Как работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичков

Как работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичков Мультикоптеры

Аккумуляторы

Среди любителей и профессионалов многороторных систем наиболее распространены литий-полимерные аккумуляторы, как основные источники питания бортовой электроники и моторов. Их различают по емкости, напряжению и максимальной токоотдаче. Емкость, как обычно, измеряется в ампер-часах или миллиампер-часах.

Напряжение измеряется в количестве «банок» аккумулятора. Одна «банка» — в среднем 3.7 вольт. Полностью заряженая «банка» — 4.2 вольта. Наиболее распространеты аккумуляторы с количеством банок от трех до шести. Максимальная токоотдача измеряется в амперах, а маркируется, например вот так: 25C.

C — емкость аккумулятора, 25 — множитель. Если емкость равна 5 амперам, то такой аккумулятор может отдавать 25 * 5 = 125 ампер. Конечно же параметр токоотдачи лучше брать с запасом, но, в основном, чем он больше, тем дороже аккумулятор. Пример маркировки: 25C 3S 4500mah.

Каждая банка является отдельным аккумулятором. Все они спаяны последовательно. Для того чтобы равномерно заряжать все банки предусматривается баллансировочный разъем с доступом к каждой банке отдельно, и использутся специальные зарядные устройства.

Базовые понятия

Квадрокоптеры бывают разные, но всех их объединяют четыре несущих винта:

Не смотря на кажущуюся симметрию, пилоту очень важно различать, где у квадрокоптера перед (показан стрелкой). Здесь, как у радиоуправляемых моделей автомобилей: при команде «вперед» квадрокоптер летит не туда, куда смотрит пилот, а туда, куда направлен воображаемый нос квадрокоптера.

Это таит в себе опасность: новичкам бывает трудно вернуть к себе подхваченный ветром аппарат, развернутый как-нибудь боком (мы, конечно, не говорим про полеты по камере от первого лица и про «умные» режимы полета с использованием компаса и GPS.) Решению этой проблемы частично могут помочь передние винты или лучи другого цвета, какой-нибудь шарик спереди или разноцветные светодиоды. Но все это оказывается бесполезным, когда пепелац стремительно превращается в точку над горизонтом.

Мы будем летать на раме квадрокоптера формы «X», потому что она мне больше нравится внешне. У каждой конструкции свои плюсы и свое предназначение. Кроме квадрокоптеров есть и другие мультикоптеры. Даже если не считать экзотические варианты, все равно их видов — целая куча!
Как работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичков

Разберемся, как наш квадрокоптер устроен внутри, и чем же должен заниматься полетный контроллер, который мы планируем программировать.

Углы тангажа, крена и рыскания (pitch, roll, yaw) — углы, которыми принято определять и задавать ориентацию квадрокоптера в пространстве.
Как работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковВикипедии это не совсем точно. Полет квадрокоптера в необходимом направлении достигается изменением этих трех углов. Например, чтобы полететь вперед квадрокоптер должен наклониться за счет того, что задние моторы закрутятся чуть сильнее передних:
Как работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичков
Газ квадрокоптера — среднее арифметическое между скоростями вращения всех моторов. Чем больше газ, тем больше суммарная тяга моторов, тем сильнее они тащат квадрокоптер вверх (НЕ ВПЕРЕД!!! «Тапок в пол» здесь означает наискорейший подъем). Обычно измеряется в процентах: 0% — моторы остановлены, 100% — вращаются с максимальной скоростью. Газ висения — минимальный уровень газа, который необходим, чтобы квадрокоптер не терял высоту.

Газ, тангаж, крен, рыскание — если вы можете управлять этими четырьмя параметрами, значит вы можете управлять квадрокоптером. Их еще иногда называют каналами управления. Если вы приобрели двухканальный пульт, с квадрокоптером вам не совладать. Трехканальный скорее подойдет для маленьких вертолетов: без управления креном летать можно, но на квадрокоптере — не удобно.

Режимов полета существует много. Используется и GPS, и барометр, и дальномер. Но мы хотим реализовать базовый — режим стабилизации (stab, stabilize, летать в «стабе»), в котором квадрокоптер держит те углы, которые ему задаются с пульта не зависимо от внешних факторов. В этом режиме при отсутствии ветра квадрокоптер может висеть почти на месте. Ветер же придется компенсировать пилоту.

Направление вращения винтов выбирается не случайно. Если бы все моторы вращались в одну сторону, квадрокоптер вращался бы в противоположную из-за создаваемых моментов. Поэтому одна пара противостоящих моторов всегда вращается в одну сторону, а другая пара — в другую.

Скоростью вращения моторов управляет

полетный контроллер (контроллер, мозги)

. Обычно это небольшая плата или коробочка с множеством входов и выходов. Существует огромное количество различных контроллеров с разным набором возможностей, разными прошивками, разными задачами. Вот лишь некоторые:

Обобщенной задачей полетного контроллера является несколько десятков раз в секунду выполнять цикл управления в который входит: считывание показаний датчиков, считывание каналов управления, обработка информации и выдача управляющих сигналов моторам, чтобы выполнять команды пилота. Именно это мы и собираемся запрограммировать.

