Безопасность на квадрокоптере: калибруйте компас и придерживайте рукой / Хабр

Что делать, если дрон улетел и не вернулся?

Безопасность на квадрокоптере: калибруйте компас и придерживайте рукой

Месяц назад мы приобрели квадрокоптер DJI Phantom 3 Advanced. Аппарат доставляет массу удовольствия всей семье, особенно, когда после полёта возвращаешься домой и просматриваешь записи с высоты на большом экране. Но самые сильные эмоции мы испытали, когда дрон терял управление.

Вообще, при покупке такого аккуратненького, красивенького и технологичного вертолётика руки чешутся запустить его ввысь немедленно. Я не отношу себя к самым безбашенным экспериментаторам, но всё, что мне поначалу хотелось узнать из руководства по эксплуатации — это как запустить двигатели и на что влияют рычажки на пульте. Так как до этого имелся небольшой опыт управления маленьким дроном, похожим на Syma, то уж с Фантомом, казалось, проблем управления быть не должно.

Обо всяких разных дронах, в том числе и на ГТ, пишут довольно много. Но, спустя месяц эксплуатации, хочу отметить, что в статьях обычно не встречается того тёплого ощущения, которое вызывает подобный «питомец». Он действительно воспринимается как довольно послушное домашнее животное, которое иногда капризничает и попадает в различные неурядицы. Поэтому попробую рассказать о том, как взять дрона на ручки, чтобы всем было спокойнее. Если читать лень, то можно просто посмотреть видеоролик в конце.

Интересную мысль высказал в своём интервью один дизайнер из нашей компании. Суть в следующем: все эти гаджеты и виджеты вокруг нас формируют отличную от натуральной действительность, по-нашему — дополненную реальность. Если взрослые люди ещё как-то осознают, где и что, то детишки приходят в этот мир, наполненный дронами, планшетами и прочей техникой, ощущая его, наверное, вполне себе целостно. Конечно, я успел помечтать о сооружении квадрокоптера своими руками. К своему творению у меня вряд ли осталось бы такое детское любопытство, какое возникает к сложной китайской поделке. Фантом от DJI возник в моей жизни весьма спонтанно, словно доселе невиданное физическое явление, которое хотелось бы не только использовать по назначению, но и познавать как бы изнутри. Следует сразу подчеркнуть, что килограммовая машина с мощными пропеллерами действительно опасна со всех сторон. Однако опасность, как известно, резко снижается в процессе освоения аппарата, особенно, освоения на грани безопасности.

Естественно, в инструкции напишут, мол, не подлетайте к людям и животным. Не будут же они расписывать, как выкручиваться, если квадрокоптер снесло к людям неожиданным порывом ветра. Напишут и о том, что не следует запускать в ветреную погоду, но внизу ветра может и не быть, а на высоте в сто пятьдесят метров он уже окажется значительным. Так что люди, как ни крути, всё это волей-неволей изучают. И волей, как показывает опыт, гораздо эффективней и интереснее.

Кто-то скажет, что цена летающего гаджета сама по себе ограничивает фантазию на эксперименты, но, даже если этот «кто-то» в большинстве, то дронов, убитых в первом же полёте, всё равно уже не вернуть. И вообще, разве какие-то там презренные деньги могут охладить пыл настоящего русского естествоиспытателя? Тем более, уже потраченные деньги.

Меня лично остановили чисто технические препятствия: батарейка в коробке была заряжена всего на 20%, и приложение DJI Go почему-то не показывало видео с камеры на моём престарелом смартфоне. Пока разбирался с видео, батарейка села ещё больше. Так что с первым полётом Фантом у меня выше полутора метров от земли не оторвался.

Дальнейшие ковыряния с видео привели к мысли обновить прошивки. Затем настала ночь, а за ней — рабочий день. Вот когда мне посчастливилось прочистить мозги от перехватывающей дыхание тяги устремиться в небо на всех парусах.

