За что отвечает полетный контроллер

Дрон с нуля. Часть 4. Полётный контроллер

Содержание

Введение

Пришла очередь выбирать полетный контроллер – это интеллектуальная схема, которая состоит из микропроцессора, сенсоров, входных и выходных контактов.

Распаковав контроллер, нужно внести изменения параметров в ПО, после этого информацию, которую вы запрограммировали загрузиться на дрон.

Процессор

8051/ AVR /PIC/ ARM: микроконтроллер лежащий в основе большинства современных контроллеров. Arduino выполнен на базе AVR (ATmel), с оптимальным кодом MultiWii Microchip главный разработчик чипов PIC. Сложно сказать, что лучше, все в конечном итоге определяет ПО ARM пользуется 16-32 битной архитектурой, десятки применяют 8-16 битные AVR и PIC. С течением времени одноплатные компьютеры удешевляются, стоит ожидать появления нового поколения контроллеров, способные работать на базе ОС Линукс и Андроид.

Рабочая частота: Тактовая частота для работы измеряется в герцах, чем больше это значение, тем быстрей процессор обрабатывает данные.

Прог.память/Флэш: является область для хранения основного кода. Чем сложнее программа, тем больше ее «вес». Соответственно, чем объем памяти больше, тем больше информации может храниться. Это будет актуально и при полете, для хранения данных полета (кардинат, план полета и пр.) Код хранится в памяти и после отключения питания.

SRAM/ Статическая память с произвольным доступом: это пространство на чипе, которое начинает функционировать, когда необходимы расчеты. После того, как дрон перестанет получать питание, информация теряется. Больший объем памяти, позволит быстрей и «легче» проводить расчеты.

EEPROM/электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство: Предназначено для того, чтобы хранить «неизменную» информацию (настройки и пр.)

Доп. порты Ввода/Вывода: микроконтроллеры оснащены большим кол-м цифровых/аналоговых портов, они применяются для подключения датчиков, связи и пр. К доп. портам могут подключаться сервпривод, система подвеса, зуммер и т.д.

Выпрямитель(A/D converter/АЦП): Когда датчик пользует бортовое аналоговое напряжение, преобразователь конвертирует полученные данные в цифровые. Принцип, как в процессоре, чем больше бит обработано, тем точнее информация на выходе. Важный момент ваш процессор должен справляться со скоростью получаемых данных.

Питание

В описание полетного контролера часто упоминают 2 диапазона напряжения: Первый отвечает за входное напряжение (5В), второй отвечает за входное напряжение основного микропроцессора (3.3В/ 5В).

Ввиду того, что контроллер полета встраивается, нужно обращать внимание исключительно на входящий диапазон напряжения.

Подытожим. Не стоит подключать питание контроллера полета отдельно от основного аккумулятора.

Сенсоры

Контроллер полета, это обычный микроконтроллер, который можно запрограммировать, единственное отличие, это спец. датчики. Не все контроллеры имеют одинаковые наборы датчиков, рассмотрим основные чаще встречающиеся наборы:

3-х осевой акселерометр: измеряет линейное ускорение по 3-м осям. Главная функция, это регистрация гравитации, получает информацию куда направлен «спуск». Это важно для обеспечения стабильности беспилотника. Установка производится на контроллер полета (линейные оси должны совпасть с осями дрона)

Гироскоп: помогает измерить скорость изменения углов по 3м осям (измеряются в градус/сек). Чтобы получить необходимый для дрейфа угол, вам нужно сделать итерацию. Устанавливают его учитывая совпадения осей вращения с осями беспилотника.

IMU/Инерционный измерительный блок — плата, включающая в себя акселерометр и гироскоп (традиционно многоосевые). У многих 3-х осевой акселерометр и гироскоп, у других могут быть доп. сенсоры, такие как, магнитометр и пр.

Электронный магнитный компас – предназначен для определения магнитного поля земли, полученная информация направляет компас беспилотника (относительно северного плюча). Данный датчик есть практически всегда (если есть GPS вход)

Барометр: в зависимости от того, насколько ваш дрон удаляется от уровня моря, исменяется давление, поэтому данный сенсор выдает четкие показания на какой высоте находится ваш беспилотник. Для точного расчета высоты, многие контроллеры используют информацию от барометра и GPS системы одновременно. Устанавливая барометр, накройте его, так отрицательное влияние ветра, уменьшится.