Различных видов датчиков, которые можно задействовать, очень много. Мы будем использовать ставшие уже почти обязательными во всех квадрокоптерах трехосевой гироскоп и трехосевой акселерометр. Акселлерометр измеряет ускорение, гироскоп измеряет угловую скорость.

Благодаря им полетный контроллер узнает текущие углы тангажа, крена и рыскания. Эти датчики бывают встроенными в полетный контроллер, а бывают внешними. Процесс вычисления трех углов по показаниям датчиков — тема для отдельной статьи. Но нам этого здесь знать не надо: за нас все сделает MPU-6050.

https://www.youtube.com/watch?v=gDluXRr0Kk4

Моторы на мультикоптерах потребляют большие токи, поэтому полетный контроллер управляет ими не напрямую, а через специальные аппаратные драйвера, называемые регуляторами скорости (ESC, ре́гуль, е́ска).

«Протокол» общения между регулятором и мотором нам не так важен, как «протокол» общения между полетным контроллером и регулятором, ведь нам предстоит из контроллера программно управлять регулятором. Бывают регуляторы, управляемые по i2c, но наиболее распространенные управляются сигналом прямоугольной формы с минимумом 0 вольт и максимумом 3-5 вольт (его называют ШИМ или PWM, а некоторые утверждают, что правильнее — PPM. Подробнее, например, здесь).

«Протокол» — это громко сказано: чтобы дать команду мотору вращаться с максимальной скоростью контроллер должен отправлять импульсы длительностью 2 миллисекунды, перемежающиеся логическим нулем длительностью 10 — 20 миллисекунд. Длительности импульса в 1 миллисекунду соответствует остановка мотора, 1.

При всей кажущейся простоте, здесь кроется засада: полетные контроллеры бывают разные с разными настройками, регуляторы бывают разные, и минимум (1 мс) и максимум (2 мс) — не универсальны. В зависимости от множества факторов диапазон 1-2 мс может на деле оказаться 1.1 — 1.9 мс.

Для того, чтобы регулятор и контроллер говорили абсолютно на одном языке существует процедура калибровки регуляторов. В ходе этой процедуры диапазоны регуляторов изменяются и становятся равными диапазону контроллера. Процедура зашита в программу каждого регулятора и включает в себя несколько простых шагов (шаги могут отличаться в зависимости от производителя — читайте инструкции!):

После этого в регулятор будут занесены соответствующие границы интервала. При попытке взлететь с некалиброванными регуляторами последствия могут оказаться неожиданными: от внезапного рывка квадрокоптера в ближайшее дерево до полной неподвижности моторов при любом значении газа.

PWM с точно таким же принципом использует и бортовой приемник. Это небольшое устройство, получающая сигналы радиоуправления с земли и передающая их в полетный контроллер. Чаще всего в полетном контроллере для каждого канала управления (газ, тангаж, крен и т.п.) имеется свой вход на который поступает PWM.

Раз между приемником и контроллером свои товарищеские PWM отношения, то их тоже придется калибровать: пульты с приемниками бывают разные со своими диапазонами работы. Контроллер должен уметь подстраиваться. Процедуру калибровки радио, в отличие от калибровки регуляторов нам придется создавать самим как часть полетный программы. Общий план калибровки такой:

Итак: во время калибровки радио полетный контроллер запоминает диапазоны приемника по всем каналам управления; во время калибровки регуляторов диапазон полетного контроллера заносится во все регуляторы.

Помимо программы для полетного контроллера необходима еще одна программа: интерфейс настройки полетного контроллера. Чаще всего им является программа для PC, которая соединяется с полетным контроллером по USB и позволяет пользователю настраивать и проверять полетную программу, например: запускать калибровку радио, настраивать параметры стабилизации, проверять работу датчиков, задавать маршрут полета на карте, определять поведение мультикоптера при потере сигнала и многое другое. Мы свой интерфейс настройки будем писать на C и Qt в виде консольной утилиты. Вот она, если заглянуть в будущее:

Никто не застрахован от случайностей. Даже десятидюймовые пластиковые винты на маленьких моторах могут оставить кровавые синяки на коже, которые будут болеть еще неделю (проверено лично). Элементарно сделать себе новый макияж и прическу, если зацепить стик газа на пульте, пока несешь включенный квадрокоптер.

Поэтому полетный контроллер должен обеспечивать хоть какую-то безопасность: механизм armed/disarmed. Состояние квадрокоптера «disarmed» означает, что моторы отключены и даже команда полного газа с пульта не имеет никакого эффекта, хотя питание подано.

Смотрите про коптеры:  Как выбрать квадрокоптер - журнал expertology

Состояние «armed» квадрокоптера означает, что команды с пульта выполняются полетным контроллером. В этом состоянии квадрокоптеры взлетают, летают и садятся. Квадрокоптер включается и должен сразу попасть в состояние disarmed на тот случай, если невнимальельный пилот включает его, когда стик газа на пульте находится не в нуле.

