что такое imu в квадрокоптере
IMU калибровка
аппарат phantom 3 standart
По IMU возникают постоянные проблемы при запуске практически везде, кроме чистого поля без ЛЭП.
Даже со своего участка за городом не могу запустить его, пишет ошибку. Рестарт не помогает.
Неужели он такой чувствительный?? Как же тогда в городе видео снимают? Ведь летит он у людей
Заранее спасибо за совет.
Dmitryfins , У вас выдаёт ошибку IMU или компаса? Калибровку IMU проводили? Только вот это делать лучше вдали от источников помех и железобетонных конструкций, т.е. условно в чистом поле на ровной поверхности.
Его калибровку не проводил! Как ее сделать?
У меня он был без русской инструкции, по компасу понял как делать: вращение горизонт, вращение вертикаль.
А как IMU подскажете калибровать?
Эта калибровка разовая или перед каждым полетом как компас?
И по городу вопрос, летать то в нем реально на таком дроне?
Повторю калибруйте вдали от источников радио и магнитных помех, железа при калибровке нужно коптер поставить на ровную поверхность и не трогать его до окончания процедуры. Калибровать IMU часто не требуется, в случае только если будет вылазить ошибка. Все в городах как то летают, но всё ближе и ближе от себя. помех стало с развитием wifi и т.п. очень много.
нужно коптер поставить на ровную поверхность
По поводу заполненности эфира: в Нижнем Тагиле очень редко вижу предупреждение о интерференции волн. В основном она возникает в моём городе если пролетать возле сотовой вышки и то очень редко интерференция. В городе от проводов исходит незначительное (малое по размерам) электро-магнитное поле, например, от силовых проводов 220В. Это от ЛЭП, где напряжение составляет несколько тысяч вольт, исходит достаточно мощное электро-магнитное поле, оно может вызвать сбой компаса.
В основном, если ошибка компаса не появляется постоянно, то ошибка может появляться из-за стальных предметов на площадке запуска или в теле оператора при калибровке.
К датчикам IMU относятся гироскоп (определяет ориентацию тела в пространстве) и акселерометр (определяет значение ускорений тела по 3-ём осям), следовательно ошибка IMU может возникнуть если коптер пошевелить, переместить во время включения или из-за достаточно неровной площадки запуска.
Мы пробовали на форуме разобраться относится ли компас к датчикам IMU, да так и не определились с этим. Может кто знает?
Как можно выполнить калибровку IMU в поле, если нужна ровная горизонтальная поверхность? Как обеспечить строгую горизонтальность плоскости под коптером при калибровке вне дома?
Как обеспечить строгую горизонтальность плоскости под коптером при калибровке вне дома?
Кусок фанеры и вот такая штука
Дрон своими руками: Урок 4. Полётный контроллер.
Содержание
Введение
Теперь, когда вы выбрали или спроектировали раму БПЛА, выбрали моторы, несущие винты, ESC и батарею, можно приступить к выбору полётного контроллера. Полётный контроллер для мультироторного беспилотного летательного аппарата представляет собой интегральную схему, обычно состоящую из микропроцессора, датчиков и входных/выходных контактов. После распаковки контроллер полёта не знает какой конкретный тип или конфигурацию БПЛА вы используете, поэтому изначально необходимо будет установить определенные параметры в программном обеспечении, после чего заданная конфигурация загружается на борт. Вместо того, чтобы просто сравнивать доступные в настоящее время полётные контроллеры, подход, который мы здесь использовали, перечисляет, какие элементы ПК отвечают за какие функции, а также аспекты, на которые необходимо обратить внимание.
Основной процессор
8051 vs AVR vs PIC vs ARM: Семейство микроконтроллеров составляющее основу большинства современных контроллеров полёта. Arduino основан на AVR (ATmel), и сообщество, похоже, сосредоточено на MultiWii, как на предпочтительном коде. Microchip является основным производителем чипов PIC. Трудно утверждать, что одно лучше другого, всё сводится к тому, что может делать программное обеспечение. ARM (например, STM32) использует 16/32-битную архитектуру, при этом десятки используют 8/16-битные AVR и PIC. Поскольку одноплатные компьютеры становятся все менее и менее дорогостоящими, ожидается появление полётных контроллеров нового поколения, которые могут работать с полноценными операционными системами, такими как Linux, или Android.
ЦП: Обычно их разрядность кратна 8 (8-бит, 16-бит, 32-бит, 64-бит), что в свою очередь указывает на размер первичных регистров в ЦП. Микропроцессоры могут обрабатывать только установленное (максимальное) количество бит в памяти за один раз (такт). Чем больше бит может обработать микропроцессор, тем более точной (и более быстрой) будет обработка. Например, обработка 16-битной переменной на 8-битном процессоре происходит куда медленней, чем на 32-битном. Обратите внимание, что код также должен работать с правильным количеством бит, а на момент написания этой статьи лишь немногие программы используют код, оптимизированный для 32 бит.