GPS: нужен, чтобы вычислить местоположения (использует сигналы спутников Земли). GPS может быть встроен или подключен к контроллеру полета. Соответственно, чем больше спутников сможет использовать ваш GPS, тем точнее будут данные.

Датчики расстояния: используют, как дополнительный датчик потому, что GPS и датчик давления, не смогут дать вам информацию, как далеко ваш дрон находится от земли (помогает при облете препятствий). Крепится внизу рамы и для определения расстояния использует ультразвуковую/лазерную/лидарную технологии. Данный датчик практически никогда не входит в комплект контролера (приобретается отдельно)

Режимы полёта

Это способ использования контроллером полученных команд от сенсоров, чтобы позволить стабилизировать полет беспилотника. Если ваша аппаратура предполагает наличие 5 и более каналов, вы сможете переключать режимы непосредственно в воздухе (нужно установить и настроить ПО)

ACRO — используют в акробатическом полете. Часто используется по умолчанию, задействует исключительно гироскоп.

ANGLE — удерживает дрон в горизонтальном положении (не удерживает позицию). Задействованы только гироскоп и акселерометр.

BARO (Altitude Hold) — в данном режиме задействованы: гироскоп, барометр (фиксирует высоту, когда аппаратура не дает команд) и акселерометр.

MAG (Heading Hold) — режим блокирует курс полета, дрон ориентируется по Yaw координатам.

Return to Home — возвращает беспилотник на место, откуда он взлетал.

Waypoint — следует по GPS точкам (предварительно запрограммированными)

Position Hold — благодаря GPS и барометру (опционально) удерживает дрон на определенной позиции.

Failsafe — спасает в критических ситуациях, когда происходит сбой ПО, восстанавливает контроль над дроном, использую ранее установленные команды.

Доп. функции

ПО у контроллеров разное, все зависит от какой контроллер вы выберете. Могут быть такие функции, как: Навигация по точкам – вы закладываете точки маршрута по которым будет следовать дрон в автономном режиме. Oribiting — дрон летает вокруг определенной (заданной вами) GPS координаты, используется для съемки. Следуй за мной — беспилотник фиксирует позицию вашей аппаратуры и следует за вами.

Источник

Полетный контроллер, для чего он нужен

Полетные контроллеры делятся на 3 группы:

Каждый контроллер имеет свое программное обеспечение, которое управляет всем оборудованием. Самые популярные контроллеры можно прошивать и гибко настраивать с помощью специальных программ, таких как CleanFlight, Betaflight и Raceflight.

Какие бывают полетные контроллеры?

Ниже рассмотрим вопрос — какие бывают полетные контроллеры, а точнее, для каких целей.

Гоночные полетные контроллеры

Naze32, также на базе этого контроллера есть SP Racing F3:

На нем присутствуют все стандартные датчики – гироскоп и акселерометр, а в расширенной версии DELUXE также есть барометр и компас.

Гироскоп и акселерометр определяют текущее расположение дрона в пространстве. Барометр определяет высоту по давлению (чтобы удерживать высоту, например), компас для удержания направления полета.

На сегодня, полетные контроллеры серии F4 являются самыми популярными полетными контроллерами для мини и гоночных квадрокоптеров, так как прекрасно работают с такими программами, как CleanFlight, Betaflight и Raceflight. На их смену уже выходит серия F7, становясь все более популярной.

Разработка прошивок для полетного контроллера F3 уже прекратилась из-за ограничения ресурсов, поэтому выбирайте для покупки F4 или F7:

Также еще два популярных контроллера:

KISS – прошивать своей прошивкой нельзя. Имеет графический интерфейс с минимумом настроек.

LUX – такой же гибкий, как Naze32, но все же уступает ему. Прошивать можно.

Контроллеры для съемки видео и фото с дрона

Поддерживает весь набор датчиков (GPS, телеметрию, OSD и т.д.)

ArduPilot AMP поддерживает GPS и автономный полет по заданным координатам. Тоже достаточно популярный контроллер, но стоит дороже обычных из-за наличия более важных датчиков.

