Разработка для коптеров / Хабр

# assembly/setup

The Pixhawk 4 Wiring Quick Start provides instructions on how to assemble required/important peripherals including GPS, Power Management Board etc.

# building firmware

To build PX4 for this target:

# pinouts

Download Pixhawk 4 pinouts from here(opens new window).

# purchase

Order from Holybro(opens new window).

# serial port mapping

# supported platforms / airframes

Any multicopter / airplane / rover or boat that can be controlled with normal RC servos or Futaba S-Bus servos.
The complete set of supported configurations can be seen in the Airframes Reference.

# voltage ratings

Pixhawk 4 can be triple-redundant on the power supply if three power sources are supplied. The three power rails are: POWER1, POWER2 and USB.

Normal Operation Maximum Ratings

Under these conditions all power sources will be used in this order to power the system:

1. POWER1 and POWER2 inputs (4.9V to 5.5V)
2. USB input (4.75V to 5.25V)

Absolute Maximum Ratings

Under these conditions the system will not draw any power (will not be operational), but will remain intact.

1. POWER1 and POWER2 inputs (operational range 4.1V to 5.7V, 0V to 10V undamaged)
2. USB input (operational range 4.1V to 5.7V, 0V to 6V undamaged)
3. Servo input: VDD_SERVO pin of FMU PWM OUT and I/O PWM OUT (0V to 42V undamaged)

Бортовая электроника

Основной компонент, который мы разрабатывали самостоятельно, — плата стабилизации. Изначально она была основана на платформе Arduino Uno, потом заменили на более мощную Due, что позволило увеличить частоту ПИД-регуляторов с 40Гц до 66.(6)Гц.

Пропеллеры коптера приводятся в движение компактными бесколлекторными двигателями в связке со стандартными контроллерами оборотов — ESC. Мы используем ESC с изменённой прошивкой.

Для питания всей системы используется литий-полимерный аккумулятор (3S). Из соображений безопасности мы решили сделать систему мониторинга напряжения на аккумуляторе. В штатном режиме использования аккумуляторов система ведёт себя достаточно стабильно. Однако на начальных этапах работы мы наблюдали эффекты, вызванные неоптимальным использованием батарей:

Для наших целей ESC было решено перепрограммировать. Благодаря использованию прошивки tgy (от SimonK) мы добились уменьшения задержки системы на пути от центрального контроллера до двигателей. В результате компоненты ПИД и угловая скорость стали более синусоидальными, а поведение всей системы приблизилось к поведению математической модели.

Для измерения динамических параметров используются следующие датчики:

Возможности игрового робота

Игровые собаки-роботы, само собой, не являются полноценной заменой настоящим живым питомцам. Но в некоторых ситуациях они могут стать не только игрушкой-развлечением, а настоящим другом и компаньоном в играх для вашего ребёнка. Более того, в некоторых странах, например, в Японии и Китае, домашних электронных питомцев всё чаще заводят пожилые люди, чтобы скрасить своё одиночество.

Электронная собака имеет перед настоящей целый ряд преимуществ, особенно актуальных для жильцов квартир, расположенных в крупных городах. Сюда следует отнести:

• Гипоаллергенность. У животных-роботов нет шерсти, а изготавливаются они из безопасных для людей материалов. Поэтому электронные питомцы не способны вызывать аллергию у домочадцев.
• Минимум затрат времени. Не требуют постоянного выгула, внимания со стороны хозяев. Их можно спокойно оставить дома на любой неограниченный срок, либо просто отключить.
• Полная безопасность. Электронные псы, в отличие от живых, не способны причинить вреда маленьким детям, поэтому их можно оставлять с ними без всякой опаски.
• Отсутствие необходимости в каких-либо документах. К примеру, если вы собираетесь отправиться в семейное путешествие с ребёнком, можно без проблем взять его электронного любимца с собой. Роботу не потребуется ставить прививки, оформлять дополнительные документы, проходить карантин при въезде в другую страну.
• Минимум финансовых затрат. Расходы на содержание такой собаки составляют всего 1-2% от затрат на настоящего пса. Если живому питомцу регулярно требуется корм, прививки, помощь ветеринара, прочий уход, то для электронного аналога нужно лишь немного электроэнергии для подзарядки аккумуляторных батарей.

