Пошаговые этапы сборки квадрокоптера своими руками

Полетный контроллер

Зачем вообще нужен специальный полетный контроллер — вычислительная система, работающая в реальном времени по довольно сложным алгоритмам? Очевидно, что квадрокоптер необходимо непрерывно стабилизировать, парируя порывы ветра и неоднородность воздушных масс, а возможностей человеческого организма для этого недостаточно.

Классическим устройством для стабилизации объекта в пространстве либо измерения угловых ускорений является гироскоп. Все мы из школьных уроков физики знаем про механический гироскоп-волчок либо про вращающийся в свободном подвесе маховик. При попытке изменить угловое положение оси вращающегося маховика возникает противодействующая сила.

В трехмерном пространстве произвольное изменение положения рамы квадрокоптера можно разложить на вращение по трем взаимно ортогональным осям. Соответственно, возникают мгновенные угловые ускорения по каждой из этих осей. Эти ускорения могут быть измерены я использованы для выработки компенсирующей реакции в системе с обратной связью, которой в нашем случае является квадрокоптер, оснащенный полетным контроллером.

Современные датчики положения и ускорений представляют собой интегральные микросхемы размерами в несколько миллиметров. Внутри у них находится сложная электромеханическая структура из упругих подвесов, грузиков, пружин, конденсаторов и электронной части для усиления и обработки сигналов. Такие устройства принято обозначать аббревиатурой МЭМС (MEMS — MicroElectroMechanical System).

Принцип работы интегрального гироскопа

Чувствительным элементом интегрального гироскопа обычно являются два миниатюрных грузика, колеблющихся на упругом подвесе в противоположных направлениях (рис. 2.2).

Пошаговые этапы сборки квадрокоптера своими руками

Рис. 2.2.Устройство интегрального гироскопа

Источником колебаний грузиков являются гребенчатые электростатические двигатели. Грузики, вместе с электродами, расположенными на подложке, образуют конденсаторы, входящие в состав дифференциальной схемы, вырабатывающей сигнал, пропорциональный разности емкостей конденсаторов.

Линейное ускорение одинаково воздействует на оба грузика и подложку, поэтому сигнал на выходе дифференциальной схемы не появляется. Когда возникает вращательное ускорение по оси со, то на грузики начинает действовать сила Кориолиса FC, отклоняя грузики в противоположных направлениях.

Соответственно, емкость одного конденсатора увеличивается, а другого уменьшается, что порождает разностный сигнал, пропорциональный величине углового ускорения. Изначально, при включении, разностный сигнал на выходе гироскопа не нулевой, поэтому требуется процедура стартовой калибровки, когда микроконтроллер опрашивает показания гироскопов в состоянии покоя и принимает их за нулевые. Во время прохождения калибровки нельзя двигать коптер.

Но почему в конструкции квадрокоптера нельзя обойтись простейшей системой стабилизации на основе гироскопов, по одному на каждую ось вращения? Зачем нужны другие датчики и микроконтроллер со сложной программой? В реальных условиях квадрокоптер не отклоняется идеально лишь по одной оси.

Например, под влиянием случайного порыва ветра квадрокоптер отклонился по диагонали назад вправо. Значит, управляющая система должна увеличить обороты правого заднего мотора и уменьшить левого переднего, отклоняя раму вперед влево. Но моторы, регуляторы и пропеллеры не идеально одинаковые, и команду они отработают по-разному.

Возникнет некомпенсированный реактивный крутящий момент. Следовательно, одновременно с выравниванием квадрокоптера в горизонт полетный контроллер должен оперативно внести коррективы в обороты другой пары моторов, чтобы скомпенсировать вращение по курсу.

И это самый простой пример, в котором мы не учитываем, что в то же самое время с пульта могут поступать сигналы управления. Впрочем, с вычислительной задачей для системы с тремя гироскопами способен справиться недорогой микроконтроллер начального уровня.

Напомним, что интегральный гироскоп — это всего лишь датчик углового ускорения. Для него нет понятия «верх» или «низ», и ему безразлично, в каком статическом положении относительно горизонта он находится. Он лишь показывает мгновенное угловое ускорение относительно начального положения.

Как только внешнее воздействие начнет поворачивать раму квадрокоптера вокруг одной из осей, то от соответствующего гироскопа немедленно поступит сигнал на процессор полетного контроллера. В ответ контроллер скорректирует обороты моторов так, чтобы скомпенсировать ускорение.

Но как только внешнее воздействие прекратится, угловое ускорение станет равным нулю, и на основании сигналов одних лишь гироскопов контроллер не узнает, вернулся ли квадрокоптер в исходное положение. Это задача оператора, которую он может решать только при визуальном контроле.

А теперь представьте, что вы командой с пульта отклонили квадрокоптер на пять градусов вправо, а затем вернули рукоятку пульта в нейтральное положение. В соответствии с сигналом пульта контроллер сделает обороты всех моторов одинаковыми, но это вовсе не означает, что квадрокоптер вернется в горизонтальное положение.

При гироскопической стабилизации оператор должен выровнять коптер вручную. На практике, квадрокоптер, оснащенный только гироскопами, не может стабильно висеть более минуты даже в помещении. Далее нужно вручную парировать его дрейф. Свое влияние на показания гироскопов оказывают изменение температуры корпуса и угловые ускорения, возникающие при вращении Земли.

Следовательно, для более продвинутой конструкции полетного контроллера необходим датчик, показывающий положение квадрокоптера относительно земной поверхности (если точнее, то относительно вектора ускорения свободного падения, который всегда направлен перпендикулярно земной поверхности, к центру Земли). Такой датчик есть в каждом современном смартфоне или планшете и называется акселерометром.

Принцип работы интегрального акселерометра

Акселерометр — это МЕМС-устройство, которое измеряет линейные ускорения. В состав интегрального акселерометра входят чувствительный элемент и электронная часть, осуществляющая предварительную обработку сигнала.

В очень упрощенном виде чувствительный элемент представляет собой токопроводящий грузик на гибком подвесе, помещенный между двумя электродами (рис. 2.3).

Пошаговые этапы сборки квадрокоптера своими руками

Рис. 2.3.Устройство чувствительного элемента акселерометра и его эквивалентная электрическая схема

Грузик и электроды образуют два конденсатора. При смещении грузика под действием ускорения емкость одного конденсатора уменьшается, а другого увеличивается. Так как заряд конденсаторов постоянен, то изменяется напряжение на выводах конденсаторов. Это изменение измеряется встроенной электронной схемой, результат измерения в цифровом виде выдается в ответ на запрос внешнего вычислительного устройства. Результат может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от направления вектора ускорения.

Реальный сенсор акселерометра устроен значительно сложнее, в нем детали конструкции выполняют несколько функций одновременно. Но для понимания принципа работы упрощенной схемы достаточно.

Все современные интегральные акселерометры, как правило, трехосевые. Три сенсора расположены внутри одного корпуса микросхемы перпендикулярно осям x, у и z. Вектор действующего на устройство ускорения вычисляется микроконтроллером через проекции вектора на три оси.

Даже если устройство находится в покое, на него действует ускорение свободного падения g. Вектор g→ направлен вертикально вниз, к центру Земли. Если корпус акселерометра расположен строго горизонтально, то вектор земного тяготения совпадает с осью z и ускорение действует только на один сенсор.

Но стоит наклонить акселерометр, как появятся составляющие вектора g→ по осям х и у, а составляющая по оси z пропорционально уменьшится. На основании величин проекций вектора земного тяготения на оси и их знака микроконтроллер вычисляет наклон квадрокоптера. Именно по такому принципу ваш смартфон или планшет определяет ориентацию экрана.

Смотрите про коптеры:  Первые роботы и история развития робототехники

Поскольку датчики акселерометра не идеально одинаковые и печатная плата может быть смонтирована не идеально ровно, перед началом эксплуатации акселерометр необходимо откалибровать: поместить устройство строго горизонтально и сообщить бортовому контроллеру, что текущие показания акселерометра соответствуют горизонтали.

Соответствующие корректировочные константы записываются во встроенную память микроконтроллера. В этом состоит различие между процедурами калибровки гироскопа и акселерометра: гироскоп калибруют после каждого включения питания, а также при длительном перерыве между взлетами, а акселерометр однократно, после окончания сборки коптера.

