Как выбрать широкополосный модем для беспилотного летательного аппарата (БЛА) или робототехники / Хабр

Автономная зарядка

Как можно видеть в готовых вариантах выше, существует несколько подходов к подготовке автономного дрона к следующему полету: зарядка аккумулятора через контактные площадки, бесконтактная индукционная зарядка и механизированная замена аккумулятора с последующей его зарядкой на станции.

У каждого метода есть свои плюсы и минусы, о них я напишу отдельно, но в любом случае, для их функционирования дрон должен уметь приземляться в нужную точку практически с сантиметровой точностью.

Аккумулятор

Для выбора аккумулятора нужно знать какой он должен отдавать ток.

На полном ходу двигатели будут “есть” 30А (7,5А * 4 мотора), а электроника примерно 0,45А (10 Ватт). С учетом небольшого запаса округлим минимальный рабочий ток аккумулятора в 35А. Для Li-Po батарей с высокой токоотдачей в 30С минимальная емкость будет равна 1,2 Ач (35/30), а для более легких Li-Po и Li-Ion с токоотдачей в 10С минимальная емкость 3,5 Ач (35/10).

Как вариант, сборка 6S2P из Li-Ion Sony VTC6 с BMS весит примерно 630 г (при емкости 6 Ач). С этим аккумулятором дрон будет весить 2031 г, что больше оптимального на 135 г, но в пределах максимального. Теперь посчитаем на какое время коптер сможет зависнуть при идеальных условиях.

При общем весе в 2031 г на каждый мотор приходится 508 г. Взглянем на характеристики мотора и найдем потребляемый ток при такой тяге. Он примерно будет равен 1,6А. 4 мотора и электроника дадут в сумме 6,85A (1,6 * 4 0,45). С учетом разрядки аккумулятора до 20% получится (6 Ач * 80% / (6,85 A)) = 0,7 часа или 42 минуты.

Бокс для зарядки

Бокс для зарядки будет сделан из алюминиевого профиля, крепежной фурнитуры и алюминиевых сендвич-панелей. В нем будут установлены роутер, компьютер, погодные датчики и камера с видом на посадочную зону. Я решил сделать покатую крышу из двух створок, чтобы зимой на ней не скапливался снег и не мешал открыванию. Механизм открывания створок до конца еще не продуман, а также не определена система зарядки (нуждаюсь в подсказках).

В следующей статье я расскажу как настроить и запустить дрон через интернет с помощью GUI или командной строки, про варианты систем зарядки из которых я сейчас выбираю, ПО для управления коптером и анализа снимков и почему мой первый полет через интернет продлился так недолго:

Продолжение следует…

Часть 2 про ПО.

Висеть, как вкопанный

Чтобы дрон умел висеть на одном месте и не “плавать”, одного только GPS не достаточно. К сожалению, из-за состояния атмосферы координаты с приемников GPS могут плавать в пределах десятков метров и для сантиметровой точности нужно использовать корректирующие системы

. Эта система использует наземную неподвижную станцию, как эталон отклонений координат, и радиосвязь с бортом, чтобы отправить туда значения этих отклонений. Такая штука обязательно нужна для съемки фотопланов с последующей склейкой в большие карты, а для целей висения на месте я пока ограничусь оптическим датчиком

Работает он по такому же принципу, как и оптическая мышь. В отличие от IR-Lock, он не распознает конкретный образ и в Ardupilot они работают в разных полетных режимах. Изображение с камеры анализируется на смещение 400 раз в секунду, а вычисленные значения смещения могут быть прочитаны контроллером по протоколу I2C. Датчик (

) весит 15 грамм и имеет все необходимое у себя на плате: процессор 168 MHz Cortex M4F CPU (128 64 KB RAM), оптический сенсор 752×480 MT9V034 и 3-х осевой гироскоп L3GD20. Для его нормальной работы также рекомендуется использовать лазерный дальномер, вместо ультразвукового. Хотя на самом модуле предусмотрен разъем как раз для УЗ датчика.

Выбор полетного контроллера

Так как мне нужно транслировать видео и телеметрию через интернет, то сразу приходит на ум поставить на дрон микрокомпьютер с 4G модемом и камерой, и сделать из этого комплекта web-трансляцию. Нашлись вот такие решения:

. Это обычные одноплатники с внешним USB 4G модемом и камерой. Для кодирования и трансляции видео используется

. Но эти штуки сами по себе дроном управлять не умеют, их нужно использовать совместно с полетным контроллером.