Современные роботы собаки способны практически полностью имитировать поведение настоящих животных. В них также заложены впечатляющие возможности для обучения и самосовершенствования:

• Они способны запоминать и исполнять десятки команд и сценариев поведения.
• Можно самостоятельно обучать роботизированных питомцев различным командам, не создавая электронных программ и не обращаясь за помощью к специалистам.
• Взаимодействие и взаимопонимание. Собаки оснащены системой искусственного интеллекта, позволяющей им развлекать не только детей, но и взрослых. Существуют модификации, предназначенные для игр с настоящими животными в отсутствие хозяев. Кроме того, они способны взаимодействовать с другими электронными собаками, подобно живым домашним питомцам.
• Возможность самостоятельно учиться и запоминать предпочтения хозяина в процессе игрового общения с ним.
• Способность выражать различные эмоции при помощи мимики, телодвижений, музыки, световой индикации.

В перечень дополнительных возможностей современных модификаций роботов от ведущих производителей также входят:

• Производить аудио- и видеосъёмку с сохранением информации на флеш-карте, или встроенном носителе.
• Подключаться к интернету, и при помощи Wi-Fi-соединения поддерживать удалённую связь с мобильным устройством владельца.
• Исполнять функции органайзера: работать будильником, напоминать о предстоящих событиях.
• Отслеживать температуру в доме и передавать данные о ней на смартфон хозяина.
• Проигрывать музыкальные файлы из интернета через встроенные динамики.
• Встроенный интерактивный переводчик для распознавания команд на разных языках.
• Способность самостоятельной подзарядки аккумуляторов от внешних источников электроэнергии.
• Определять прикосновение человеческой руки, а также отличать лица домочадцев от лиц посторонних людей.
• Рассчитывать расстояние и крутизну уклона для безопасного движения и спуска.

Благодаря такому набору дополнительных функций, электронная собака служит не только игрушкой, но и настоящим помощником, выступая одной из составляющих системы Smart Home.

Воспроизводимость результатов

Чтобы создать такое устройство, нужно собрать аналогичную механическую конструкцию, эквивалентную электронную схему и использовать наше ПО.

Грабли

В случае с корректировкой мощностей моторов необходимо не допускать слишком низких и слишком высоких мощностей, при которых стабилизация работает неверно.

С одной стороны, существует минимальная мощность, которую уменьшить нельзя, или моторы просто остановятся. С другой, уменьшение мощности может быть необходимо для правильной работы алгоритма. Если мощность (throttle) уменьшить слишком сильно, ПИД может «зашкаливать» в нижнюю сторону. Чтобы решить эту проблему, мы ограничиваем доступные пилоту мощности.

Другая опасность — влияние побочных вибраций от моторов на

Как играть с интерактивным питомцем?

Набор возможных команд современных роботов может достигать нескольких десятков, и при этом в процессе дрессировки собаки способны обучаться всё новым командам . Такой прогресс выглядит поистине удивительным, учитывая, что ещё в 1990-е годы вызывали восхищение публики образцы подобной робототехники, способные освоить от силы десяток команд.

Набор возможных команд зависит от каждой конкретной модификации. Одна из самых «продвинутых» моделей на современном рынке, пёс Aibo от Sony, с самого начала ведёт себя как обычный щенок. В процессе общения с хозяевами формируется характер и стиль поведения электронного питомца.

В базовый список команд для собак роботов средней ценовой категории входят:

• Лежать.
• Сидеть.
• Играть с неким предметом (мячом, палкой и т.д.).
• Кушать (возможность самостоятельного поиска источника электроэнергии и подзарядки).
• Исполнять различные трюки, в зависимости от заложенной программы.