Существенным недостатком MEMS-акселерометров является высокая чувствительность к вибрациям. Но вибрации — неизменный спутник винтокрылых аппаратов, поэтому необходимо принимать специальные меры по виброизоляции, а также балансировке воздушных винтов и моторов.

Именно появление доступных по цене трехосевых акселерометров определило взрывной рост популярности квадрокоптеров. Еще несколько лет назад акселерометры были, в основном, двухосевыми, а трехосевые стоили весьма дорого и были редкостью. С появлением игровой приставки Nintendo Wii и игровых манипуляторов WiiMotionPlus и Nunchak ситуация кардинально изменилась.

Малогабаритные трехосевые интегральные акселерометры и гироскопы стали доступны по вполне разумным ценам. Первые энтузиасты покупали платы манипуляторов Nintendo и подключали их к вычислителю на основе модуля Arduino. Затем к процессу подключились китайские производители, начавшие массовое производство полетных контроллеров с полным наборов сенсоров «на борту».

Благодаря тому, что акселерометр определяет положение квадрокоптера относительно горизонтали, становится возможным автоматическое выравнивание устройства (автогоризонт). Как только ручки управления на пульте вернулись в нейтральное положение, полетный контроллер воспринимает это как команду выровнять квадрокоптер в горизонтальное положение, которое вы задали при калибровке.

Есть и другие положительные моменты в использовании акселерометра. Предположим, командой с пульта мы наклонили квадрокоптер для полета вперед. Чтобы компенсировать уменьшение вертикальной тяги, необходимо равномерно увеличить обороты всех моторов пропорционально наклону.

Разумеется, акселерометры измеряют не только ускорение свободного падения, но и линейные ускорения по любой из осей при движении квадрокоптера. В ряде случаев эта информация тоже бывает полезна.

С другой стороны, когда надо быстро определить скорость и знак углового ускорения, проще использовать гироскоп, который так же выдает эти данные более точно и в готовом виде. Таким образом, каждый сенсор хорош для своей задачи. В современных MEMS-микросхемах трехосевые гироскопы и трехосевые акселерометры часто объединяют в одном корпусе с размерами около 3x3x1 мм.

Чтобы определить курсовое направление рамы квадрокоптера, нужен еще один датчик — интегральный компас, или магнитометр. Квадрокоптер может лететь как угодно, вбок, назад, или по диагонали, поэтому «вперед» в нашем случае — это условное направление рамы и контроллера, относительно которого определяется фактическое направление полета. На плате контроллера направление «вперед» обычно обозначается стрелкой.

Принцип работы интегрального магнитометра (компаса)

В основе конструкции интегрального магнитометра (рис. 2.4) лежит анизотропный магниторезистивный эффект. Чувствительный элемент изготавливается из пермаллоевой пленки, способной изменять свое сопротивление в зависимости от направления протекающего через нее тока и направления вектора ее намагниченности.

Пошаговые этапы сборки квадрокоптера своими руками

Рис. 2.4. Устройство интегрального магнитометра

Четыре пермаллоевых элемента соединяются в измерительный мост (см. рис. 2.4). При подаче постоянного напряжения на мост датчик начинает измерять интенсивность внешнего магнитного поля, направленного вдоль его чувствительной оси. Мостовой датчик имеет ось предпочтительного намагничивания, так называемую легкую ось, и наиболее чувствителен к полям, направленным перпендикулярно этой оси.

В квадрокоптерах применяются трехосевые интегральные магнитометры, состоящие из трех независимых датчиков, ориентированных по трем ортогональным осям и электронной схемы. В спецификации магнитометра всегда указывают направление осей относительно корпуса (рис. 2.5).

Пошаговые этапы сборки квадрокоптера своими руками

Рис. 2.5.Магнитометр HMC5883L на плате расширения

Магнитометры не подвержены вибрации, но на их показания влияют внешние близко расположенные металлические предметы. Помехи можно разделить на три основных класса.

• «Искажения твердого железа» (Hard Iron Distortion) — к магнитному полю земли добавляется постоянное магнитное поле от намагниченных предметов, например магнита звукоизлучателя. Намагниченными могут быть даже выводы радиодеталей, изготовленные из луженого железа. Эта постоянная составляющая может быть исключена при калибровке.