Полетный контроллер — это мозг дрона. Он следит за состоянием датчиков положения (гироскоп, акселерометр, компас), GPS-координатами, положением ручек на пульте управления и, исходя из этих данных, управляет моторами, чтобы висеть в одной точке или куда-то лететь.

Полетный контроллер нужно будет как-то связать с бортовым компьютером, чтобы можно было загрузить полетное задание или указать произвольную точку куда лететь и когда включать камеру. В продаже можно найти много разных контроллеров сильно отличающихся друг от друга по цене и функционалу.

С Ardupilot я игрался еще на 8-битных атмегах, в которых не было USB-bootloader’а, а прошивались они на программаторе. С тех пор с ним не сталкивался и был приятно удивлен, когда узнал, что сейчас он может работать на 64-битных компьютерах с Linux, у него огромное сообщество пользователей как хобби, так и профи, длинный список поддерживаемых “из коробки” датчиков и расписанные планы на 2023-2023 годы. За это время он успел перерасти в проект DroneCode, а потом и отсоединиться от него.

На первый взгляд в нем как раз реализованы все необходимые функции: автоматический взлет и посадка, загрузка полетных заданий, есть desktop и мобильные приложения под все основные семейства ОС. Программы управления (GCS — Ground Control Station) общаются с бортовым контроллером короткими сообщениями по открытому протоколу MAVLink через комплект радиомодемов (дрон шлет телеметрию, GCS шлет команды управления). Подозреваю, что эти сообщения получится пустить через интернет.

Взглянем на список поддерживаемых контроллеров и что-нибудь подберем. Вариантов там полтора десятка от мала до велика и с разными характеристиками.

Из всего того многообразия контроллеров мне понравилось несколько вариантов:

Самый легкий комплект (84 г) получается из микрокомпьютера

(9 г), контроллера

(15 г), родного внешнего GNSS модуля (46 г) и дополнительного

(14 г).

Рабочий процессор в этом комплекте один — на Raspberry Pi. На нем висит управление ШИМ регуляторов моторов, считывание показаний датчиков, ОС Linux со всеми потрохами и декодирование видео с камеры. Так как в Pi Zero не предусмотрены USB порты, то в этом варианте приходится использовать внешний концентратор. IMU датчики и вход питания без резервирования.

Следующий комплект (97 г) от гонконгской компании с русскими фамилиями в команде разработчиков — контроллер Emlid Edge (59 г) с GNSS модулем (38 г). GNSS модуль работает по протоколу UAVCAN и дополнительно оснащен магнитометром и датчиком воздушного давления. За ШИМ здесь отвечает отдельный процессор ARM Cortex-M3, ОС Linux крутится на основном ARM Cortex-A53 quad-core.

В контроллере имеется HDMI видеовход, что позволяет подключить к нему напрямую любую камеру с таким выходом, например GoPro 4 или 5. Относительно высокая стоимость объясняется дальнобойными wifi-приемопередатчиками в комплекте (до 2 км с трансляцией HD-видео).

Следующий вариант (98 г) состоит из знаменитого микрокомпьютера Raspberry Pi 3 (45 г) с контроллером-шилдом Navio 2 (23 г) от той же Emlid и внешней GNSS-антенны (30 г). На контроллере стоит отдельный процессор Cortex-M3 для управления ШИМ на 14 каналах и расшифровки входящих SBUS и PPM сигналов от приемника. Он, в свою очередь, управляется через драйвер в ядре ОС Linux, которая крутится на Raspberry.

Контроллер оснащен парой раздельных IMU датчиков (акселерометр, гироскоп, магнитометр) MPU9250 и LSM9DS1, одним датчиком воздушного давления и GNSS-модулем U-blox NEO-M8N, который видит GPS, Глонасс и BeiDou с внешней антенной через разъем MCX.