Голосовые команды от хозяина воспринимаются встроенными микрофонами, которые передаются в искусственный мозг пса-робота. В ответ на них активируется тот или иной заложенный, либо созданный пользователем, сценарий ответного поведения. Иногда вызывать определённые действия со стороны собаки-робота могут и зрительные образы.

Калибровка пид

Для углов

Хотя такой подход не самый эффективный (мы не знаем «срок годности» коэффициентов количественно и считаем их константами), на практике задача стабилизации коптера в полёте была нами решена. Правда, возникла проблема с управлением, но об этом позднее.

Матчасть

Определим невязку — разницу между требуемым и реальным значением некоторой величины:

 — требуемое значение величины (угол с джойстика),

 — текущее значение величины (угол с датчика).

Зададим момент сил для угла

где

 — пропорциональная,

 — интегральная,

 — дифференциальная составляющие.

Знак минус говорит о том, что при положительных

воздействие направлено против отклонения.

В чём смысл этой формулы? Напишем уравнение динамики, положив

 — момент инерции.

Для простоты уберём интегральную составляющую (

где

Т. е. чем больше пропорциональная составляющая, тем более «резкой» будет реакция на воздействие (больше амплитуда). Чем больше дифференциальная составляющая, тем быстрее будет происходить затухание (больше декремент).

Из модели затухающих колебаний получаем выражение для коэффициента затухания:

Из возможных решений уравнения нам подходит режим, близкий к критическому (граница апериодичности,

) — нет отрицательного «перелёта» графика, переходный процесс короткий. Как видно, критический режим задается всего одним соотношением на коэффициенты ПИД-регулятора.

Интегральная составляющая устраняет статическую ошибку. Пусть невязка

Более подробный анализ уравнения ПИД-регулятора можно найти в других статьях: раз, два.

Новая жизнь легендарной игрушки

В 2023 году японская компания Sony сообщила о начале работы над созданием нового поколения роботов Aibo, в котором будут объединены последние достижения развлекательных и аудиовизуальных технологий и новейшие разработки в области робототехники и искусственного интеллекта.

От заявления о новой разработке до ее первого показа публике прошло не слишком много времени. Новый робот sony aibo был представлен на презентации, состоявшейся 31 октября 2023 года. Журналисты, присутствовавшие на мероприятии, были восхищены не только внешним видом обновленного робота, но и его поведением.

С первого взгляда были заметны внешние изменения, полученные собакой роботом айбо в процессе ее создания:

• движения стали более естественными, что стало возможным благодаря большому числу осей перемещения частей пластикового тела;
• действия, выполняемые новым Аибо, стали более естественными, присущими реальному животному;
• звуки, издаваемые собачкой стали разнообразнее и отражают ситуацию, в которой она находится;
• разработчики снабдили модель выразительными глазами, способными передавать эмоции. При возмущении или обиде она даже умеет закатывать их;
• Aibo получила способность различать людей, живущих в доме, а также на каждого из них реагировать по-разному.

Как говорят разработчики, благодаря целому набору уникальных характеристик, присущих обновленной версии робота, она будет иметь эмоциональную связь со своим окружением. Это сделает робота собаку sony aibo 2023 года, полноценным членом семьи.

Новая игрушка расширит способности робота-собаки sony aibo

О нас

Мы — студенты МФТИ (в своём большинстве), которые в свободное время занимаются проектом на мастерской TechnoWorks. Кроме коптера у нас живут и другие проекты: железные и программные. О них мы расскажем как-нибудь потом. А еще у нас можно придумать и реализовать свою идею (а мы поможем найти людей).

Если есть желание присоединиться к нашей команде, свяжитесь с нами! Мастерская активно расширяется, для новых участников у нас полно творческой и технической работы. И печенек.

Первая авария

Слишком большая дифференциальная составляющая на практике приводит к автоколебаниям, чего не должно быть в теории. Почему? Уберём все составляющие, кроме дифференциальной, и решим уравнение:

т. е. величина

превращается в линейную комбинацию

и её производной. То же самое происходит с моментом сил, который также является гармонической функцией в этом примере. При определенных

коэффициенты линейной комбинации могут быть такими, что возникнут незатухающие автоколебания.

Также результат работы составляющих ПИД приходится ограничивать по модулю. Иначе значение

Компромиссом является установка не слишком маленьких коэффициентов в совокупности с введением ограничения сверху на все три составляющие: пропорциональную, интегральную и дифференциальную.

Стоит сказать, что реальная коррекция в почти горизонтальном положении — около 1–2 попугаев процентов мощности моторов (полётная мощность около 60%).

Рассмотрим решение уравнения второго порядка (1), которое в одном из случаев является затухающей синусоидой.

На практике действительно получается что-то похожее (пример справа). Для демонстрации коэффициенты специально ухудшены для увеличения времени затухания. Оригинальную прошивку ESC пришлось заменить, т. к. она вносила существенную задержку, из-за которой математическая модель плохо описывала реальную систему.

Поскольку

Планы и перспективы

На самом деле, при всем моем первоначальном скепсисе, могу сказать, что описанное выше устройство уже сейчас может быть использовано в коммерческих целях. Например, сотрудники силовых структур с его помощью могут исследовать заминированные помещения.

В перспективе подобные роботы могут работать в доставке еды, товаров и прочих благ цивилизации. Одним словом, будущее наступило внезапно.

Полёт коптера с нашей системой стабилизации

^{лето 2023.зима 2023.весна 2023}

Популярные модели собак-роботов

Рассмотрим несколько популярных моделей электронных псов, представленных на современном рынке:

• Aibo. Свою родословную этот, один из самых интеллектуально развитых электронных псов, ведёт из 90-х годов ХХ века. Именно тогда компания Sony представила первую версию этой умной собаки. Современная Aibo наделена способностью к самообучению, и её характер полностью формируется под воздействием общения с владельцем. Стоимость японского робота пса, по отечественным меркам, отнюдь не мала – свыше 70 тысяч рублей.
• Spot-Mini от компании Boston Dynamics способен демонстрировать чудеса интеллекта, даже несмотря на отсутствие головы. На её месте возможна установка манипулятора, с помощью которого Spot-Mini может производить довольно сложные действия, например, открывать двери. К слову, подобную модель электронного пса держит дома глава корпорации Amazon, мультимиллионер Джефф Безос.

• Smartpet. Это не совсем робот, а скорее приставка к смартфону, исполненная в виде стилизованного щенка. Мобильное устройство вставляется в крепление, находящееся на месте головы, и его монитор превращается в лицо собаки. Для оживления пса потребуется загрузить специальное приложение, и на дисплее появится мордочка, которая может выражать около тысячи эмоций. А сам пёс-подставка, перебирая миниатюрными лапками, может передвигаться, повинуясь голосовым командам хозяина.

Покупая домой собаку робота, вы приобретаете не только игрушку, но и помощника, которого можно взять с собой куда угодно.

Правила использования

Каждая электронная собака представляет собой сложное устройство, поэтому при её эксплуатации следует соблюдать ряд требований. Все они указываются в инструкции, прилагающейся к каждой модели. Данные требования направлены на обеспечение безопасности самого электронного устройства и пользователя. Для примера приведём выдержки из правил использования собаки робота Zoomer:

• Не оставляйте наедине с роботом ребёнка младше 3-х лет.
• Не допускайте контакта включённой и движущейся игрушки с волосами малыша.
• Не играйте с роботом рядом с лестничными спусками, на столах или иных возвышениях, откуда он может упасть.
• Избегать попадания воды внутрь электронного механизма.
• Регулярно проверяйте уровень заряда АКБ игрушки.
• При зарядке не применять устройства от других приборов.

Обслуживание электронных собак обычно сводится к подзарядке, удалению с них пыли и загрязнений влажной губкой.

Программируем квадрокоптер на arduino (часть 1) / comments / habr

Программное обеспечение

На рисунке приведена упрощённая блок-схема программы, исполняемой на контроллере платы стабилизации. Главной частью является цикл. Если хотя бы одно действие в нём не выполняется вовремя, частота перестаёт быть постоянной, и стабилизация работает неверно.

В качестве динамического датчика мы использовали MPU-6050 из-за его вычислительных возможностей. Встроенный процессор (DMP) способен частично обрабатывать данные с датчиков, что позволяет разгрузить центральный контроллер. Но оказалось, что надёжных библиотек для работы с этим устройством под Arduino не существует.

Решение jrowberg’а привело к проблемам при использовании на сильно загруженном микроконтроллере. Код в примере опирается на синхронность считывания данных. FIFO-буфер датчика, в который записываются посчитанные величины, переполняется в случае несвоевременного считывания.

Поскольку всегда считывается первый элемент из FIFO, то при частичной заполненности появляется задержка между помещением новых данных в FIFO и их обработкой на Arduino. В свою очередь, эта задержка приводит к возникновению автоколебаний. При переполнении буфер приходится очищать:

его размер 1024, что не делится на 42 — размер пакета. Поэтому, когда буфер переполняется, в начале FIFO находится часть какого-то постороннего пакета. Иными словами, начиная с определенного момента структура нарушается: начало FIFO не совпадает с началом пакета, и считать корректные данные невозможно.

Разработка для коптеров

#!/usr/bin/python
#-*- coding: utf-8 -*-

from dronekit import connect

# Подключаемся к коптеру
# объект нашего коптера для работы через DroneKit.
vehicle = connect('udpin:0.0.0.0:14550', wait_ready=True)

# Атрибуты коптера
print "Vehicle state:"
# Объект с координатами широты, долготы, высоты и относительной высоты. 
# Высота считается относительно уровня моря, а относительная высота применяется к стартовой позиции.
print " Global Location: %s" % vehicle.location.global_frame
print " Global Location (relative altitude): %s" % vehicle.location.global_relative_frame
print " Local Location: %s" % vehicle.location.local_frame
# Позиция в кординатах pitch, yaw, roll
print " Attitude: %s" % vehicle.attitude
# Текущий вольтаж, ток и оставшийся уровень заряда
print " Battery: %s" % vehicle.battery
# Время последней удавшаяся проверки связи с коптером. 
print " Last Heartbeat: %s" % vehicle.last_heartbeat
# Направление, в градусах относительно севера
print " Heading: %s" % vehicle.heading
# Скорость по земле
print " Groundspeed: %s" % vehicle.groundspeed
# Скорость в воздухе
print " Airspeed: %s" % vehicle.airspeed
# можем запускать двигатели или нет
print " Is Armable?: %s" % vehicle.is_armable
# Запущены ли двигатели
print " Armed: %s" % vehicle.armed
# Режим в котором сейчас находимся
print " Mode: %s" % vehicle.mode.name

vehicle.close()
print "Done."

#!/usr/bin/python
#-*- coding: utf-8 -*-

import time
from dronekit import connect, VehicleMode, LocationGlobalRelative

# Подключаемся
vehicle = connect('unpin:10.1.1.10:14550', wait_ready=True)

def arm_and_takeoff(aTargetAltitude):
    """ Запускае двигатели и взлетаем до высоты aTargetAltitude
    """
    print "Предполетные проверки"
    while not vehicle.is_armable:
        print "Ждем коптер..."
        time.sleep(1)

    print "Запускаем двигатели"
    # Устанавливаем GUIDED режим
    vehicle.mode    = VehicleMode("GUIDED")
    # Запускаем моторы
    vehicle.armed   = True

    #  Ждем пока моторы раскрутятся. 
    # Поскольку все происходит в реальном мире, нужно не забывать что на выполнение действий требуется время.
    while not vehicle.armed:
        print " Ждем моторы..."
        time.sleep(1)

    print "Взлет!"
    # Взлетаем до нужной высоты
    vehicle.simple_takeoff(aTargetAltitude) 

    # Даем задание подняться до нужной высоты
    #  и… ждем пока поднимемся.
    while True:
        print " Текущая высота: ", vehicle.location.global_relative_frame.alt
        # Что бы не скучно было, смотрим как высоко уже поднялись
        if vehicle.location.global_relative_frame.alt>=aTargetAltitude*0.95:
            print "Поднялись на %d метров" % vehicle.location.global_relative_frame.alt
            break
        time.sleep(1)
    
    print "Достигли заданной высоты"

# Запускаемся и поднимаемся на 20 метров
arm_and_takeoff(20)

# Задаем координаты нужной точки
a_location = LocationGlobalRelative(-27.114346, -109.357912, 20)
# полетели 
vehicle.simple_goto(a_location)

# Путевая скорость, м/с
vehicle.groundspeed = 7.5

def is_arrived(lat, lon, alt, precision=0.3):
    
    # текущая позиция
    veh_loc = vehicle.location.global_relative_frame
   
    # получаем данные в метрах
    diff_lat_m = (lat - veh_loc.lat) * 1.113195e5
    diff_lon_m = (lon - veh_loc.lon) * 1.113195e5
    diff_alt_m = alt - veh_loc.alt

    # отклонение
    dist_xyz = math.sqrt(diff_lat_m**2   diff_lon_m**2   diff_alt_m**2)

    if dist_xyz < precision:
        print "Прибыли на место"
        return True
    else:
        print "Еще не долетели"
        return False

# проверяем долетели или еще нет
while not is_arrived(lat, lon, alt):
    # ждем еще 3 секунды
    time.sleep(3)


# прилетели на место и сделали что-нибудь полезное
time.sleep(10)

print "Возвращаемся"
vehicle.mode = VehicleMode("RTL")

Сбор первого квадрокоптера python возможно ли?

Стоимость новой версии aibo

Поскольку модель в январе 2023 года уже поступила в продажу на территории Японии, ее средняя цена уже известна. Приобретение Айбо обойдется покупателю примерно 1700 $. К ним придется добавить около 26 $ на покупку «электронной косточки». Она предназначена для оживления общения с питомцем.

Поскольку для обучения питомца необходима связь с интернетом, осуществляемая с помощью встроенных модулей Wi-Fi и LTE, а все данные его личности хранятся в облачном сервисе, то за его использование придется ежемесячно вносить плату в размере еще 26 $.

В ближайшем будущем японские производители планируют начать поставки и в другие страны.

Телеметрия

Дистанционное управление реализовано в двух режимах (для обеспечения более гибкого процесса разработки):

1. С помощью модулей xBee Pro в конфигурации «коптер  ПК».
2. С помощью выделенной радиочастоты (2.4ГГц) в конфигурации «пульт ДУ ↦ коптер».

Помимо управления через пульт ДУ происходит пересылка критических данных между коптером и ПК в режиме реального времени, для чего используются xBee Pro и приложение собственной разработки (см. скриншот). На компьютере можно видеть значение углов и угловой скорости, напряжение на аккумуляторе, мощность двигателей.

Данные, пересылаемые между коптером и ПК:

• ПК ↦ Коптер: канал управления (ПК/пульт ДУ), мощность моторов, настройка для включения/выключения стабилизации, коэффициенты ПИД и ограничения;
• Коптер ↦ ПК: углы, угловая скорость, компоненты , , , данные с джойстика (мощность 3 угла), мощности моторов, напряжение на аккумуляторе.

Благодаря датчику от InvenSense, начальная обработка данных с датчиков происходит на встроенном процессоре (DMP). Мы разгружаем плату стабилизации, которая может использовать в качестве вычислителя даже маломощный AVR-микроконтроллер.

Итоги

Главное достижение — отличная команда энтузиастов, способных работать над сложными робототехническими проектами. Мы верим, что всё дело в творческом подходе, возможности для самореализации, а также бесценном практическом опыте, которого всегда не хватает.

Мы создали новый проект системы стабилизации для мультикоптеров. Сейчас мы можем пилотировать квадрокоптер на открытом пространстве. Такие внешние факторы, как ветер, дождь и снег компенсируются автоматически благодаря ПИД-регулятору.

В настоящий момент мы усовершенствуем то, что сделали, и разрабатываем новые функции автоматизации.