Чтобы перевести коптер в состояние «armed» пилоту необхоимо сделать какой-то заранее оговоренный жест стиками пульта. Часто этим жестом является удержание левого стика в правом нижнем углу (газ = 0%, рыскание = 100%) втечении пары секунд. После этого полетный контроллер делает хотя бы минимальную самопроверку и при ее успешном прохождении “армится” (к полету готов!)

О моторах, аккумуляторах, регуляторах, пропеллерах

Выбор комплектующих для мультикоптера — тема для целого цикла статей. Если вы собираетесь сделать свой первый квадрокоптер — сформулируйте, для чего он вам нужен, и воспользуйтесь советами бывалых или возьмите список комплектующих, который составил кто-то другой и успешно на нем летает.

И все же для общего понимания полезно знать основные моменты.

Аккумуляторы

Среди любителей и профессионалов многороторных систем наиболее распространены литий-полимерные аккумуляторы, как основные источники питания бортовой электроники и моторов. Их различают по емкости, напряжению и максимальной токоотдаче. Емкость, как обычно, измеряется в ампер-часах или миллиампер-часах. Напряжение измеряется в количестве «банок» аккумулятора. Одна «банка» — в среднем 3.7 вольт. Полностью заряженая «банка» — 4.2 вольта. Наиболее распространеты аккумуляторы с количеством банок от трех до шести. Максимальная токоотдача измеряется в амперах, а маркируется, например вот так: 25C. C — емкость аккумулятора, 25 — множитель. Если емкость равна 5 амперам, то такой аккумулятор может отдавать 25 * 5 = 125 ампер. Конечно же параметр токоотдачи лучше брать с запасом, но, в основном, чем он больше, тем дороже аккумулятор. Пример маркировки: 25C 3S 4500mah.

Каждая банка является отдельным аккумулятором. Все они спаяны последовательно. Для того чтобы равномерно заряжать все банки предусматривается баллансировочный разъем с доступом к каждой банке отдельно, и использутся специальные зарядные устройства.

Моторы, пропеллеры, регуляторы

Основной параметр бесколлекторного мотора — его kv. Это количество оборотов в минуту на каждый вольт поданного напряжения. Наиболее распространены моторы с kv от 300 до 1100. Kv ближе к 1000 обычно выбирают для малых квадрокоптеров (1-2 килограмма плюс 500 граммов полезной нагрузки) и ставят на них пластиковые пропеллеры до 12 дюймов в диаметре. На больших мультикоптерах (для поднятия хорошей и тяжелой фото-видео техники) или на долголетах (для рекордов по времени полета) обычно стоят моторы с низким kv (300-500) и огромными карбоновыми пропеллерами (15 — 20 дюймов в диаметре). Kv — не единственный важный параметр мотора: часто можно встретить целые таблицы зависимости мощности мотора и тяги от подаваемого напряжения и типа установленного пропеллера. Кроме того, каждый мотор рассчитан на свой диапазон напряжений (количество банок аккумулятора) и на свой максимальный ток. Если производитель пишет 3-4S, не стоит использовать его с 5S аккумуляторами. Это же касается и регуляторов.

Если мотор рассчитан на ток до 30А, то регулятор стоит рассчитывать на ток до 30 10А, чтобы не допускать перегревов. Некачественные или неподходящие регуляторы могут вызвать так называемые «срывы синхронизации» и остановку мотора в полете, и вы узнаете еще один мультироторный термин: “поймал планету.” Еще один важный момент — толщина и качество проводов. Неправильно рассчитанное сечение провода или плохой коннектор могут привести к пожару в воздухе.

Как видите, нюансов очень много. Я не перечислил даже половины, поэтому самому подобрать комплектующие для первого мультикоптера довольно трудно.

Как управлять дроном

Как управлять квадрокоптером вручную с помощью пульта, описано чуть раньше. Примерно такой же принцип будет и в том случае, если пользоваться смартфоном или планшетом. Здесь же — правила, которые помогут научиться работать с дроном как профи и не сломать квадрокоптер в первом же полете. Как всегда, начать нужно с подготовки летательного аппарата.

Примечание: если дрон — не модель в готовом виде, а набор для сборки, значит, устройство для полетов понадобится собрать.

Первым делом девайс необходимо откалибровать: настроить акселерометр, компас и GPS. Если проигнорировать процесс, то дрон не сможет работать корректно. Например, получив команду двигаться вперед, он будет лететь в заданном направлении, но слегка с наклоном. Комфортным такой полет назвать сложно.

Совет: взять дополнительный аккумулятор про запас — хорошая идея. Длительность полета большинства современных беспилотников — около 10 минут на одном заряде. Для тренировки этого недостаточно. Иметь в арсенале несколько запасных пропеллеров тоже не помешает. Именно эта деталь наиболее часто приходит в негодность, если с управлением пользователь еще не подружился.

Как откалибровать дрон:

Начинающим не стоит поднимать квадрокоптер слишком высоко. От «авиа-шоу» тоже лучше воздержаться. Велика вероятность того, что попытки неопытного пользователя выполнить трюк приведут к «крушению» беспилотника.

Кроме того, это может быть травмоопасно. Простые маневры — то, что надо. Взлет, путь в несколько метров, разворот — вот с чего лучше всего начать.

Интересно: способность снимать в 4К и емкая батарея делают Inspire 1 V2.0 отличным вариантом для профессиональной аэросъемки. Модель с бесколлекторным двигателем и трехосевой стабилизацией великолепно ведет себя в воздухе. 

Для тренировок лучше выбрать безветренный день. Можно заставить квадрокоптер сделать сальто и не бояться, что порыв ветра снесет беспилотник.

Совет: учиться управлять беспилотниками лучше на бюджетных экземплярах и только после приобретать технику топовой или предтоповой категории.

Устроен квадрокоптер не так уж и сложно. Собрать дрон можно самому, если знать принцип его работы и следовать инструкциями. Если же не хочется заморачиваться — можно купить готовую сборку. В любом случае, прежде чем выполнять трюки или просто отправить квадрокоптер полетать подальше, нужно научиться им управлять. Для этого существуют специальные пульты и приложения, позволяющие приказывать дрону с помощью смартфона или планшета.

Квадрокоптер « » [править]

Все моторы находятся на осях, максимальная длина 100% (=1) от центра на каждом.

Моторpitchrollyaw
0 правый (CCW) 0% -100%
1 левый (CCW) 0% 100%
2 передний (CW) 100% 0%
3 задний (CW) -100% 0%

Пример микширования для MultiWii из файла Output.pde (прошивка версии 1.9)
PIDMIX (roll, pitch, yaw) (тут ось pitch инвертирована относительно картинки, поэтому значения не совпадают знаками)

#ifdef QUADP
motor[0] = PIDMIX( 0, 1,-1); //REAR (задний)
motor[1] = PIDMIX(-1, 0, 1); //RIGHT (правый)
motor[2] = PIDMIX( 1, 0, 1); //LEFT (левый)
motor[3] = PIDMIX( 0,-1,-1); //FRONT (передний)
#endif

Пример кода из MegaPirateNG (ArduCopter)

roll_out = g.rc_1.pwm_out;
pitch_out = g.rc_2.pwm_out;
// left
motor_out[CH_1] = g.rc_3.radio_out - roll_out; (левый)
// right
motor_out[CH_2] = g.rc_3.radio_out   roll_out; (правый)
// front
motor_out[CH_3] = g.rc_3.radio_out   pitch_out; (передний)
// back
motor_out[CH_4] = g.rc_3.radio_out - pitch_out; (задний)

Квадрокоптер «x» [править]

Моторы расположены на биссектрисах между осями (45°), но расстояние до мотора сохраняется, поэтому по законам тригонометрии (гипотенузу знаем (расстояние до мотора), прилежащий угол знаем => используем функцию sin или cos (в данном случае оба катета треугольника равны) для получения искомого значения) и получается ~71%.

Моторpitchrollyaw
0 передний правый (CCW) 71% -71%
1 задний левый (CCW) -71% 71%
2 передний левый (CW) 71% 71%
3 задний правый (CW) -71% -71%

Видим что везде 71%, а мы можем 100%, поэтому, чтобы моторы могли работать в полную силу, принимаем 71% за 100% и получаем:

Моторpitchrollyaw
0 передний правый (CCW) 100% -100%
1 задний левый (CCW) -100% 100%
2 передний левый (CW) 100% 100%
3 задний правый (CW) -100% -100%

Пример микширования для MultiWii из файла Output.pde (прошивка версии 1.9)
PIDMIX (roll, pitch, yaw) (тут ось pitch инвертирована относительно картинки, поэтому значения не совпадают знаками)

#ifdef QUADX
motor[0] = PIDMIX(-1, 1,-1); //REAR_R (задний правый)
motor[1] = PIDMIX(-1,-1, 1); //FRONT_R (передний правый)
motor[2] = PIDMIX( 1, 1, 1); //REAR_L (задний левый)
motor[3] = PIDMIX( 1,-1,-1); //FRONT_L (передний левый)
#endif

Пример кода из MegaPirateNG (ArduCopter)

roll_out = g.rc_1.pwm_out * .707;
pitch_out = g.rc_2.pwm_out * .707;
// left
motor_out[CH_3] = g.rc_3.radio_out   roll_out   pitch_out; // FRONT (передний левый)
motor_out[CH_2] = g.rc_3.radio_out   roll_out - pitch_out; // BACK (задний левый)
// right
motor_out[CH_1] = g.rc_3.radio_out - roll_out   pitch_out; // FRONT (передний правый)
motor_out[CH_4] = g.rc_3.radio_out - roll_out - pitch_out; // BACK (задний правый)

Математика стабилизации, пид-регуляторы (pid)

Если вы решили заняться мультикоптерами, то рано или поздно вам придется столкнуться с настройкой ПИД-регулятора, поскольку этот математический аппарат применяется почти во всех задачах стабилизации: стабилизация углов квадрокоптера в воздухе, полет и удержание позиции по GPS, удержание высоты по барометру, бесколлекторные механизмы стабилизации видеокамеры в полете (подвес камеры).

Вы приобретаете двухосевой подвес для камеры, ставите туда, например, GoPro, включаете и вместо стабилизации получаете конвульсии, вибрации и дергания, хотя все датчики откалиброваны и механические проблемы устранены. Причина — неверные параметры ПИД-регуляторов.

Смотрите про коптеры:  Как сделать модель подводной лодки своими руками в домашних условиях?

Вы собираете мультикоптер, калибруете датчики, регуляторы, радио, все проверяете, пытаетесь взлететь, а он такой унылый в воздухе, что его даже легким ветерком переворачивает. Или наоборот: он такой резкий, что внезапно срывается с места и крутит тройное сальто без разрешения. Причина все та же: параметры ПИД-регуляторов.

Для многих устройств использующих ПИД-регуляторы существуют инструкции по настройке, а то и несколько в добавок к многочисленным видеонструкциям от самих пользователей. Но чтобы легче ориентироваться в этом многообразии полезно понимать, как же внутри устроены эти регуляторы.

Кроме того, мы же собираемся писать собственную систему стабилизации квадрокоптера! Предлагаю вместе со мной самим заново «изобрести» и «на пальцах» понять формулу ПИД-регулятора. Для тех, кому больше нравится сухой математический язык, я рекомендую Википедию, английскую статью, т.к. в русской пока не так подробно изложен материал.

Будем рассматривать квадрокоптер в двумерном пространстве, где у него есть только один угол — угол крена, и два мотора: левый и правый.

В полетный контроллер непрерывно поступают команды с земли: «крен 30 градусов», «крен -10 градусов», «крен 0 градусов (держать горизонт)»; его задача — как можно быстрее и точнее их выполнять с помощью моторов с учетом: ветра, неравномерного распределения веса квадрокоптера, неравномерного износа моторов, инерции квадрокоптера и т.п.

Таким образом, полетный контроллер должен непрерывно решать задачу, какую скорость вращения подавать на каждый мотор с учетом текущего значения угла крена и требуемого. Непрерывно — это, конечно, громко сказано. Все зависит от вычислительных возможностей конкретного железа.

На Adruino вполне можно одну итерацию цикла обработки и управления уместить в 10 миллисекунд. Это значит, что раз в 10 миллисекунд будут считываться показания углов квадрокоптера, и на их основе будут отправляться управляющие сигналы к моторам. Эти 10 миллисекунд называют периодом регулирования. Понятно, что чем он меньше, тем чаще и точнее происходит регулирование.

Уровень газа поступает из приемника в контроллер. Обозначим его Как работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичков

Чем больше разность между желаемым углом крена и текущим, тем сильнее должна быть реакция, тем быстрее левый мотор должен закрутиться относительно правого. Если это записать с использованием наших обозначений:

Здесь P — коэффициент пропорциональности. Чем он больше, тем сильнее будет реакция, тем резче квадрокоптер будет реагировать на отклонение от требуемого угла крена. Эта интуитивно понятная и простая формула описывает работу пропорционального регулятора.

За несколько десятков миллисекунд (несколько итераций цикла обработки) под воздействием пропорционального регулятора квадрокоптер вернется в требуемое (в данном случае горизонтальное) положение. Все это время ошибка Как работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичков

где D — настраиваемый коэффициент: чем он больше, тем сильнее останавливающее усилие. Из школьного курса физики всплывают смутные воспоминания, что скорость изменения любой величины — производная этой величины по времени:

И вот пропорциональный регулятор превращается в пропорционально-дифференциальный (пропорциональное слагаемое и дифференциальное):

Ошибку Как работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичков

Теперь у нас есть пропорционально-дифференциальный регулятор в плоском «бикоптере», но осталась еще одна проблема. Пусть левый край будет весить чуть больше правого, или, что то же самое, левый мотор работает чуть хуже правого. Квадрокоптер чуть наклонен влево и не поворачивается обратно: дифференциальное слагаемое равно нулю, а пропорциональное слагаемое хоть и принимает положительное значение, но его не хватает, чтобы вернуть квадрокоптер в горизонтальное положение, ведь левый край весит чуть больше правого. Как следствие — квадрокоптер будет все время тянуть влево.

Необходим механизм, который бы отслеживал такие отклонения и исправлял их. Характерной особенностью таких ошибок является то, что они прявляют себя со временем. На помощь приходит интегральное слагаемое. Оно хранит сумму всех ошибкок Как работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичков

где T — текущий момент времени.
Пришло время записать окончательную формулу пропорционально-интергрально-дифференциального регулятора:

где Как работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичковКак работает квадрокоптер, как им управлять — 5 разделов для новичков

Существует несколько ее вариаций, например, можно ограничить модуль интегрального слагаемого, чтобы он не превысил определенный допустимый порог (мы так и будем делать).

Моторы, пропеллеры, регуляторы

Основной параметр бесколлекторного мотора — его kv. Это количество оборотов в минуту на каждый вольт поданного напряжения. Наиболее распространены моторы с kv от 300 до 1100. Kv ближе к 1000 обычно выбирают для малых квадрокоптеров (1-2 килограмма плюс 500 граммов полезной нагрузки) и ставят на них пластиковые пропеллеры до 12 дюймов в диаметре.