Дальность связи

Дальность связи зависит не только от модема, но и от антенн, антенных кабелей, условий распространения радиоволн, внешних помех и других причин. Для того чтобы отделить параметры собственно модема от других параметров, влияющих на дальность связи, рассмотрим уравнение дальности [Калинин А.И., Черенкова Е.Л. Распространение радиоволн и работа радиолиний. Связь. Москва. 1971]

где

— искомая дальность связи в метрах;

— частота в Гц;

— мощность передатчика модема в дБм;

— усиление антенны передатчика в дБ;

— потери в кабеле от модема к антенне передатчика в дБ;

— усиление антенны приемника в дБ;

— потери в кабеле от модема к антенне приемника в дБ;

— чувствительность приемника модема в дБм;

— множитель ослабления, учитывающий дополнительные потери за счет влияния поверхности Земли, растительности, атмосферы и других факторов в дБ.

Из уравнения дальности видно, что дальность зависит только от двух параметров модема: мощности передатчика

Остальные параметры в уравнении дальности описывают условия распространения сигнала и параметры антенно-фидерных устройств, т.е. к модему отношения не имеют.

Итак, для того, чтобы увеличить дальность связи необходимо выбирать модем с большим значением

. Увеличить

в свою очередь можно за счет увеличения

или за счет уменьшения

. В большинстве случаев разработчики БЛА ищут модем с большой мощностью передатчика и обращают мало внимания на чувствительность приемника, хотя поступать нужно с точностью до наоборот. Мощный бортовой передатчик широкополосного модема влечет за собой возникновение следующих проблем:

Первые две проблемы связаны с тем, что современные методы передачи больших объемов информации по радиоканалу, например OFDM, требуют

линейного

передатчика. КПД современных линейных радиопередатчиков невысок: 10–30%. Таким образом, 70–90% драгоценной энергии источника питания БЛА преобразуется в тепло, которое нужно эффективно отводить от модема, т. к. в противном случае он выйдет из строя или его выходная мощность упадет из-за перегрева в самый неподходящий момент.

Энергетическая скрытность радиолинка важна для специальных и военных применений. Низкая скрытность означает то, что сигнал модема с относительно большой вероятностью обнаруживается разведприемником станции постановки помех. Соответственно, вероятность подавления радиолинка с низкой энергетической скрытностью также большая.

Чувствительность приемника модема характеризует его способность извлекать информацию из принимаемых сигналов с заданным уровнем качества. Критерии качества могут быть различны. Для цифровых систем связи чаще всего используют вероятность ошибки на бит (bit error rate — BER) или вероятность ошибки в информационном пакете (frame error rate — FER).

Собственно, чувствительность это и есть уровень того самого сигнала из которого надлежит извлечь информацию. Например, чувствительность −98 дБм при BER=10−6 говорит о том, что из сигнала с уровнем −98 дБм или выше можно извлечь информацию с таким BER, а из сигнала с уровнем, допустим, −99 дБм уже нет.

Разумеется, снижение качества при понижении уровня сигнала происходит постепенно, но стоит иметь в виду, что большинству современных модемов присущ т. н. пороговый эффект при котором снижение качества при уменьшении уровня сигнала ниже чувствительности происходит очень быстро.

Достаточно снизить сигнал на 1−2 дБ ниже чувствительности, чтобы BER увеличился до 10−1, а это означает, что видео с борта БЛА вы уже не увидите. Пороговый эффект является прямым следствием теоремы Шеннона для канала с шумами, его невозможно устранить.

Разрушение информации при снижении уровня сигнала ниже чувствительности происходит из-за влияния шума, который формируется внутри самого приемника. Внутренний шум приемника невозможно полностью устранить, но возможно снизить его уровень или научиться эффективно извлекать информацию из зашумленного сигнала.

Производители модемов используют оба этих подхода, производя улучшения в ВЧ блоках приемника и совершенствуя алгоритмы цифровой обработки сигналов. Улучшение чувствительности приемника модема не приводит к столь драматичному увеличению энергопотребления и тепловыделения, как увеличение мощности передатчика. Рост энергопотребления и тепловыделения, конечно, имеется, но он довольно скромный.

Рекомендуется следующий алгоритм выбора модема с точки зрения достижения требуемой дальности связи.

1. Определиться с величиной скорости передачи данных.
2. Выбрать модем с наилучшей чувствительностью для требуемой скорости.
3. Определить дальность связи расчетным путем или в ходе эксперимента.
4. Если дальность связи оказывается меньше необходимой, то попытаться использовать следующие меры (расположены в порядке уменьшения приоритета):

Значения чувствительности зависят от скорости передачи данных по правилу: выше скорость — хуже чувствительность. Например, чувствительность −98 дБм для скорости 8 Мбит/сек лучше, чем чувствительность −95 дБм для скорости 12 Мбит/сек. Сравнивать модемы по чувствительности можно только для одинаковой скорости передачи данных.

Данные по мощности передатчика почти всегда имеются в спецификациях модемов, а вот данные по чувствительности приемника далеко не всегда или в недостаточном объеме. Как минимум это повод насторожиться, т. к. красивые цифры едва ли есть смысл скрывать.

Другие параметры на которые нужно обратить внимание

Наличие дуплексного режима.

Широкополосные модемы для БЛА поддерживают либо симплексный, либо дуплексный режимы работы. В симплексном режиме допускается передача данных только в направлении от БЛА к НС, а в дуплексном — в обеих направлениях. Как правило, симплексные модемы имеют встроенный видеокодек и предназначены для работы с видеокамерами, не имеющими видеокодека.

Для подключения к IP камере или к любым другим устройствам, требующим IP соединения, симплексный модем не пригоден. Напротив, дуплексный модем, как правило, предназначен для соединения бортовой IP сети БЛА с IP сетью НС, т. е. поддерживает IP камеры и другие IP устройства, но может не иметь встроенного видеокодека, т. к. IP видеокамеры, как правило, имеют свой видеокодек. Поддержка интерфейса Ethernet возможна только в дуплексных модемах.

Разнесенный прием (RX diversity). Наличие данной возможности обязательно для обеспечения непрерывной связи на всей дистанции полета. При распространении над поверхностью Земли радиоволны приходят в точку приема двумя лучами: по прямому пути и с отражением от поверхности.

Если сложение волн двух лучей происходит в фазе, то поле в точке приема усиливается, а если в противофазе, то ослабляется. Ослабление может быть весьма существенным — вплоть до полного пропадания связи. Наличие на НС двух антенн, расположенных на разной высоте, помогает решить эту проблему, т. к. если в месте расположения одной антенны лучи складываются в противофазе, то в месте расположения другой — нет. В результате можно добиться устойчивой связи на протяжении всей дистанции.

Поддерживаемые сетевые топологии. Желательно выбирать модем, обеспечивающий поддержку не только топологии точка-точка (point-to-point — PTP), но и топологий точка-много точек (point-to-multipoint — PMP) и ретрансляция (relay, repeater). Использование ретрансляции через дополнительный БЛА позволяет существенно расширить зону действия основного БЛА.

Поддержка PMP позволит получать информацию одновременно от нескольких БЛА на одну НС. Обратите также внимание, что поддержка PMP и ретрансляции потребует увеличения пропускной способности модема по сравнению со случаем связи с одним БЛА. Поэтому для этих режимов рекомендуется выбирать модем с поддержкой широкой полосы частот (не менее 15−20 МГц).

Наличие средств повышения помехозащищенности. Полезная опция, учитывая напряженную помеховую обстановку в местах использования БЛА. Под помехозащищенностью понимают способность системы связи выполнять свою функцию при наличии в канале связи помех искусственного или естественного происхождения.

Для борьбы с помехами существует два подхода. Подход 1: спроектировать приемник модема так, чтобы он мог уверенно принимать информацию даже при наличии помехи в полосе канала связи ценой некоторого уменьшения скорости передачи информации. Подход 2: подавить или ослабить помеху на входе приемника.

Примерами реализации первого подхода являются системы расширения спектра, а именно: скачки по частоте (frequency hopping — FH), расширение спектра псевдослучайной последовательностью (direct sequence spread spectrum — DSSS) или их гибрид. Технология FH получила широкое распространение в каналах управления БЛА из-за небольшой величины требуемой скорости передачи данных в таком канале связи.

Например, для скорости 16 кбит/сек в полосе 20 МГц можно организовать около 500 частотных позиций, что позволяет надежно защититься от узкополосных помех. Применение FH для широкополосного канала связи проблематично из-за получающейся слишком большой полосы частот.

К примеру, для получения 500 частотных позиций при работе с сигналом с шириной полосы 4 МГц потребуется 2 ГГц свободной полосы! Слишком много, чтобы быть реальностью. Использование DSSS для широкополосного канала связи с БЛА более актуально. В этой технологии каждый информационный бит дублируется одновременно на нескольких (или даже на всех) частотах в полосе сигнала и при наличии узкополосной помехи может быть выделен из участков спектра не пораженных помехой.

Использование DSSS, как, впрочем, и FH, подразумевает, что при появлении помехи в канале потребуется снижение скорости передачи данных. Тем не менее очевидно, что лучше получать с борта БЛА видео в меньшем разрешении, чем вообще ничего. В подходе 2 используется тот факт, что помеха, в отличие от внутреннего шума приемника, поступает в радиолинк извне и, при наличии в составе модема определенных средств, может быть подавлена.

Подавление помехи возможно если она локализована в спектральной, временной или пространственной областях. Например, узкополосная помеха локализована в спектральной области и ее можно «вырезать» из спектра при помощи специального фильтра. Аналогично, импульсная помеха локализована во временной области, для ее подавления удаляют пораженный участок из входного сигнала приемника.

Если помеха не является узкополосной или импульсной, то для ее подавления можно использовать пространственный подавитель, т. к. в приемную антенну помеха попадает от источника с определенного направления. Если в направлении на источник помех расположить нуль диаграммы направленности приемной антенны, то помеха будет подавлена.

Такие системы называют системами адаптивного управления диаграммой направленности (adaptive beamforming & beam nulling). В известных автору широкополосных модемах для БЛА такие системы не применяются, хотя ничто не препятствует их появлению в будущем.

Используемый радиопротокол. Производители модемов могут использовать стандартный (WiFi, DVB-T), либо проприетарный радиопротокол. Этот параметр редко указывают в спецификациях. На использование DVB-T косвенно указывают поддерживаемые полосы частот 2/4/6/7/8, иногда 10 МГц и упоминание в тексте спецификации технологии COFDM (coded OFDM)

в которой OFDM используется совместно с помехоустойчивым кодированием. Попутно заметим, что COFDM является чисто рекламным слоганом и не обладает какими-либо преимуществами перед OFDM, т. к. OFDM без помехоустойчивого кодирования на практике никогда не применяется. Ставьте знак равенства между COFDM и OFDM когда видите эти аббревиатуры в спецификациях радиомодемов.

Модемы, использующие стандартный протокол, как правило, построены на базе специализированного чипа (WiFi, DVB-T), работающего в связке с микропроцессором. Применение специализированного чипа снимает с производителя модема много головной боли, связанной с разработкой, моделированием, реализацией и тестированием собственного радиопротокола. Микропроцессор используется для придания модему необходимого функционала. Такие модемы обладают следующими достоинствами.

1. Низкая цена.
2. Хорошие массо-габаритные параметры.
3. Низкое энергопотребление.

Недостатки также имеются.

1. Невозможность изменить характеристики радиоинтерфейса путем смены прошивки.
2. Невысокая стабильность поставок в долгосрочной перспективе.
3. Ограниченные возможности в предоставлении квалифицированной технической поддержки при решении нестандартных задач.

Невысокая стабильность поставок обусловлена тем, что производители чипов ориентируются в первую очередь на массовые рынки сбыта (телевизоры, компьютеры и т.д.). Производители модемов для БЛА для них не являются приоритетными и они не могут никак повлиять на решение производителя чипа о прекращении выпуска без адекватной замены на другой продукт.

Ограниченные возможности в предоставлении технической поддержки обусловлены тем, что команды разработчиков модемов на основе стандартного радиопротокола хорошо укомплектованы специалистами прежде всего по электронике и СВЧ технике. Специалистов по радиосвязи там может не быть вовсе, т. к. для них не существует задач, требующих решения.

Модемы, использующие проприетарный радиопротокол, строятся на базе универсальных чипов аналоговой и цифровой обработки сигналов. Стабильность поставок таких чипов очень высока. Правда, и цена также высока. Такие модемы обладают следующими достоинствами.

1. Широкие возможности адаптации модема под нужды заказчика, включая адаптацию радиоинтерфейса путем смены прошивки.
2. Дополнительные возможности радиоинтерфейса, интересные для применения в БЛА и отсутствующие в модемах, построенных на базе стандартных радиопротоколов.
3. Высокая стабильность поставок, в т.ч. в долгосрочной перспективе.
4. Высокий уровень технической поддержки, включая решение нестандартных задач.

Недостатки.

1. Высокая цена.
2. Массо-габаритные параметры могут быть хуже, чем у модемов на стандартных радиопротоколах.
3. Повышенное энергопотребление блока цифровой обработки сигналов.

Задержка в передаче данных

При оценке этого параметра важно разделять задержку, относящуюся к передаче данных через радиолинк от задержки, создаваемой устройством кодирования/декодирования источника информации, например видеокодека. Задержка в радиолинке складывается из 3-х величин.

1. Задержка за счет обработки сигнала в передатчике и приемнике.
2. Задержка за счет распространения сигнала от передатчика к приемнику.
3. Задержка за счет буферизации данных в передатчике в дуплексных модемах с временным разделением (TDD — time division duplex).

Задержка типа 1 по опыту автора находится в диапазоне от десятков микросекунд до одной миллисекунды. Задержка типа 2 зависит от дальности связи, например, для 100 км линка она равна 333 мкс. Задержка типа 3 зависит от длины TDD фрейма и от отношения длительности цикла передачи к общей длительности фрейма и может меняться в пределах от 0 до длительности фрейма, т. е. представляет собой случайную величину.

Если передаваемый информационный пакет оказался на входе передатчика в момент нахождения модема в цикле передачи, то пакет будет передан в эфир с нулевой задержкой типа 3. Если же пакет чуть запоздал и уже начался цикл приема, то он будет задержан в буфере передатчика на длительность цикла приема.

Наилучший способ узнать задержку в радиолинке это натурный эксперимент с использованием утилит для оценки характеристик сети. Измерять задержку методом запрос−ответ не рекомендуется, т. к. задержка в прямом и обратном направлениях может быть неодинакова для TDD модемов.

Компоновка

Пока я выбирал подходящую раму и думал как все это на ней размещать и чем крепить, пришел к выводу, что проще будет нарисовать несколько деталей и заказать 3D-печать из пластика и фрезеровку из карбона. Пару готовых железок и крепеж можно заказать на Алиэкспрессе.

Немного поэкспериментировав с компоновкой и центром тяжести, получилась вот такая рама:

Она состоит из карбоновых трубок и пластин, деталей из алюминия и крепежа из титана. Расчетный вес рамы получился 350 г при диагонали 700 мм. 3D-модель рамы и список деталей.

Полностью собранная модель (без проводов):

Общий вес коптера с электроникой, аккумулятором Li-Ion 6S2P и проводами должен получится 1931 г.

Да, мне тоже показалось, что дрон получился слишком голым для автономного варианта и мелкий дождик легко намочит бортовую электронику. Поэтому добавил немного пластика:

3D-модель рамы. Список деталей рамы.3D-модель в сборе. Список компонентов.

Вес пустой рамы с корпусом 384 г, общий вес 2020 г, расчетное время висения на одной зарядке (разряд аккумулятора до 20%): 44 минуты.

Критерии выбора

Основными критериями выбора широкополосного модема для БЛА или робототехники являются.

1. Дальность связи.
2. Максимальная скорость передачи данных.
3. Задержка в передаче данных.
4. Массо-габаритные параметры.
5. Поддерживаемые информационные интерфейсы.
6. Требования по питанию.
7. Отдельный канал управления/телеметрии.

Максимальная скорость передачи данных

Выбор модема по этому параметру относительно прост, если требования по скорости четко определены. Но существуют и некоторые нюансы.

Если решаемая задача требует обеспечения максимально возможной дальности связи и при этом есть возможность выделить достаточно широкую полосу частот для радиолинка, то лучше выбирать модем, поддерживающий широкую полосу частот (bandwidth). Дело в том, что требуемую информационную скорость можно обеспечить в относительно узкой полосе полосе частот за счет использования плотных видов модуляции (16QAM, 64QAM, 256QAM и т. д.), либо в широкой полосе частот за счет использования модуляции низкой плотности (BPSK, QPSK).

Использование модуляции низкой плотности для таких задач предпочтительнее из-за более высокой помехоустойчивости. Поэтому чувствительность приемника получается лучше, соответственно, увеличивается энергетический бюджет модема и, как следствие, дальность связи.

Иногда производители БЛА устанавливают информационную скорость радиолинка намного больше скорости источника, буквально в 2 и более раз, аргументируя это тем, что источники типа видеокодеков имеют переменный битрейт и скорость модема должна выбираться с учетом максимальной величины выбросов битрейта.

Дальность связи при этом, естественно, уменьшается. Не стоит пользоваться таким подходом без крайней необходимости. Большинство современных модемов имеют вместительный буфер в передатчике, способный сгладить выбросы битрейта без потерь пакетов. Поэтому запас в скорости больше 25% не требуется.

Массо-габаритные параметры

Выбор бортового блока модема по этому критерию не требует особых комментариев: чем меньше и легче — тем лучше. Не забывайте также о необходимости охлаждения бортового блока, могут потребоваться дополнительные радиаторы, соответственно, вес и габариты также могут увеличится. Предпочтение тут нужно отдавать легким, малогабаритным блокам с малым энергопотреблением.

Для наземного блока массо-габаритные параметры не столь критичны. На первый план выходит удобство использования и установки. Наземный блок должен представлять собой надежно защищенное от внешних воздействий устройство с удобной системой крепления к мачте или штативу.

Хороший вариант когда наземный блок интегрирован в одном корпусе с антенной. В идеале наземный блок должен соединяться с управляющей системой через один удобный разъем. Это убережет вас от крепких слов когда потребуется проводить работы по развертыванию при температуре −20 град.

Минимальный комплект электроники

Вот, что собралось:

Общий вес получается 199 г. Все компоненты работают от 5 Вольт и потребляют в режиме трансляции видео почти 2 Ампера (10 Ватт).

В наборе присутствует ультразвуковой датчик расстояния, который будет смотреть вперед на предмет препятствий. Стереозрение и круговые лидары я оставил на потом, если в них возникнет реальная необходимость.

Моторы и пропеллеры

На многих профессиональных дронах я видел моторы и пропеллеры компании

. Видимо, не спроста. В документации Ardupilot они также

как силовая установка для профессиональных дронов. Поэтому, поищем подходящие моторы у них.

Чтобы дрон летал долго, нужны моторы с максимальным КПД. Эффективность связки мотора и пропеллера измеряется количеством тяги в граммах на 1 Ватт затраченной электроэнергии. Чтобы узнать какой мотор самый подходящий, нужно знать общий вес полностью собранного дрона с учетом рамы, аккумулятора и самих моторов с винтами.

Слишком много неизвестных, поэтому воспользуюсь онлайн калькулятором для квадрокоптеров E-calc.

Поигравшись в калькулятор, я выбрал моторы Antigravity 4004 KV300 (53 г) с винтами 15х5 (27 г). В оптимальном режиме при напряжении питания 24 Вольта такой комплект тянет 474 грамма при токе 1,4 А. Эффективность получается 14.

11 г/Ватт, отношение тяги к собственному весу = 5.9:1. На полном ходу тяга составляет 1311 грамм при токе 7,5 А. Коптер будет с четырьмя моторами, то есть квадро. Оптимальный взлетный вес = (474 г * 4 мотора) = 1896 г, максимальный (с учетом тяговооруженности 2:1) = (1311 г * 4 мотора) / 2 = 2622 г.

Моторы управляются регуляторами оборотов. Напряжение питания моторов = 24 Вольта, максимальный рабочий ток = 7,5 А, поэтому нужен регулятор под такое напряжение и с рабочим током, с учетом запаса, минимум 10А. У T-Motor самый легкий регулятор (7 г без проводов) под такое напряжение — это FPV 35A-32bit 3-6S.

Подитог:

ВМГ (винто-моторная группа), состоящая из моторов, пропеллеров и регуляторов (по 4 шт каждого) весит 346 г.

Вместе с электроникой и полезной нагрузкой (346 505) получается 851 г. С учетом крепежа, проводов и разъемов (прикинем 100 г) = 951 г.

При оптимальном весе, на раму и аккумулятор остается (1896 — 951) = 945 г. При максимальном (2622 — 951) = 1671 г.

Отдельный канал управления/телеметрии

Важная возможность в тех случаях когда на БЛА не остается места для установки отдельного командно-телеметрического модема. Если же место есть, то отдельный канал управления/телеметрии широкополосного модема можно использовать в качестве резервного. При выборе модема с этой опцией обратите внимание на то, чтобы модем поддерживал нужный протокол для связи с БЛА (MAVLink или проприетарный) и на возможность мультиплексирования данных канала управления/телеметрии в удобный интерфейс на наземной станции (НС).

Например, бортовой блок широкополосного модема подключается к автопилоту через интерфейс типа RS232, UART или CAN, а наземный блок подключается к управляющему компьютеру через интерфейс Ethernet по которому необходимо обеспечить обмен командно-телеметрической и видео информацией.