Рабочая частота: Частота, на которой работает основной процессор. Также по умолчанию её называют «тактовой частотой». Частота измеряется в герцах (циклов в секунду). Чем выше рабочая частота, тем быстрее процессор может обрабатывать данные.
Программная память/Флэш: Флэш-память — это место, где хранится основной код. Если программа сложная, она может занимать много места. Очевидно, что чем больше память, тем больше информации она может хранить. Память также актуальна при хранении данных в полёте, таких как координаты GPS, планы полёта, автоматическое движение камеры и т.д. Код, загруженный на флэш-память, остается на чипе даже после отключения питания.
SRAM: SRAM расшифровывается как «Статическая память с произвольным доступом» и представляет собой пространство на чипе, которое задействуется при выполнении расчетов. Данные, хранящиеся в оперативной памяти, теряются при отключении питания. Чем выше объём оперативной памяти, тем больше информации будет «легко доступно» для расчетов в любой момент времени.
EEPROM: электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ) обычно используется для хранения информации, которая не изменяется во время полёта, например настройки, в отличие от данных, хранящихся на SRAM, к которым могут относиться показания датчика и т.д.
Дополнительные порты Ввода/Вывода: большинство микроконтроллеров имеют большое количество цифровых и аналоговых портов ввода и вывода, на контроллере полёта некоторые используются под датчики, другие для связи, либо для общего ввода и вывода. К этим дополнительным портам могут быть подключены RC сервоприводы, системы подвеса, зуммеры и многое другое.
Аналого-цифровой преобразователь (A/D converter/АЦП): Если датчики используют бортовое аналоговое напряжение (обычно 0-3.3В или 0-5В), аналого-цифровой преобразователь должен преобразовать эти показания в цифровые данные. Как и в случае с процессором, количество бит, которое может быть обработано АЦП, предопределяет максимальную точность. С этим связана тактовая частота, с которой микропроцессор может считывать данные (количество раз в секунду), чтобы убедиться, что информация не потеряна. Тем не менее, трудно не потерять часть данных во время такого преобразования, поэтому чем выше разрядность АЦП, тем более точными будут показания, но при этом важно, чтобы процессор смог справиться с той скоростью, с которой отправляются данные.
Питание
Часто в спецификации полётного контроллера описываются два диапазона напряжений, первый из которых представляет собой диапазон входного напряжения самого контроллера полёта (большинство работает при номинальном напряжении 5В), а второй — диапазон входного напряжения основного микропроцессора (3.3В или 5В). Поскольку контроллер полёта является встраиваемым устройством, вам необходимо обратить внимание только на входящий диапазон напряжения контроллера. Большинство контроллеров полёта мультироторных БЛА работают при напряжении 5В, так как это напряжение вырабатывает BEC (для получения дополнительной информации см. раздел «Силовая установка»).
Повторим. В идеале не нужно запитывать контроллер полёта отдельно от основной батареи. Единственное исключение — если вам нужна резервная АКБ на случай, когда основная батарея отдаёт столько энергии, что BEC не может вырабатывать достаточно тока/ напряжения, вызывая тем самым отключение питания/сброс. Но, в таком случае вместо резервной батареи часто используют конденсаторы.
Сенсоры
С точки зрения аппаратного обеспечения, контроллер полёта по сути является обычным программируемым микроконтроллером, только со специальными датчиками на борту. Как минимум, контроллер полёта будет включать в себя 3-осевой гироскоп, но без автовыравнивания. Не все контроллеры полёта оснащаются указанными ниже сенсорами, но они также могут включать их комбинацию:
Режимы полёта
Ниже приведён список самых популярных режимов полёта, тем не менее не все из них могут быть доступны в полётных контроллерах. «Режим полёта» — это способ, посредством которого полётный контроллер использует сенсоры и входящие радиокоманды для обеспечения стабилизации и полёта БПЛА. Если используемая аппаратура управления имеет пять и более каналов, пользователь может настроить программное обеспечение, что позволит ему изменять режимы через 5 канал (вспомогательным переключателем) непосредственно во время полёта.
Программное обеспечение
ПИД-регулятор (назначение и настройка)
Proportional Integral Derivate (PID) или Пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор (ПИД) — часть программного обеспечения полётного контроллера, которое считывает данные с сенсоров и вычисляет, как быстро должны вращаться моторы, чтобы сохранить желаемую скорость перемещения БЛА.
Разработчики готовых к полёту БЛА как правило оптимально настраивают параметры ПИД-регулятора, поэтому большинство RTF беспилотников отлично пилотируются прямо из коробки. Чего не скажешь про кастомные сборки БЛА, где актуально использование универсального полётного контроллера подходящего для любой мультироторной сборки, с возможностью регулировки значений PID до тех пор, пока они не будут соответствовать требуемым характеристикам полёта конечного пользователя.
Graphical User Interface (GUI) или Графический интерфейс пользователя — это то, что используется для визуального редактирования кода (при помощи компьютера), который будет загружен в полётный контроллер. Программное обеспечение, поставляемое с контроллерами полёта, продолжает становиться все лучше и лучше; первые контроллеры полёта использовали в основном текстовые интерфейсы, которые требовали, чтобы пользователи понимали почти весь код и меняли определенные разделы в соответствии с проектом. В последнее время в GUI применяются интерактивные графические интерфейсы, с целью облегчить пользователю настройку необходимых параметров.
Дополнительные возможности
Программное обеспечение, используемое на некоторых контроллерах полёта, может иметь дополнительные функции, которые недоступны для других. Выбор конкретного контроллера полёта может в конечном итоге зависеть от того, какие дополнительные функции/функциональные возможности предлагаются разработчиком. В список таких функций могут входить:
Связь
Управление посредством радиосвязи обычно включает в себя RC передатчик/RC transmitter (в беспилотном хобби — радиоаппаратура управления/пульт) и RC приёмник (RC receiver). Для взаимодействия с БПЛА пользователю потребуется как минимум четырёх (и более) канальный RC передатчик. По умолчанию первые четыре канала связаны с:
Все остальные имеющиеся каналы могут быть задействованы для таких действий как:
Большинство пользователей (пилотов БПЛА) предпочитают именно ручное управление, это ещё раз доказывает, что пилотирование при помощи аппаратуры управления по прежнему является выбором номер один. Сам по себе RC приёмник просто передаёт поступающие от RC передатчика значения, а значит не может управлять беспилотником. RC приёмник должен быть подключен к контроллеру полёта, который в свою очередь должен быть запрограммирован для приёма RC сигналов. На рынке очень мало полётных контроллеров, которые принимают входящие радиокоманды от приёмника на прямую, а большинство ПК даже обеспечивают питание приёмника от одного из контактных выводов. Дополнительные соображения при выборе пульта дистанционного управления включают в себя:
Bluetooth и более поздние продукты BLE (Bluetooth Low Energy) изначально предназначались для передачи данных между устройствами без заморочек сопряжения или согласования частот. Некоторые имеющиеся на рынке контроллеры полёта могут отправлять и получать данные по беспроводной связи через соединение Bluetooth, что упрощает поиск неисправностей в полевых условиях.
Управление по Wi-Fi обычно достигается посредством Wi-Fi роутера, компьютера (в том числе ноутбук, десктоп, планшет) или смартфон. Wi-Fi в состоянии справится как с передачей данных, так и с передачей видеопотока, но одновременно с этим эту технологию сложнее настроить/реализовать. Как и для всех Wi-Fi устройств, расстояние удаления ограничено Wi-Fi передатчиком.
Радиочастота (RF или РЧ)
Радиочастотное (РЧ) управление в этом контексте относится к беспроводной передаче данных с компьютера или микроконтроллера на летательный аппарат с использованием РЧ передатчика/Приёмника (или двухполосного приёмопередатчика). Использование обычного радиочастотного блока, подключенного к компьютеру, позволяет осуществлять двухполосную связь на большие расстояния с высокой «плотностью» данных (обычно в последовательном формате).
Хоть это и не тип связи, самого вопроса, как управлять дроном используя смартфон, достаточно, чтобы уделить ему отдельный раздел. Современные смартфоны это по сути мощные компьютеры, которые по случайному совпадению могут также совершать телефонные звонки. Почти все смартфоны имеют встроенный модуль Bluetooth, а также модуль WiFi, каждый из которых используется для управления дроном и/или получения данных и/или видео.
Инфракрасное излучение (Infrared (IR))
Инфракрасная связь (то что можно найти в каждом телевизионном пульте дистанционного управления) редко используется для управления дронами, так как даже в обычных комнатах (не говоря уже об открытом пространстве) присутствует так много инфракрасных помех, что они не очень надёжны. Несмотря на то, что технологию можно использовать для управления БПЛА, не может быть предложена как основной вариант.
Дополнительные соображения
Функциональность: Производители полётных контроллеров, обычно, стараются предоставить как можно больше функций — либо включены по умолчанию, либо приобретаются отдельно в качестве опций/дополнений. Ниже приведены лишь некоторые из множества дополнительных функций, на которые вы, возможно, захотите взглянуть при сравнении контроллеров полёта.
