Gördetsjälvdrönare

DIY -drönare: Lektion 4. Flygkontroller..

Innehåll

Inledning

Nu när du har valt eller konstruerat UAV -ramen, motorer, rotorer, ESC och batteri kan du börja välja din flygkontroll. Flygkontrollen för ett obemannat flygbil med flera rotorer är en integrerad krets, vanligtvis bestående av en mikroprocessor, sensorer och in- / utgångsstiften. Efter uppackning vet flygkontrollen inte vilken specifik typ eller konfiguration av UAV: ​​er du använder, så initialt måste du ställa in vissa parametrar i programvaran, varefter den givna konfigurationen laddas ombord. I stället för att bara jämföra de tillgängliga flygkontrollerna, listar det tillvägagångssätt som vi har tagit här vilka delar av datorn som är ansvariga för vilka funktioner, samt aspekter att se upp för.

Huvudprocessor

8051 vs AVR vs PIC vs ARM: En familj av mikrokontroller som utgör grunden för de flesta moderna flygledare. Arduino är baserat på AVR (ATmel) och samhället verkar vara fokuserat på MultiWii som den föredragna koden. Microchip är huvudtillverkaren av PIC -chips. Det är svårt att argumentera för att det ena är bättre än det andra, allt beror på vad programvara kan göra. ARM (som STM32) använder 16/32-bitars arkitektur, med dussintals 8/16-bitars AVR och PIC. När enkla datorer blir billigare och billigare förväntas nästa generations flygkontroller som kan köra fullfjädrade operativsystem som Linux eller Android.

CPU: Vanligtvis är deras bitbredd en multipel av 8 (8-bitars, 16-bitars, 32-bitars, 64-bitars), som i turn indikerar storleken primära register i CPU: n. Mikroprocessorer kan bara bearbeta ett uppsatt (maximalt) antal bitar i minnet åt gången (klocka). Ju fler bitar mikroprocessorn kan hantera, desto mer exakt (och snabbare) blir behandlingen. Till exempel är bearbetningen av en 16-bitars variabel på en 8-bitars processor mycket långsammare än på en 32-bitars. Observera att koden också måste köras med rätt antal bitar, och vid tidpunkten för detta skrivande använder bara några program kod som är optimerad för 32 bitar.

Driftsfrekvens: Frekvensen vid vilken huvudprocessorn arbetar. Det kallas också "klockfrekvens" som standard. Frekvensen mäts i hertz (cykler per sekund). Ju högre driftfrekvens, desto snabbare kan processorn bearbeta data.

Program / blixt: Flash är där huvudkoden är lagrad. Om programmet är komplext kan det ta mycket plats. Uppenbarligen, ju större minne, desto mer information kan det lagra. Minnet är också relevant för lagring av flygdata som GPS-koordinater, flygplaner, automatisk kamerarörelse etc. Koden som laddas in i flashminnet finns kvar på chipet även efter att strömmen har stängts av.

SRAM: SRAM står för Static Random Access Memory och är det utrymme på chipet som används vid beräkningar. Data som lagras i RAM förloras när strömmen stängs av. Ju högre RAM -minne, desto mer information kommer att vara "lätt tillgänglig" för beräkningar vid varje given tidpunkt.

EEPROM: Elektriskt raderbart programmerbart skrivminne (EEPROM) används vanligtvis för att lagra information som inte ändras under flygning, till exempel inställningar i motsats till data. lagrad på SRAM, vilket kan inkludera sensoravläsningar, etc.

Ytterligare I / O -portar: de flesta mikrokontroller har ett stort antal digitala och analoga ingångar och utgångar, på flygkontrollen används vissa för sensorer, andra för kommunikation, eller för allmän ingång och utgång. Dessa extra portar kan anslutas till RC -servon, gimbals, summer och mer.