• «Искажения мягкого железа» (Soft Iron Distortion) — магнитное поле искажается посторонними предметами, не имеющими собственной намагниченности. Например, сплавы никеля, пермаллой искажают силовые линии поля. Такие искажения зависят от положения объекта в пространстве и труднее компенсируются.

• Динамические или вихревые помехи. Это специфическая особенность электрических летательных аппаратов, особенно коптеров. Мощные токи, протекающие через проводники силовых цепей и батарею, порождают магнитные поля в окружающем пространстве. Причем напряженность этих полей постоянно меняется в зависимости от нагрузки на моторы.

Иногда магнитные помехи настолько сильны, что делают невозможным использование компаса и даже способны привести к аварии. К сожалению, переменные магнитные поля невозможно скомпенсировать программно и приходится применять специальные конструктивные меры.

Для уменьшения наводок микросхему компаса стараются выносить с платы контроллера и поднимать вверх на 10–20 см над рамой. При укладке силовых проводов следует избегать образования петель, все провода должны иметь минимальную длину. Силовые провода рекомендуется перекручивать.

Малогабаритные контроллеры, предназначенные для полетов внутри помещения, по очевидной причине компас не содержат.

Перед началом полетов магнитометр необходимо откалибровать, проведя процедуру вращения коптера по всем осям. Детали этой процедуры могут зависеть от применяемой прошивки контроллера.

Благодаря наличию компаса возможен интересный режим полета, именуемый Headfree. В этом режиме фиксируется курсовое положение квадрокоптера в момент активации моторов. Если в процессе полета развернуть раму квадрокоптера по Yaw, то условное направление «вперед», зафиксированное при взлете, не изменится.

При наклоне правого стика пульта вперед квадрокоптер всегда будет лететь вперед, при наклоне вправо — всегда вправо и т. д., независимо от того, как в данный момент развернута рама. Считается, что этот режим удобен для начинающего пилота, а также при полетах на большом удалении, без видеоканала и средств телеметрии, когда визуальный контроль над положением рамы затруднен. Если пилот случайно развернул квадрокоптер, то это не отразится на управлении и поможет избежать аварии.

Приемники gps

Приемник спутниковой навигации в оборудовании квадрокоптера нужен для того, чтобы:

• выполнять автоматический полет по заранее заданному маршруту;

https://www.youtube.com/watch?v=s873edJaZpg

• при полетах по FPV определять текущее расстояние до точки взлета, скорость и высоту полета;

• при потере сигнала управления обеспечить автоматический возврат к точке взлета.

Приемник GPS следует приобрести даже ради одной лишь функции автовозврата, которая спасает коптер при потере сигнала управления.

Аббревиатура GPS (Global Positioning System) стала нарицательной и в быту обозначает как любые пользовательские приемники сигналов, так и американскую навигационную систему, которая официально называется NAVSTAR. Соответственно, российская навигационная система называется ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система), объединенная европейская система — GALILEO, китайская — KOMPASS и т. д.

Смотрите про коптеры:  Обзор квадрокоптера TBS Discovery

Иными словами, сокращение GPS относится к любой из существующих систем спутниковой навигации, хотя среди специалистов популярна также обобщающая аббревиатура GNSS (Global Navigation Satellite System — глобальная система спутниковой навигации).

Поэтому наименование «двухсистемный приемник GPS/ГЛОНАСС», строго говоря, неправильное. На самом деле это «двухсистемный приемник NAVSTAR/ГЛОНАСС». Впрочем, американцы собственную навигационную систему уже давно называют просто GPS, так же, как Библию называют просто «Книга». И всем понятно, о чем речь. Мы далее тоже будем именовать американскую систему просто GPS.

Развертывание американской системы было завершено в 1996 году. Российская система по причине известных внутренних проблем тех лет существенно отстала в развитии, вследствие чего GPS NAVSTAR стала почти монополистом и мировым лидером. Но сейчас развитию российской системы уделяется большое внимание, ее орбитальная группировка и наземная инфраструктура близки к завершению.

Поэтому в продаже все чаще появляются двухсистемные приемники. Остальные системы существенно отстают в глобальном охвате и находят применение в отдельных государствах и специфических областях типа судовождения, управления полетами гражданской авиации, геодезии и т. д.

