- Обзор микроконтроллеров stm32 от st
- Особенности законодательства в области использования бпла
- Особенности построения контроллеров электродвигателей на базе компонентов от st
- Рынок дронов: все выше, и выше, и выше!
- Функциональная структура мультикоптера
- Эволюция систем управления беспилотных летательных аппаратов: от появления до наших дней
Обзор микроконтроллеров stm32 от st
Компания STMicroelectronics является одним из лидеров в области производства микроконтроллеров. Наибольшей популярностью пользуются семейства STM8 и STM32. Для создания дронов могут использоваться представители обоих семейств, но «смешивать» различные контроллеры в одном устройстве было бы нелогично из-за необходимости использования разных сред разработки.
В настоящий момент STM32 объединяет более семи сотен моделей из 10 семейств, отличающихся по четырем ключевым характеристикам: производительности, потреблению, стоимости, уровню интеграции (рисунок 5).
Высокопроизводительные семейства STM32F2, STM32F4, STM32F7, STM32H7. Эта группа ориентирована на достижение максимального быстродействия и отличается наиболее развитой периферией.
- STM32F2. Данное семейство построено на базе «разогнанного» до 120 МГц ядра Cortex®-M3. Объем памяти для представителей семейства составляет 128 кбайт…1 Мбайт.
- STM32F4 – чрезвычайно богатое семейство, построенное на ядре Cortex®-M4 и объединяющее почти полторы сотни микроконтроллеров. Сейчас к услугам разработчиков предоставлены модели с рабочими частотами 168…180 МГц и объемом памяти до 2 Мбайт.
- STM32F7 – производительное семейство на базе ядра Cortex®-M7 с рабочей частотой до 216 МГц и объемом Flash до 2 МБайт. Отличается максимальным разнообразием периферии, например, USB, Ethernet, CAN, HDMI, DFSDM, ЕАЕ-контроллер, графический ускоритель, контроллер внешней памяти FMC и так далее. Семейство STM32F7 оставалось наиболее мощным в номенклатуре STMicroelectronics до появления STM32H7.
- STM32H7 – флагманское семейство STMicroelectronics, производительность которого имеет рекордное значение – 856 DMIPS при рабочей частоте до 400 МГц. По сравнению с STM32F7, новые контроллеры STM32H7 могут похвастаться увеличением ОЗУ до 1 Мбайт, появлением новой периферии, в частности – высокоточного таймера HR с максимальной рабочей частотой 400 МГц и разрешением 2,5 нс, расширением коммуникационных возможностей. Например, встроенный CAN-контроллер теперь поддерживает не только традиционные протоколы ISO 11898-1 (CAN 2.0 A, B), но и CAN FD 1.0 и TTCAN (ISO 11898-4).
Очевидно, что данные семейства станут идеальным выбором для создания центральных блоков управления дронами. Для относительно простых БПЛА подойдут младшие модели STM32F2, для дронов общего назначения следует в первую очередь рассматривать STM32F4, для самых сложных профессиональных аппаратов оптимальным выбором станут STM32F7 и STM32H7.
Базовые семейства STM32F0, STM32F1, STM32F3. Данная группа включает семейства со сбалансированными характеристиками и компромиссным значением производительности/потребления/цены.
Семейства STM32F0 и STM32F3 являются идеальным выбором при создании драйверов электродвигателей для дронов. На базе STM32F0 можно реализовывать недорогие драйверы бесколлекторных электродвигателей с 6-шаговым управлением. Семейство STM32F3 подходит для создания точных драйверов двигателей с векторным управлением.
В этой же группе стоит отметить и наличие специализированного драйвера двигателя STSPIN32F0. Эта микросхема объединяет полноценный контроллер STM32F0, драйвер трехфазного поста, аналоговую периферию (компараторы, АЦП, ОУ) и микросхемы питания (LDO 12 В, DC/DC).
Малопотребляющие микроконтроллеры семейств STM32L. Данная группа объединяет семейства, ориентированные в первую очередь на достижение минимального уровня потребления. Для этого используют различные методы: динамическое управление напряжением питания, гибкую систему тактирования, специализированную периферию (LP-Timer, LP-UART), развитую систему режимов пониженного потребления и так далее.
Малопотребляющие линейки STM32 логично применять во всех блоках, кроме драйверов электродвигателей. STM32L0 идеально подойдут в качестве концентраторов на платах датчиков или в качестве управляющего микроконтроллера в модулях навигации и управления питанием.
Таким образом, при создании дронов разработчик всегда сможет подобрать себе оптимальный микроконтроллер из семейства STM32 для конкретного функционального модуля.
Особенности законодательства в области использования бпла
Дроны являются источником повышенной опасности. При этом их количество растет, а используются они зачастую в непосредственной близости от людей. Государственные органы, понимая это, начали построение соответствующей законодательной базы. Перед тем, как запустить дрон собственной разработки, необходимо ознакомиться с существующими нормативными актами.
Стоит отметить, что нормативное законодательство в РФ не устоялось, и производителям необходимо внимательно следить за вносимыми в него изменениями и нововведениями. На настоящий момент наиболее важными являются три документа:
- Постановление Правительства РФ от 11.03.2020 N 138 (ред. от 12.07.2020) «Об утверждении Федеральных правил использования воздушного пространства Российской Федерации» [3]
- Закон «О внесении изменений в Воздушный кодекс Российской Федерации в части использования беспилотных воздушных судов» [4].Согласно этому закону, государственной регистрации подлежат беспилотные воздушные суда, за исключением беспилотных гражданских воздушных судов с максимальной взлетной массой 0,25 килограмма и менее
- Порядок регистрации БПЛА будет определяться дополнительным постановлением правительства «Об утверждении порядка учета беспилотных воздушных судов, ввезенных в Российскую Федерацию или произведенных в Российской Федерации» [5]. В настоящий момент этот закон пока не действует и находится в состоянии обсуждения и согласования, но именно на этот документ следует ориентироваться производителям БПЛА
Последнее постановление устанавливает правила регистрации БПЛА в ФСБ. Юридическое или физическое лицо, изготовившее или ввезшее БПВС в Российскую Федерацию, подает в Федеральную службу безопасности заявление, в котором содержится полный список сведений как о БПЛА (государство изготовитель, тип, серийный номер, год изготовления, назначение, наименование производителя или имя изготовителя, максимальная взлетная масса, тип и количество двигателей, взлетная масса), так и о самом владельце (наименование юридического лица или имя владельца, паспортные данные, адрес, номер телефона, номер налогоплательщика или ИНН и так далее).