Демпфирование: даже небольшие вибрации в раме, обычно вызываемые несбалансированными несущими винтами и/или моторами, могут быть выявлены встроенным акселерометром, который, в свою очередь, отправит соответствующие сигналы на главный процессор, который предпримет корректирующие действия. Эти незначительные исправления не нужны или не желательны для стабильного полёта, и лучше всего, чтобы контроллер полёта вибрировал как можно меньше. По этой причине между контроллером полёта и рамой часто используются виброгасители/демпферы.
Корпус: защитный корпус вокруг контроллера полёта может помочь в различных ситуациях. Помимо того, что корпус выглядит более эстетично, чем голая печатная плата, корпус часто обеспечивает некоторый уровень защиты элект. элементов, а также дополнительную защиту в случае краша.
Монтаж: Существуют различные способы установки контроллера полёта на раму, и не все контроллеры полёта имеют одинаковые варианты монтажа:
Сообщество: поскольку вы создаете кастомный дрон, участие в онлайн-сообществе может значительно помочь, особенно, если вы столкнулись с проблемами или хотите получить совет. Получение рекомендаций от сообщества или просмотр отзывов пользователей, касательно качества и простоты использования различных контроллеров полёта, может также быть полезным.
Аксессуары: Для полноценного использования продукта, помимо самого контроллера полёта, могут потребоваться сопутствующие элементы (аксессуары или опции). Такие аксессуары могут включать, но не ограничиваются ими: модуль GPS и/или GPS антенна; кабели; монтажные принадлежности; экран (LCD/OLED);
Пример
Итак, учитывая все эти различные сравнительные характеристики, какую информацию вы можете получить о контроллере полёта и что может включать контроллер полета? В качестве примера мы выбрали Quadrino Nano Flight Controller.
Главный процессор
Используемый на борту ATMel ATMega2560 является одним из наиболее мощных Arduino-совместимых чипов ATMel. Хотя он имеет в общей сложности 100 выводов, включая 16 аналогово-цифровых каналов и пять портов SPI, из-за его небольшого размера и предполагаемого использования в качестве контроллера полёта, на плате присутствуют только некоторые из них.
Сенсоры
Quadrino Nano включает микросхему MPU9150 IMU, которая включает в себя 3-осевой гироскоп, 3-осевой акселерометр и 3-осевой магнитометр. Это помогает сделать плату достаточно маленькой, не жертвуя качеством датчика. Барометр MS5611 предоставляет данные о давлении и покрыт кусочком пены. Интегрированный Venus 838FLPx GPS с внешней GPS антенной (в комплекте).
Программное обеспечение
Quadrino Nano был создан специально для использования новейшего программного обеспечения MultiWii (на базе Arduino). Вместо того, чтобы изменять код Arduino напрямую, было создано отдельное, более графическое программное обеспечение.
Полетный контроллер¶
Беспилотники мультироторного типа, аэродинамически неустойчивы и требуют постоянной стабилизации в полете. Так как человек не способен одновременно контролировать скорость вращения трех и более двигателей достаточно точно, чтобы сохранять баланс беспилотного летательного аппарата в воздухе. Появление достаточно быстродействующих микроконтроллеров и интегральных датчиков ускорения и угловой скорости на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС), позволили решить эту задачу, и стимулировать развитие высокопроизводительных полетных контроллеров (автопилотов), алгоритмы которых в свою очередь раскрывают новые возможности управления полетом.
Полетный контроллер – электронное устройство, представляющее из себя вычислительную систему, работающую по сложным алгоритмам, и управляющая полетом беспилотного летательного аппарата. Функции полетного контроллера могут определяться установленной на борту мультикоптера дополнительной периферией (GPS, модем, OSD, подвес для фото/видеокамеры, датчики тока и напряжения, поисковые средства и тд.).
Основные задачи выполняемые полетным контроллеров:
Сбор и обработка информации с инерциального измерительного блок (IMU), датчиков ускорений и угловой скорости, обеспечивая аэродинамическую устойчивость аппарата в горизонтальной плоскости. Некоторые IMU включают в себя магнитометры позволяя стабилизировать ориентацию аппарата относительно магнитного меридиана и удержания направления движения.
Сбор и обработка информации с барометрических, ультразвуковых, инфракрасных сенсоров или радиотехнических высотомеров, датчики рассчитывают высоту и обеспечивают стабилизацию аппарата в вертикальной плоскости. Возможность привязки позиции коптера на заданной высоте и в заданной точке при помощи модулей GPS/ГЛОНАСС.