A / D-omvandlare: Om sensorerna använder en inbyggd analog spänning (vanligtvis 0-3.3V eller 0-5V) måste den analoga A-digitalomvandlaren konvertera dessa avläsningar till digital data. Precis som med processorn bestämmer antalet bitar som ADC kan hantera maximal noggrannhet. Tillhörande är klockfrekvensen med vilken mikroprocessorn kan läsa data (gånger per sekund) för att säkerställa att information inte går förlorad. Det är dock svårt att inte förlora en del av data under denna konvertering, så ju högre bitdjup ADC är, desto mer exakt blir avläsningarna, men det är viktigt att processorn kan hantera den hastighet med vilken data är skickas.

Strömförsörjning

Ofta beskriver flygkontrollspecifikationer två spänningsområden, varav det första är ingångsspänningsområdet för själva flygkontrollen (de flesta arbetar med märkspänning 5V), och den andra är ingångsspänningsområdet för huvudmikroprocessorn (3,3V eller 5V). Eftersom flygkontrollen är en inbäddad enhet behöver du bara vara uppmärksam på regulatorns ingångsspänningsområde. De flesta multi-rotor UAV flygkontroller arbetar vid 5V, eftersom denna spänning genereras av BEC (se avsnitt " Powerplant" för mer information).

Låt oss upprepa. Helst behöver du inte driva flygkontrollen separat från huvudbatteriet. Det enda undantaget är om du behöver ett reservbatteri om huvudbatteriet avger så mycket ström att BEC inte kan generera tillräckligt med ström / spänning, vilket orsakar strömavbrott / återställning. Men i detta fall används kondensatorer ofta istället för ett reservbatteri.

Sensorer

Ur maskinvarusynpunkt är en flygkontroller i huvudsak en vanlig programmerbar mikrokontroller, bara med speciella sensorer ombord. Flygkontrollen kommer åtminstone att inkludera ett 3-axligt gyroskop, men ingen automatisk nivåutjämning. Alla flygkontroller är inte utrustade med följande sensorer, men de kan också innehålla en kombination av dem:

  • Accelerometer: Som namnet antyder mäter accelerometrar linjär acceleration i tre axlar (låt oss kalla dem: X, Y och Z). Vanligtvis mätt i "G (på ryska. Samma)". Standardvärdet (normal) är g = 9,80665 m / s². För att bestämma positionen kan accelerometerns utsignal integreras två gånger, men på grund av förluster vid utgången kan objektet bli föremål för drift. Det mest signifikanta kännetecknet för triaxiella accelerometrar är att de registrerar gravitationen, och som sådana kan de veta vilken riktning de ska "sjunka". Detta spelar en viktig roll för att säkerställa stabiliteten hos multirotor-UAV. Acceleratorn måste monteras på flygkontrollen så att de linjära axlarna sammanfaller med drönarens huvudaxlar.

  • Gyroskop: Gyroskopet mäter hastigheten för förändring av vinklar längs tre vinkelaxlar (låt oss kalla dem: alfa, beta och gamma). Vanligtvis mäts i grader per sekund. Observera att gyroskopet inte mäter absoluta vinklar direkt, men du kan iterera för att få en vinkel som, liksom accelerometern, uppmuntrar till drift. Utsignalen från ett riktigt gyroskop tenderar att vara analog eller I2C, men oftast behöver du inte oroa dig för detta, eftersom all inkommande data behandlas av flygkontrollkoden. Gyroskopet måste installeras så att dess rotationsaxel sammanfaller med UAV -axeln.

  • Tröghetsmätningsenhet (IMU): IMU är i huvudsak en liten tavla som innehåller båda en accelerometer och ett gyroskop (vanligtvis fleraxligt). De flesta av dessa inkluderar en tre-axlig accelerometer och ett tre-axligt gyroskop, andra kan inkludera ytterligare sensorer, såsom en tre-axlig magnetometer, som ger totalt 9 mätaxlar.