Очевидно, что практически любой дрон, за исключением детских игрушек, весит более 250 г, и значит, должен быть зарегистрирован. Столь жесткие нормы действуют не только в России, но и в США и других развитых странах [1]. Это объясняется тем, что даже небольшой БПЛА потенциально может стать источником террористической угрозы. С этим сложно не согласиться.
Таким образом, перед тем как начать разработку дрона, следует тщательно взвесить все «за» и «против». Это касается как коммерческой составляющей, так и возможности обеспечения требуемой безопасности. Если же решение о разработке и производстве принято, то следует определиться со структурой дрона и используемой элементной базой.
Особенности построения контроллеров электродвигателей на базе компонентов от st
Электродвигатели – ключевые элементы любого дрона. В БПЛА используются высокооборотистые моторы для создания необходимой подъемной силы. Значительная скорость вращения лопастей вынуждает разработчиков использовать бесколлекторные двигатели вместо щеточных двигателей постоянного тока (DC-двигатели).
Бесколлекторные двигатели (BLDC-двигатели) не используют щеточных узлов и при наличии хороших подшипников требуют минимального технического обслуживания. Ротор BLDC-двигателей изготавливается из постоянного магнита и не имеет обмоток. Статор содержит обмотки, переменное поле которых приводит к вращению ротора.
В самом простом случае используют алгоритм из шести шагов (рисунок 6). На каждом из шагов активными являются только две обмотки: одна коммутируется на землю, вторая на шину питания, третья остается неподключенной. При этом для управления скоростью вращения необходимо формировать ШИМ-сигналы и точно определять моменты, когда вал двигателя провернулся и необходимо перейти к возбуждению следующей обмотки. Моменты перехода могут определяться с помощью датчиков либо бездатчиковым способом.
Существует и более сложный алгоритм с векторным управлением. При этом переход между активными обмотками происходит не скачком, а постепенно. Таким образом, можно добиться плавного движения магнитного поля. Однако векторное управление потребует точного измерения положения вала и токов в обмотках.
C помощью компонентов производства ST можно реализовать оба метода управления. Если стоит задача создания максимально компактного решения, то идеальным вариантом станет использование микросхемы STSPIN32F0 с интегрированными драйверами транзисторов (рисунок 7).
STSPIN32F0 представляет собой «систему в корпусе» (SIP), которая создана специально для управления работой трехфазных бесколлекторных двигателей с питающим напряжением до 45 В. В состав STSPIN32F0 входят:
- микроконтроллер STM32F031x6x7 с 32-битным ядром ARM® Cortex®-M0, рабочей частотой до 48 МГц, 4 кбайт ОЗУ, 32 кбайт Flash и программированием по SWD;
- 16-битный таймер с тремя парами комплементарных выходов и программируемым мертвым временем для формирования ШИМ-сигналов для драйверов транзисторов;
- три полумостовых драйвера силовых транзисторов со встроенными бутстрепными диодами и выходным током до 600 мА для управления трехфазным транзисторным мостом;
- четыре операционных усилителя для нормирования сигналов ОС от датчиков Холла или от бездатчиковой схемы с измерением обратной ЭДС;
- сверхбыстрый программируемый компаратор для контроля тока электродвигателя;
- встроенный DC/DC-регулятор 3,3 В с защитой от перегрузки, КЗ и перегрева для питания низковольтных схем;
- встроенный LDO 12 В с защитой от перегрева для питания драйверов, компараторов и ОУ;
- широкий выбор дополнительной периферии: 16 каналов ввода-вывода, 5 таймеров, 12-битный 9-канальный АЦП;
- коммуникационные интерфейсы: I²C, USART и SPI.
STSPIN32F0, благодаря наличию операционных усилителей и АЦП, может реализовать не только 6-шаговое, но и векторное управление.
Для создания силового трехфазного моста компания ST предлагает использовать низковольтные транзисторы семейства StripFET 7, которое объединяет около сотни моделей с различными характеристиками:
- с рейтингом напряжения 40/60/80/100 В;
- с максимальным током стока 4…260 А;
- с сопротивлением открытого канала 1,1…8 мОм;
- с зарядом затвора 8…193 нКл;
- с различными корпусными исполнениями: DPAK, D2PAK, ISOTOP, Max247, SOT-223, TO-220, TO-220FP, TO-247, PowerFLAT 5×6/3,3×3,3/2×2 мм, SO-8 and SOT23-6L.
В качестве примеров идеального компромисса тока/габаритов можно привести силовые ключи STL140N4F7AG и STL160NS3LLH7.
STL140N4F7AG – N-канальный полевой транзистор с рабочим напряжением до 40 В и постоянным током до 120 А. Несмотря на миниатюрный корпус PowerFLAT 5×6 WF 6×5 мм, значение типового сопротивления открытого канала этого ключа – всего 2,1 мОм (Uзи = 10 В).
Силовой N-канальный ключ STL160NS3LLH7 выпускается в том же корпусном исполнении PowerFLAT 5×6 WF, отличается большим допустимым током до 160 А, но меньшим напряжением 30 В. Увеличения тока удалось добиться за счет снижения сопротивления до типового значения 1,6 мОм (Uзи = 10 В).
По своим основным характеристикам семейство транзисторов StripFET 7 превосходит предыдущее семейство StripFET 6 почти в два раза. Такие показатели являются рекордными не только для самой компании STMicroelectronics, но и для ее основных конкурентов.
Если по каким-то причинам возможностей STSPIN32F0 не хватает, следует рассмотреть варианты реализации контроллера двигателя на базе микроконтроллеров STM32 и внешних драйверов силовых ключей. Например, мощный контроллер двигателя с 6-шаговым алгоритмом управления просто реализовать с помощью бюджетных моделей STM32F0 (рисунок 8).