Выполнение заранее построенного маршрута полетного задания созданным в специальном программном обеспечении с постоянным или переменным соблюдением телеметрических данных заданными оператором, и осуществлять автоматический возврат в точку старта при помощи модуля GPS/ГЛОНАСС.
Остановка перед препятствиями и их преодоление, по средству набора сенсоров, определяющих расстояние до объекта. В случае оснащения системой технического зрения, полетный контроллер должен обладать высокой вычислительной способностью, который в реальном времени будет аккумулировать и обрабатывать данные с сенсоров, постоянно сканирующих окружающую среду. Состав системы может отличаться типом и количеством датчиков, соответственно у разных коптеров различается, как принцип, так и математические алгоритмы работы и взаимодействия между этими датчиками.
Система технического зрения может включает набор следующих сенсоров: стереоскопические (датчик изображения), инфракрасные или ультразвуковые дальномеры, двумерные лидары, 3D-лидары (Flash-LiDAR Time-of-Flight). Последние с алгоритмами одновременной навигации и построения карты (SLAM) позволяют строить 3D-модель окружающего пространства и планировать в нем безопасный маршрут, предотвращая столкновения с препятствиями.
Сбор и обработка данных с внешних источников данных (GPS/ГЛОНАСС, датчики тока, напряжения, температуры) и штатных (барометр, акселерометр, магнитометр) с последующей передачей потока данных на модуль OSD (On-Screen Data – будет рассмотрен далее), которые на земле отображаются на FPV-очках или дисплее. Данные телеметрии так же могут передаваться непосредственно с полетного контроллера при помощи радиомодема, который обеспечивает двухстороннюю связь по протоколу UART (универсальный асинхронный приемопередатчик) через радиоканал.
Инерциальный измерительный блок (IMU)¶
Полетный контроллер оснащен набором миниатюрных измерительных устройств (датчиков), которые лежат в основе инерциального измерительного блока.
Инерциальный измерительный блок или система инерциальной навигации (от англ. IMU – Inertial Measurement Unit) – это система, которая определяет своё положение в пространстве используя свойства инерции тел, то есть определяет на какой угол и по какой оси она была повернута и была смещена относительно начальной точки. Измерительный блок включает в себя датчики линейного ускорения (акселерометр) и угловой скорости (гироскоп). Основной задачей датчиков на полетном контроллере является непрерывное получение навигационных данных для математических расчетов микроконтроллером (микропроцессором), который устанавливает положение беспилотника относительно горизонта и обнаруживает изменения углов ориентации, относительно его предыдущего положения в пространстве, затем направляет данные в электронные регуляторы оборотов двигателей (ESC). Вычисленные данные микроконтроллером позволяют обеспечивать полет мультикоптером, управляя газом, углами крена, тангажа и рысканья (throttle, pitch, roll, yaw).
Современные датчики положения и ускорений используемые при управления беспилотными летательными аппаратами основаны на технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС).
МЭМС (MEMS) или микроэлектромеханические системы представляет собой технологию, которая позволяет миниатюризировать механические структуры и полностью интегрировать их с электрическими схема, что приводит к одному физическому устройству, где механические и электрические компоненты работают для реализации желаемой функциональности. Таким образом, МЭМС-устройство представляет собой микро (т.е. очень маленький) чип, в котором одновременно находятся электрическая система, отвечающая за обработку сигналов и движущаяся механическая система. Физические размеры МЭМС-устройств могут варьироваться от одного микрона до нескольких миллиметров, а также от относительно простых структур практически без движущихся элементов до очень сложных электромеханических систем.
Принцип работы интегрального гироскопа¶
Гироскоп (от греч. «gyros» – круг и «skopeo» – смотрю, наблюдаю) – это устройство, которые способно реагировать на изменение углов ориентации объекта, относительно инерциальной системы отсчета и определять его положение в пространстве. Схема показана на рисунке 1.
Рисунок 1 – Устройство интегрального гироскопа
Чувствительным элементом интегрального гироскопа являются две подвижные массы (грузики), которые находятся в непрерывном движении на упругом подвесе в противоположенных направлениях. Источником колебаний подвижной массы является гребенчатые электростатические двигатели. Подвижная масса, вместе с электродами, расположенная на подложке, образуют конденсаторы, входящие в состав дифференциальной схемы, вырабатывающей сигнал, пропорциональный разности емкостей конденсатора. Линейное ускорение одинаково воздействует на обе подвижные массы и подложку, поэтому сигнал на выходе дифференциальной схемы не появляется. Как только произойдет изменение угловой скорости относительно оси вращения, то на подвижные массы начинает действовать сила Кориолиса, отклоняя подвижные массы в противоположных направлениях. Соответственно, емкость одного конденсатора увеличивается, а другого уменьшается, что порождает разностный сигнал, пропорциональный величине углового ускорения. Таким образом, осуществляется преобразование угловой скорости гироскопа в электрический параметр, величина которого детектируется специальным датчиком.
Для того, чтобы мультикоптер определял положение в пространстве относительно трех ортогональных направлений х, y, и z, внутри одного корпуса микросхемы располагаются три датчика перпендикулярно осям. От сюда происходит название – трех осевой гироскоп.
Принцип работы интегрального акселерометра¶
Акселерометр (от лат. «accelero» – ускоряю и греч. «metreo» – измеряю) – это устройство, которое измеряет кажущееся ускорение (разность между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением). В состав интегрального акселерометра входят высокоточный чувствительный элемент (движущийся) для определения ускорений и электронная часть, осуществляющая обработку сигнала (рисунок 2).
1 – Поликремниевые пружины; 2 – Фиксированные пластины (контакты); 3 – Кремниевая подложка (корпус); 4 – Подвижная масса с проводниками; 5 – Изменение емкости.
Рисунок 2 – Устройство интегрального акселерометра
На статическом корпусе (не подвижном) параллельно размещены тонкие фиксированные пластины (контакты), снимающие показания, а источником данных является подвижная масса закрепленная на упругих поликремниевых пружинах и выполнения в виде тонкой рамки с отведенными в стороны проводниками и допускающая перемещение в определенных пределах, когда к определенной оси применятся ускорение.
Отведенные в сторону проводники подвижной массы располагаются между фиксированными пластинами (контактами), через которые снимаются показания перемещения проводников. Объектом измерения выступает изменяющаяся емкость между фиксированными пластинами и проводниками подвижной массы, где изменение емкости пропорционально ускорению оси относительно который происходит движение.
Датчик обрабатывает это изменение емкости и преобразует его в аналоговое выходное напряжение, где специальный чип, интегрированный в корпус МЭМС-устройства, его измеряет. С учетом этих данных и заранее известных массы и параметров подвижного элемента, чип выдает итоговое значение ускорения по одному из трех ортогональных направлений x, y, и z. Это значение используется микроконтроллером для автоматического выравнивания полета мультикоптера.
Интегральные акселерометры, как и гироскопы в мультикоптерах являются трехосевыми, с тремя датчика расположены внутри одного корпуса микросхемы перпендикулярно осям х, у и z.
В современных МЭМС микросхемах трехосевые акселерометры и трехосевые гироскопы часто объединяют в одном корпусе, в этом же корпусе располагается электронная часть для предварительной обработки сигналов, с внешними протоколом обмена I 2 C или SPI. Ниже на рисунке 3 приведены наиболее популярные IMU, объединяющие акселерометр и гироскоп, используемые в полетных контроллерах.
*MPU9150 – это MPU6050 со встроенным магнитометром АК8975;
*MPU9250 – это MPU6500 с тем же магнитометром.
Рисунок 3 – Модели IMU и способы подключения
У IMU есть две основные характеристики, это частота работы или частота сэмплирования и чувствительность к шумам (механическим вибрациям и электрическим помехам). Чтобы частично решить проблему с возникающими механическими вибрациями, на полетный контроллер устанавливаются демпферы или пористый материал, который сможет гасить вибрацию.
I 2 C и SPI – это протоколы связи (BUS) между микроконтроллером и IMU. В зависимости от того, какой протокол будет выбран, будут зависеть ограничения в скорости работы IMU. При использовании SPI, появляется возможность работать с большими частотами 32KHz, в то время как с протоколом I 2 C лимит ограничен в 4KHz. Поэтому большинство современных полетных контроллеров используют протокол SPI.
Типы полетных контроллер (ПК)¶
Сегодня разрабатывается огромное количество различных типов полетных контроллеров для конкретных задач и видов беспилотников. Рассмотрим некоторые из них, используемых в мультироторных системах.
ПК MultiWii – один из первых и широко известных полетных контроллеров для беспилотных летательных аппаратов (рисунок 4). Имеет открытые исходные коды, так же имеет базовую инерциальную навигационную систему (трехосевой гироскоп и трехосевой акселерометр), которая может запрограммирована определенным требованиям. Имеет встроенные датчики давления (барометр) для определения высоты и магнитометр для стабилизации курса. Поддерживает прямое подключение модуля GPS, за счет чего реализуется точное позиционирование и возможностью полного программирования автономного полета. Подходит для аэрофото/видеосъемке, возможно подключение Bluetooth или радиомодема.
ПК PixHawk – один из наиболее функциональных полетных контроллеров с открытым исходным кодом и архитектурой (рисунок 4). Построен на современной элементной базе, прежде всего 32-битном микроконтроллере STM32 на основе ядра ARM7 [10]. Базовая инерциальная навигационная система включает в себя трехосевой гироскоп и трехосевой акселерометр, так же высокоточной барометр и магнитометр. Полетный контроллер оснащен дополнительным микроконтроллером (резервной системой) работающая на отдельной цепи питания, предусмотренный на случай отказа основного. Возможность подключения дополнительной периферии через протоколы обмена данных (UART, CAN, I 2 C, SPI). Модуль GPS для автономных полетов по заданным координатам и поддержка MicroSD (черный ящик) для записи полетной информации.
Рисунок 5 – Контроллер PixHawk
ПК XRacer F3 – полетный контроллер основан на поколении микропроцессоров серии F3, и разработан специально для FPV гонок, что предоставляет больше возможностей по гибкой настройке полетных параметров (рисунок 6). Имеет минимум расширенных функций, гироскоп и акселерометр, барометр и магнитометр не используются при FPV гонках. Два последовательных порта UART 1 и 2 и один отдельный порт SBUS (он же UART3), восемь контактных площадок для моторов, установленный чип памяти на 16МБ для настройки ПИД коэффициентов и отдельная кнопка для прошивки загрузчика.
Рисунок 6 – XRacer F3
Процессор полетного контроллера¶
Процессор или правильней называть его микроконтроллером отвечает за все вычислительные операции системы и от него зависит насколько быстро будут обрабатываться поступающие к нему данные. Микроконтроллеры (процессоры) делятся на поколения: F1, F3, F4, F7. Серия поколений микроконтроллеров основаны на базе семейства 32-битных микроконтроллерных интегральных схемах STM32.
Основные отличия в работе этих поколений заключается в размере памяти и вычислительных мощностях (тактовая частота). Таблица с отличительными техническими характеристиками микроконтроллеров различных поколений приведена ниже.
*под флеш-памятью понимается встроенная память для хранения прошивки.
Примечание: тактовая частота микроконтроллера – это количество тактов в секунду которые выполняет микроконтроллер, чем больше тактовая частота, тем большее количество операций за 1 секунду может выполнить микроконтроллер, то есть это величина, которая определяет скорость его работы. К примеру, тактовая частота в 72 МГц микроконтроллера F1 означает, что он может выполнить 72000000 миллиона различных операций за 1 секунду.
Серия процессора F1 является самой медленной из всех рассматриваемых, некоторые программные обеспечения его уже не поддерживают из-за ограниченных вычислительных возможностей, но работа полетного контроллера не ограничена полностью, а лишь в добавлении новых ресурсоемких функций. Несмотря на то, что процессоры F1 и F3 имеют одинаковую максимальную тактовую частоту в 72 МГц, F3 выполняет операции быстрее благодаря дополнительному математическому сопроцессору. Модели полетных контроллеров на F3 имеют больше функциональных возможностей по сравнению с F1 благодаря расширенному количеству UART портов.
Микроконтроллер F4 имеет тактовую частоту выше более, чем в 2 раза по сравнению с моделью F3, что повышает его вычислительные возможности. При этом так же имеет дополнительный сопроцессор.
Новые полетные контроллеры оснащаются микроконтроллеров F7, так как потребность в производительности современных мультикоптеров возрастает и обрабатывать данные становится все труднее. У микроконтроллера 7-ого поколения еще выше тактовая частота 216 МГц, и он имеет встроенный цифровой сигнальный процессор (от англ. Digital Signal Processor, DSP), специализированный процессор, предназначенный для обработки оцифрованных сигналов в режиме реального времени. Цифровой сигнальный процессор является узкоспециализированным, его единственная задача заключается в приеме на вход предварительно оцифрованных физических сигналов, к примеру видеоизображение, показания температуры, давления и положения, и производить над ними математические манипуляции. Структура DSP разрабатывается таким образом, чтобы они могли быстро выполнять арифметические функции, как сложение, вычитание, умножение и деление. Это позволяет улучшить и оптимизировать алгоритмы работы полетных контроллеров.
Последовательный порт UART¶
UART (с англ. Universal asynchronous receiver/transmitter) или УАПП (универсальный асинхронный приемопередатчик) – физический протокол передачи данных. Протокол называется последовательным, так как данные через него передаются по одному биту, последовательно бит за битом. Последовательный интерфейс позволяет подключать различную внешнюю периферию (устройства) к полетному контроллеру. Как например камеры, телеметрия и OSD, приемник и тд.
Рисунок 7 – Пример UART порта и их настройка в Betaflight конфигураторе
Чем больше UART портом имеет полетный контроллер, тем более гибко можно настраивать мультикоптер, и тем больше необходима производительность микроконтроллера, так как слабый микроконтроллер физически не сможет обрабатывать большое количество внешней периферии.
Основные рабочие линии у последовательного порта: RXD и TXD, или просто RX и TX. Передающая линия (для передачи данных) – TXD (Transmitted Data), RXD (Received Data) – принимающая (для приема данных). TXD на периферийном устройстве подключается к RXD на полетном контроллере и наоборот.
Данные черного ящика (BlackBox)¶
Полетные данные черного ящика используются при настройке PID и диагностике различных проблем, связанных с производительностью или летными характеристиками, которые могут возникнуть у мультикоптера.
Существуют несколько способов хранения данных черного ящика в зависимости от используемого полетного контроллера:
Первый способ представляет собой встроенную флэш-память в виде чипа на плате полетного контроллера. Она как правило имеет небольшую емкость и хранить относительно не много данных, имеет малую скорость обмена данными (скачивание логов), но при этом экономится место и не нужный отдельный разъем. В таблице 1 указаны объемы встроенной памяти в зависимости от модели микроконтроллера.
Рисунок 8 – Полетный контроллер со слотом для MicroSD
Второй способ реализуется по средству внешнего регистратора данных, то есть со встроенным слотом для MicroSD карты (рисунок 8), которая позволяет осуществлять запись и хранение полетных данных в намного больших объемах, с высокой скоростью обмена данными и без необходимости очистки свободного места.
Типы коннекторов¶
На полетном контроллере существует три типа соединений между периферией (рисунок 9). Пластиковые разъемы используются в основном для подключения внешней периферии, которую иногда необходимо отключать и снимать, не очень прочные, но достаточно удобные. Контактные площадки для пайки проводов, достаточно крепки, но есть риск их перегреть при пайке, что придет к отслоению от основной платы, то же самое может вызвать сильное напряжение. Отверстия для припаивания более универсальны и удобны тем, что провод будет гораздо прочнее находиться в пазе.
1 – пластиковый разъем (типа JST); 2 – контактные площадки; 3 – сквозные отверстия.
Рисунок 9 – Основные типы соединений на полетном контроллере
Программное обеспечение¶
Отличие полетных контроллеров заключается не только в типах используемых компонентов, из которых они состоят, но и в устанавливаемом программном обеспечение (прошивках). Прошивка, на которой работает полетный контроллер – это специальный набор правил и алгоритмов, которые обрабатывает микроконтроллер и без нее мультикоптер не включится и не взлетит. Для каждой прошивки разрабатывается свой поддерживаемый конфигуратор.
Конфигуратор (Configurator) – это программа с графическим интерфейсом, с помощью которой настраивается (включаются и отключаются датчики, меняются параметры PID, подключается внешняя периферия, задаются начальные и максимальные обороты двигателя и тд.) и загружаются прошивка в полетный контроллер. Хранится прошивка на интегрированном чипе флэш-памяти, который был рассмотрен ранее.
Одними из самых популярных конфигураторов, с помощью которых можно прошивать и гибко настраивать мультикоптер:
Существенных отличий в работе между ними нет, за исключением разного интерфейса и поддерживаемых полетных контроллеров (рисунок 10).
1 – Betaflight Configurator); 2 – CleanFlight Configurator; 3 – Raceflight Configurator.
Рисунок 10 – Основные виды конфигураторов для настройки мультикоптера
Вопросы для самопроверки¶
Материалы для самостоятельного изучения¶
МЭМС микросхема с трехосевым акселерометром и трехосевым гироскоп на примере MPU-6050.¶
Принцип работы полетного контроллера, виды микроконтроллеров (процессоров) и их принципиальные отличия.¶
Знакомство с одним из видов конфигураторов и основными параметрами полетного контроллера в Betaflight.¶
Назначение черного ящика (Blackbox), использование данных (логов) для диагностики и настройки мультикоптера.¶
Список использованных источников¶
Система инерциальной навигации imu-u1
Принцип работы интегрального магнитометра
Как работает акселерометр? Взаимодействие ADXL335 с Arduino
«Когда меньше – лучше». Какие бывают и для чего используются микроэлектромеханические системы?
Выбираем полетный контроллер для квадрокоптера.
Полетный контроллер MultiWii.
Полетный контроллер KK 2.1.5 LCD и MultiWii Pro+GPS.
Полетный контроллер MultiWii.
Полетный контроллер Pixhawk PX4 Autopilot 2.4.8
Обзор полетного контроллера XRacer-F3 FPVModel
STM32 microcontroller integrated circuits.
Полетный контроллер на чипах STM32 серии F1, F2, F3 и т.д.
UART и с чем его едят?