Так вот, прежде чем запускать новый квадрокоптер в опасные трёхмерные путешествия, я настоятельно рекомендую не мануалы читать, а посмотреть на Ютюбе видео падений и других неприятных ситуаций с мультикоптерами. Я-то просто собирался глянуть, как люди летают, точнее, пилотируют дронов, но глаз сам зацепился за картинки с подписями вида «phantom crash». После таких роликов инструкции уже не читаются, а как бы перечитываются в поисках важных сведений. Поэтому к вечеру я был спокоен и уравновешен. Летать, как полагается, начал в режиме новичка. А когда отключил его, поначалу значительно ограничивал высоту и дальность полёта.

Более всего впечатлили видео, показывающие, как Фантом уносится в неизведанное, подхваченный сильным ветром. Есть в них какая-то тревога и безнадёжность, которая не чувствуется в подборке забавных падений и столкновений. Успокаивает только одна мысль: «Если видео выложили, значит, дрон с бортовой флэшкой таки нашёлся». Но снова тревожит другая: «А что если нашёл его кто-то другой? А что если выжила только флэшка?» Честно говоря, мы тоже уже запускали при значительных скоростях воздушных потоков, но дрон, отметим, противостоит им весьма уверенно. Трудно представить, какие ветра имели место дуть в приведённых видео. Там, небось, оператора самого сносило, а он ещё дроном пытался управлять. Хотя, ещё раз, верховые воздушные течения могут сильно отличаться от низовых.

Просматривая видео с бьющимися и сдуваемыми квадрокоптерами, я заметил однажды простую рекомендацию: калибруйте компас перед полётом — это позволит Фантому без проблем вернуться к месту взлёта. Действительно, возврат «домой» является чуть ли не самой важной функцией летательного аппарата. Потому что при подъёме на 150 метров над землёй даже в чистом дневном небе его уже непросто разглядеть. А если не знать примерный сектор телесного угла, то и просто не разглядеть. Если же дрон взлетает на 250 метров и по горизонтали удаляется на 500, то визуально его контролировать нет никакой возможности. В незнакомом однообразном ландшафте по видео с его камеры тоже не сориентируешься. Подозреваю, на заре коптеростроения не один аппарат потерялся в небе таким образом. А нам повезло. Умные китайцы встроили такой функционал, что квадрокоптер возвращается домой не только тогда, когда его просят, но и в том случае, если теряет сигнал с пульта. Кстати, в городе потеря сигнала происходит регулярно.

Но вернёмся к калибровке. Вышли мы однажды во двор собственного жилищного комплекса и откалибровали компас. Таблица состояния квадрокоптера исчезла с экрана планшета, запустились двигатели, и коптер взмыл в небо. Сантиметров на шестьдесят где-то… Сразу после взлёта его повело куда-то вбок, в дерево. Оператор сумел корректно отреагировать и увести машинку от столкновения. Но сумасшедший дрон продолжил хулиганство: сначала чуть не повыкосил оператора вместе со зрителями, а затем благополучно врезался таки в другое дерево и упал вверх ногами на траву. Снова нужно отдать должное китайцам: винты не сломались, и вообще, всё осталось в целости, если не считать пары царапин на борту.

Ошибка заключалась в том, что инструкции нужно читать ещё внимательнее. При калибровке компаса коптер следует держать не ниже метра над землёй, тогда как я его обычно поворачивал, едва приподняв. Но узнал я о правильном методе позже. А тогда подумал, что где-нибудь под землёй залегает магнитная аномалия. Там, вообще говоря, парковка, так что, в принципе, электромагнитных помех может быть немало. Мы просто отошли в другое место и, едва сдерживая дрожь в коленках, снова запустили зверя. На этот раз успешно.

Но не совсем обычно. С руки. На мой взгляд, полезно знать, что DJI Phantom 3 без проблем запускается, если держать его одной рукой за ногу. Может пригодиться при запуске на каком-нибудь поле с высокой травой. В конце видео под этой статьёй показано, как осуществлять таким образом приземление, то есть приручение. Ну и просто полезно знать тяжесть и силу квадрокоптера на всякий случай. При первом запуске с руки я просто поддал газу, чтобы вывесить дрона в воздухе и, не разжимая полностью пальцев, убедился, что его никуда не сносит.