Описанию принципов работы GPS посвящено большое количество подробных и познавательных статей и книг, поэтому мы рассмотрим лишь общие понятия, а также базовые различия между GPS и ГЛОНАСС. Система спутниковой навигации состоит из орбитальной группировки (спутники), наземного (центры управления и слежения) и абонентского (приемники потребителей) сегментов.

Изначально планировалось, что спутниковая группировка GPS будет состоять из 24 спутников, распределенных по 4 на шести орбитах. Однако этого оказалось недостаточно для надежного покрытия критически важных регионов Земли. Кроме того, надо иметь спутники в резерве.

Спутники ГЛОНАСС располагаются на трех орбитальных плоскостях, по 8 спутников в каждой, и теоретически орбитальная структура ГЛОНАСС обеспечивает более полное и надежное покрытие. К сожалению, на момент написания книги формирование орбитальной группировки ГЛОНАСС не было завершено и на орбите находилось 25 спутников, не все из которых введены в эксплуатацию.

GPS NAVSTAR использует кодовое разделение каналов с вещанием кодированных сигналов на нескольких частотах, а ГЛОНАСС — частотное. Но суммарная ширина спектра сигналов ГЛОНАСС даже меньше, чем у GPS, поэтому один и тот же радиочастотный тракт приемника может принимать сигналы обеих систем.

Дальнейшее разделение сигналов спутников и выделение полезной информации производится методами цифровой обработки сигнала внутри абонентского приемника. Использование мультисистемных приемников существенно повышает качество навигации, особенно в сложной обстановке (городская застройка, лес, горы).

Принцип определения координат

Определение координат объекта производится путем измерения дальностей до спутников. Рассмотрим пример с тремя навигационными передатчиками А, В и С на плоскости (рис. 3.5).

Пошаговые этапы сборки квадрокоптера своими руками

Рис. 3.5.Определение координат на плоскости дальномерным методом

Измерение расстояний RA и RB до передатчиков А и В дает нам две окружности положения с соответствующими радиусами. Объект может находиться как в точке О, так и в точке О’. Добавление третьего передатчика ликвидирует эту неоднозначность на плоскости.

Аналогично происходит определение местоположения в трехмерном пространстве, только вместо окружностей мы имеем пересекающиеся сферы местоположения, которые сложно изобразить на книжной иллюстрации. Постарайтесь представить картину мысленно. Пересечением двух сфер является окружность, на любой точке которой может находиться наш объект.

Пересечение трех сфер дает нам пересечение трех окружностей положения в трехмерном пространстве, что порождает неоднозначность в виде двух точек положения. В ряде случаев одну из точек навигационный приемник может сразу исключить, если воспользоваться дополнительной информацией о положении: привязка к наземной станции навигации или сотовой связи, к точке доступа Wi-Fi, ранее сохраненные данные и т. д.

Также очевидно, что объект заведомо не может находиться, например, на глубине 300 м под землей. Однако это частности, а в общем случае для определения координат объекта в трехмерном пространстве (ширина-долгота-высота) необходимы как минимум четыре спутника.

Пространственные координаты спутника известны с большой точностью. Чтобы вы оценили точность позиционирования спутников на орбите, отметим, что учитывается давление солнечного света на оболочку спутника, истечение газов наружу из материала оболочки, влияние гравитационного поля Луны и неоднородность гравитационного поля Земли.

Расстояние от спутника до объекта вычисляется умножением скорости света на время прохождения сигнала от спутника до приемника. Но скорость света в вакууме и атмосфере различается. Кроме того, при прохождении через тропосферу и ионосферу радиосигнал испытывает переменные задержки, величина которых зависит от текущего физического состояния верхних слоев атмосферы.

Для компенсации переменных задержек применяется передача копии спутникового сигнала на второй частоте. Зависимость задержки от частоты хорошо изучена и точно известна. Но двухчастотные приемники очень дороги, сигнал на второй частоте зашифрован и доступ к его использованию лицензируется.

Поэтому в гражданской практике двухчастотные приемники (не путайте с двухсистемными) практически не используются. Кроме атмосферных задержек на определение дальности влияют инструментальные задержки сигнала в цепях передатчика и приемника, ошибки часов спутника и приемника, а также релятивистский эффект, возникающий при движении спутника по орбите. Поэтому фактически приемник работает не с дальностями, а с псевдодальностями до спутников.

Для определения времени прохождения сигнала от спутника часы приемника должны быть очень точно синхронизированы с часами спутника, т. к. расхождение порядка 0,3·10-6 с дает погрешность 100 м. В общем случае вычислитель приемника решает систему уравнений, в которой четыре неизвестных: три пространственных координаты X, Y, Z и время t.

Как известно, для нахождения однозначного решения системы уравнений, их должно быть на одно больше, чем неизвестных. Поэтому для точной синхронизации шкал времени нужны уже пять спутников, а не четыре. Разумеется, задача устранения погрешностей, связанных с переменными задержками, может решаться путем накопления измерений и статистической обработки на основе сигнала от четырех спутников. Но такой подход менее точен и требует существенно большего времени для накопления измерений.

Еще одной серьезной проблемой является прием отраженных сигналов в условиях городской застройки или сильно пересеченного рельефа местности. В некоторых случаях приемник может получать только отраженный сигнал. Наличие отражений приводит к ошибочному определению координат.

Итак, современные модули GPS, применяемые в квадрокоптерах, одновременно обрабатывают сигналы не более чем от шести спутников. Дальнейшее увеличение числа одновременно обрабатываемых спутников существенно усложняет и удорожает приемник, но не дает заметного увеличения точности.

Даже если в зоне видимости находятся десять и более спутников, приемник в определенный момент времени будет работать только с шестью. Но наличие «запасных» спутников позволяет приемнику отвергать сигналы, которые он счел отраженными и недостоверными, а также динамически переключаться на сигнал спутников, имеющих более выгодное для навигации геометрическое расположение на орбите в текущий момент.

Смотрите про коптеры:  Что умеют самые продвинутые на сегодняшний день роботы

Геометрический фактор

Скорость и точность определения местоположения зависят от расположения спутников в пространстве относительно приемника. Наихудшим вариантом является расположение нескольких видимых спутников приблизительно на одной воображаемой линии с приемником. В этом случае погрешность и время определения возрастают до максимума.

Поэтому наличие четырех-шести видимых спутников не всегда означает качественное позиционирование даже на открытой местности. Наилучшим вариантом является равномерное распределение нескольких спутников по полушарию над приемником. Применительно к геометрическому фактору, орбитальная структура ГЛОНАСС является более удачной, чем GPS NAVSTAR.

Альманах и эфемериды

Навигационные сообщения спутников несут два типа данных: альманах и эфемериды. Альманах содержит параметры орбит всех спутников, при помощи которых приемник может предсказать расположение спутников с достаточно большой погрешностью и не тратить время на попытки приема сигнала со спутников; которые заведомо не видны.

Эфемериды содержат корректирующие поправки, которые вычисляются наземными станциями слежения и регулярно загружаются в бортовой вычислитель спутника. В отличие от альманаха, каждый спутник передает только собственные эфемериды, обновляемые каждые 30 минут. При хранении в приемнике срок действия эфемерид не более 4–6 часов.

Информация передается со спутника с низкой скоростью, всего 50 бод. Пакет данных содержит контрольную сумму для проверки правильности приема. Также в пакет данных входит флажок «здоровья» спутника (health status). Если спутник неисправен или находится на обслуживании, он продолжает излучать навигационный сигнал для нужд станций слежения, но его сигнал помечается как недостоверный и отвергается приемником.

Время старта приемника, необходимое для перехода в режим определения позиции (GPS Fix или режим захвата спутников), зависит от имеющейся в памяти приемника информации о спутниках.

«Холодный» старт

При «холодном» старте ожидаемая позиция, время, альманах и эфемериды неизвестны. Приемник сканирует все каналы и весь диапазон возможных значений временных задержек навигационных сигналов. После того, как навигационный сигнал хотя бы от одного спутника получен и разобран, приемник обладает информацией о текущем альманахе всей спутниковой группировки и переходит к «теплому» старту.

Время «холодного» старта на открытой местности для современных модулей составляет порядка 30–35 с. При плохих метеоусловиях или мешающих кронах деревьев продолжительность старта может увеличиться до 60–70 с. Таким образом, при использовании приемных модулей на открытой местности можно обходиться без хранения альманаха в памяти и заново стартовать при каждом включении бортового питания. Но в городских условиях время «холодного» старта существенно возрастает, иногда до 10–15 минут.