  • Kompass / magnetometer: En elektronisk magnetkompass som kan detektera jordens magnetfält och använda dessa data för att bestämma riktningen för drönarens kompass (i förhållande till den magnetiska nordpolen). Denna sensor är nästan alltid närvarande om systemet har en GPS -ingång och är tillgänglig från en till tre axlar.

  • Tryck / barometer: Eftersom atmosfärstrycket ändras med avståndet från havsnivån kan du använda en trycksensor för att få en ganska exakt höjdavläsning av UAV. För att beräkna den mest exakta höjden får de flesta flygkontroller data samtidigt från en trycksensor och ett satellitnavigationssystem (GPS). Observera vid montering att det är att föredra att täcka hålet i barometerkroppen med en bit skumgummi för att minska vindens negativa effekt på chipet.

  • GPS: Global Positioning System (GPS) för att bestämma din specifik geografisk plats, använder signaler som skickas av flera satelliter som kretsar kring jorden. Flygkontrollen kan ha både en inbyggd GPS-modul och en kabelansluten. GPS -antennen ska inte förväxlas med själva GPS -modulen, som kan se ut som en liten svart låda eller en vanlig "Anka" -antenn. För att få exakta positionsdata måste GPS -modulen ta emot data från flera satelliter, och ju fler desto bättre.

  • Avstånd: Avståndssensorer används alltmer på drönare eftersom GPS -koordinater och trycksensorer inte kan avgöra du hur långt du är från marken (kulle, berg eller byggnad), eller om du kommer att kollidera med ett föremål eller inte. Den nedåtvända avståndssensorn kan baseras på ultraljuds-, laser- eller lidar -teknik (IR -sensorer kan uppleva problem i solljus). Avståndssensorer ingår sällan som standard med en flygkontroll.

Flyglägen

Nedan finns en lista över de mest populära flyglägena, men alla är kanske inte tillgängliga i flygledare... "Flygläge" är det sätt på vilket flygkontrollen använder sensorer och inkommande radiokommandon för att stabilisera och flyga UAV. Om den kontrollutrustning som används har fem eller fler kanaler kan användaren konfigurera programvaran, vilket gör att han kan ändra lägen via kanal 5 (extra switch) direkt under flygningen.

  • ACRO - vanligtvis standardläget för alla tillgängliga sensorer, flygkontrollen använder endast gyroskopet (drönaren kan inte automatiskt jämna ut sig själv). Relevant för sport (akrobatisk) flygning.
  • ANGLE - stabilt läge; av alla tillgängliga sensorer använder flygkontrollen ett gyroskop och en accelerometer. Vinklarna är begränsade. Kommer att hålla drönaren i ett horisontellt läge (men utan att hålla positionen).
  • HORIZON - kombinerar stabiliteten i "ANGLE" -läget när pinnarna är nära mitten och rör sig långsamt och akrobatiken i "ACRO" -läget när pinnarna befinner sig i sina extrema positioner och rör sig snabbt. Flygkontrollen använder bara gyroskopet.
  • BARO (Altitude Hold) - stabilt läge; av alla tillgängliga sensorer använder flygkontrollen ett gyroskop, en accelerometer och en barometer. Vinklarna är begränsade. Barometern används för att bibehålla en viss (fast) höjd när inga kommandon ges från kontrollutrustningen.
  • MAG (Heading Hold) - kurslåsläge (kompassriktning), drönaren kommer att behålla Yaw -orientering. Av alla tillgängliga sensorer använder flygkontrollen ett gyroskop, en accelerometer och en kompass.
  • HEADFREE (CareFree, Headless) - eliminerar orienteringsspårningen (Yaw) för drönaren och gör att du kan röra dig i 2D -riktning enligt rörelse ROLL / PITCH kontrollpinne. Av alla tillgängliga sensorer använder flygkontrollen ett gyroskop, en accelerometer och en kompass.
  • GPS / Return to Home - använder automatiskt kompass och GPS för att återvända till startplatsen. Av alla tillgängliga sensorer använder flygkontrollen ett gyroskop, en accelerometer, en kompass och en GPS -modul.
  • GPS / Waypoint - låter drönaren autonomt följa förinställda GPS -punkter. Av alla tillgängliga sensorer använder flygkontrollen ett gyroskop, en accelerometer, en kompass och en GPS -modul.
  • GPS / Position Hold - håller den aktuella positionen med GPS och barometer (om tillgänglig). Av alla tillgängliga sensorer använder flygkontrollen ett gyroskop, en accelerometer, en kompass och en GPS -modul.
  • Felsäker - om inga andra flyglägen har angetts växlar drönaren till Acro -läge. Av alla tillgängliga sensorer används endast gyroskopet av flygkontrollen. Relevant vid misslyckanden i drönarens programvara, det låter dig återställa kontrollen över UAV med tidigare förinställda kommandon.

Programvara

PID -styrenhet (tilldelning och inställning)

Proportional Integral Derivate (PID) eller Proportional-Integral-Derivative (PID) är en bit flygstyrningsprogramvara som läser data från sensorer och beräknar hur snabbt motorerna måste rotera för att bibehålla önskad hastighet för UAV.] Vad kan inte sägas om anpassade UAV-sammansättningar, där det är viktigt att använda en universell flygkontroll som passar alla multirotoraggregat, med möjlighet att justera PID-värden tills de uppfyller slutanvändarens nödvändiga flygegenskaper.

GUI

Grafiskt användargränssnitt (GUI) eller grafiskt användargränssnitt Är det som används för att visuellt redigera koden (med hjälp av en dator) som kommer att laddas in i flygkontrollen. Programvaran som medföljer flygkontroller blir hela tiden bättre och bättre; de första flygkontrollanterna använde mestadels textbaserade gränssnitt, vilket krävde att användarna förstod nästan hela koden och ändrade specifika avsnitt för att passa designen. Nyligen har GUI använt interaktiva grafiska gränssnitt för att göra det enklare för användaren att konfigurera nödvändiga parametrar.

Ytterligare funktioner

Programvaran som används på vissa flygkontroller kan ha ytterligare funktioner som inte är tillgängliga för andra. Valet av en viss flygkontroller kan i slutändan bero på vilka ytterligare funktioner / funktioner som utvecklaren erbjuder. Dessa funktioner kan innefatta:

  • Autonom Waypoint Navigation - Tillåter användaren att ställa in GPS -waypoints som drönaren kommer att följa autonomt.
  • Oribiting - förflyttning av drönaren runt en given GPS -koordinat, där framsidan av drönaren alltid är riktad mot den givna koordinaten (relevant för fotografering).
  • Följ mig - många UAV har en "Följ mig" -funktion, som kan baseras på satellitpositionering (till exempel spåra GPS -koordinaterna för en smartphone eller en modul inbyggd i kontrollutrustning GPS).
  • 3D -bild - De flesta 3D -bilder tas efter flygning med bilder och GPS -data som erhållits under flygning.
  • Öppen källkod - Programvaran för vissa flygkontroller kan inte ändras / konfigureras. Öppen källkodsprodukter tillåter i allmänhet kraftanvändare att ändra koden för att passa deras specifika behov.

Kommunikation

Radiostyrning (RC)

Radiostyrning inkluderar vanligtvis RC -sändare / RC sändare (i obemannad hobby - radiostyrningsutrustning / fjärrkontroll) och RC -mottagare (RC -mottagare)

  • Gas / höjd
  • Yaw
  • Stigning
    • ​​
  • Rulla

Alla andra tillgängliga kanaler kan användas för följande åtgärder: - till / frånkoppling av motorer...