Кроме того, после первого удара о дерево мы немедленно приобрели защитные рамки для пропеллеров. Они, конечно, делают конструкцию громоздкой и непригодной к быстрой разборке, но так спокойнее. Между прочим, на том же Ютюбе есть такие видео, где квадрокоптеры внезапно устремляются в стену или в людей без всякой видимой причины. С нами такого не случалось, но во время съёмок около высоких зданий аппарат действительно иногда непредсказуемо болтает. Трындит, как прожжённая торговка… Подозреваю, дело тут в сложных воздушных завихрениях, которые локально могут быть очень стремительны (яркий пример — торнадо). Так что пусть лучше он будет в защите.

Таким образом, перед каждым запуском мы калибруем компас. К сожалению, я так пока и не понял, как в приложении DJI Go отображается состояние неудачной калибровки. В любом случае, сначала взлетаю сантиметров на тридцать над поверхностью, проверяю управляемость и только потом отправляю гаджет в дальний полёт. Теперь, по крайней мере, я могу его запросто поймать и удержать в ситуации сноса.

В процессе изучения лётных характеристик дрона, у нас родилась идея снять небольшой фильм о жизни этих летательных аппаратов. Сказка, конечно, ложь, но получилось забавно. (Смотреть со звуком.)

Обн. Образовалось много интересных комментариев, за которые я очень благодарен. Конечно, статья и не претендовала на истину в последней инстанции, но лично на мой вкус ценности своей из-за критики не потеряла. Насчёт калибровки компаса и, вообще, аккуратного взлёта есть обширный комментарий опытного коптеровода fly4546. Мне кажется, это чересчур, но для справки интересно. На днях сам взлетал с автомобильной стоянки на крыше здания: с пола Фантом взлетать отказывался, т.к. в окружении такого количества железа компасу сносило крышу, зато с руки спокойно взлетел и вёл себя абсолютно предсказуемо. Думаю, мозги у Фантомов всё лучше, поэтому великая доля осторожности от прежних поколений теряет актуальность.

Бортовая электроника

Основной компонент, который мы разрабатывали самостоятельно, — плата стабилизации. Изначально она была основана на платформе Arduino Uno, потом заменили на более мощную Due, что позволило увеличить частоту ПИД-регуляторов с 40Гц до 66.(6)Гц.

Пропеллеры коптера приводятся в движение компактными бесколлекторными двигателями в связке со стандартными контроллерами оборотов — ESC. Мы используем ESC с изменённой прошивкой.

Для питания всей системы используется литий-полимерный аккумулятор (3S). Из соображений безопасности мы решили сделать систему мониторинга напряжения на аккумуляторе. В штатном режиме использования аккумуляторов система ведёт себя достаточно стабильно. Однако на начальных этапах работы мы наблюдали эффекты, вызванные неоптимальным использованием батарей:

Для наших целей ESC было решено перепрограммировать. Благодаря использованию прошивки tgy (от SimonK) мы добились уменьшения задержки системы на пути от центрального контроллера до двигателей. В результате компоненты ПИД и угловая скорость стали более синусоидальными, а поведение всей системы приблизилось к поведению математической модели.

Для измерения динамических параметров используются следующие датчики:

Виды калибровки

Настройка квадрокоптера начинается с тестового полета, который позволяет определить траекторию и выявить нарушения. Если дрон кренит в правую сторону, то необходимо производить регулировку по левому стику джойстика, а если влево – то по правому.

Откалибровать летательный аппарат после тестового полета необходимо следующими способами:

• Механический – подкручивание регулятора тяги между сервоприводом и тарелкой конструкции при незначительных отклонениях. На маленькой высоте данные нарушения не заметны, а вот на большой высоте будут ощутимы.
• Автоматический – настройка с помощью переключателей. Для настройки необходимо провести испытательный полет и оценить наклон дрона. После этого нужно установить триммер в положение противоположному наклону. Например, при наклоне дрона вперед – ставим триммер тангажа в нижнее положение, а при наклоне вправо – в левое положение.