На больших мультикоптерах (для поднятия хорошей и тяжелой фото-видео техники) или на долголетах (для рекордов по времени полета) обычно стоят моторы с низким kv (300-500) и огромными карбоновыми пропеллерами (15 — 20 дюймов в диаметре). Kv — не единственный важный параметр мотора: часто можно встретить целые таблицы зависимости мощности мотора и тяги от подаваемого напряжения и типа установленного пропеллера.

Если мотор рассчитан на ток до 30А, то регулятор стоит рассчитывать на ток до 30 10А, чтобы не допускать перегревов. Некачественные или неподходящие регуляторы могут вызвать так называемые «срывы синхронизации» и остановку мотора в полете, и вы узнаете еще один мультироторный термин: “поймал планету.

Как видите, нюансов очень много. Я не перечислил даже половины, поэтому самому подобрать комплектующие для первого мультикоптера довольно трудно.

Практика

Ну а теперь пришло время для практики подбора коэффициентов. Читателям предлагается JavaScript-страничка с виртуальным квадрокоптером, который он уже видел на картинках:

). При первом запуске сразу видно перерегулирование — колебания вокруг требуемого положения. Когда колебания останавливаются, можно наблюдать эффект, что пропорциональный коэффициент не справляется с ошибкой из-за «несимметричного» квадрокоптера (задается галочкой «Asymmetry»).

Для настройки доступны параметры P, I, D. Теперь вы знаете что с ними делать. «Скролом» под квадрокоптером можно управлять требуемым значением крена. «Interval (ms):» — интервал регулирования. Уменьшать его — «читерство», но посмотреть как он влияет на качество стабилизации — очень полезно.

Для любителей «чистой» математики можно предложить настроить абстрактный ПИД-регулятор

Введенные параметры автоматически не применяются: нужно жмакать «Apply». Пара небольших советов: если вам кажется, что квадрокоптер слишком медленно реагирует на управление — можно увеличить P, но слишком большое значение P может привести к перерегулированию.

С перерегулированием поможет справиться параметр D, но слишком большие значения приведут к частым колебаниям, или опять к перерегулированию. Параметр I, обычно, в 10 — 100 раз меньше, чем параметр P т.к. его сила в накоплении во времени, а не в быстром реагировании.

Ручная настройка ПИД-параметров требует практики. Существуют аналитические методы их вычисления, но они требуют хорошей подготовки и точного знания многих параметров конкретной настраиваемой системы. Как среднее между ручным подбором и аналитическим вычислением есть широкий ряд эмпирических методов, предложенных различными исследователями.

В нашем 2D квадрокоптере меняется только один угол — угол крена. В настроящем 3D квадрокоптере потребуется три независимых ПИД-регулятора для каждого из углов, а управление конкретным мотором будет представлять сумму усилий по всем регуляторам.

Ручное управление квадрокоптером

Manual Mode (Acro Mode, Rate Mode) — режим ручного управления, который позволяет задавать скорость полета и выполнять повороты с сильным креном. Подходит для любителей «аэро акробатики». Вспомогательные механизмы отключены, что снимает все скоростные ограничения. Пилотировать дрон в этом случае стоит только опытным пользователям.

Совет: подобные эксперименты с беспилотниками не рекомендуются новичкам. Это может быть опасно для пользователя и окружающих. Да и есть высокая вероятность сломать квадрокоптер.

В ручном режиме хозяин дрона пилотирует его с помощью пульта ДУ. Во всех моделях органы управления практически идентичны. Обычно пульт делится на две части: левый и правый стик. С помощью левого контроллера регулируется высота полета и вращение квадрокоптера вокруг оси. Правый стик позволяет контролировать крен и тангаж для определения направления полета и управления наклоном.

Интересно:Mavic Air для профессиональной аэросъемки умеет снимать в 4К, а еще способен пролететь 10 километров и не разрядиться.

Для тех, кто еще не выбрал: ТОП-5 квадрокоптеров (дронов) DJI

Рычаги управления

Несмотря на то, что в мире существует десятки разнообразных пультов управления, они созданы по одинокому принципу: каждый из них оснащен как минимум двумя рычагами управления (их называют также стиками или джойстиками), что отвечают за ориентацию квадрокоптера в воздухе: его движение вдоль трех осей координат и вращение.

Вот как может выглядеть пульт дистанционного управления:

Давайте разберем рычаги управления подробнее.

Левый рычаг отвечает за перемещение квадрокоптера в вертикальной плоскости и его вращение вокруг этой плоскости:

  • Вверх/Газ (Throttle up) — при перемещении стика вверх квадрокоптер будет набирать высоту.
  • Вниз/Тормоз (Throttle down) — при перещении его вниз, квадрокоптер будет спускаться.
  • Рыскание влево (Yaw left) — при перемещении правого рычага влево, квадрокоптер будет поворачиваться на месте влево.
  • Рыскание вправо (Yaw right) — при перемещении правого рычага вправо, квадрокоптер будет поворачиваться на месте вправо.

Правый рычаг отвечает за тангаж и крен:

  • Тангаж вниз (Pitch down) — «нос» (передняя часть) квадрокоптера будет наклонена вниз.
  • Тангаж вверх (Pitch up) — «нос» (передняя часть) квадрокоптера будет наклонена вверх.
  • Крен вправо (Roll right) — при перемещении джойстика влево, коптер наклониться в левую сторону.
  • Крен вправо (Roll right) — при перемещении джойстика вправо, коптер наклониться в правую сторону.
Смотрите про коптеры:  Торты в виде машинок в Полевском на заказ | - новости Екатеринбурга

Советы

Перед тем, как вы отправите квадрокоптер в его первый полет, не забудьте:

  • полностью его собрать: установить шасси (если имеются), прикрепить пропеллеры, произвести установку других деталей;
  • взять с собой запасной аккумулятор и/или автомобильную зарядку (если собираетесь выезжать на автомобиле) — перед тем, как привыкнуть к управлению квадрокоптером, вы потратите некоторое время, что может равняться максимальному времени работы одного аккумулятора;
  • взять запасные детали на случай поломки: пропеллеры ломаются чаще всего;
  • настроить компас и GPS (если есть).

Также рекомендуем следовать вам этим советам, особенно новичкам:

  • запускайте квадрокоптер на открытых пространствах: это не только увеличит радиус действия пульта ДУ, но и является известной мерой предосторожностью — вы же не хотите сломать квадрокоптер, врезавшись в кого-то или что-то?
  • при первых полетах летайте в стабильных режимах, потом переходите к ручному. Это повысит шансы на выживание коптера;
  • не запускайте квадрокоптер во время сильного ветра и плохой погоды;
  • не запускайте квадрокоптер в очень людном месте, если только вы не полностью научились управлять им и контролировать его движение.

Советы и типичные ошибки

На первых этапах никогда не запускайте аппарат слишком высоко, особенно в тех ситуациях, когда недалеко от вас находится огромное количество людей. При совершении малейших ошибок техника может не только упасть и сломаться, но также травмировать окружающих людей. Вращающиеся лопасти могут нанести серьезные увечья.

Останавливайте свой выбор на безлюдных местах, желательно не асфальтированных. Таким образом, когда устройство всё-таки упадет, оно не получит сильные повреждения корпуса.

Если вы новичок, никогда не направляйте аппарат сторону рек. Затем, уже после освоения базовых навыков, вы сумеете полноценно пользоваться квадрокоптером над реками, на территории парков и мест, где сосредоточено большое количество людей.

Неопытным пользователям не нужно приобретать дорогостоящие модели. Вне зависимости от аккуратности обучения управлению или места для тренировочных полетов, всё-таки нередко приходится сталкиваться с ситуацией, когда коптеры падают. С другой стороны, техника предлагает широкие возможности для новичков, упрощающих маневрирование в сложных местах – четвертые Фантомы даже анализируют обстановку с помощью бортовых датчиков, предотвращая столкновения.

Перед тем как начать тренировку, заранее убедитесь в том, что аккумуляторная батарея, установленная на борту, полностью заряжена. Категорически запрещается запуск летательных устройств, в которых заряд батареи составляет не более 50%. Во-первых, тренировка окажется непродолжительной, а во-вторых, при наборе большой высоты устройство может полностью разрядиться ещё в воздухе.

Беспилотник — это устройство с простой схемой управления. Набравшись немного практики, вы сами убедитесь в этом.

Стабилизация полета

Помимо преобразования команд оператора в команды двигателя полетный контроллер стабилизирует полет платформы. Стабилизация необходима по нескольким причинам:

  • неидентичность винтомоторных групп (ВМГ)
  • неидентичность регуляторов оборотов
  • неравномерность распределения нагрузки на двигатели из-за смещения центра тяжести
  • «сдувание» ветром

Для компенсации этих воздействий в составе полетного контроллера есть инерциальная измерительная система, которая включает в себя акселерометр, гироскоп, магнитометр и барометр. В более дорогих моделях дополнительно используют GPS-приемники. Даже в те моменты когда оператор пытается просто удерживать коптер на месте полетный контроллер продолжает активно менять двигатель тягу двигателей компенсируя все возможные ускорения и вращения.

Ссылки на остальные части цикла статей о квадрокоптерах:Часть 2. Элементы квадрокоптераЧасть 3. Все об аккумуляторах для квадрокоптеровЧасть 4. Рама квадрокоптераЧасть 5. Подсветка коптераЧасть 6.

Подключение элементов квадрокоптераЧасть 7. Настройка пульта Turnigy9x для коптераЧасть 8. Настройка регуляторов оборотов бесколлекторного двигателяЧасть 9. Настройка полетного контроллера DJI NAZAЧасть 10. Гиростабилизированный подвес для камеры SJ4000

Технический процесс полёта

Благодаря всем перечисленным выше составляющим квадрокоптер и летает. Принцип работы такого аппарата не так уж и сложен. Два из четырех пропеллеров вращаются по часовой стрелке, а два других — в противоположном направлении. За счет этой особенности аппарат использует осевое вращение влево/вправо, путем увеличения скорости одной пары двигателей и снижением скорости другой.

