Учебное пособие 800400

УДК 629.7.021, 621.316.7

А.С. Самодуров, А.М. Колядина, Е.А. Середа

ОБЗОР ПРОМЫШЛЕННЫХ ПОЛЕТНЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ ДЛЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ МУЛЬТИРОТОРНОГО ТИПА

В данной статье представлен обзор полётных контроллеров, обеспечивающих расчет основных параметров полета и управление моторами летательного аппарата. Полетный контроллер представляет собой основную плату управления, «мозг», обеспечивающий успешную работу и функционирование мультикоптера. Контроллеры такого типа чаще всего построены с использованием крайне популярной в последнее время архитектуры Arduino

Кфункциям полетного контроллера относятся:

1.Стабилизация аппарата в воздухе;

2.Удержание высоты (при помощи барометра)

ипозиции (при помощи GPS);

3.Автоматический полет по заданным заранее точкам (опционально);

4.Передача на землю текущих параметров полета с помощью модема или Bluetooth;

5.Обеспечение безопасности полета (возврат в точку взлета при потере сигнала, автопосадка);

6.Подключение дополнительной периферии: OSD, светодиодной индикации и пр;

7.Количество функций зависит от наличия на борту мультикоптера соответствующей периферии, в дешевых контроллерах ряд функций может отсутствовать, а в более дорогих, наоборот, присутствовать чтото индивидуальное.

На данный момент существуют множество контроллеров полёта для квадрокоптеров. Вот некоторые из них:

81

MultiWii

Полетный контроллер MultiWii популярен благодаря небольшим ценам и открытостью кодов. Компиляция программы производится с помощью Arduino IDE [1] - аппаратной вычислительной платформе, основными компонентами которой являются простая плата ввода/вывода и среда разработки на языке Processing/Wirin (типа С++). Последние версии Multiwii имеют большинство функций, необходимых для полета, в том числе полёт по точкам. В данный момент поддерживает большое количество сенсоров. При выборе контроллера следует обратить внимание на тип установленных датчиков. Так как проект MultiWii работает на Arduino, то все железо MultiWii совместимо с проектом Ardupilot.

MultiWii поддерживает практически все существующие виды рам трикоптера. Можно пилотировать 3D в акрорежиме, летать по FPV. При использовании процессора Atmega2560 возможно использование функций GPS [2].

Возможно портирование MultiWii на 32-битный процессор, в том числе перепрошить некоторые дешевые контроллеры полета на MultiWii, например, FreeFlight FC.

Некоторые улучшения кода в версии MultiWii 2.0:

1.Используется меньше памяти;

2.Теперь без функций работы с последовательным портом Arduino, от чего передача данных стала более эффективна;

3.Ориентация платы и сенсоров: это то, что не очень качественно было сделано в начале. Эти изменения не должны влиять на платы сенсоров (смена осей уже была сделана). Про ориентацию раздельных датчиков - теперь всё немного не так и придется пересматривать расположение осей датчиков в коде;

4.Изменения в рабочем цикле, для его стабильно-

сти.

GUI:

1.Ошибки I2C шины отображаются в GUI;

82

2.Новые чекбоксы для AUX3/AUX4 каналов. Теперь больше возможностей для включения/выключения разных функций;

3.Прошлые CAM1/CAM2 каналы (теперь они AUX3/AUX4) все еще можно использовать для управления PITCH/ROLL подвеса, если чекбоксы AUX3/AUX4 не используются;

4.Визуальный отклик на все состояния auxN каналов;

5.GUI показывает полную версию прошивки контроллера.

OSD:

1.rushduino - это почти arduino плата с возможностями OSD. Очень гибкое «open source» решение, и оно подключается к последовательному порту MultiWii, чтобы забирать данные с сенсоров;

2.MIS OSD так же обновлен: MultiWii мо-

жет брать GPS информацию с OSD и наоборот. Основные модификации плат для MultiWii:

1.MultiWii Lite V1.0 Flight Controller w/FTDI (рисунок 1) [3]:

- Малый размер 35Х35 мм; - 6 каналов для приемника и выведенный канал

для DSM2 сателита-приёмника;

- До 8ми выходов на моторы; - Можно подключить подвес для камеры на 2е

оси;

- ATMega 328P Microcontroller;

- 6 осей гиро/акселерометр датчик 2 в 1; - Преобразователь уровней; - Полетные режимы: акро и стабилизация.

