Квадрокоптер на Ардуино: поэтапная сборка и настройка своими руками

Какие бывают полетные контроллеры?

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

Обычно имеют минимум расширенных функций, так как всякие компасы и барометры просто не используются при гонках.

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.

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

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

Квадрокоптер на Ардуино: поэтапная сборка и настройка своими руками

Самым популярным в этом сегменте коптеров является DJI NAZA-M V2: тот самый, что стоит в Фантомах. Идеальный контроллер для фото- и видеосъемки с качественной стабилизацией. На нем спокойно сможет летать новичок, который до этого ни разу не брал пульт в руки. В настройки полета лезть не требуется, все уже настроено, нужно будет просто откалибровать. Даже без навыков у новичка-пилота получится отличный кадр.

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.

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.

Квадрокоптер на Ардуино: поэтапная сборка и настройка своими руками

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

Прошивки для ПК

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.

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.

Помимо различий в железе, имеются различия и в прошивках, а также в программах для компьютера.

Вот список прошивок (и их описание) для миникоптеров. Если вы совсем в этом не разбираетесь, то мой вам совет, используйте Betaflight, Raceflight или KISS. У них отличные летные характеристики.

Современные прошивки для ПК можно настраивать используя специальные программы, установленные на компьютер или смартфон; или даже прямо с пульта управления.

«Тюнинг» — этот термин мы используем, когда меняем ПИД коэффициенты, рейты и некоторые другие настройки. При помощи тюнинга мы можем настроить коптер «под себя».

ПО для компьютеров имеет графический интерфейс, а набор доступных настроек отличается в зависимости от прошивки, так что есть некоторый входной уровень знаний при их использовании.

Квадрокоптер на Ардуино: поэтапная сборка и настройка своими руками

Самые популярные прошивки для полетных контроллеров

После того, как вы выберите прошивку ищите совместимый с ней полетный контроллер.

Процессор полетного контроллера

В настоящее время есть 4 основных типа процессоров: F1, F3, F4 и F7. Мы рекомендуем брать F3 или F4, т.к. прошивки уже уперлись в возможности F1 и дальше его нормально не поддерживают, а F7 — довольно новый, и требуется время для полной адаптации прошивок.

F1F3F4F7
72 МГц72 МГц168 МГц216 МГц
Квадрокоптер на Ардуино: поэтапная сборка и настройка своими руками

Процессоры для ПК (слева направо): STM32 F1, F3, F4

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:

  • F1 — 72MHz;
  • F3 — 72MHz;
  • F4 — 168MHz;
  • F7 — 216MHz.

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.

UART (последовательные порты)

UART расшифровывается как Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, что означает асинхронный последовательный порт.

Смотрите про коптеры:  Профессиональный квадрокоптер купить в Москве, доставка по России и СНГ

UART — это, как правило, аппаратный последовательный интерфейс, который позволит вам подключить разные внешние устройства к полетному контроллеру. Например, приемник, телеметрию, транспондер для гонок, управление видеопередатчиком и т.д.

У каждого последовательного порта два контакта: TX — для передачи, RX — для приема.

Пример: на полетнике есть UART3 и UART6. Вы можете назначить им задачи на вкладке Ports в Betaflight конфигураторе.

Возможно, вам потребуются (а может и нет) дополнительные последовательные порты, чем больше свободных есть, тем проще будет в будущем.

Квадрокоптер на Ардуино: поэтапная сборка и настройка своими руками

Количество портов зависит от дизайна платы и используемого процессора. Например, на ПК с F1 обычно только 2 порта, у F3 и F4 может быть от 3 до 5, а у F7 — семь или даже больше.

F1F3F4F7
2 порта3-5 портов3-6 портов7 и более

Процессоры F3 и F7 могут инвертировать сигнал встроенным инвертором, а F1 и F4 — нет.

Сигналы Frsky SBUS и SmartPort являются инвертированными, поэтому владельцам ПК на F3 и F7 повезло, такие данные понимаются без проблем (F3 и F7 — более новые серии процессоров, подробнее тут).

Однако, более старые процессоры, типа F1 и F4 требуют наличия внешнего инвертора сигнала, который и подключается к соответствующему последовательному порту. Для удобства пользователей некоторые ПК на F4 уже имеют схемы для инверсии сигналов SBUS и SmartPort, так что приемник подключается напрямую к ПК.

