). Normalmente medido em "G (em russo. O mesmo)". O valor padrão (normal) é g = 9,80665 m / s². Para determinar a posição, a saída do acelerômetro pode ser integrada duas vezes, embora devido a perdas na saída, o objeto possa estar sujeito a deriva. A característica mais significativa dos acelerômetros triaxiais é que eles registram a gravidade e, como tal, podem saber em que direção "descer". Isso desempenha um papel importante em garantir a estabilidade do UAV multi-rotor. O acelerômetro deve ser montado no controlador de vôo de forma que os eixos lineares coincidam com os eixos principais do drone.

  • Giroscópio: O giroscópio mede a taxa de mudança dos ângulos ao longo de três eixos angulares (vamos chamá-los de: alfa, beta e gama). Normalmente medido em graus por segundo. Observe que o giroscópio não mede ângulos absolutos diretamente, mas você pode iterar para obter um ângulo que, como o acelerômetro, incentive a deriva. A saída de um giroscópio real tende a ser analógica ou I2C, mas na maioria das vezes você não precisa se preocupar com isso, pois todos os dados recebidos são processados ​​pelo código do controlador de vôo. O giroscópio deve ser instalado de forma que seu eixo de rotação coincida com o eixo do UAV.

  • Unidade de medição inercial (IMU): A IMU é essencialmente uma pequena placa que contém ambos um acelerômetro e um giroscópio (geralmente multi-eixos). A maioria deles inclui um acelerômetro de três eixos e um giroscópio de três eixos, outros podem incluir sensores adicionais, como um magnetômetro de três eixos, fornecendo um total de 9 eixos de medição.

  • Bússola / magnetômetro: Uma bússola magnética eletrônica capaz de detectar o campo magnético da Terra e usar esses dados para determinar a direção da bússola do drone (em relação ao pólo norte magnético). Este sensor está quase sempre presente se o sistema possuir uma entrada GPS e estiver disponível de um a três eixos.

  • Pressão / Barômetro: Como a pressão atmosférica muda com a distância do nível do mar, você pode usar um sensor de pressão para obter uma leitura de altitude bastante precisa do UAV. Para calcular a altitude mais precisa, a maioria dos controladores de vôo recebe dados simultaneamente de um sensor de pressão e um sistema de navegação por satélite (GPS). Ao montar, observe que é preferível cobrir o orifício no corpo do barômetro com um pedaço de espuma de borracha para reduzir o efeito negativo do vento no cavaco.

  • GPS: Sistema de Posicionamento Global (GPS) para determinar o seu localização geográfica específica, usa sinais enviados por vários satélites orbitando a Terra. O controlador de vôo pode ter um módulo GPS integrado e um conectado por cabo. A antena GPS não deve ser confundida com o módulo GPS em si, que pode se parecer com uma pequena caixa preta ou uma antena normal “Duck”. Para obter dados de posição precisos, o módulo GPS deve receber dados de vários satélites e quanto mais, melhor.

  • Distância: Sensores de distância são cada vez mais usados ​​em drones, pois as coordenadas de GPS e os sensores de pressão não podem dizer você o quão longe você está do solo (colina, montanha ou edifício), ou se você vai colidir com um objeto ou não. O sensor de distância voltado para baixo pode ser baseado em tecnologia ultrassônica, laser ou lidar (os sensores IR podem apresentar problemas à luz do sol). Sensores de distância raramente são incluídos com um controlador de vôo como padrão.

Modos de voo

Abaixo está uma lista dos modos de voo mais populares, no entanto, nem todos eles podem estar disponíveis em controladores de vôo... "Modo de vôo" é a maneira pela qual o controlador de vôo usa sensores e comandos de rádio de entrada para estabilizar e voar o UAV. Caso o equipamento de controle utilizado possua cinco ou mais canais, o usuário pode configurar o software, o que lhe permitirá alterar os modos através do canal 5 (chave auxiliar) diretamente durante o vôo.

  • ACRO - geralmente o modo padrão, de todos os sensores disponíveis, o controlador de vôo usa apenas o giroscópio (o drone não pode se nivelar automaticamente). Relevante para o vôo esportivo (acrobático).
  • ANGLE - modo estável; de todos os sensores disponíveis, o controlador de vôo usa um giroscópio e um acelerômetro. Os ângulos são limitados. Manterá o drone na posição horizontal (mas não manterá a posição).
  • HORIZON - combina a estabilidade do modo "ANGLE", quando as baquetas estão próximas do centro e se movem lentamente, e as acrobacias do modo "ACRO" quando os manípulos estão em suas posições extremas e se movem rapidamente. O controlador de vôo usa apenas o giroscópio.
  • BARO (Altitude Hold) - modo estável; de todos os sensores disponíveis, o controlador de vôo usa um giroscópio, um acelerômetro e um barômetro. Os ângulos são limitados. O barômetro é usado para manter uma certa altitude (fixa) quando nenhum comando é dado pelo equipamento de controle.
  • MAG (Heading Hold) - modo de bloqueio de direção (direção da bússola), o drone manterá a orientação Yaw. De todos os sensores disponíveis, o controlador de vôo usa um giroscópio, um acelerômetro e uma bússola.
  • HEADFREE (CareFree, Headless, Headless) - elimina o rastreamento de orientação (Yaw) do drone e, portanto, permite que você se mova Direção 2D de acordo com a alavanca de controle ROLL / PITCH do movimento. De todos os sensores disponíveis, o controlador de vôo usa um giroscópio, um acelerômetro e uma bússola.
  • GPS / Return to Home - Usa automaticamente a bússola e o GPS para retornar ao local de decolagem. De todos os sensores disponíveis, o controlador de vôo usa um giroscópio, um acelerômetro, uma bússola e um módulo GPS.
  • GPS / Ponto de passagem - permite que o drone siga pontos GPS predefinidos de forma autônoma. De todos os sensores disponíveis, o controlador de vôo usa um giroscópio, um acelerômetro, uma bússola e um módulo GPS.
  • GPS / Retenção de posição - mantém a posição atual usando GPS e barômetro (se disponível). De todos os sensores disponíveis, o controlador de vôo usa um giroscópio, um acelerômetro, uma bússola e um módulo GPS.
  • Failsafe - se nenhum outro modo de vôo foi especificado, o drone muda para o modo Acro. De todos os sensores disponíveis, apenas o giroscópio é usado pelo controlador de vôo. Relevante em caso de falhas no software do drone, permite restaurar o controle sobre o UAV usando comandos predefinidos previamente.

Software

Controlador PID (atribuição e configuração)

Derivado Integral Proporcional (PID) ou Proporcional-Integral-Derivativo (PID) é um pedaço de software de controlador de vôo que lê dados de sensores e calcula quão rápido os motores devem girar para manter o UAV se movendo na velocidade desejada.

Os desenvolvedores de UAVs prontos para voar tendem a ajustar de forma otimizada os parâmetros do controlador PID, razão pela qual a maioria dos drones RTF são perfeitamente pilotados assim que saem da caixa. O que não pode ser dito sobre os conjuntos UAV personalizados, onde é importante usar um controlador de vôo universal adequado para qualquer conjunto multi-rotor, com a capacidade de ajustar os valores PID até que atendam às características de vôo exigidas do usuário final.

GUI

Interface gráfica do usuário (GUI) ou Interface gráfica do usuário É o que é usado para editar visualmente o código (usando um computador) que será carregado no controlador de vôo. O software que acompanha os controladores de vôo está cada vez melhor; os primeiros controladores de vôo usavam principalmente interfaces baseadas em texto, o que exigia que os usuários entendessem quase todo o código e alterassem seções específicas para se adequar ao projeto. Recentemente, a GUI tem usado interfaces gráficas interativas para tornar mais fácil para o usuário configurar os parâmetros necessários.

Recursos adicionais

O software usado em alguns controladores de vôo pode ter recursos adicionais que não estão disponíveis para outros. A escolha de um controlador de vôo específico pode depender, em última análise, de quais recursos / funcionalidades adicionais são oferecidos pelo desenvolvedor. Essas funções podem incluir:

  • Autonomous Waypoint Navigation - Permite ao usuário definir os waypoints do GPS que o drone seguirá de forma autônoma.
  • Oribitar - movimento do drone em torno de uma determinada coordenada GPS, onde a frente do drone é sempre direcionada para a coordenada dada (relevante para o tiro).
  • Siga-me - muitos UAVs têm uma função "Siga-me", que pode ser baseada no posicionamento de satélite (por exemplo, rastrear as coordenadas de GPS de um smartphone, ou um módulo embutido no equipamento de controle GPS).
  • Imagem 3D - A maioria das imagens 3D são tiradas após o vôo usando imagens e dados GPS adquiridos durante o vôo.
  • Open Source - O software de alguns controladores de vôo não pode ser alterado / configurado. Os produtos de código aberto geralmente permitem que usuários avançados modifiquem o código para atender às suas necessidades específicas.