Vector Flight Controller- профессиональный полетный контроллер с встроенной системой Eagle Tree.

Новичок тоже сможет на таком летать. Эти контроллеры стоят дорого, а вес и размер стремятся к идеалу для аэросъемки.

Контроллеры для автономных полетов

3DR Pixhawk — самый популярный контроллер для автономных полетов. На его борту есть резервная система, а также он поддерживает все известные датчики для дронов.

MultiWii Pro — дешевый и доступный, позволяет отлично стабилизировать коптер, также на нем есть барометр, магнитометр и GPS.

Теперь, после краткого обзора типов полетных контроллеров, перейдем к полному описанию.

Прошивки полетного контроллера, их виды

Полетные контроллеры отличаются не только по типу компонентов, из которых они состоят, но и по прошивкам, на которых они работают, то есть программным обеспечением, на котором работает полетный контроллер.

Как уже написано выше, на сегодня самыми популярными прошивками являются:

Что из себя представляет программное обеспечение полетного контроллера — прошивка? Это набор правил и алгоритмов, которые обрабатывает процессор.

А теперь ответ на вопрос, как прошить полетный контроллер? Конкретно для каждой прошивки разработан свой конфигуратор — это специальная программа, которая загружает в полетный контроллер программное обеспечение, а зачем конфигуратор работает в роли графического интерфейса прошивки — чтобы вам было наглядно и удобно настраивать свой квадрокоптер.

С помощью графического интерфейса можно вносить различные настройки в прошивку, например, менять параметры PID, включать и редактировать фильтры, включать или отключать датчики, настраивать начальные и максимальные обороты двигателей и так далее. Но стоит отметить, что в зависимости от прошивки у них будет разный интерфейс, критичных отличий, конечно, не будет, но все же.

Процессор полетного контроллера

От процессора будет зависеть то, насколько быстро будут обрабатываться поступающие к нему данные. Процессоры делятся по поколениям: F1, F3, F4, F6. Вот такие странные поколения, где пропущены 2-е и 6-е поколения. Отличаются они частотой работы и архитектурой:

Сейчас все новые полетные контроллеры поставляются с процессором 7-го поколения, так как обрабатывать фильтры и PID становится все труднее, прогресс шагает километровыми шагами в этой сфере. Но у многих пилотов ПК на процессорах 3-го поколения, так как F3 был самым (да и остается) массовым поколением со стабильной работой.

Гироскоп и акселерометр полетного контроллера

Гироскоп и акселерометр — очень важные датчики, они определяют положение квадрокоптера в пространстве, а также движется ли он, посылают эти данные процессору, а тот уже решает, какому двигателю поддать газа, а какому наоборот, снизить обороты.

Акселерометр выполняет роль стабилизатора в пространстве, есть даже такой режим полета — «Режим стабилизации», при котором квадрокоптер невозможно будет перевернуть в воздухе и он всегда будет держаться параллельно земле (если просто отпустить стики на пульте). Опытные пилоты почти всегда летают в режиме АКРО, поэтому они отключают акселерометр или используют его крайне редко.

Гироскоп же выполняет роль определения положения квадрокоптера в пространстве.

Какие самые популярные гироскопы используются в полетных контроллерах? Смотрим таблицу ниже:

MPU9150 — это MPU6050 со встроенным магнитометром AK8975, а MPU9250 — это MPU6500 и тоже с магнитометром.

Номер и название гироскопа можно найти на самом чипе, например это — MPU-6000:

Выбор гироскопа: частота опроса и шумы

Есть два критерия, которые нужно учитывать при выборе полетного контроллера с конкретным гироскопом, это частота работы и чувствительность к шумам (электро- и механическим).

На сегодня самыми популярными и надежными считаются гироскопы MPU6000, у них частота работы 8KHz, а также они достаточно не чувствительны к шумам. Советуем не покупать полетные контроллеры с гироскопами MPU6500 и MPU9250, у них хоть и частота выше, но они больше подвержены воздействию шумов.