Если портов не хватает, можно использовать программную эмуляцию (soft serial) чтобы создать ещё больше портов. К сожалению, эмулируемые порты работают медленнее аппаратных (нельзя выставить большую скорость) и не подходят для важных задач, где требуется быстрая реакция, например не подойдут для работы с приемниками. Ну и, конечно, программная эмуляция требует довольно много ресурсов процессора.

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.

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.

F1F3F4F7
2 UART3-5 UART3-6 UART7 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.

Гироскопы (Gyro), инерциальная навигация (IMU)

Цель датчиков на ПК определить ориентацию коптера и его движения. Микросхема с датчиками (IMU) содержит как гироскопы, так и акселерометры, но так как большинство FPV пилотов используют Acro Mode, то акселерометры обычно отключаются. Т.е. под IMU обычно подразумеваются только гироскопы (gyro).

IMUСпособ подключения, шиныМакс. частота сэмплирования
MPU6000SPI, i2c8K
MPU6050i2c4K
MPU6500SPI, i2c32K
MPU9150*i2c4K
MPU9250*SPI, i2c32K
ICM20602SPI, i2c32K
ICM20608SPI, i2c32K
ICM20689SPI, i2c32K

* MPU9150 — это MPU6050 со встроенным магнитометром AK8975, а MPU9250 — это MPU6500 с тем же магнитометром.

Выяснить тип можно взглянув на маркировку микросхемы, вот для примера популярный вариант Invensense MPU-6000.

Квадрокоптер на Ардуино: поэтапная сборка и настройка своими руками

Гироскопы и акселерометры на полетном контроллере

У IMU есть две основные характеристики: максимальная частота семплирования и насколько полученные данные будут зашумлены (механическими вибрациями и электрическими помехами).

В настоящее время очень часто используют микросхему MPU6000, которая поддерживает частоту опроса до 8k, и обладает (неоднократно проверено) хорошей устойчивостью к разного рода шумам и помехам. Главное стараться избегать MPU6500 и MPU9250, хотя у них больше рабочая частота, но и уровень шумов тоже значительно выше.

Смотрите про коптеры:  Сheerson cx 20 - Отличный квадрокоптер за разумные деньги

Скорость работы гироскопов — это палка о двух концах: если питание чистое, и шумов нет, тогда серия ICM на 32k будет работать лучше, чем MPU6000. Однако, если регуляторы и моторы генерят довольно много помех, а коптер вибрирует, тогда ICM хуже, чем MPU6000.

Например, ICM20602 стоит на Raceflight Revolt V2, а ICM20689 на Kakute F4, оба работают на частоте 32k. Однако, в обзорах часто упоминают, что эти гиры более чувствительны к шумам, чем MPU6000, поэтому вышеупомянутые ПК лучше крепить с демпферами (антивибрационное крепление) и использовать конденсаторы для фильтрации помех по питанию, это поможет снизить шум.

В последнее время появляется всё больше и больше ПК с гироскопами на отдельной плате с антивибрационной развязкой (кусок поролона, чтобы снизить вибрации от моторов).

Квадрокоптер на Ардуино: поэтапная сборка и настройка своими руками

Антивибрационное крепление гироскопов на ПК Kakute F4

i2c или SPI?

i2c и SPI — это названия шин для подключения гироскопов к процессору. Выбранная шина может ограничить частоты опроса гироскопов и ограничит looptime.

Лучше всего использовать SPI, т.к. она позволяет работать с бОльшими частотами, чем i2c, у которой лимит в 4k.

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.

Полетный контроллер, для чего он нужен

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.

ГироскопПротокол коммуникации (BUS)Макс. частота работы гироскопа
MPU6000SPI, i2c8K
MPU6050i2c4K
MPU6500SPI, i2c32K
MPU9150*i2c4K
MPU9250*SPI, i2c32K
ICM20602SPI, i2c32K
ICM20608SPI, i2c32K
ICM20689SPI, i2c32K

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

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.

i2c и SPI

SPI и i2c — это протоколы связи (BUS) между процессором и гироскопом . В зависимости от того, какой будет протокол, будет зависеть скорость работы самого гироскопа. Гироскоп сможет работать на частоте 32KHz с протоколом SPI, в то время как на i2c можно рассчитывать на «потолок» в 4 KHz. Поэтому выбирайте ПК с SPI.

Прочие функции

OSD может показывать разную информацию на экране: напряжение аккумулятора, таймер и т.д. Те, кто знакомы с MinimOSD помнят сложность настройки, но если вам нравится эта функциональность, тогда выбирайте ПК с OSD.

Betaflight OSD настраивать значительно проще.