Comunicações

Rádio-controle (RC)

Rádio-controle normalmente inclui transmissor RC / RC transmissor (em hobby não tripulado - equipamento de controle de rádio / controle remoto) e receptor RC (receptor RC)

  • Acelerador / Elevação
  • Yaw
  • Pitch
    • ​​
  • Roll

Todos os outros canais disponíveis podem ser usados ​​para ações como:

  • Armar (Armar ou Armar) / Desarmar (Desarmar ou Desarmar) - armar / desarmar motores...
  • Controle do cardan (panorâmica para cima / baixo, girar no sentido horário / anti-horário, zoom)
  • Alterar os modos de voo (ACRO / ANGLE, etc.)
  • Ativar / Ativar carga útil (paraquedas, campainha ou outro dispositivo)
  • Qualquer outra aplicação

A maioria dos usuários (pilotos de UAV) prefere o controle manual, o que prova mais uma vez que pilotar com o equipamento de controle ainda é a escolha número um. Por si só, o receptor RC simplesmente transmite os valores vindos do transmissor RC, o que significa que ele não pode controlar o drone. O receptor RC deve ser conectado a um controlador de vôo, que por sua vez deve ser programado para receber sinais RC. Existem muito poucos controladores de vôo no mercado que aceitam comandos de rádio de entrada diretamente do receptor, e a maioria dos PCs fornece energia para o receptor a partir de um dos pinos. Considerações adicionais ao escolher um controle remoto incluem:

  • Nem todos os transmissores RC podem fornecer a faixa completa de sinais RC de 500 ms a 2500 ms; alguns limitam artificialmente esse alcance, já que a maioria dos RCs em uso é para carros, aviões e helicópteros controlados por rádio.
  • Faixa / Máx. alcance do ar (medido em pés ou metros) Os sistemas RC-quase nunca são fornecidos pelos fabricantes, pois este parâmetro é influenciado por muitos fatores como ruído, temperatura, umidade, energia da bateria e outros.
  • Alguns sistemas RC têm um receptor que também possui um transmissor embutido para transmitir dados do sensor (por exemplo, coordenadas GPS), que serão exibidos no LCD do transmissor RC.

Bluetooth

Os produtos Bluetooth e BLE (Bluetooth Low Energy) posteriores foram originalmente concebidos para transferir dados entre dispositivos sem emparelhamento ou frequência Coincidindo. Alguns controladores de vôo disponíveis comercialmente podem enviar e receber dados sem fio por meio de uma conexão Bluetooth, facilitando a solução de problemas em campo.

Wi-Fi

O controle de Wi-Fi geralmente é obtido por meio de um roteador Wi-Fi, computador (incluindo laptop, desktop, tablet) ou smartphone. O Wi-Fi é capaz de lidar com a transmissão de dados e streaming de vídeo, mas, ao mesmo tempo, essa tecnologia é mais difícil de configurar / implementar. Como acontece com todos os dispositivos Wi-Fi, a distância é limitada pelo transmissor Wi-Fi.

Radiofrequência (RF ou RF)

Controle de radiofrequência (RF) neste contexto refere-se para transferência sem fio de dados de um computador ou microcontrolador para uma aeronave usando um transmissor / receptor de RF (ou transceptor de banda dupla). O uso de uma unidade de RF convencional conectada a um computador permite a comunicação bidirecional em longas distâncias com alta densidade de dados (geralmente em formato serial).

Smartphone

Embora este não seja um tipo de comunicação, a questão em si é como controlar um drone usando um smartphone, o suficiente para dar a ele uma seção separada. Os smartphones modernos são computadores essencialmente poderosos que, coincidentemente, também podem fazer chamadas telefônicas. Quase todos os smartphones têm um módulo Bluetooth integrado, bem como um módulo WiFi, cada um dos quais é usado para controlar o drone e / ou receber dados e / ou vídeo.

Infravermelho (IR)

Controle remoto de TV) raramente é usado para controlar drones, já que mesmo em salas comuns (para não mencionar espaços abertos), há tanta interferência infravermelha que não é muito confiável. Apesar de a tecnologia poder ser usada para controlar o VANT, ela não pode ser oferecida como opção principal.