83

Рис. 1. MultiWii Lite V1.0 Flight Controller w/FTDI

2. MultiWii 328P Flight Controller w/FTDI & DSM2 (рисунок 2) [4]:

-Atmega328P;

-ITG3205 трех осевой гироскоп;

-BMA180 Акселерометр;

-BMP085 Барометр;

-Компас HMC5883L;

-Преобразователь уровней.

Рис. 2. MultiWii 328P Flight Controller w/FTDI & DSM2

84

3. MultiWii PRO Flight Controller w/MTK GPS Module (рисунок 3) [5]:

-Atmega2560;

-ITG3205 Трех осевой гироскоп;

-BMA1800 Акселерометр;

-BMP085 Барометр;

-HMC5883L Компас;

-Поддерживает прямое подключение GPSмодуля (MTK 3329 GPS включен в комплект);

К компьютеру подключается без всяких переходников через микро USB шнурок.

Рис. 3. MultiWii PRO Flight Controller w/MTK GPS Module

4.ALL IN ONE PRO Flight Controller v 1.0 и v

2.0(рисунок 4) [6]:

-Поддерживает MegaPirateNG и MultiWii про-

шивки;

-До 8ми выходов на моторы и входов для при-

емника;

-4 serial ports для подключения Bluetooth Module/OSD/GPS/Телеметрии;

-Можно подключить 2х осевой подвес;

85

-6 Аналоговых выходов для подключения внешних устройств;

-I2C порт для подключения доп. сенсоров или устройств;

-ATMega 2560 Микроконтроллер;

-MPU6050 6ти осевой сенсор гиро/акселерометр 2 в 1;

-HMC5883L Компас;

-MS5611-01BA01 Высокоточный барометр;

-FT232RQ USB-UART чип и Micro-USB порт для под-

ключения к ПК;

-Преобразователь уровней (нужен для согласования датчиков и контроллера по I2C шине).

Опциональные возможности:

-HeadFree (CareFree);

-GPS Hold (Нужен GPS приемник);

-GPS Back to home position (нужен GPS приемник).

Рис. 4. CRIUS ALL IN ONE PRO v1.0

86

Все платы различаются лишь набором датчиков

испособом разводки самой платы. Можно выделить несколько основных групп элементов:

1)Преобразователь FTDI - эта микросхема позволяет нам подключать плату напрямую без переходников к компьютеру посредством USB кабеля. Также эту плату можно подключить посредством специального переходника, если вдруг данная микросхема выйдет из строя или сломается сам порт. На некоторых платах отсутствует - такие платы подключаются к компьютеру с помощью переходника UART-USB.

2)Преобразователи напряжения (на плате с LLC ставится всегда два). Один из них питает саму микросхему Atmega, он на 5 вольт. Второй на 3,3 вольта, питает все датчики. Если один из них выйдет из строя - плата работать не будет, и возможно сгорят датчики. На некоторых платах без LLC стоит всего один стабилизатор напряжения на 3,3 вольта.

3)SPI разъем - служит для начальной подготовки микроконтроллера

ATMEGA. С помощью него программатором разгружается бутлоадер Arduino.

4)Компас.

5)Датчик гироскоп-акселерометр. Чувствителен к сильным вибрациям, которые создаются двигателями,

иесли их не минимизировать, то коптер не взлетит.

6)Датчик давления.

7)LLC Level Logic Converter (преобразователь уровней) - cлужит для согласования сигналов между Atmega, питающийся от 5В и датчиками питающимися от 3,3В. В принципе, можно обойтись и без него, но данная микросхема минимизирует ошибки в I2C шине. Если при подключении платы постоянно идут ошибки по шине I2C - это может означать, что данная микросхема неисправна, но также возможно неправильно указаны адреса микросхем в программе.

87

8) Микроконтроллер - одна из ключевых частей платы управления, именно в нее загружается прошивка, и именно она потом управляет квадрокоптером. МК различаются количеством выводов, возможностью подключения разной периферии, и количеством памяти. 9) Кварцевый резонатор Murata на 16мГц - нужен для стабильной работы МК на данной частоте.

ArduCopter mega

Полетный контроллер ArduCopter – один из самых функциональных полетных контроллеров с открытым исходным кодом. Имеет все необходимые для полета функции, в том числе автоматический полет по точкам, наложение параметров полета на видео (OSD), удержание позиции и др [1]. Данные контроллеры выпускает компания 3D Robotics (платы APM 2.5, 2.6). Плата APM имеет только базовые функции, остальные модули (GPS, OSD, модем и др) приобретаются отдельно.

1.Все функции АСМ сохранены;

2.Раскладка портов приемника и моторов приведена к схеме MultiWii;

3.Поддерживаемые I2C датчики: ITG3200, BMA180, BMP085, HMC5883 (HMC5843);

4.Поддерживается импульсный сонар: Tx - d47,

Echo - D49;

5.Выводы для светодиодов режима: A - d35, B -

d36, C - d39;

6.Режим командной строки включается замыкани-

ем вывода;

7.GPS подключается к порту Rx1-Tx;

8.Поддержка рам +4; x6; y3; y6, x6;

9.Удержание позиции по ГПС;

10.Удержание высоты по барометру;

11.Удержание высоты по сонару;

12.Телеметрия по радиоканалу(uart), mavlink;

88

13.Поддержка наземных станций

HappyKillmore GCS и QGroundControl, следовательно,

инескольких независимых антенна-трекеров;

14.Поддержка режимам RTH(возврат до-

мой);

15.Полет по точкам.

Контроллеры DJI

DJI выпускает компания DJI Innovations. Данные контроллеры имеют закрытые прошивки и схему [7]. Сегодня выпускается 3 вида контроллеров:

1.DJI Naza-M Lite: базовая версия, имеющая режимы стабилизации полета, и основные GPSфункции (удержание и возврат домой). Не поддерживает возможность подключения внешних модулей, в остальном функциональность аналогична старшей мо-

дели DJI Naza-M V2.

2.DJI Naza-M V2: обновленная версия, которая отличается возможностью подключения OSD, модуля Bluetooth или наземной станции.

3.DJI Wookong: самая продвинутая на сегодняшний день система управления мультироторными платформами профессионального уровня. Рассмотрим

ееболее подробно:

-Контроллер Wookong-M для мультироторных платформ;

-Модуль GPS и компаса;

-Модуль LED-индикации;

-Блок регулировки напряжения PMU;

-Блок инерциальных измерений IMU;

-Монтажные детали для установки электроники на мультиротор;

-Поддержка 9 видов платформ: +4, X4, +6, X6, Y6, RevY6, +8, X8, V8;

-Программная поддержка большинства двухосевых стабилизационных подвесов для камер. Сервопривод подвеса может работать на частоте 400 Гц, 200

89

Гц, 100 Гц, 50 Гц – большая частота увеличивает эффективность работы подвеса и улучшает качество снимаемого материала;

-Встроенная система WooKong-M GCS (Ground Control System) теперь поддерживает iPad;

-Реализована защита от несанкционированного доступа к настройкам и хранение данных на облачном сервере;

-Контроллер поддерживает приёмники Futaba (S-Bus),

атакже любые другие приёмники 2,4 ГГц (к примеру, Spektrum);

-Блок управления электропитанием PMU, поставляемый в комплекте, решает все проблемы обеспечением электричества электрооборудования модели. В нем предусмотрено два выхода на WK-M и приёмник, а также два выхода CANBus;

-Блок инерциальных измерений имеет небольшую площадь крепления, просто монтируется даже на небольшую модель, имеет встроенную систему виброгашения;

-Высокая точность удержания позиции в пространстве (в 3-х измерениях) даже при ветреной погоде. Допустимая погрешность по горизонтали – 2 метра, по вертикали – 0,5 метра;

-Высокая точность управления;

-Специальные защитные режимы старта и остановки моторов;

Различные полётные режимы и интеллектуальное переключение:

1. Режим GPS Atti. В этом режиме модель стабилизируется автоматизировано. Благодаря информации от GPS - модель самостоятельно удерживается в пространстве. Пилот при этом не теряет контроль над моделью. При потере сигнала GPS контроллер переходит в режим Atti.

2. Режим Atti. В данном режиме модель стабилизируется в автоматическом режиме. Пилот полностью контролирует модель в полуавтоматическом режиме.

3. Ручной режим Manual. Всё контролируется пилотом вручную. Плохой уровень безопасности.

90