Питание

Для питания всей электроники необходимы источники на 5 Вольт (минимум 2,2 Ампера) и 12 Вольт (минимум 1 Ампер). С учетом резервного питания полетного контроллера, нужно два независимых источника на 5 Вольт. Сделать систему питания можно из отдельных модулей подходящего номинала или найти готовый “3 в 1”, например

(24 г, макс входное напряжение до 28 Вольт, выходы по 3А). К нему будет подключен

(22 г), чтобы была возможность измерять расход мАч на аккумуляторе.

Комплект электроники камера подвес система питания весят 505 г.

Полезная нагрузка

Так как родная камера от Raspberry делает средние по качеству фото, а также не умеет захватывать фото одновременно с видео, то она будет использоваться только для web-трансляции, а в качестве основной камеры нужна подходящая для выявления дефектов на ЛЭП. Для большей части позиций из списка выявляемых дефектов подойдут

, мультиспектральная

, двойная

и инфракрасная

. Каждая из них весит около 100 г.

Для стабилизации камеры с целью улучшения качества снимков в нагрузку с ней полетит 2х или 3х осевой подвес.

Простые 3-х осевые подвесы весят около 160 г и питаются от 12 Вольт, имеют рабочий ток при таком напряжении около 50 мА и максимальный ток 700 мА при заклинивании моторов.

Посадка “в точку”

Для точной посадки можно использовать стандартную камеру бортового компьютера, визуальные маркеры и OpenCV для их распознавания. Вот

решения, который можно нагуглить.

свежий появился, когда я писал эту статью. Но распознавание образов достаточно трудоемкий процесс для Raspberry, и без особой необходимости загружать его не хочется. Также качество распознавания будет сильно зависеть от материала из чего сделан маркер и условий освещенности.

Технические данные некоторых модемов для бла

В Таблице приведены технические параметры некоторых модемов для БЛА, имеющихся на рынке.

Обратите внимание на то, что хотя модем 3D Link имеет наименьшую мощность передатчика по сравнению с модемами Picoradio OEM и J11 (25 дБм против 27−30 дБм), энергетический бюджет 3D Link выше, чем у этих модемов, за счет высокой чувствительности приемника (при одинаковой скорости передачи данных у сравниваемых модемов). Таким образом, дальность связи при использовании 3D Link будет больше при лучшей энергетической скрытности.

Таблица. Технические данные некоторых широкополосных модемов для БЛА и робототехники

* н/д — нет данных.

Требования к бпла

А также два противоречащих друг другу требования:

Степень автономности в идеале хочется фантастическую: дрон сам летает по заранее спланированному маршруту, загружает фото на сервер, ПО на сервере выявляет дефекты по фото и формирует заявку ремонтной бригаде с координатами мест проведения работ. Сам дрон не должен требовать к себе внимания человека до окончания рабочего ресурса какой-нибудь детали, например, аккумулятора или подшипников.

Понятно, что эта задача не на один год, но я начну, а кто-нибудь, может быть, подхватит и продолжит.

Для примера, готовые промышленные варианты автономных комплексов: раз, два, три, четыре, пять, шесть, семь, восемь, девять, десять, одиннадцать, двенадцать, тринадцать, четырнадцать.

Требования по питанию

Бортовые блоки, как правило, выпускают с поддержкой широкого диапазона питающих напряжений, например 7−30 В, что перекрывает большую часть вариантов напряжения в энергетической сети БЛА. Если у вас есть возможность выбора из нескольких питающих напряжений, то отдавайте предпочтение наименьшему значению питающего напряжения.

Как правило, внутреннее питание модемов производится от напряжений 3.3 и 5.0 В через вторичные источники питания. Эффективность этих вторичных источников питания тем выше, чем меньше разность входного и внутреннего напряжения модема. Повышенная эффективность означает уменьшение энергопотребления и тепловыделения.

Наземные блоки, напротив, должны поддерживать питание от источника с относительно высоким напряжением. Это позволяет применить питающий кабель с небольшим сечением, что уменьшает массу и упрощает установку. При прочих равных условиях отдавайте предпочтение наземным блокам с поддержкой PoE (Power over Ethernet). В этом случае для соединения наземного блока с управляющей станцией потребуется всего один Ethernet кабель.