  • Gimbal -kontroll (panorera upp / ner, rotera medurs / moturs, zoom)
  • Ändra flyglägen (ACRO / ANGLE, etc.)
  • Aktivera / aktivera nyttolast (fallskärm, summer eller annan enhet)
  • Alla andra applikationer

    • De flesta användare (UAV -piloter) föredrar manuell kontroll, detta bevisar än en gång att pilotering med kontrollutrustning är fortfarande det främsta valet. I sig själv överför RC -mottagaren helt enkelt de värden som kommer från RC -sändaren, vilket innebär att den inte kan styra drönaren. RC -mottagaren måste vara ansluten till en flygkontroll, som i sin tur måste programmeras för att ta emot RC -signaler. Det finns väldigt få flygkontroller på marknaden som accepterar inkommande radiokommandon från mottagaren direkt, och de flesta datorer ger till och med ström till mottagaren från en av stiften. Ytterligare överväganden när du väljer en fjärrkontroll inkluderar:

    • Inte alla RC -sändare kan ge hela spektrumet av RC -signaler från 500 ms till 2500 ms; vissa begränsar artificiellt denna räckvidd, eftersom de flesta RC: er som används är för radiostyrda bilar, flygplan och helikoptrar.
    • Område / max. luftintervall (mätt i fot eller meter) RC -system-tillhandahålls nästan aldrig av tillverkare, eftersom denna parameter påverkas av många faktorer som buller, temperatur, luftfuktighet, batterikraft och andra.
    • Vissa RC-system har en mottagare som också har en inbyggd sändare för överföring av data från sensorn (t.ex. GPS-koordinater), som sedan kommer att visas på LCD-skärmen på RC-sändaren.

    Bluetooth

    Bluetooth och senare BLE (Bluetooth Low Energy) -produkter var ursprungligen avsedda att överföra data mellan enheter utan parning eller frekvens motsvarande. Flera kommersiellt tillgängliga flygkontroller kan skicka och ta emot data trådlöst via en Bluetooth -anslutning, vilket gör det lättare att felsöka i fältet.

    Wi-Fi

    Wi-Fi-kontroll uppnås vanligtvis via en Wi-Fi-router, dator (inklusive bärbar dator, stationär dator, surfplatta) eller smartphone. Wi-Fi klarar både dataöverföring och videoströmning, men samtidigt är denna teknik svårare att konfigurera / implementera. Som med alla Wi-Fi-enheter begränsas avståndet av Wi-Fi-sändaren.

    Radiofrekvens (RF eller RF)

    Radiofrekvens (RF) -kontroll i detta sammanhang avser till trådlös överföring av data från en dator eller mikrokontroller till ett flygplan med hjälp av en RF-sändare / mottagare (eller dubbelbandssändtagare). Att använda en konventionell RF-enhet ansluten till en dator möjliggör tvåvägskommunikation över långa avstånd med hög datatäthet (vanligtvis i serieformat).

    Smartphone

    Även om detta inte är en typ av kommunikation, är själva frågan hur man styr en drönare med en smartphone, tillräckligt för att ge den ett separat avsnitt. Moderna smartphones är i huvudsak kraftfulla datorer som av en slump också kan ringa telefonsamtal. Nästan alla smartphones har en inbyggd Bluetooth-modul samt en WiFi-modul, som var och en används för att styra drönaren och / eller ta emot data och / eller video.

    Infraröd (IR)

    TV -fjärrkontroll) används sällan för att styra drönare, eftersom även i vanliga rum (för att inte tala om öppna utrymmen) finns det så mycket infraröd störning att det inte är särskilt tillförlitligt. Trots att tekniken kan användas för att styra UAV kan den inte erbjudas som huvudalternativ.

    Ytterligare överväganden

    Funktionalitet: Flygkontrolltillverkare försöker vanligtvis tillhandahålla så många funktioner som möjligt - ingår antingen som standard eller köps separat som tillval / tillägg. Nedan följer bara några av de många ytterligare funktioner du kanske vill titta på när du jämför flygkontroller.

    Dämpning: Även små vibrationer i ramen, vanligtvis orsakade av obalanserade rotorer och / eller motorer, kan detekteras av den inbyggda accelerometern, som i sin tur kommer att skicka lämpliga signaler till huvudprocessorn, vilket kommer att vidta korrigerande åtgärder. Dessa mindre korrigeringar är onödiga eller inte önskvärda för stabil flygning, och det är bäst att hålla flygkontrollen vibrerande så lite som möjligt. Av denna anledning används ofta vibrationsdämpare / dämpare mellan flygkontrollen och ramen.

    Kapsling: Skyddshöljet runt flygkontrollen kan hjälpa till i olika situationer. Förutom att det är mer estetiskt tilltalande än ett rent kretskort ger ett hölje ofta en viss nivå av elektrisk skydd. element, samt ytterligare skydd i händelse av en krasch.

    Montering: Det finns olika sätt att montera flygkontrollen på ramen, och inte alla flygkontroller har samma monteringsalternativ:

    1. Fyra hål på ett avstånd av 30,5 mm eller 45 mm från varandra i en kvadrat.
    2. Platt botten för användning med klistermärke.
    3. Fyra hål i en rektangel (standard inte installerad).

    Community: Eftersom du bygger en anpassad drönare kan deltagande i en online -community hjälpa mycket, särskilt om du stöter på problem eller vill ha råd. Att få råd från gemenskapen eller se användarens feedback om kvaliteten och användarvänligheten hos olika flygkontroller kan också vara till hjälp.

    Tillbehör: För att produkten ska kunna användas fullt ut, förutom flygkontrollen själv, kan ytterligare saker (tillbehör eller tillval) krävas. Sådana tillbehör kan inkludera, men är inte begränsade till: GPS -modul och / eller GPS -antenn; kablar; monteringstillbehör; skärm (LCD / OLED);

    Exempel

    Så med alla dessa olika jämförelser, vilken information kan du få om flygkontrollen och vad kan flygkontrollen innehålla? Vi har valt Quadrino Nano Flight Controller

    Huvudprocessor

    Används ombord på ATMel ATMega2560 är ett av de mest kraftfulla Arduino-kompatibla ATMel-chipsen. Även om den har totalt 100 stift, inklusive 16 analog-digitala kanaler och fem SPI-portar, på grund av sin lilla storlek och avsedda användning som flygkontroll, finns bara några få av dem på kortet.

    • AVR vs PIC: AVR
    • Processor: 8-bitars
    • Driftsfrekvens: 16MHz
    • Programminne / blixt: 256KB
    • SRAM: 8KB
    • EEPROM: 4KB
    • Ytterligare I / O -stift: 3 × I2C; 1 × UART; 2 × 10-stifts GPIO; Servo med 5x utgångar; OLED-port
    • A / D-omvandlare: 10-bitars

    Sensorer

    Quadrino Nano inkluderar MPU9150 IMU-chip, som inkluderar ett 3-axligt gyroskop, en 3-axlig accelerometer och en 3-axlig magnetometer. Detta hjälper till att hålla kortet tillräckligt litet utan att ge avkall på sensorkvaliteten. MS5611 -barometern ger tryckdata och är täckt med en skumbit. Integrerad Venus 838FLPx GPS med extern GPS -antenn (ingår).

    Programvara

    Quadrino Nano byggdes speciellt för att använda den senaste MultiWii -programvaran (Arduino -baserad). Istället för att ändra Arduino -koden direkt skapades en separat, mer grafisk programvara.

    Kommunikation

    • Direkt inmatning från standard RC -mottagare.
    • Dedikerad Spektrum satellitmottagarport
    • Seriell (SBus och / eller Bluetooth eller 3DR -radio)

    Ytterligare faktorer

    1. Kapsling: Skyddande genomskinligt hölje ingår som standard
    2. Montering: Det finns två huvudsakliga sätt att fästa Quadrino Nano till drone: skruvar och muttrar eller skumgummimärke.
    3. Kompakt design: själva styrenheten (exklusive GPS -antennen) mäter 53x53 mm.

    .
    Liknande artiklar