Воспроизводимость результатов

Чтобы создать такое устройство, нужно собрать аналогичную механическую конструкцию, эквивалентную электронную схему и использовать наше ПО.

Выбор места

Выбор музыки, очистка авторских прав

Грабли

В случае с корректировкой мощностей моторов необходимо не допускать слишком низких и слишком высоких мощностей, при которых стабилизация работает неверно.

С одной стороны, существует минимальная мощность, которую уменьшить нельзя, или моторы просто остановятся. С другой, уменьшение мощности может быть необходимо для правильной работы алгоритма. Если мощность (throttle) уменьшить слишком сильно, ПИД может «зашкаливать» в нижнюю сторону. Чтобы решить эту проблему, мы ограничиваем доступные пилоту мощности.

Другая опасность — влияние побочных вибраций от моторов на

Если не получается…

Если хотите снимать пейзажи и панорамы

Если хотите снимать себя и друзей

Еще немного об опасностях

Зачем нужна калибровка

Полет квадрокоптера основан на ускорении и замедлении пропеллеров, которые позволяют выбирать направление движения и зависать на одном месте. Стабилизация данных действий проводится бортовым компьютером на основании информации, получаемой от акселерометров и гироскопов.

Управление дроном производится с пульта управления, который обеспечивает связь владельца и бортового компьютера. При правильной настройке квадрокоптер с легкостью выполнит все указанные команды.
При запуске дрона в полет без предварительной проверки можно повредить или потерять аппарат.

Как выбрать квадрокоптер?

Ни одна модель не универсальна, поэтому до покупки определитесь, зачем вам нужен коптер. Обычному путешественнику или блогеру, который впервые решил в поездке поснимать с воздуха, не стоит сразу замахиваться на дорогой аппарат для профессиональных съемок. У неопытных владельцев дроны иногда падают и разбиваются, вызывая муки сожаления о потраченных деньгах.

Как пожелание…

Не спешите выжать из нового квадрика все соки в первый же день полетов!

Помните, что первые запуски, это для него всего лишь тестирование и проверка работоспособности, а для вас – проверка на выдержку.

Поэтому, не спешите, иначе рискуете разочароваться до того, как новинка принесет вам наслаждение.

Как снимать видео с дрона?

Продумайте, что именно вы хотите снять, до полета, а не после. Некоторые дроноводы предпочитают включать режим видеосъемки с момента взлета и не выключать до посадки, но без конкретной идеи или сценария съемки вы получите много лишнего материала, который будет трудно монтировать и жалко выкидывать. Никогда не старайтесь использовать весь отснятый материал — творчество заключается именно в выборе лучших кадров.

Какое приложение для управления выбрать?

Калибровка пид

Для углов

Хотя такой подход не самый эффективный (мы не знаем «срок годности» коэффициентов количественно и считаем их константами), на практике задача стабилизации коптера в полёте была нами решена. Правда, возникла проблема с управлением, но об этом позднее.

Калибровка простых моделей квадрокоптеров

Чтобы откалибровать квадрокоптер перед первым запуском, нужно перевести оба стика пульта управления в нижнее положение, а затем влево до упора. Когда прозвучит длинный звуковой сигнал, а светодиодная подсветка на дроне перестанет мелко моргать, дрон откалиброван и готов к запуску.

Это важно:

Если после калибровки датчиков, квадрокоптер все-таки тянет в сторону, для его качественной стабилизации нужно произвести триммирование (точную настройку). 

Для этого используем триммеры снизу и слева от правого стика на пульте ДУ.

Если квадрик уводит влево, кликните несколько раз на кнопку триммера «вправо». Если замечаете крен вправо, то нажмите на триммере «влево» несколько раз. По аналогии настройте полет дрона вперед/назад.

В идеале, при запуске двигателей дрон должен подниматься в воздух и удерживать положение «без заносов». Добиться этого можно только в закрытом помещении или в абсолютно безветренную погоду.

Опытные пилоты производят триммирование в полете (нужно поднять дрон на высоту не менее 0,5 метра). Как начинающий летчик, можете пробовать настроить коптер на земле. То есть взлететь, увидеть в какую сторону заносит дрон, приземлиться, сделать несколько кликов на нужную кнопку триммера, а затем снова подняться в воздух, чтобы ощутить разницу. И так до тех пор, пока квадрокоптер не зависнет идеально в воздухе.

Медленно, но уверенно. 

Если не получается…

Если точная настройка квадрокоптера (триммирование) не дает нужного эффекта, возможно дело не в гироскопах. Может случиться, что двигатели расположены не симметрично или повреждены лопасти. Еще одна возможная причина – какому-то из моторчиков не хватает тяги, чтобы ровно поднять дрон в воздух. В этом случае не обойтись без опытного помощника или даже мастера.

Как пожелание…

Не спешите выжать из нового квадрика все соки в первый же день полетов!

Помните, что первые запуски, это для него всего лишь тестирование и проверка работоспособности, а для вас – проверка на выдержку.

Поэтому, не спешите, иначе рискуете разочароваться до того, как новинка принесет вам наслаждение.

Матчасть

Определим невязку — разницу между требуемым и реальным значением некоторой величины:

 — требуемое значение величины (угол с джойстика),

 — текущее значение величины (угол с датчика).

Зададим момент сил для угла

где

 — пропорциональная,

 — интегральная,

 — дифференциальная составляющие.

Знак минус говорит о том, что при положительных

воздействие направлено против отклонения.

В чём смысл этой формулы? Напишем уравнение динамики, положив

 — момент инерции.

Для простоты уберём интегральную составляющую (

где

Т. е. чем больше пропорциональная составляющая, тем более «резкой» будет реакция на воздействие (больше амплитуда). Чем больше дифференциальная составляющая, тем быстрее будет происходить затухание (больше декремент).

Из модели затухающих колебаний получаем выражение для коэффициента затухания:

Из возможных решений уравнения нам подходит режим, близкий к критическому (граница апериодичности,

) — нет отрицательного «перелёта» графика, переходный процесс короткий. Как видно, критический режим задается всего одним соотношением на коэффициенты ПИД-регулятора.

Интегральная составляющая устраняет статическую ошибку. Пусть невязка

Более подробный анализ уравнения ПИД-регулятора можно найти в других статьях: раз, два.

О нас

Мы — студенты МФТИ (в своём большинстве), которые в свободное время занимаются проектом на мастерской TechnoWorks. Кроме коптера у нас живут и другие проекты: железные и программные. О них мы расскажем как-нибудь потом. А еще у нас можно придумать и реализовать свою идею (а мы поможем найти людей).

Если есть желание присоединиться к нашей команде, свяжитесь с нами! Мастерская активно расширяется, для новых участников у нас полно творческой и технической работы. И печенек.

Первая авария

Слишком большая дифференциальная составляющая на практике приводит к автоколебаниям, чего не должно быть в теории. Почему? Уберём все составляющие, кроме дифференциальной, и решим уравнение:

т. е. величина

превращается в линейную комбинацию

и её производной. То же самое происходит с моментом сил, который также является гармонической функцией в этом примере. При определенных

коэффициенты линейной комбинации могут быть такими, что возникнут незатухающие автоколебания.

Также результат работы составляющих ПИД приходится ограничивать по модулю. Иначе значение

Компромиссом является установка не слишком маленьких коэффициентов в совокупности с введением ограничения сверху на все три составляющие: пропорциональную, интегральную и дифференциальную.

Стоит сказать, что реальная коррекция в почти горизонтальном положении — около 1–2 попугаев процентов мощности моторов (полётная мощность около 60%).

Рассмотрим решение уравнения второго порядка (1), которое в одном из случаев является затухающей синусоидой.

На практике действительно получается что-то похожее (пример справа). Для демонстрации коэффициенты специально ухудшены для увеличения времени затухания. Оригинальную прошивку ESC пришлось заменить, т. к. она вносила существенную задержку, из-за которой математическая модель плохо описывала реальную систему.

Поскольку

Полет

Полёт коптера с нашей системой стабилизации

^{лето 2023.зима 2023.весна 2023}

Природные явления

Программное обеспечение

На рисунке приведена упрощённая блок-схема программы, исполняемой на контроллере платы стабилизации. Главной частью является цикл. Если хотя бы одно действие в нём не выполняется вовремя, частота перестаёт быть постоянной, и стабилизация работает неверно.

В качестве динамического датчика мы использовали MPU-6050 из-за его вычислительных возможностей. Встроенный процессор (DMP) способен частично обрабатывать данные с датчиков, что позволяет разгрузить центральный контроллер. Но оказалось, что надёжных библиотек для работы с этим устройством под Arduino не существует.

Решение jrowberg’а привело к проблемам при использовании на сильно загруженном микроконтроллере. Код в примере опирается на синхронность считывания данных. FIFO-буфер датчика, в который записываются посчитанные величины, переполняется в случае несвоевременного считывания.

Поскольку всегда считывается первый элемент из FIFO, то при частичной заполненности появляется задержка между помещением новых данных в FIFO и их обработкой на Arduino. В свою очередь, эта задержка приводит к возникновению автоколебаний. При переполнении буфер приходится очищать:

его размер 1024, что не делится на 42 — размер пакета. Поэтому, когда буфер переполняется, в начале FIFO находится часть какого-то постороннего пакета. Иными словами, начиная с определенного момента структура нарушается: начало FIFO не совпадает с началом пакета, и считать корректные данные невозможно.

Программы для монтажа

Птицы

Статьи в тему:

Как выбрать квадрокоптер для ребенка: подсказки, идеи, советы

Что такое FPV: типы, особенности и различия

Как ориентироваться в аббревиатурах: RTF (RTR), PNP, KIT. Комплектация радиоуправляемых моделей

Какую купить авиамодель: 3 универсальных правила для начинающего пилота

Стоит ли обучаться пилотированию на симуляторе?

Съемка зимой

Телеметрия

Дистанционное управление реализовано в двух режимах (для обеспечения более гибкого процесса разработки):

1. С помощью модулей xBee Pro в конфигурации «коптер  ПК».
2. С помощью выделенной радиочастоты (2.4ГГц) в конфигурации «пульт ДУ ↦ коптер».

Помимо управления через пульт ДУ происходит пересылка критических данных между коптером и ПК в режиме реального времени, для чего используются xBee Pro и приложение собственной разработки (см. скриншот). На компьютере можно видеть значение углов и угловой скорости, напряжение на аккумуляторе, мощность двигателей.

Данные, пересылаемые между коптером и ПК:

• ПК ↦ Коптер: канал управления (ПК/пульт ДУ), мощность моторов, настройка для включения/выключения стабилизации, коэффициенты ПИД и ограничения;
• Коптер ↦ ПК: углы, угловая скорость, компоненты , , , данные с джойстика (мощность 3 угла), мощности моторов, напряжение на аккумуляторе.

Благодаря датчику от InvenSense, начальная обработка данных с датчиков происходит на встроенном процессоре (DMP). Мы разгружаем плату стабилизации, которая может использовать в качестве вычислителя даже маломощный AVR-микроконтроллер.

Итоги

Главное достижение — отличная команда энтузиастов, способных работать над сложными робототехническими проектами. Мы верим, что всё дело в творческом подходе, возможности для самореализации, а также бесценном практическом опыте, которого всегда не хватает.

Мы создали новый проект системы стабилизации для мультикоптеров. Сейчас мы можем пилотировать квадрокоптер на открытом пространстве. Такие внешние факторы, как ветер, дождь и снег компенсируются автоматически благодаря ПИД-регулятору.

В настоящий момент мы усовершенствуем то, что сделали, и разрабатываем новые функции автоматизации.