Выбор микроконтроллеров STM32F0 достаточно логичен из-за таких очевидных преимуществ как:
- сверхнизкая цена;
- быстродействующее 32-битное ядро ARM® Cortex®-M0 с рабочей частотой до 48 МГц;
- наличие 16-битного таймера с тремя парами комплементарных выходов и программируемым «мертвым» временем для формирования ШИМ-сигналов для внешних драйверов транзисторов;
- наличие 12-битного АЦП для контроля параметров вращения;
- широкий выбор коммуникационных интерфейсов: I²C, SPI, UART, а также CAN и USB.
В данном случае на первое место поставлена цена, что не случайно. Дело в том, что приведенный набор периферийных блоков можно найти практически во всех семействах STM32 (кроме STM32L), но ни одно из них не сможет сравниться с STM32F0 по стоимости.
Если требуется получить прецизионное векторное управление мощным двигателем, то вместо STM32F0 следует воспользоваться микроконтроллерами STM32F3. Это наиболее «продвинутое» семейство для работы с аналоговыми сигналами. Преимуществами STM32F3 являются:
- повышенное быстродействие благодаря производительному ядру ARM® Cortex®-M4 с рабочей частотой до 72 МГц;
- 16-битные таймеры для формирования ШИМ-сигналов;
- до четырех быстродействующих АЦП последовательного приближения со скоростью преобразования от 200 нc и общим числом до 39 каналов;
- до двух 12-битных ЦАП;
- до семи быстродействующих аналоговых компараторов со временем срабатывания 25 нс;
- до четырех ОУ с программируемым усилением;
- 16-битный ΣΔ-АЦП;
- широкий выбор коммуникационных интерфейсов: I²C, SPI, UART, CAN, USB.
Для управления силовыми транзисторами можно воспользоваться драйверами производства STMicroelectronics. В настоящий момент номенклатура компании насчитывает полтора десятка драйверов полумостов:
- с максимальным током до 650 мА;
- со встроенным диодом;
- с рабочим напряжением шины до 600 В.
В качестве конкретного примера можно привести L6398 – драйвер полумоста со встроенным диодом, выходным током до 450 мА и напряжением шины 600 В.
Чтобы продемонстрировать преимущества своей продукции, компания STMicroelectronics предполагает начать выпуск специализированных отладочных плат STEVAL-ESC001V1.
Рынок дронов: все выше, и выше, и выше!
Прежде чем начать разработку какого-либо устройства, следует внимательно изучить его потенциальные рынки сбыта. БПЛА не являются исключением. Не секрет, что ниша самых простых и маленьких игровых дронов достаточно плотно «заселена» азиатской продукцией.
В начале 2020 гг. преобладали прогнозы, что к 2020 г. рынок дронов не будет превышать $1 млрд. В реальности, по данным J’son & Partners Consulting, в 2020 он достиг $7,3 млрд, а в 2020 составит около $9,5 млрд [1]. Российский рынок в 2020 году оценивается в $147 млн, прогнозируемые объемы к 2020 году могут превысить $224 млн.
Здесь нужно отметить, что прогнозы по быстро развивающемуся рынку дронов почти всегда оказываются неточными. По этой причине аналитическая компания PricewaterhouseCoopers (PwC) подошла к этому вопросу с другой стороны [2]. Она оценила потребности в БПЛА в восьми ключевых областях (таблица 1).
Оказалось, что потенциал рынка даже без учета военной отрасли превышает $127 млрд! Большая часть из этой суммы приходится на дроны общего назначения и профессиональные БПЛА. Впрочем, стоит отметить, что в данном случае под БПЛА понимаются не только мультикоптеры, но и БПЛА самолетного типа.
Таблица 1. Мировой потенциал рынка дронов
Таким образом, мы имеем две цифры: прогнозируемый рост до $9,5 млрд к 2020 году и существующий уже сейчас потенциал в $127 млрд. Очевидно, что при стечении ряда обстоятельств прогнозы вновь могут не оправдаться. Для этого есть свои предпосылки. Дело в том, что на рынке электроники наблюдается появление компонентов, «заточенных» именно под создание дронов.
Впрочем, нужно отметить и негативные факторы, препятствующие росту [2]:
- отсутствие правил безопасности;
- отсутствие инструментов обеспечения конфиденциальности данных;
- слабое развитие системы страхования.
По сути, все перечисленные факторы являются следствием невнятной законодательной базы. Сейчас в большинстве стран она находится в зачаточном состоянии.
Функциональная структура мультикоптера
Дрон представляет собой сложное устройство. При его создании потребуется решить множество задач (рисунок 2).
Эффективное управление двигателями. Как правило, в состав дрона входят не менее четырех электромоторов. Для управления их работой потребуются силовые транзисторы, микроконтроллер, драйверы.
Стабилизация полета. При решении этой задачи необходимо определять положение дрона в трех плоскостях (крен, тангаж, рыскание). В настоящее время для этой цели используются различные МЭМС-датчики: акселерометры, гироскопы, магнитометры.
Общее управление полетом включает в себя подзадачи: прием сигналов управления от оператора, формирование задающих сигналов для контроллеров двигателей, стабилизацию полета, управление питанием и так далее. Все эти функции обычно возлагают на мощный центральный процессор.
Координация в пространстве и защита от столкновений. Для обеспечения требуемого уровня безопасности необходимо контролировать параметры полета (высоту, температуру) и вовремя определять препятствия. Для этого применяется целый спектр различных датчиков: датчиков высоты, приближения и прочих.
Связь с оператором. Для управления дроном чаще всего используются радиоинтерфейсы (субгигагерцевые, Bluetooth, Wi-Fi и так далее).
Управление питанием. Эта задача включает в себя контроль за уровнем заряда аккумуляторов, обеспечение процесса заряда и функций защиты при возникновении аварийных ситуаций (например, перегрева батарей, коротких замыканий и прочего).
Навигация. Функция чрезвычайно важная для профессиональных дронов, которые работают на значительных удалениях от оператора или совершают автономные полеты. Для отслеживания положения чаще всего применяют GPS или ГЛОНАСС, но существуют также системы ГАЛИЛЕО (Европа), BeiDou2 (Китай), QZSS (Япония).
Очевидно, что решение перечисленных задач сильно зависит от типа дрона. Если речь идет об игрушке, то все функции значительно упрощаются, например, навигация вряд ли вообще понадобится. К тому же, мощность моторов является невысокой. По этой причине все функциональные блоки могут уместиться на одной единственной плате.
Мощность двигателей в дронах общего назначения обычно оказывается достаточно высокой, и для их управления требуются мощные и габаритные дискретные транзисторы и драйверы. В таких случаях контроллеры электродвигателей (контроллеры скорости, Electronic Speed Control, ESC) выделяют в отдельные модули.
Если речь идет о профессиональных дронах, то в них почти всегда используется модульная система. Каждый электронный блок выполняет одну из перечисленных выше функций – драйверы двигателей (FSC), плата управления (Flight Control Unit, FCU), инерционный модуль IMU, радиопередатчик, модуль питания, модуль навигации (рисунок 3).
На этапе проектирования важно правильно организовать структуру дрона, решить, из каких блоков он будет состоять. Следующим шагом будет определение коммуникационных связей. Выбор интерфейсов зависит от типа дрона и особенностей модуля. Например, миниатюрные игрушечные дроны вполне могут обойтись простыми интерфейсами I²C или UART, которые не требуют дополнительных приемопередатчиков и имеют малую стоимость реализации.
Чтобы обеспечить высокую надежность и помехозащищенность, в профессиональных дронах используют более продвинутые протоколы: CAN или RS-422/485 (рисунок 4). Некоторые блоки могут иметь и особые интерфейсы. Например, драйверы двигателей поддерживают задание скорости вращения посредством ШИМ-сигнала, передаваемого от управляющего контроллера.
Несложно отметить, что для реализации практически каждой задачи необходим микроконтроллер. При этом требования к ним могут очень сильно отличаться. Если от процессора центрального блока управления (FCU) требуется максимальная производительность, то для драйвера электродвигателей важным преимуществом станет наличие специализированной периферии (об этом – ниже).
В случае использования микроконтроллеров STM32 производства компании STMicroelectronics проблем с выбором у разработчиков не будет.
Эволюция систем управления беспилотных летательных аппаратов: от появления до наших дней
Аннотация: в данной статье приведена ТРИЗ-эволюция систем управления беспилотными летательными аппаратами, начиная с первых и заканчивая современными, с их описанием, техническими противоречиями и возможным дальнейшим развитием.
Ключевые слова: система управления, беспилотный летательный аппарат, БПЛА.
Annotation: In this article we present TRIZ-evolution of control systems of unmanned aerial vehicles, that is starting with the original and ending with the modern, with their description, technical contradictions and possible further development.
Keywords: control system, unmanned aerial vehicle, UAV.
В настоящее время беспилотные летательные аппараты (БПЛА) достаточно сильно развиты и имеют широкий круг применений. За век своего существования БПЛА как увеличились в своих размера до десятков метров, так и уменьшились до нескольких миллиметров; их диапазон скорости, грузоподъёмности тоже существенно расширился.
Однако системы управления БПЛА неизменно развивались и продолжают развиваться. Рассмотрим эволюцию систем управления БПЛА, начиная от систем управления первых беспилотных «воздушных торпед» до систем управления современных беспилотников. Для современных БПЛА ограничимся мини и микро классами аппаратов (вес до 30 кг).
Как всегда бывает, первыми БПЛА разрабатывали военные, и только в XXI веке началось активное развитие БПЛА гражданского назначения.
1. Исторически первый БПЛА.
Исторически первым БПЛА считается «Жук» Кеттеринга (см. рис. 1). Это один из первых успешных проектов беспилотного летательного средства. По заказу армии США в 1917 году изобретатель Чарльз Кеттеринг разработал свою экспериментальную беспилотную «воздушную торпеду», которая стала предшественником крылатых ракет. Целью было создать дешёвый и простой беспилотный самолёт-снаряд для армейского авиационного корпуса.
Рисунок 1 – Жук Кеттеринга.
Аппарат получился достаточно компактный, в отличие от «крылатой бомбы» Сперри, разрабатываемой и испытываемой в тоже время. «Жук» имел цилиндрический корпус из дерева, к которому крепилась бипланная V-образная коробка.
Беспилотное средство было оснащено дешёвым четырёхцилиндровым двигателем и инерциальной автоматической системой управления. После старта, питающийся электричеством от двигателя, гироскоп обеспечивал стабилизацию «Жука» по направлению [1]. Гироскоп был соединён с вакуум-пневматическим автопилотом (рис. 2), который осуществлял управление рулём направления. Блок-схема системы управления «Жука» представлена на рисунке 3.
Рисунок 2 – Вакуум-пневматический автопилот (пример)
Управление рулём высоты осуществлялось аналогичным образом, но датчиком в этом случае уже являлся барометрический альтиметр.
Перед стартом на беспилотном аппарате задавали значение высоты и максимальное количество оборотов пропеллера, что соответствовало пройденному расстоянию; раскручивали гироскоп. Запуск происходил с рельсовой катапульты, «Жук» выходил на заданную высоту и летел по прямой в сторону цели. Специальное устройство отсчитывало обороты пропеллера и по достижении нужного расстояния (количества оборотов пропеллера сравнялось с заданным), высвобождался пружинный механизм, который отключал двигатель и выбивал болты, держащие крылья. Корпус аппарата падал вниз и достигал цели.
Рисунок 3 – Блок-схема системы управления
«Жук» Кеттеринга предназначался для обстрела городов, крупных промышленных центров и мест сосредоточения войск противника на дистанции до 120 км. Он успешно прошёл испытания, в отличие от «воздушной торпеды» Сперри, и был прият на вооружение. Система показала себя лучше, успешней и дешевле предыдущих, но Первая мировая война закончилась, и заказ так и не был выполнен [1]. Всего было изготовлено 45 машин.
У «Жука» Кеттеринга были реализованы простейшие функции автопилота: управление рулём высоты и рулём направления, отсчитывание пройдённого расстояния, отключение двигателя и сброс крыльев. Неудачи в испытаниях были связаны с проблемами удержания аппарата на курсе. Аппарат мог отклониться от курса как при запуске с рельсовой катапульты, так и во время полёта. Кроме того, «воздушная торпеда» под действием ветра могла завалиться на крыло и упасть. Примитивный автопилот хоть и пытался придерживаться курса, но с сильными порывами ветра или ошибкой при запуске справиться не мог.
Представим алгоритм управления «Жука» Кеттеринга:
1) Перед стартом задавались максимальная высота и число оборов пропеллера.
2) Происходил запуск с рельсовой катапульты.
3) Аппарат выходил на заданную высоту (контроль высоты осуществлялся с помощью барометрического альтиметра).
4) Автопилот поддерживал неизменный курс благодаря воздействию гироскопа (полёт представлял собой движение по прямой).
5) При достижении заданного числа оборотов (нужного расстояния), происходило отключение двигателя и сброс крыльев. Корпус аппарата падал вертикально вниз в цель.
Аппарат имел малую дальность и мог двигаться только по прямой из пункта «А» в пункт «Б». Маршрут с большим количеством точек был невыполнимой задачей, как и возвращение аппарата на место старта.
Выявим технические противоречия (ТП), имеющиеся в описываемой системе, для единообразия в формулировках противоречий все рассматриваемы системы будем называть БПЛА:
ТП1. При повышении степени стабилизации БПЛА по крену, путём введения стабилизирующих элементов на крыльях, недопустимо повышается вес аппарата.
ТП2. При повышении степени стабилизации БПЛА по крену, путём введения стабилизирующих элементов на крыльях, недопустимо повышается сложность конструкции.
ТП3. При повышении степени стабилизации по курсу недопустимо уменьшается расстояние до цели.
ТП4. При повышении сложности маршрута недопустимо повышается сложность конструкции.
Противоречие ТП4 было разрешено использованием приёмов вынесения, непрерывности полезного действия, «посредника», путём замены инерциального автопилота на систему радиоуправления. Этап ТРИЗ-эволюции представлен на рисунке 4.
Рисунок 4 – Первый этап эволюции.
2. Новая веха: появление радиоуправляемых летательных аппаратов.
В 1930-х годах армия США получила предложения поставлять радиоуправляемые беспилотные самолёты для различных нужд. Среди компаний, сделавших предложение, была Radioplane Company. Основана она Дени Реджинальдом, бывшим пилотом британской королевской авиации, который эмигрировал в США и стал актёром, а позже основал магазин и компанию по производству радио моделей самолётов [2].
Radioplane Company предложила армии США линейку радиоуправляемых моделей самолётов, среди которых присутствовала модель Radioplane OQ-2 (рис. 5). Это первый дистанционно-пилотируемый летательный аппарат (ДПЛА), поступивший в массовое производство. В общем было произведено 15000 моделей. Эксплуатация проводилась вплоть до 1948 года [2].
Radioplane OQ-2 представлял собой самолёт-мишень для обучения зенитных расчётов. Длина – 2,65 м. Размах – 3,73 м. Взлётный вес – 47 кг. Максимальная скорость – 137 км/ч. Максимальное время полёта – 1 час.
Рисунок 5 – Внешний вид Radioplane OQ-2
Запуск происходил с катапульты, а управлялась беспилотная радио модель оператором с земли, который мог имитировать различный ситуации (например, заход истребителя для атаки). Если аппарат оставался цел после полёта, посадка происходила с помощью выбрасываемого парашюта и неубираемого шасси (было не у всех моделей), которое смягчало удар о землю. Блок-схема системы управления представления на рисунке 6.
Рисунок 6 – Блок-схема радиоуправления
Радиоуправление позволило беспилотникам следовать по сложным маршрутам и выполнять сложные манёвры в воздухе, превосходя в этом «Жука» Кеттеринга и «Крылатую торпеду» Сперри. Аппараты получили возможность возвращаться на стартовую позицию, что увеличило количество их использования. Малогабаритная конструкция Radioplane OQ-2 и простота позволили развивать ему большие скорости и покрывать большее расстояние. Однако появилась проблема с малым потолком использования в 2438 м.
Аппаратура того времени позволяла эффективно использовать Radioplane OQ-2 только в поле видимости оператора. Именно так оператор с земли мог производить управление беспилотником. Если аппарат вылетал из радиуса видимости, то его можно было контролировать только радаром, что не обеспечивало эффективного наблюдения и снижало точность позиционирования.
При рассмотрении Radioplane OQ-2 можно выявить следующие противоречия:
ТП5. При увеличении дальности, путём увеличения пунктов управления по маршруту движения радиоуправляемого аппарата, недопустимо увеличивается объём наземной аппаратуры управления.
ТП6. При увеличении дальности, путём увеличения пунктов управления по маршруту движения радиоуправляемого аппарата, недопустимо увеличивается количество персонала.
ТП7. При увеличении дальности, путём увеличения объёма топливного бака, недопустимо увеличивается вес.
Второй этап эволюции показан на рисунке 7.
Противоречие ТП7 было разрешено использованием приёмов вынесения, непрерывности полезного действия, «посредника».
Рисунок 7 – Второй этап эволюции
3. Разработки второй мировой войны.
Фау-1 – самолёт-снаряд, прообраз современных крылатый ракет, состоял на вооружении армии Германии в середине Второй мировой войны (рис. 8). Эта ракета создана в рамках проекта «Оружие возмездия». Проект беспилотного аппарата разработан немецкими конструкторами Робертом Луссером и Фритцем Госслау. Разработка производилась в период 1942-1944 гг [3].
Фау-1 была построена по самолётной схеме, в задней части корпуса над рулём курса крепился реактивный двигатель. В процессе разработки проекта появилась необходимость ввести стабилизаторы и гироскоп для стабилизации аппарата во время полёта.
На земле перед запуском беспилотному аппарату задавали значения высоты и курса, а так же дальность полёта. Наведение выполнялось по магнитному компасу. После пуска аппарата (производился с катапульты, либо с самолёта-носителя – модифицированного бомбардировщика Heinkel He 111 H-22) он летел с помощью автопилота по заданному курсу и на заранее определённой высоте. Стабилизация по курсу и тангажу осуществлялась на базе показаний 3-степенного гироскопа: по тангажу суммировались с показаниями барометрического датчика высоты; по курсу – со значениями угловых скоростей от двух 2-степенных гироскопов, используемых для уменьшения колебаний снаряда. Управление по крену отсутствовало, так как Фау-1 была достаточно устойчива вокруг продольной оси [3].
Рисунок 8 – Внешний вид Фау-1
Автопилот был пневматическим устройством, работающим на сжатом воздухе. Золотники пневматических машинок рулей курса и высоты приводились в действие воздушным давлением, в зависимости от показаний гироскопов. Сами гироскопы раскручивались также сжатым воздухом. Расстояние полёта задавалось на специальный механический счётчик, а прикреплённый на нос снаряда анемометр постепенно сводил значение к нулю. По достижении нулевого значения происходило разблокирование ударных взрывателей и отключение двигателя. Примерна блок-схема показана на рисунке 9.
Длина – 7.75 м. Размах крыльев – 5,3 (5,7) м. Максимальная скорость – 656 км/ч (по мере расходования топлива скорость доходила до 800 км/ч). Дальность доходила до 280 км.
Фау-1 могла летать только по прямой (как «Жук» Кеттеринга), однако покрывала большее расстояние и развивала гораздо большую скорость.
Рисунок 9 – Блок-схема системы управления.
После рассмотрения Фау-1 были выделены следующие технические противоречия:
ТП8. При упрощении процесса старта, путём отказа от катапульты, недопустимо увеличивается сложность конструкции.
ТП9. При увеличении сложности маршрута недопустимо увеличивается сложность оборудования.
ТП10. При увеличении сложности маршрута недопустимо увеличивается вес аппарата.
На основе вышеописанных противоречий выделен второй этап ТРИЗ-эволюции беспилотных летательных аппаратов (рис. 10).
Противоречия ТП8 и ТП9 были разрешены с помощью приёмов вынесения, непрерывности полезного действия, «посредника», путём замены самолётной схемы на вертолётную.
Рисунок 10 – Третий этап эволюции.
4. Противолодочный вертолёт.
Проект американского беспилотного летательного аппарата, а если точнее бдеспилотного вертолёта. Gyrodyne QH-50 DASH – первый в мире беспилотный вертолёт принятый на вооружение (рис. 11). Первый его полёт состоялся в 1959 году, и вплоть до 1969, когда ВМС США отказались от проекта, было произведено 700 аппаратов различных модификация. Изначально проектировались как штатное противолодочное вооружение ракетных крейсеров [4].
Рисунок 11 – Внешний вид Gyrodyne QH-50 DASH
Вертолёт был в длину 3,9 м, в высоту 3 м.. Вес неснаряжённого и снаряжённого соответственно 537 кг. и 991кг. Максимальный взлётный вес 1046 кг. Максимальная скорость 148 км/ч. и дальность 132 км. Практический потолок 4939 м. На борту нёс 33,6 галлонов топлива [4].
В отличие от предыдущих систем, аппарату не требовалась взлётная полоса или оборудование (например, катапульта), а требовалась небольшая ровная поверхность.
Беспилотный вертолёт разрабатывался для старта с палубы корабля. Перед запуском к нему подвешивали торпеды.
Контроль управления вёлся с пульта оператора (блок-схема системы управления представлена на рис. 12). На пульт также приходили данные о состоянии аппарата, сигналы оружейной системы. В дальнейшем было предложено ввести два пульта управления. По требованию, один пульт должен был находиться на палубе, а другой в командном пункте.
Так как торпеды весили много, пришлось отказаться от телеаппаратуры. Поэтому запускали сразу два вертолёта: один с аппаратом обнаружения и целеуказания; второй с вооружением.
Проект Gyrodyne QH-50 DASH был отменён из-за несовершенства системы управления и конструктивных дефектов, почти половина аппаратов разбились. Во время полёта у беспилотного вертолёта могло произойти самопроизвольное отключение аппаратуры управления. Также сказалось начало войны во Вьетнаме. Но использование беспилотного вертолёта вплоть до 2006 года как учебное пособие, объект экспериментов и т.д.
Рисунок 12 – Блок-схема системы управления.
Выделим противоречия беспилотного вертолёта Gyrodyne QH-50 DASH:
ТП11. При уменьшении габаритов беспилотного аппарата недопустимо уменьшается показатель полезной нагрузки.
ТП12. При уменьшении габаритов беспилотного аппарата недопустимо уменьшается дальность полёта.
Противоречия ТП10 и ТП11 были разрешены с помощью приёмов вынесения, объединения, универсальности, замены механической схемы, путём создания доступных контроллеров полёта для авиамоделистов.
По этим противоречиям составим этап ТРИЗ-эволюции (рис. 13).
Рисунок 13 – Четвёртый этап эволюции.
5. «Беспилотники» в массы. Полётные контроллеры для моделирования.
В наше время беспилотные летательные аппараты перестали быть военными «игрушками». В начале XXI века всё больше и больше различных БПЛА находят применение в гражданских сферах: аэросъёмка, доставка грузов, отдых и досуг, образование и др. Появилось множество схем конструкций (мультикоптеры, самолётного типа и др.). Теперь их можно спокойно купить в магазинах или даже сделать самому при покупке определённых комплектующих. О них и пойдёт речь далее.
Полётный контроллер – это основная плата управления, обеспечивающая функционирование беспилотного летательного аппарата.
Одним из первых популярных полётных контроллеров XXI века был MultiWii (рис. 14). Это открытый проект полётного контроллера на основе Arduino (аппаратной вычислительной платформе, основными компонентами которой являются простая плата ввода/вывода и среда разработки на языке Processing/Wirin (Си подобный)). Используется как элемент системы управления самодельных беспилотных аппаратов (в частности для мультикоптеров). Название MultiWii исторически сложилось потому, что в первых версиях были задействованы гироскопы из контроллера к игровой консоли Nintendo Wii.
Рисунок 14 – Внешний вид платы MultiWii
В данный момент платформа поддерживает большое количество сенсоров. Изначально нужно было докупать гироскопы из контроллера Wii Motion Plus и акселерометр из контроллера Wii Nunchuk, однако сейчас этого делать не нужно.
Так как основой проекта служит Arduino, то подключаемые модули (GPS, радио передатчик и т.д.) совместимо с проектом полётного контроллера ArduPilot (подробнее о нём поговорим ниже). По своей сути это плата с контактами, а не готовая система управления, к которой радиолюбитель может присоединять различные модули (в соответствии с нужными целями). Есть возможность настроить управление по радио пульту (с помощью приемника/передатчика радиосвязи) либо простые функции автопилота, такие как движение по точкам (необходим модуль GPS) и удержание курса (магнитометр). Естественно всё это возможно только при правильной настройке контроллера.
Изначально на плате был 8-битный микроконтроллер ATMega328 (тактовая частота до 20MHz, FLASH-память 32кб, SRAM-память 2кб), либо ATMega2560 (тактовая частота 16MHz, FLASH-память 256кб, SRAM-память 8кб). Но, т. к. проект является открытым, появились любительские версии с 32-битным STM32. Так же присутствуют встроенные датчики MPU6050 (3-осевой гироскоп и 3-осевой акселерометр), BMP085 (барометр) и HMC5883L (электронный магнитный компас). Информация представлена в общем виде и может отличаться для различных версий плат.
На рисунке 15 показана блок-схема системы управления.
Предполагаемый алгоритм управления:
1) Необходимо подключить все необходимые для задачи пользователя модули, предварительно записав программу в микроконтроллер (официальную или самодельную).
2) Далее следует подключить полётный контроллер к питанию и включить.
3) В зависимости от конструкции беспилотного аппарата, следует произвести запуск.
Полётные контроллеры в основном предназначались для радиоуправления. Хоть они и поддерживали некоторые функции автопилота, оператору приходилось контролировать полёт. Например, двигаясь по точкам маршрута, летающий аппарата может врезаться в возникшее препятствие, если не будет принято своевременных мер. Это относится и к остальным моделям полётных контроллеров, описанных ниже.
Рисунок 15 – Блок-схема системы управления.
В системе выявлены следующие противоречия:
ТП13. При повышении гибкости настройки управления контроллера недопустимо повышается сложность кода.
ТП14. При повышении гибкости настройки управления контроллера недопустимо повышается количество часов, требуемых на это.
Противоречия ТП13 и ТП14 были разрешены с помощью приёмов вынесения, объединения, универсальности, замены механической схемы.
Этап эволюции показан на рисунке 16.
Рисунок 16 – Пятый этап эволюции.
6. Новые аналоги.
Контроллер CopterControl3D (CC3D) создан в рамках открытого проекта Open Pilot,начатого в 2009 году (рис. 17). Как и MultiWii является небольшой и относительно дешевой программируемой платой, но в отличие от неё разрабатывался специально для квадрокоптеров. Так же получил своё программное обеспечение OpenPilot GCS для настройки. Примерно 90% квадрокоптеров используемых для управления First Person Viev (FPV, вид от первого лица – управление осуществляется не только по радио каналу, но и по дополнительному каналу принимается на экран видео в реальном времени) собираются любителями именно на этом контроллере.
Рисунок 17 – Внешний вид платы CC3D
На плате присутствует 32-битный микроконтроллер STM32F103 72MHz с FLASH-памятью 128кб и чип MPU6000 (совмещает 3-осевой гироскоп и 3-осевой акселерометр).
Информация представлена в общем виде и может отличаться для различных версий плат.
Блок-схема системы управления показана на рисунке 18 (отличия только в интерфейсах подключения устройств).
Рисунок 18 – Блок-схема системы управления
В системе выявлены следующие противоречия:
ТП15. При повышении гибкости управления контроллера, путём добавления функций автопилота, недопустимо повышается сложность кода.
ТП16. При повышении универсальности использования контроллера недопустимо повышается сложность кода.
Противоречия ТП15 и ТП16 были разрешены с помощью приёмов вынесения, универсальности, самообслуживания, «посредника».
Этап эволюции представлен на рисунке 19.
Рисунок 19 – Шестой этап эволюции
7. Решение от Arduino.
Полётный контроллер ArduPilot Mega (рис. 20), разработанный компанией Arduino. Главным отличием от предыдущих является поддержка не только летающих беспилотных аппаратов, но наземных и лодочных систем. Так же помимо радиоуправляемого дистанционного пилотирования – автоматическое управление по заранее созданному маршруту, т.е. полет по точкам, а так же обладает возможностью двухсторонней передачей телеметрических данных с борта на наземную станцию (телефон, планшет, ноутбук и т.д.) и ведение журнала во встроенную память.
Рисунок 20 – Внешний вид платы
Контроллер поддерживает программирование, как и прочие продукты Arduino, язык программирования Arduino (является стандартным C с некоторыми особенностями). При грамотной настройке позволяет превратить любой аппарат в автономное средство и эффективно использовать его не только в развлекательных целях, но и для выполнения профессиональных проектов. По сравнению с вышеописанными платами более стабильно ведёт себя во время полёта, может неплохо выполнять некоторые фигуры полёта.
Контроллер поддерживает авиасимулятор через ПО Mission Planner, который позволят настроить управление, проложить маршрут и т.д.
На плате установлен микроконтроллеры ATMega2560 и ATMega32U2 (8-битный, тактовая частота 16 MHz, FLASH-память 32кб, SRAM-память 1 кб), датчики MPU6000 и MS5611 (барометр).
Блок-схема системы управления показана на рисунке 21.
Рисунок 21 – Блок-схема системы управления.
В рассмотренной системе были выявлены следующее противоречие:
ТП17. При повышении гибкости управления контроллера недопустимо уменьшается универсальность использования контроллера.
ТП18. При повышении качества платы недопустимо повышается цена.
ТП19. При повышении гибкости управления контроллера недопустимо повышается сложность схемы подключения периферии.
Противоречия ТП17 и ТП18 были разрешены с помощью приёмов объединения, дешёвой замены, универсальности, путём создания универсального полётного контроллера.
На рисунке 22 показан этап эволюции.
Рисунок 22 – Седьмой этап эволюции.
8. Новое поколение.
Pixhawk – полетный контроллер нового поколения (рис. 23), дальнейшая разработка проекта PX4 и программного кода Ardupilot от 3DRobotics. В контроллере присутствует операционная система реального времени NuttX.
Контроллер поддерживает большое количество систем:
наземные, воздушные, наводные. Поддерживает различные модули и стандарты для их связи. Из-за своей универсальности и стал популярным. Поддерживает использование ПО Mission Planner как ArduPilot.
Рисунок 23 – Внешний вид контроллера Pixhawk
На плате установлен 32-битный микропроцессор STM32F427 Cortex M4 (168MHz, FLASH-память 2 Мб, RAM- память 256кб) и 32-битный сопроцессор STM32F103. Так же присутствуют датчики: ST Micro L3GD 20 – 3-осевой гироскоп, ST Micro LSM303D – 3-осевой акселерометр/магнитометр, MPU6000 – 3-осевой акселерометр/гироскоп, MEAS MS5611 – барометр.
Блок-схема системы управления показана на рисунке 24.
Рисунок 24 – Блок-схема системы управления.
Выявим противоречия описанной системы:
ТП20. При повышении гибкости управления аппарата недопустимо повышается сложность аппаратуры управления.
Противоречия ТП20 были разрешены с помощью приёмов объединения, универсальности, путём создания многофункционального БПЛА с открытым кодом для любительских разработок.
Этап эволюции представлен на рисунке 25.
Рисунок 25 – Восьмой этап эволюции.
9. Готовое решение.
В 2020 году французская фирма Parrot выпустила на рынок свой беспилотный летательный аппарат AR.Drone. Через пару лет была выпущена обновлённая версия Parrot AR.Drone 2.0 (рис. 29). Проект квадрокоптера был полностью открыт для идей пользователей, что помогло ему стать хитом.
У Parrot AR.Drone 2.0 имеются четыре мотора мощностью 14,5 Вт. Максимальная скорость – 18 км/ч. Масса дополнительной полезной нагрузки – 150 г. Процессор ARM Cortex A8 с частотой 1 ГГц. с 800 Гц. DSP TMS320DMC64x для обработки видео сигналов. RAM DDR2 1Гбит. Две камеры: основная для съёмки и режима FPV с разрешением 720p; дополнительная камера с разрешением 240p для измерения горизонтальной скорости, расположена снизу.Wi-Fi точка для подключения устройства управления (смартфон или планшет с ОС Android или iOS) [9].
Рисунок 29 – Внешний вид Parrot AR.Drone 2.0
Открытость проекта позволяет к готовому аппарату подключать дополнительные компоненты. Это была одна из привлекательных черт описываемого квадрокоптера. Также пользователи могли программировать его полётный контроллер, либо создавать различные приложения для управления на языках C, Java и Objectiv-C.
Примерная блок-схема управления представлена на рисунке 30.
Одна из главных проблем всех беспилотных летающих аппаратов заключается в том, что если во время режима автопилота перед ними возникнет препятствие (будь то стена, дерево, другой летающий аппарат или даже человек) столкновения не избежать. Максимум на что можно рассчитывать, что БПЛА попытается остановиться или оператор вовремя вмешается в процесс. Однако, если прогнозы развития верны и в ближайшее время нас ожидает дальнейшее развитие рынка беспилотных летательных аппаратов, эта проблема будет всё больше набирать актуальность.
Рисунок 30 – Блок-схема системы управления.
Выявленные противоречия:
ТП21. При добавлении дополнительной аппаратуры, повышающей функционал автопилота, недопустимо повышается вес аппарата.
10. Дальнейшее развитие.
Дальнейшее развитие беспилотных систем, в том числе БПЛА, заключается во внедрении в систему управления искусственного интеллекта. Интеллектуальная система управления позволит ещё больше развить функции автопилота, автоматизировать беспилотные аппараты. При этом действия оператора сводятся только к подготовке аппарату к началу полёта и непосредственно к самому запуску.
Но возникает техническое противоречие ТП21. Это противоречие разрешается принципами объединения, универсальности, непрерывности полезного действия, «посредника».
Интеллектуальную систему управления можно реализовать на микропроцессорном компьютере (например, Raspberry Pi) с несколькими датчиками (2 видео камеры и лидар). Такая система при движении по заданному маршруту сможет определить появившееся препятствие, которым может быть человек, другой БПЛА или дерево, стена, которые не заметил оператор при составлении маршрута. Данная система будет распознавать объекты методом компьютерного зрения и определять вектор движения этих объектов. После определения вектора движения, система сравнит его с вектором БПЛА и построит маршрут уклонения с минимальным уходом с маршрута. Такая схема несильно повлияет свои весом на характеристики беспилотного летательного аппарата, но значительно повысит степень его «выживаемости».
Литература и примечания:
[1] Куда полетит беспилотник без пилота – День за днем [электронный ресурс] // LIVEJOURNAL.COM : Живой журнал. – Электрон. данные. URL:
http://novser.livejournal.com/9293
99.html (дата обращения 14.11.2020 г.). – Заглавие с экрана. [2] OQ-2 [электронный ресурс] // AVIA.PRO : Новости авиации. – Электрон. данные. URL:
http://avia.pro/blog/oq-2
(дата обращения 14.11.2020 г.). – Заглавие с экрана.
[3] Фау-1 [электронный ресурс] // ANAGA.RU : Информационный портал «Столичный комитет». 2008 г. – Электрон. данные. URL:
http://anaga.ru/v-1.htm (дата обращения
17.12.2020 г.). – Заглавие с экрана. [4] Gyrodyne Helicopter Co. Mfg of QH-50 series of VTOL
UAVs. [электронный ресурс] // GYRODYNEHELICOPT ERS.COM : Информационный сайт. – Электрон. данные. URL:
http://www.gyrodynehelicopters.com/dash_weapon_system.htm
(дата обращения 14.11.2020 г.). – Заглавие с экрана.
[5] AR.Drone 2.0: обзор возможностей и дополнений [электронный ресурс] // XAKER.RU : Электронный журнал. – Электрон. данные. URL:
https://xakep.ru/2020/11/11/ar-drone-2-0/
(дата обращения 24.12.2020 г.). – Заглавие с экрана.