Considerações adicionais

Funcionalidade: Os fabricantes de controladores de voo geralmente tentam fornecer tantas funções quanto possível - são incluídos por padrão ou adquiridos separadamente como opções / complementos. Abaixo estão apenas alguns dos muitos recursos adicionais que você pode querer dar uma olhada ao comparar controladores de vôo.

Amortecimento: Mesmo pequenas vibrações na estrutura, geralmente causadas por rotores e / ou motores desequilibrados, podem ser detectadas pelo acelerômetro embutido, que por sua vez enviará os sinais apropriados para o processador principal, que executará a ação corretiva. Essas pequenas correções são desnecessárias ou indesejáveis ​​para um vôo estável e é melhor manter o controlador de vôo vibrando o menos possível. Por esse motivo, amortecedores / amortecedores de vibração são freqüentemente usados ​​entre o controlador de vôo e a estrutura.

Gabinete: O gabinete de proteção ao redor do controlador de vôo pode ajudar em uma variedade de situações. Além de ser mais esteticamente agradável do que uma PCB nua, um gabinete geralmente fornece algum nível de proteção elétrica. elementos, bem como proteção adicional em caso de colisão.

Montagem: Existem várias maneiras de montar o controlador de vôo na estrutura, e nem todos os controladores de vôo têm as mesmas opções de montagem:

  1. Quatro furos a uma distância de 30,5 mm ou 45 mm um do outro ao quadrado.
  2. Fundo plano para usar com um adesivo.
  3. Quatro furos em um retângulo (padrão não instalado).

Comunidade: Como você está construindo um drone personalizado, participar de uma comunidade online pode ajudar muito, especialmente se você tiver problemas ou quiser conselhos. Também pode ser útil obter conselhos da comunidade ou ver os comentários dos usuários sobre a qualidade e a facilidade de uso de diferentes controladores de vôo.

Acessórios: Para a plena utilização do produto, além do próprio controlador de vôo, podem ser necessários itens relacionados (acessórios ou opcionais). Esses acessórios podem incluir, mas não estão limitados a: módulo GPS e / ou antena GPS; cabos; acessórios de montagem; tela (LCD / OLED);

Exemplo

Então, com todas essas comparações diferentes, quais informações você pode obter sobre o controlador de vôo e o que o controlador de vôo pode incluir? Escolhemos Quadrino Nano Flight Controller

Processador principal

ATMel onboard usado O ATMega2560 é um dos chips ATMel compatíveis com o Arduino mais poderosos. Embora tenha um total de 100 pinos, incluindo 16 canais analógico-digitais e cinco portas SPI, devido ao seu tamanho pequeno e uso como controlador de vôo, apenas alguns deles estão presentes na placa.

  • AVR vs PIC: AVR
  • Processador: 8 bits
  • Frequência operacional: 16 MHz
  • Memória do programa / Flash: 256 KB
  • SRAM: 8 KB
  • EEPROM: 4 KB
  • Pinos de I / O adicionais: 3 × I2C; 1 × UART; 2 × GPIOs de 10 pinos; Servo com 5x saídas; Porta OLED
  • Conversor A / D: 10 bits

Sensores

Quadrino Nano inclui o chip MPU9150 IMU, que inclui um giroscópio de 3 eixos, um acelerômetro de 3 eixos e um magnetômetro de 3 eixos. Isso ajuda a manter a placa pequena o suficiente sem sacrificar a qualidade do sensor. O barômetro MS5611 fornece dados de pressão e é coberto com um pedaço de espuma. GPS Venus 838FLPx integrado com antena GPS externa (incluída).

Software

O Quadrino Nano foi construído especificamente para usar o software MultiWii mais recente (baseado em Arduino). Em vez de modificar o código do Arduino diretamente, um software separado e mais gráfico foi criado.

Comunicação

  • Entrada direta do receptor RC padrão.
  • Porta do receptor de satélite dedicado Spektrum
  • Serial (rádios SBus e / ou Bluetooth ou 3DR)

Fatores adicionais

  1. Gabinete: Gabinete protetor translúcido incluído como padrão
  2. Montagem: Existem duas formas principais de prender o Quadrino Nano para drone: parafusos e porcas ou adesivo de espuma de borracha.
  3. Design compacto: o próprio controlador (excluindo a antena GPS) mede 53x53 mm.

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