Полетный контроллер, для чего он нужен

PDB или плата распределения питания — достаточно часто встречается в современных ПК, так что регуляторы скорости и основной LiPo аккумулятор подключаются напрямую к полётнику. Благодаря тому, что ПК и PDB это одна плата, а не две, мы экономим место в раме, упрощается разводка и пайка проводов. Недостаток такого решения — у некоторых ПК очень маленькие контактные площадки для пайки.

Датчик тока

Необходимость датчика тока не подлежит сомнению, потребляемый ток и съеденная емкость гораздо полезнее, чем просто напряжение аккумулятора, да и для тестов пригодится.

Подробнее про датчик тока и его калибровку (англ).

Смотрите про коптеры:  SELFLY Camera: личный дрон фотограф

Регуляторы скорости

Встроенной PDB недостаточно? Есть ПК со встроенными регуляторами! Это значит, что моторы нужно подключать непосредственно к полетному контроллеру, что ещё больше упрощает сборку.

RacerStar Tattoo F4S FC — первый такой ПК в моих руках.

Данные черного ящика (англ.)

Есть два способа записать и сохранить данные черного ящика: на чип флэш-памяти установленный на плате ПК или на MicroSD карточку, вставленную в слот.

Чип памяти дешевле, но как правило он имеет небольшую емкость и хранит относительно немного данных, обычно 10-15, иногда 20 минут полетного времени (в зависимости от частоты запрашиваемых данных). Кроме того, загрузка данных с этого чипа идет довольно медленно, может уйти до 5 минут времени на загрузку лога длиной всего 1 минуту.

Полетный контроллер, для чего он нужен

ПК со встроенным слотом для MicroSD карточек, позволяют хранить данные неделями, без необходимости очистки свободного места. Кроме того, чтение логов очень быстрое.

На мой взгляд выбирать нужно в зависимости от того, как часто вы планируете использовать черный ящик. Если хотите серьезно изучать полетные данные, тогда точно нужно брать ПК с MicroSD слотом.

Кстати, есть еще третий вариант — можно купить внешний логгер (Open Logger) со слотом для microSD и подключить его через свободный UART к ПК.

Типы разъемов

Три основных типа разъемов на полетных контроллерах:

  • Пластиковые разъемы типа JST
  • Контактные площадки («пятаки») для непосредственной пайки проводов
  • Сквозные отверстия

Пластиковые разъемы менее надежны, но при этом позволяют быстро отключать/подключать кабели. Контактные площадки более крепкие, но есть риск их перегреть при пайке, и они отслоятся от платы. Наиболее универсальный вариант — сквозные отверстия: можно припаять провода или штыревые разъемы.

В большинстве полётников уже есть стаб на 5 вольт. В некоторых есть и на 9, и 12 вольт (или на какое-нибудь другое напряжение).

Несмотря на то, что значительную часть FPV оборудования (камеры, видеопередатчики) можно подключать напрямую к литиевому аккумулятору, я считаю, что изображение будет лучше, если питать их через стабилизатор.

Подробнее про подключение FPV оборудования для минимизации помех (англ).

MPU-6000

Нажатая кнопка boot при подаче питания переводит процессор полетного контроллера в режим загрузчика (bootloader mode). В этом режиме можно обновить прошивку, даже если стандартные программы этого сделать не могут.

У многих ПК есть два контакта которые нужно закорачивать для этой цели. Но гораздо приятнее, когда есть кнопка.

Квадрокоптер на Ардуино: поэтапная сборка и настройка своими руками

Слева кнопка загрузчика, справа — контакты для этой же цели

  • Встроенный видеопередатчик — главное преимущество: экономия места и веса, у некоторых видеопередатчиков можно менять настройки прямо через контроллер
  • Барометр / магнитометр (компас) — это дополнительные датчики, которые совсем не обязательны для гонщиков
  • Поддержка протоколов приемника — убедитесь, что ПК поддерживает протокол вашего приемника: PWM, PPM, SBUS, Spektrum Satellite и т.д.
  • «Все-в-одном» — такой полетный контроллер состоит из одной платы, на которой есть всё необходимое: PDB, регуляторы, приемник и т.д. Недостаток — если что-то сгорит, то скорее всего придется менять плату целиком
  • Поддержка инфракрасного транспондера — позволяет вам изменять время круга самостоятельно

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.

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.

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:

  • 30,5 × 30,5 мм,
  • 20 × 20 мм,
  • 16 × 16 мм.

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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector