«Дрон Школа» | Летаем в FPV шлемах

Что происходит в школе пилотов?

«дрон школа» | гонки fpv в москве

Scorpion 3

Не так давно российский стартап Hoversurf выложил в сеть видео очередного демонстрационного полета Scorpion 3 – третьей итерации разработанного им гибрида квадрокоптера и гоночного мотоцикла. Компания заявляет о своем желании создать летательный аппарат, доступный для обычного человека. Воздушное судно представляет собой подобие гоночного мотоцикла, укрепленного на раме квадрокоптера.

Генеральный директор Hoversurf Александр Атаманов рассказал, что первый прототип Scorpion был создан в 2023 году. Третья модель летающего байка получилась более мощной и лучше контролируемой. По его словам, на платформе данного дрона можно будет разработать летающий электромобиль пассажирского или грузового класса.

Производитель позиционирует Scorpion 3 как изделие, предназначенное для экстремальных видов спорта, но доступное и для любительских полетов. Такой подход обеспечивается бортовой компьютерной системой, позволяющей как ручное, так и автоматическое управление.

Создатели Scorpion разработали собственное программное обеспечение, ограничивающее характеристики модели относительно безопасным уровнем. Эти ограничения пока не позволяют разогнать опытную модель до скорости, превышающей 50 км/ч, и взлететь на ней выше 3-х метров.

Эксперты отмечают, что российская разработка может найти и военное применение. Дроны такого типа способны обеспечить быструю передислокацию небольших воинских подразделений как на труднодоступной местности, так и в условиях обширных минных полей.

Добавим, что на сайте компании Hoversurf имеется информация о разработке специальной серии Scorpion 3, предназначенной для полиции Дубая.

Официальные данные о цене и доступности данной модели пока отсутствуют. Предполагается, что стоимость единицы изделия составит около $150 000.

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:

• Вздувшиеся аккумуляторы. Причина в перезаряде и длительном хранении разряженных аккумуляторов. Производители рекомендуют не разряжать силовые аккумуляторы ниже значения 3,3В на каждую банку батареи, что в нашем случае даёт минимальное допустимое напряжение в 9,9В.
• Выключение моторов при низком напряжении. Это особенность реакции большинства прошивок ESC на низкое напряжение, которая может привести к серьёзной аварии — в первый момент выключается только один мотор, остальные продолжают работать.

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:

• 6-осевой акселерометр-гироскоп InvenSense MPU-6050
• 3-осевой компас Honeywell HMC5883L

Воспроизводимость результатов

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

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

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.

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.

Направления для развития

• Процесс тестирования системы стабилизации можно упростить, используя более совершенный стенд. Верёвочный вариант — скорее одноразовое решение, более подходящим был бы жёсткий карданов подвес с тремя степенями свободы.
• Существуют методики автоматизации подбора коэффициентов ПИД-регулятора. Например, основанные на двоичном поиске (метод ветвей и границ). В нашем проекте коэффициенты подбирались вручную.
• Приложение для ПК, используемое для мониторинга и управления, было бы удобнее использовать на планшетном компьютере. В планах портировать приложение на Android или IOS.

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

Полёт коптера с нашей системой стабилизации

^{лето 2023.
зима 2023.
весна 2023}

Практические занятия (на улице в хорошую погоду):

• Предполетный чек-лист и подготовка к полету;
• Калибровка компаса и других систем (при необходимости);
• Настройка в приложении DJI GO 4, GS PRO, Pilot, Fly, установка оптимальных параметров коптера, полета и камеры;
• Оптимальная настройка точки и режима работы возврата домой;
• Запуск, правильный взлет, удержание, базовые фигуры;
• Безопасная и грамотная посадка, остановка винтов дрона;
• Основы безопасности экстремального управления и маневрирования в полете;
• Полеты в разных режимах – P, ATTI и спортивный;
• Изучение и применение функции возврата домой;
• Правильное и безопасное выполнение взлета и посадки на руку;
• Практическое использование интеллектуальных режимов полета (Active Track, Tap Fly и др.);
• Отработка сложных фигур для съемки – съемка при боковом полете, управление наклоном подвеса в полете, облет объекта);
• Использование интеллектуальных режимов полета для качественной видеосъемки (режимы Draw и Point of Interest).

Преимущества дронов для перевозки людей

Технические специалисты считают, что главным преимуществом пассажирских дронов является их относительная дешевизна, простота и экологичность. Эксперты прогнозируют, что такая воздушная машина будет стоить не дороже массового легкового автомобиля. Многовинтовая компоновка снижает нагрузку на ее механическую часть, что положительно отражается на износостойкости и надежности всей винтомоторной группы, а современная электроника способна предельно упростить управление такого рода летательным аппаратом и значительно повысить безопасность полетов.

Проблемы

На сегодняшний день одной из самых больших технических проблем является поиск новых типов аккумуляторных батарей большой мощности, способных оптимизировать отношение собственного веса АКБ к ее емкости, токоотдаче и долговечности.

Еще одна проблема лежит в организационной плоскости. В очень многих странах мира действуют чрезвычайно жесткие правила использования воздушного пространства, вызванные требованиями к безопасности полетов, а также антитеррористическим законодательством.

Все это ограничивает, но не пугает разработчиков новейших воздушных систем, способных переносить человека. За последнее время подобные летательные аппараты пытаются создать во многих странах мира. Не отстают в этом плане и российские конструкторы.

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.

Расширенный, продвинутый курс

в мельчайших подробностях расскажем о всех теоретических и практических нюансах полетов на квадрокоптере

Продолжительность курса: 1-1,5 часа.

По окончании курса у вас будут профессиональные теоретические и практические знания по управлению квадрокоптером.

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.

Теоретические занятия:

• Лекция о компании DJI, история успеха;
• Расскажем об актуальном законодательстве и правилах полета, о полетных зонах и контроле за полетами;
• Рассмотрим устройство коптера и теоретические основы полета;
• Подробно ознакомимся с пультом управления, досконально разберем функционал всех органов управления;
• Ознакомимся с техническими терминами, используемыми в беспилотной сфере;
• Разберем полетные режимы, их назначение и функции;
• Рассмотрим устройство подвеса, и режимы управления камерой;
• Подробно изучим схему работы, принцип и основы безопасного обращения с интеллектуальной батареей дрона;
• Полный обзор предполетной подготовки, калибровки, чек-листа;
• Рассмотрим нежелательные места для полета, запретные и небезопасные зоны;
• Разберем принцип работы и функционирования режима возврата домой;
• Рассмотрим экстремальные режимы полета – вихревое кольцо при активном спуске;
• Правила и приемы полетов на большой высоте и при сильном ветре;
• Правила выполнения полетов в тяжелых погодных условиях и при отрицательных температурах;
• Безопасные полеты с неисправной батареей;
• Подробно рассмотрим приложения DJI GO 4, GS PRO, Pilot, Fly, а также оптимальные настройки, режимы полета и съемки;
• Полеты вблизи препятствий или на малой высоте.

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.