«Теплый» старт

При «теплом» старте приемник, включенный после 6 и более часов бездействия, начнет сканировать сигналы спутников, используя данные хранящегося в памяти альманаха и время собственных часов. При этом будет осуществляться поиск только тех спутников, которые теоретически, по данным альманаха, должны находиться в видимом полушарии на момент старта.

«Горячий» старт

При «горячем» старте в памяти приемника хранится вся актуальная информация, включая действующие эфемериды, поэтому приемник переходит к определению позиции спустя 1–3 с после включения. Если же к моменту включения приемника видимыми являются менее трех спутников со «свежими» эфемеридами, то приемнику потребуется дополнительное время, чтобы собрать эфемериды с остальных спутников по алгоритму «теплого» старта.

При перемещении выключенного приемника на расстояние более 300 км хранящийся в его памяти альманах теряет актуальность, поэтому при включении на новом месте будет отработан «холодный» старт.

https://www.youtube.com/watch?v=b1IVwGmGs4Y

Технология A-GPS

Для ускорения «холодного» старта применяется загрузка в приемник альманаха, ориентировочных координат и времени, полученных по альтернативным каналам. Эта технология называется A-GPS (Assisted GPS). Обычно сначала по ближайшим сотовым станциям и точкам доступа Wi-Fi определяются приблизительные координаты с точностью 200–500 м, затем из Интернета скачивается актуальный альманах для этой местности и загружается в память приемника.

Переход приемника в режим захвата спутников (GPS Fix) означает лишь, что приемник загрузил альманах и эфемериды и «видит» достаточное для работы созвездие спутников. Для достижения приемлемой точности позиционирования потребуется дополнительное время, пока приемник накапливает данные для снижения погрешностей статистическими методами.

Некоторые модули GPS с устаревшими прошивками при неудачном расположении спутников зависали и вообще не могли стартовать по процедуре «холодного» старта, пока в них с компьютера не выгружали альманах. В современных модулях такая проблема не встречается.

Для хранения информации в модуле приемника GPS используется энергозависимая память с резервным источником питания. Обычно это миниатюрный литиевый аккумулятор или ионистор. Иногда спрашивают, почему в приемниках не используется обычная память EEPROM, которая не теряет информацию при отключении питания?

Антенны GPS

Антенны портативных GPS-модулей имеют специфическую конструкцию. Обычно это керамический блок с нанесенными на него электрохимическим методом металлическими элементами (рис. 3.6).

Пошаговые этапы сборки квадрокоптера своими руками

Рис. 3.6. Обычная керамическая антенна GPS и миниатюрная чип-антенна

После изготовления антенну обычно подстраивают на заводе, подрезая уголки вибратора наждаком или лазером. Иногда применяются активные антенны, когда непосредственно на антенном модуле смонтирован малошумящий усилитель. Такие антенны более эффективны в сложных условиях, но на открытом пространстве, когда сигналы от спутников и без того хороши, они не дают заметного выигрыша.

В последнее время, с появлением миниатюрных приемников GPS и массовым распространением смартфонов, получили широкое распространение миниатюрные керамические чип-антенны размером в несколько миллиметров и весом в доли грамма. Такие антенны производятся по технологии, схожей с изготовлением микросхем и подстраиваются лазером в момент изготовления.

Несмотря на миниатюрные размеры, чип-антенна в сочетании с современными микросхемами приемника практически не уступает по параметрам обычным антеннам, но стоит несколько дороже и, как правило, применяется в составе готовых миниатюрных модулей GPS.

Поток данных GPS, протокол NMEA

Навигационный модуль передает поток данных в полетный контроллер по последовательному интерфейсу UART (СОМ) или I2С. В любом случае структура и содержание этих данных соответствуют протоколу NMEA0183 (National Marine Electronics Assotiation).

Модуль GPS передает строковые сообщения, содержащие различный набор данных: широта, долгота, скорость, курс, системное время, количество спутников и т. д. Сообщения делятся на несколько видов, формат которых содержит в своих полях строго определенную информацию.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector