Разработан автопилот для Drone Racing

Автономная навигация

Коммерческое применение дронов обычно требует автономного полета, а не ручного управления. Связано это с тем, что часто коммерческие полеты надо выполнять регулярно в одном и том же месте и по одному и тому же полетному плану, который можно запрограммировать и снизить издержки на пилота.

Для автономного управления дрону надо как минимум знать с высокой точностью свои координаты в пространстве. На открытом пространстве можно использовать GPS — точность достигается в несколько метров. Дополнительная наземная станция и технология GPS RTK увеличат точность до нескольких сантиметров.

Но наземную станцию не всегда возможно использовать, и это очень дорого. Обычного GPS хватает для задания маршрута полета над сельхозполями, стройками, трубопроводами, и дроны в этих случаях летают автономно. Эта функция есть у любого современного дрона, который можно найти в продаже.

В таком режиме безопасно летать только в открытом небе без препятствий. Если речь идет об обследовании зданий, трубопроводов или применении внутри помещений, то тут не обойтись без дополнительных сенсоров, определяющих расстояние до объектов. Тут используют одномерные сонары, лидары, двумерные лидары, 3D-лидары и камеры глубины.

Есть еще одна важная проблема: если мы летаем в замкнутом пространстве или между высокими зданиями, то сигнал GPS будет недоступен и необходимо иметь другой источник координат дрона в пространстве. Можно определять свои координаты на борту, обрабатывая видеопоток с бортовых камер — лучше использовать стереокамеры или камеры глубины. Такой алгоритм называется SLAM (Simultaneous Localization and Mapping).

В потоке кадров с камеры алгоритм ищет особые точки (features), которыми могут быть маленькие уголки, какие-то неоднородности. Точкам присваиваются дескрипторы таким образом, что, если мы найдем эту же точку в последующих кадрах, когда камера уже успела переместиться в пространстве, ей будет присвоен такой же дескриптор и алгоритм сможет сказать: «Вот на этом кадре есть такая же точка, что и на предыдущем».

Алгоритм не знает 3D-координаты особых точек и координаты камеры в моменты съемок кадров — эти параметры ему как раз и надо вычислить. Он отслеживает изменения пиксельных координат особых точек между кадрами и пытается подобрать такие параметры, чтобы, если спроецировать особые точки в плоскость кадра, получались наблюдаемые или измеренные пиксельные координаты.

В итоге получается оценка перемещения камеры в пространстве. Обычно алгоритм SLAM очень требователен к вычислительным ресурсам, но есть камера Intel RealSense T265 с микросхемой, реализующей вычисления SLAM на аппаратном уровне.

Для организации автономного управления дроном необходимо решить три задачи.

1. Определить координаты дрона в пространстве. Использовать для этого GPS-приемник или вычислять на борту координаты, обрабатывая видеопоток алгоритмом SLAM. А лучше использовать оба подхода, чтобы знать как глобальные, так и локальные координаты дрона
2. Построить 3D-карту окружения дрона с помощью сенсоров типа стереокамер, камер глубины, лидаров.
3. Добавить софт для планирования маршрута с учетом цели полета, текущих координат и карты окружения.

Вот несколько обязательных для исполнения указаний по зарядке lipo батарей (литий-полимерные батареи).

• Используйте зарядное устройство, которое одобрено для литиевых батарей. Зарядное устройство может быть предназначено для Li-Ion или Li-Poly.
  Все батареи заряжаются одинаково. Некоторые старые зарядные устройства от сотовых телефонов могут заряжать аккумуляторы
  до 0,1 вольт от необходимого напряжения (4.1 против 4.2), но это не приведет к повреждению батареи.
  Тем не менее, недорогие зарядные устройства широко доступны и использование зарядных от мобильных телефонов настоятельно не рекомендуется.
• Убедитесь в том, что правильно устанавливается количество ячеек батарейки на вашем зарядном устройстве.
  Смотрите на зарядное устройство очень внимательно в течение нескольких минут для того,
  чтобы количество правильных ячеек отображалось правлильно.
  Если вы не знаете, как это сделать, приобретите интелектуальное зарядное устройство или не заряжайте lipo аккамулятор.
• Используйте балансировачный разъем.
  Перед зарядкой новой литиевой батареи, проверьте напряжение каждой ячейки по отдельности.
  Делайте это после каждого десятого цикла.
  Это абсолютно необходимо, потому, что несбалансированная ячейка может взорваться во время зарядки,
  даже если выбирается правильное количество ячеек на зарядке.
  Если напряжение на ячейках не в пределах 0,1 вольт друг от друга, то зарядите каждую ячейку до 4,2 вольт (используя балансированную зарядку зарядного устройства через балансировачный кабель батарейки).
  Если после каждого разряда батарейки у вас появляется несбалансированная ячейка – аккамулятор должен быть заменён.
• Балансировачный кабель есь на большинстве lipo батареек.
  Они позволяют проверить напряжение на каждой ячейки.
  Не пытайтесь использовать вольтметр, штыри могут создать короткое замыкание случайно соскользнув.
  Используя балансировочный кабель и зарядное устройство поддерживающую балансировочную зарядку можно заряжать все ячейки одновременно.
• НИКОГДА не заряжайте аккумулятор без присмотра. Это причина номер один для дома и авто , которые сжигаются дотла от литиевых пожаров.
• Используйте безопасную поверхность для зарядки батареи так, что если она взорвется то пламя не повредит ничего. Можно использовать специальные пожароустойчивые пакеты , в которые помещается батарейка для зарядки, а так можно использовать любой другой хороший вариант.
• НЕ заряжайте током заряда более чем в 1С, если это специально не указано на упаковке производителя.
  Лично у меня был пожар в доме из-за нарушения этого правила.
  Сегодня есть высокозарядные батареи , котоые можно заряжать больше, чем 1С, однако это сокращает срок службы.
  Лучше покупать 3 батарейки, чем пытаться использовать одну, которая заряжается в три раза быстрее.
  Но ситуация может измениться в будущем , сейчас появляются новые батареи с улучшением характеристик. Обращайте внимание на характиристики при покупке, если они явно не указаны – используется явно старая технология производства батарей (китайские магазины у которых много дешевых батарей это как раз не указывают)
• Ни в коем случае не прокалывайте ячейку у батарейки, никогда!!!! Если это произошло будьте готовы к воспламенению,
  соблюдайте повышеные меры пожаробезопасности. Если ячейка начнет вздуваться то возможно воспламенение и возгорание.
  Если этого не произошло то вам необходимо разрядить эту батарею для будующей утилизации подключив к ней например лампочку определенного напряжения.
• При аварии вашего летательного аппарата батарея может быть повреждена внутри.
  С виду это может выглядеть безопасно, но при каждой авариитщательно извлеките аккумулятор из аппарата и осмотрите его внимательно,
  по крайней мере в ближайшие 20 мин. Несколько пожаров были вызваны от поврежденных ячеек аккамулятора будучи оставленными в автомобиле
• Заряжайте батарею в открытом и проветриваемом помещении.
  Если батарея делает повредиться или произойдёт взрыв – опасные газы и ядовитые материалы будут выходить из неё.
• Держите ведро песка поблизости, когда вы летаете или заряжаете аккумулятор.
  Это экономически эффективный способ тушения пожаров.
  Это очень дешево и абсолютно необходимо.

Литиевые батареи любят тепло, но не слишком много.
В зимнее время, старайтесь держать ваши батареи от холода как можно дольше.
Оставьте их в машине, пока вы летаете или держите их в своих штанах … и т.д.
В то же время не позволяйте им нагреваться слишком сильно.

Старайтесь, чтобы ваши батареи не достигали 160F после использования.
Это продлит жизнь ячеек у батарейки.
Хороший способ для измерения температуры представляет собой портативный инфракрасный измеритель температуры,
он может быть куплен в районе 50 долларов в большинстве хобби магазинах.

Вы увлекаетесь авиамоделированием и хотите своими руками собрать авиамодель? – аэропланы и ракеты – медиаплатформа миртесен

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 2020-2020 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.

Какие бывают дроны

Дроны бывают разные. По конструкции различают несколько типов дронов:

• мультироторный — коптеры;
• самолетный — fixed wing;
• гибридный — он взлетает вертикально, потом использует крылья.

Также дроны делятся на потребительские (consumer) и коммерческие (commercial).

Потребительские, как ты понимаешь, — это те, которые можно купить в магазине и использовать как летающую камеру. DJI Phantom и Mavic — хорошие модели. Есть и менее дорогие, но они определенно уступают по качеству. Такие квадрокоптеры используют для съемки разных мероприятий, зданий, исторических объектов.

Как правило, такие дроны летают на ручном управлении, реже по миссии в автономном режиме по GPS-координатам. Рынок потребительских квадрокоптеров больше чем наполовину принадлежит одной компании — DJI. С ней очень сложно конкурировать, поскольку там делают реально крутой продукт: доступный, функциональный, удобный.

Хотя в области квадрокоптеров для селфи DJI начинает теснить компания Skydio со своим дроном R2. Фишка этого дрона в том, что он может летать автономно, например за мотоциклистом в лесу. При этом беспилотник видит все препятствия и прокладывает автономный безопасный маршрут в реальном времени так, чтобы человек всегда оставался в кадре. Реально крутая штука.

Коммерческие дроны используются в компаниях для решения определенной задачи. Одни следят за состоянием сельхозполей, летая над ними регулярно и делая фотографии, другие умеют распылять удобрения точечно. Дроны используют на стройках, в карьерах. Каждый день они облетают строительный объект, делают фотографии, по которым создается 3D-модель в облаке, и уже она помогает отслеживать ежедневные изменения.

Пример российской компании, которая активно работает с этой технологией на рынке США, — Traceair.

Другой способ применения — осмотр трубопроводов дронами. Это особенно актуально для России: у нас газовые трубопроводы тянутся на тысячи километров, и надо контролировать утечки и врезки.

Ну и конечно, у всех на слуху доставка товаров дронами. Не знаю, заработает ли когда-нибудь сервис Amazon Prime Air, но уже сейчас компания Matternet доставляет товары в Цюрихе и некоторых городах США, а компания Zipline давно отправляет медикаменты в полет над просторами Африки.

Компании Volocopter и Ehang уже имеют летающие прототипы такси, а компания с российскими корнями Hoversurf разрабатывает летающий байк.

В помещениях тоже есть задачи для коммерческих дронов, но пока они не сильно распространены, в этой области идут интенсивные R&D-исследования. Возможные применения для такого вида дронов:

Поживем — увидим, какие проекты будут реализованы и задисраптят нашу жизнь. Глобальная цель — сделать систему управления дроном, которой герой фильма «Бегущий по лезвию 2049» мог бы сказать: «Сфотографируй тут все!»

Настроим квадрокоптер своими руками.

• Жмем кнопку “Подключить”. Вверху окна включаем режим эксперта. Переходим на вкладку “система”, устанавливаем квадрокоптер на горизонтальную плоскость и нажимаем “Калибровать Акселерометр”. Можете покрутить теперь квадрокоптер своими руками, и вы увидите как реагирует картинка на экране. На этой вкладке закончили.
  
• Идем на вкладку “порты”. Делаем все как на картинке. Сохраняем и перезагружаем. Подключаем снова.
• Повторите все настройки, представленные на следующих нескольких картинках .Но не забывайте сохранять и перезагружать.
• На вкладке PID настройки оставьте значения по умолчанию. Квадрокоптер с ними ведет себя нормально. Впоследствии вы всегда можете углубиться в эту довольно сложную тему. На просторах рунета есть много статей про настройку PID регулятора.
• Теперь мы с вами подобрались к проверке корректности вращения моторов квадрокоптера. Моторы уже могут вращаться. Но нужно убедиться в том, что они все крутятся в нужную нам сторону. Во-первых, снимите пропеллеры, если они установлены, или просто отвинтите фиксирующие гайки. И, вообще, желательно все настройки производить в таком состоянии. Установленные пропеллеры – это риск нанести себе травму! Во-вторых, подсоедините аккумулятор к квадрокоптеру. Дальше переходим на вкладку “Моторы” конфигуратора Betaflight. Теперь включаем ползунок под маркером 2 на картинке.  В блоке под маркером 3 указано правильное направление вращение для каждого из моторов.
• Переходим к блоку 4. Сначала плавно поднимаем ползунок возле мотора №1 и смотрим, куда он вращается. Если по часовой стрелке, тогда все хорошо, переводим ползунок вниз. Точно так же проверяем все оставшиеся моторы и выписываем те из них, которые вращаются в противоположную от нужной стороны. Выписали? Идем дальше.

Прошивка.

• Запускаем Betaflight Configurator (полетный контроллер пока не подключаем). На начальной странице видим список драйверов, которые необходимо установить. Устанавливаем все.
• Теперь можно обновить прошивку полетного контроллера. Закрываем Betaflight, зажимаем кнопочку boot на полетном контроллере и держим, снова запускаем Betaflight, отпускаем кнопочку boot.Прежде всего вы должны убедиться в том, что установлен режим DFU (маркер 1 на картинке). Если этого не произошло, попробуйте повторить предыдущие шаги. Также проблемы могут возникнуть из-за криво установленных драйверов. Эту проблему можно решить очень полезной утилитой. Запустите ее от имени администратора, и она все сделает за вас. После этого, попробуйте снова.
• Далее, переходите на вкладку программатор.
• Из выпадающего списка выберите полетный контроллер Fury4OSD (DIAT) .
• В следующем выпадающем списке выберите последнюю стабильную версию прошивки.
• Нажмите на ползунок “полное стирание чипа”.
• При подключенном интернете нажмите кнопку “Загрузить прошивку (Online)”. Дождитесь загрузки прошивки. После этого кнопка “Загрузить прошивку” станет активной.
• Нажимаем кнопку “Загрузить прошивку” и дожидаемся окончания ее заливки в полетный контроллер (ПК). Всё.
• Отключаем ПК. Подсоединяем снова, но уже без зажатой кнопки boot. ПК должен мигать разноцветными светодиодами.

Резак для пенопласта своими руками

Самодельный дрон из подручных материалов

Сделать квадрокоптер такого типа, с нуля, относительно несложное занятие. Многие его части можно выполнить из подручных материалов. В нем не много элементов конструкции, которые обеспечивают функциональность аппарата:

1. Несущая рама. Собственно, «корпус», к которому крепятся двигатели с подъемными винтами, аккумуляторы, системы управления, контроллер и подвесное оборудования. Может быть как покупной, так и изготовленной самостоятельно из дерева, ПВХ труб, пластмассы или алюминия. Единственные к ней требования – легкость и прочность.

Конструкция рамы бывает Н и Х образной для четырех винтов, или многолучевой с большим их количеством.

2. Подъемные винты. Приобретаются уже готовые или изготавливаются самостоятельно. Могут обладать любым количеством лопастей и углами их наклона. Каждый вид конфигурации пропеллера дает свои плюсы и имеет определенные минусы. К примеру, большее количество лопастей приведет и к увеличению расхода батареи, но тяговая функция у них лучше.

В процессе полета, вращение винтов происходит в разных направлениях, чтобы избежать эффекта авто раскрутки аппарата.

3. Сами двигатели, по количеству лучей квадрокоптера. Мощности каждого из них должно хватать для необходимой скорости раскрутки винта с целью возникновения подъемной силы у дрона. Существуют редукторные, без коллекторные и щеточные варианты. Первые обеспечивают большую скорость раскрутки, но греются в процессе работы. Вторые считаются лучше подходящими для беспилотников. Третий вариант наиболее дешев, но и достаточно часто выходит из строя из-за износа щеток на коллекторе.
4. Полетный контроллер. Основное управляющее устройство БПЛА. В своей сущности он – мини компьютер, поддерживающий необходимую частоту оборотов на каждом винте, чтобы не допустить перекосов аппарата. Он же управляет процессом перемещения, замедляя винты одной стороны квадрокоптера и ускоряя другую, чтобы добиться небольшого угла наклона дрона в ту сторону, куда требуется произвести движение. Информацию о текущем положении он получает от специализированных сенсоров – GPS, компаса и акселерометра.
   В самодельных конструкциях можно использовать Arduino или любой другой универсальный микроконтроллер с дополнительными модулями необходимых датчиков.

5. Электронный регулятор скорости (ESC). Посредник между контроллером и двигателем. Именно он задает необходимое питание для нужной скорости вращения.
6. Приемник и передатчик. Первый устанавливается в дрон для получения команд от оператора с земли. Второй — в пульт, оснащенный двумя джойстиками, с помощью которых и управляют квадрокоптером. Полученные сигналы преобразуются в команды для контроллера, который уже обеспечивает последовательность действий по их выполнению.
7. Защита винтов. Казалось бы, второстепенная вещь, но без этого кожуха вокруг пропеллера, при любом столкновении он выйдет из строя.
   Некоторые варианты несущей рамы подразумевают такое расположение винта, которое убережет его при аварийной ситуации. В таких случаях отдельная защита не нужна.

8. Аккумуляторная батарея достаточной емкости, чтобы обслуживать питание всех компонентов летательного аппарата в течение требуемого времени. Для этой части устройства очень важен вес, который непосредственно зависит от ее типа. К примеру, литиевый намного легче, сравнительно с аналогичным той же емкости на основе свинца.
9. Навесное оборудование. Самая «вкусная» часть квадрокоптера. Непосредственно от него зависит сфера применения летательного аппарата. Конечно же, как и для всего установленного, тут важен вес.
   Кроме того, обязательно нужно уделить внимание потребляемой мощности навесным оборудованием, обеспечив необходимую подачу энергии от отдельного источника или увеличив емкость центрального аккумулятора БПЛА.
   В качестве добавочных устройств зачастую используются различный крепеж для транспортировки грузов или видеокамеры с передатчиком изображения.

Строим квадрокоптер. часть 1. детали.

Чертежи и схемы квадрокоптеров

Чертежи для сборки квадрокоптера могут незначительно различаться между собой. Детали зависят от габаритов собираемого своими руками дрона, от его формы и конструктивных особенностей. Но базовый чертеж обычно предлагает сделать маленький квадрокоптер на крестообразной силовой раме с размерами 363 на 363 см. Параметры корпуса при этом составляют около 107 на 107 см, в таком случае в дроне без проблем размещаются основные детали.

Структурная схема квадрокоптера выглядит очень просто. В центре конструкции на силовой раме всегда располагается электронная плата управления. По четырем углам на равном расстоянии друг от друга нужно поставить двигатели с закрепленными на них пропеллерами. В корпус в центре конструкции монтируют также элементы питания и радиодатчики для удаленного пилотирования.

Важно! При сборке дрона своими руками нужно следить за тем, чтобы основная масса конструкции приходилась на центр и не смещалась в ту или иную сторону.