Совет: отличным вариантом для обучения станет Cyclone 2 V333 на радиоуправлении, который может пролететь 150 метров. Такой дрон трудно потерять, потому что он не улетит далеко. Защита на пропеллерах не даст им сломаться, если пользователь не справится с управлением.

Горизонтальное движение возможно за счет увеличения тяги оборотами. Ускорение достигается при помощи двигателей. Показатели увеличиваются на одной из сторон и снижаются на противоположной. За счет этого происходит наклон беспилотника (Roll or Pitch) в необходимом направлении. После этого баланс тяги восстанавливается. Угол наклона устанавливается скоростью движения.

Компенсация порывов ветра осуществляется автоматическим наклоном в соответствующую направлению сторону. За работу функции отвечают электронные гироскопы. Их задача — измерение уровня по трем осям. В некоторых моделях предусмотрены  электронные акселерометры. Их задача определить смещение по трем осям. Контроль высоты измеряется в соответствии с изменением параметров скорости.

Полезно: Как выбрать квадрокоптер для ребенка: 6 основных критериев

Устройство квадрокоптера

Чтобы понять, как работает квадрокоптер, сперва нужно разобраться, как он устроен, из каких деталей состоит. Основных частей у дрона всего пять. Ниже рассказывается, для чего они нужны.

1. Рама — служит основой в устройстве дрона. Именно к этой части крепятся все остальные составляющие девайса. В раме предусмотрены отверстия для кабель-менеджмента.2. Контроллер — «сердце» беспилотника. Это база для подключения аппаратной начинки. Отвечает за координацию, стабилизацию и собственно управление.

Совет: если нужен дрон для ребенка, то MJX X929H отлично подойдет. Он годится и для тех, кто еще не имел дела с квадрокоптерами.

3. ЭРС или ESC — электронные регуляторы скорости. Эти компоненты отвечают за передачу энергии на моторы (каждый — на свой).4. Моторы — отвечают за вращение пропеллеров. От тяги мотора зависят летные характеристики «авиамодели». Основные типы моторов:

— Коллекторные — для легких летательных аппаратов начальной категории. Показатель тяги у этого типа моторов низкий. К тому же, они недолговечны.— Коллектор редуктор — более выносливы к нагрузкам. Мощность такого мотора выше, как и показатель тяги.

Минус в том, что этот вид мотора нередко перегревается, от чего шестеренки приходят в негодность.— Бесколлекторный мотор — отличается стабильной работой, долговечностью и высокими показателями как тяги, так и мощности. Управляемость тоже на высоте. Такой вариант встречается у топовых дронов.

5. Пропеллеры — за счет их синхронизированного вращения коптер и поднимается в воздух.6. Аккумулятор. В недорогих учебных дронах батареи не слишком емкие. Их хватает на несколько минут. В специализированных устройствах подороже аккумуляторы соответственно мощнее. Например, PowerEgg способен улететь на 5 тысяч метров, а его батареи хватает почти на полчаса.

Заключение первой части

В этой статье мы познакомились с базовыми понятиями:

квадрокоптер и принцип полета, тангаж, крен, рыскание, газ, газ висения, режим полета stabilize, полетный контроллер, гироскоп, акселерометр, регулятор скорости, ШИМ, калибровка регуляторов, калибровка радио, бортовой приемник, интерфейс настройки полетного контроллера, состояния armed/disarmed, автодизарм

После этого мы заново изобрели формулу ПИД-регулятора немного каснувшись численного дифференцирования и интегрирования, и на своей шкуре испытали, как настраивать параметры P, I, D на виртуальном квадрокоптере.

Теперь, если вы владеете световым мечем-программированием, вы можете приступать к своей программе стабилизации квадрокоптера, или, еще лучше, присоединиться со свежими идеями к существующими open source проектам. Ну а я через неделю-другую, когда появятся силы и время, чтобы соответствовать качеству, продолжу рассказ, как это все программировалось, тестировалось, падало, резало мне пальцы и вовсе улетало в неизвестном направлении. Если вам очень захотелось продолжения — можете напнуть меня здесь или, например, Вконтакте: это немного придает стимула.

В заключении этой части я просто обязан упомянуть человека, который помогал мне в выборе комплектующих и настройке самого сложного (первого!) квадрокоптера на прошивке MegapirateNG и терпеливо отвечал на сотни вопросов по этим самым базовым понятиям:

В награду тем, кто смог промотать всю эту простыню, выкладываю обещанное маленькое видео, как наш квадрокоптер с нашими «изобретенными» ПИД-регуляторами, на нашей программе для Arduino Mega 2560 летает:

Конечно, ему не хватает GPS, как в коммерческих и массовых продуктах, немного не хватает устойчивости, но зато — НАШ, и мы знаем его вдоль и поперек до последнего множителя при интегральном коэффициенте! И это действительно круто, что сегодня нам доступны такие технологии.

Оцените статью
Добавить комментарий

Adblock
detector