Серия гироскопов ICM работает лучше и плавнее, чем MPU6000 на 32KHz, но из-за шумных двигателей и регуляторов оборотов производительность ICM будет ниже, чем MPU6000. Например, ICM20602 на Raceflight Revolt V2 или ICM20689 на Kakute F4, оба этих гироскопа могут работать на частоте 32KHz, но с регуляторами оборотов, которые генерируют много шума, они работать будут хуже, чем MPU6000. По этой причине на полетные контроллеры устанавливают сетевые фильтры для частичного удаления шумов.

Чтобы частично убрать механические шумы (вибрацию), полетный контроллер следует устанавливать на резиновые подушки или любой другой пористый материал, который сможет гасить вибрацию, например кусок резины или вспененного материала.

i2c и SPI

Порт UART в полетном контроллере

Аббревиатура UART с английского расшифровывается как (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) — универсальный асинхронный приемник/передатчик.

К порту UART подключаются различные периферийные устройства, такие как, приемник, различная телеметрия и так далее. У порта есть два контакта для обмена данными — прием и передача.

На фото ниже вы можете увидеть пример UART порта и их настройки в Betaflight, точнее, вы можете назначить в этой вкладке порту любое устройство, которое поддерживает обмен данными:

Сколько бывает портов UART на полетном контроллере?

UART портов много не бывает — чем больше, тем более гибко можно будет настраивать ваш квадрокоптер, а также они будут дублировать друг друг в случае поломки.

Но само количество портов зависит от размеров платы полетного контроллера и от того, как расположены на ней компоненты, а также от типа процессора, который использует ПК. 3-е и 4-е поколение полетных контроллеров (F3-F4) имеют от 3 до 5 UART, а 7-е поколение — 7 и более. Оно и понятно, слабый процессор не сможет физически обрабатывать столько периферии.

Инвентированный сигнал и UART

Инвентированный сигнал поддерживают полетные контроллеры 3-го и 7-го поколения, а вот 1-е и 4-е поколения не могут.

Передатчики FrSky с протоколом работы SBUS и SmartPort на выходе инвертируют свой сигнал, и их могут обработать только процессоры нового поколения, такие установлены на 7-м и 3-м поколении (F3 и F7), так как у них уже есть встроенный инвертор.

А вот для устаревших поколений (F1 и F4) нужно перед портом UART устанавливать инвертор, который будет обрабатывать и преобразовывать сигнал и передавать его уже в UART. Хотя в некоторых полетных контроллерах F4 производители сразу устанавливают инверторы для SBUS и SmartPort, пилоту можно сразу подключать приемник к ПК.

Если у вас закончились UART порты, то можно воспользоваться функцией в Betaflight «soft-serial», благодаря которой можно создавать виртуальные UART. С помощью ПО Betaflight создается эмуляция этого порта, как будто он есть физически, но на самом деле его нет. Также стоит отметить, что такой порт будет работать значительно медленнее, чем физический и он не подойдет для подключения приемника, например, так как такое замедление критично. Процессор тоже будет работать с повышенной нагрузкой.

Размеры платы полетного контроллера

Монтажная схема полетного контроллера — это расстояние между отверстиями для крепления ПК к раме дрона. В этом вопросе есть стандарт, который состоит из 3 схем:

Размер платы соответствует размеру дрона, который вы будете собирать, например, 30,5 х 30,5 мм устанавливаются в рамы размером от 200 мм и больше, а на меньшие рамы устанавливаются последующие размеры полетных контроллеров.

Какие есть дополнительные функции в полетном контроллере?

OSD — это очень важная и нужная функция. OSD накладывает на видеопоток дополнительную информацию с различных датчиков квадрокоптера, например, напряжение аккумулятора, высота, скорость и так далее. Любой, кто сталкивался с minimOSD, знает, какая трудность — подключить и настроить эту плату, да и мало подключить, ее еще нужно программатором прошить, и только после этого плату OSD можно будет настраивать в Betaflight.

Поэтому делайте выбор в пользу полетных контроллеров с встроенным OSD, это сбережет вам нервы и время.

Плата разводки питания (PDB)

К плате разводки питания подключаются аккумулятор и двигатели с регуляторами оборотов, а также полетный контроллер и прочая периферия. У некоторых ПК такая плата уже есть, они совмещены. Это, конечно, плюс, но где плюсы, там и минусы — в такой компоновке будет мало места, и в случае поломки ее будет сложнее устранять.

Датчик тока (Current Sensor)

На плате разводки обычно есть контакты VBAT, куда подключаются контакты полетного контроллера и ПК снимает данные о текущем напряжении, но свой собственный датчик тока эффективнее.

Регуляторы оборотов (ESC)

Наверняка вы уже слышали или видели регуляторы оборотов 4 в 1, такая квадратная плата вместо 4 плат. Инженеры решили интегрировать регуляторы сразу в полетный контроллер и теперь, если вы купите такой ПК, вам можно будет припаять двигатели напрямую к ПК. О целесообразности такого выбора решать только вам.

Черный ящик (Blackbox)

Черный ящик нужен для записи логов работы квадрокоптера, туда записываются всевозможные данные, которые обрабатывает полетный контроллер. Есть два места, куда можно вести запись логов, это флеш-память полетного контроллера и SD-карта (флешка).

Плюсы встроенной флеш-памяти:

Минусы встроенной флеш-памяти:

Плюсы SD-карты:

Минусы SD-карты:

Типы коннекторов

Это, конечно, не функция, но не рассказать об этом нельзя. На полетном контроллере есть 3 типа соединений между периферией:

Пластиковые коннекторы в основном используются для подключения периферии, которую иногда нужно отключать и снимать, в этом их плюс — быстро снять/подключить. Они не очень прочные, но удобные.

Контактные площадки для припаивания удобны в использовании, но если контакт сильно нагреется во время использования, то есть вероятность, что он оторвется. То же самое и в вопросе о разрыве при сильном натяжении.

Отверстия для припаивания удобны тем, что провод гораздо прочнее будет «сидеть» в пазу. Также можно использовать угловые штифты для более удобного подключения периферии.

Регулятор напряжения (BEC)

На современных (да и не только) ПК есть отдельные контакты для подключения источника потребления на 5V и на 12V, иногда встречаются даже на 9. Хоть сейчас почти все FPV-компоненты рассчитаны на ток в широком диапазоне и их можно подключать даже к аккумулятору, мы все же рекомендуем подключать их к отдельному входу на полетном контроллере, где ток подается стабильным, тогда как в аккумуляторе он будет постоянно «скакать» от нагрузки.

Светодиод состояния

Удобная функция, которая отображает текущее состояние полетного контроллера. Обычно у светодиода есть 2 цвета — красный и синий. В зависимости от того, каким и сколько раз мигает ПК — пилот понимает, все ли в порядке. Эта спецификация всегда указывается с конкретным контроллером.

Кнопка для перехода в режим прошивки

Без такой кнопки не обойтись ни одному полетному контроллеру. Для прошивки замыкают 2 контакта, затем подключают к компьютеру и запускают Betaflight конфигуратор или любой другой. Есть два типа:

С кнопкой удобнее — нажал отверткой и все, а вот для контактов нужно использовать пинцет или скрепку, чтобы закоротить их.

Какие еще бывают функции в полетном контроллере?

Заключение

Как вы заметили, полетный контроллер — это очень важный узел в квадрокоптере и занимает очень много места в теории. И на вопрос, как правильно выбрать полетный контроллер, у вас не должно оставаться этих самых вопросов, а если остались, вы должны понять, для чего вам нужен квадрокоптер, для каких нужд. Если для гонок и драйва, то одни контроллеры, если для съемки, то другие. Также стоит учитывать ваши навыки, если вы новичок, то не стоит брать дорогие контроллеры с кучей датчиков или наоборот те, в которых абсолютно ничего не настроено и даже нет прошивки.

Также стоит учитывать бюджет, который вы можете потратить, так как цены очень сильно разнятся. Например, SP Racing F7 с OSD для гоночных дронов стоит от 1600 до 2500 рублей, а вот DJI A3 для профессиональной фото- и видеосъемки стоит 50 000 – 60 000 тысяч рублей.

Подведем итоги:

Выбирать полетный контроллер следует из ваших потребностей – для гонок, для съемки или для автономных полетов, а также, а также, на основе статьи, что написана выше.

Источник