Все о квадрокоптерах: применение, классификация, производители | Cтатьи

Что дальше?

Будущее дронов не ограничено лишь персональными моделями. После того, как стали популярны мультикоптеры, их возможности активно изучаются бизнесом:

  • использование на промышленных объектах (безопасность, проверка состояния различных агрегатов и трубопроводов),
  • использование в сельском хозяйстве,
  • доставка грузов,
  • доставка людей.

Коптеры применяют и в медицине, например, для быстрой доставки необходимых медикаментов. На днях компания UPS объявила о запуске

. Правда, пока что сервис работает лишь в одном городе США — Роли (Северная Каролина). Дроны будут обеспечивать доставку по определенному маршруту между больницами и медицинскими центрами WakeMed.

Доставку грузов при помощи дронов опробовала компания DHL еще в 2020 году, сейчас эта практика постепенно получает все более широкое распространение.

Не отстает от DHL и Amazon — в том же 2020 году компания анонсировала сервис Prime Air (он работает в ограниченном количестве регионов), который позиционируется как самый быстрый способ доставки покупок. С его помощью покупки доставляются в течении получаса, это минимум в четыре раза быстрее самого быстрого наземного сервиса Amazon Prime Now.

В России в свое время тестировали сервис доставки грузов коптерами Коптер-Экспресс. 21 июня 2020 года «Додо Пицца» в рекламных целях начала доставлять пиццу дронами, причем доставили всего шесть коробок. После этого чиновники решили оштрафовать создателя компании, поставляющей дроны на 50 тысяч рублей. Но хотя штраф потом отменили, доставка грузов дронами в РФ особого распространения не получила.

Доставляют (вернее, планируют доставлять) при помощи дронов и людей. Так, некоторые компании, включая Uber и Lyft, разрабатывают аэротакси. Аналогичные работы ведут и другие компании, включая стартап из Саудовской Аравии.

Технологии ИИ постепенно развиваются, а емкости батарей растут, поэтому нет сомнений, что дроны станут умнее, маневреннее и функциональнее. Они станут неотъемлемой частью многих сфер нашей жизни: работы и учебы, включая транспорт, исследования, доставку грузов и все прочее, о чем я говорил выше.

Pixelito

Второй схемой, разрабатываемой параллельно, стала схема с вертикальным влетом моделиста из Бельгии по имени Александр. Он назвал свой вертолет Pixelito. Александр применил в нем схему, отличную от Proxflyer, у которой был лишь один несущий винт.

Стабильности ее полёта способствовало специальное устройство на винте: за неимением приемлемых по весу электронных стабилизаторов полета, на винт ставилось массивное навершие, выполнявшее при раскрутке роль гироскопа, управляющего углом атаки лопастей.

Сверху находится балансир (flybar, Bell/Hiller bar):

Как бы в последствии конструкторы ни пытались, без этой штуки вертолеты с одним винтом летать отказывались (пока не появились электронные стабилизаторы, управляющие углом атаки лопастей — flybarless схемы вертолетов). Первой же вертолетной схеме балансир был не нужен или, может быть, его функцию частично выполняло ограничительное кольцо на лопастях из бальзового дерева.

В этой модели моторчика было тоже два: для основного винта, который позволял лететь вверх-вперед, и для стабилизирующего пропеллера, с помощью которого можно было поворачивать. Модель получилась невероятно маленького размера, о чем можно судить по фото с хомячком, оно 2003 года, так что сорри за качество. Модель весила всего 6,9 грамм.

В 2003 году Александр был уже почти у создания работоспособной модели, и нашел Питера, создателя Proxflyer. Они решили объединить усилия, и таким образом довели свои модели до рабочих прототипов.

В записи от 15 Декабря 2003 года говорится:

«Сегодня мы с Питером с удовольствием представляем результат наших последних совместных разработок. Я создал вертолет Pixelito, а Питер — Proxflyer Micron (на тот момент уже не первую модель норвежца — мое примечание). Pixelito — это вертолет с моей собственной системой контроля ротора, а дизайн Питера уже довольно хорошо известен.

Мы называем их роботами, потому что такое название характеризует их лучше всего. Примерно 2 недели назад мы с Питером провели чудесные выходные у меня дома и после этого решили, что было бы неплохо вести совместные исследования, каждый у себя дома, но двигаясь к общей цели. Это вылилось в создание модели весом всего 6,9 грамм вместе с аккумулятором, и мы оба знаем, что это не предел.

Александр и Питер»

Видео только что созданного мини-вертолета Pixelito, но в ролике им управляет друг его создателя, автор Proxflyer Peter Muren. Можно догадаться, что Александр держит камеру.

Pixelito, 2003 год.


Третьим прототипом могла бы стать нашумевшая в то же самое время разработка японской фирмы Seiko Epson. Модель могла летать только вверх и вниз.

Для чего нужен квадрокоптер

Активное развитие и внедрение коптеров в гражданскую среду, привели к росту вариантов использования:

  1. Пассажирские перевозки — так, в Дубаи, на международном саммите была продемонстрирована модель беспилотного такси Ehang 184, которое может находиться в воздухе около 30 минут за один полёт. По сути это одноместный восьми-роторный аппарат, который лишен каких-либо органов управления, т.е. фактически человек летит в этом аппарате в качестве пассажира, а не пилота. В небольшой кабине располагается кресло и планшет с сенсорным экраном, используя который вы можете указать пункт назначения. В 2020 году первый тестовый полет совершило аэро-такси Vahana компании Airbus. В феврале этого же года, сообщили о секретном аэро-такси Joby Aviation, стартап проекта уже привлек 100 млн долларов.
  2. Хозяйственная деятельность — дроны берут на себя отдельные функции авиации: проведение аэросъёмки или других видов сбора данных, нужных для сельского хозяйства, контроля ситуаций на дорогах и в любых удалённых участках. С их помощью отслеживают пути миграции животных, находят затерявшиеся суда, выявляют уровень гидрометеорологической опасности, проводят обследование линий электропередач.
  3. Развлекательные / спортивные шоу — такие аппараты чаще всего оснащаются несущими винтами и являются подобием вертолётов, а не самолётов. Данная конструкция наиболее рациональная, поскольку не требует наличия взлётно-посадочной полосы. Развлекательное использование БПЛА недавно расширилось воздушными гонками. Чаще всего для них используются модели самостоятельной сборки или существенно переработанные готовые. В результате они получают возможность набирать скорость выше 150 км/ч, но относятся к аппаратам с малыми габаритами. Отметим, что стартап Alauda Racing запустил на платформе Kickstarter сбор средств на первые в мире гонки на пилотируемых мультикоптерах, которые планируются в 2020 году.
  4. Профессиональная или любительская фотосъемка — все современные модели оснащаются высококачественной камерой и позволяют делать восхитительные снимки там, куда человек не смог бы никогда добраться самостоятельно.
  5. Грузовые перевозки — в 2020 году компания Amazon провела испытания по доставке посылок с помощью коптера и подала заявку на технологию доставки груза при помощи парашюта. В последние месяцы активно появляются новости с концептами больших грузовых беспилотников, способных перемещаться на высоких скоростях и перевозить до нескольких тонн. Как, например, модель Draco-2 компании Sabrewing Aircraft и тестовая сборка компании Boeing.

Если сомневаешься — ставь больше пропеллеров!

Почти сразу после появления моделей вертолетов начались попытки создания многопропеллерных, если можно так выразиться, машин.

Чем больше пропеллеров было в модели, тем труднее было согласовывать их работу. Тот же вертолет Chinook с картинки выше, без гироскопа колбасило при полете так, что становилось сомнительным применение двух пар винтов. Для полета же моделей с тремя и более количеством двигателей требовалась электроника, на порядок сложнее вертолетной.

Поначалу стали экспериментировать с количеством электромоторов. Это сейчас почти всегда ставится знак равенства между дроном и квадрокоптером, но на заре их появления было совсем не так.

Изначально многомоторные модели собирали исключительно энтузиасты. Почти сразу же возникла идея ставить на модели компактные камеры, которых в то время было не много, а GoPro появилась уже позже, и удачно вписалась в тренд. Камеры собирали из собственноручно припаянных контроллеров к камерам от мобильных телефонов и так далее.

Конструкторы мультикоптеров подбирали материалы для их рам, экспериментировали с разными электродвигателями, стали паять различные модули для согласованного управления пропеллерами, писать для этого ПО и обмениваться удачными находками друг с другом. Получалось с переменным успехом.

Пока не было надежной электроники для согласования моторов и не появились миниатюрные гироскопы, смотреть на полеты таких устройств жутковато. Здесь были и поломанные рамы, и потерянные видеокамеры, и утонувшие в водоемах дорогостоящие электронные модули. Однако год от года стабильность, дальность полета, простота управления и качество снимаемых видео постоянно возрастали.

Появились коптеры с двумя, тремя, четырьмя, пятью, шестью, восемью и более пропеллерами — соответственно, бикоптеры, трикоптеры, квадро-, пента-, гекса- и октакоптеры.

Один из первых трикоптеров, 2020 год


И вот, после долгих экспериментов, модели стали уже летать стабильно. Можно было не бояться, что она завалится в воздухе на бок или что вибрация при полете будет мешать управлению.

Бикоптер

Поначалу все ставили себе столько пропеллеров, сколько хотели, но позже каждой схеме, все же, нашлось свое применение.

Пролет квадрокоптера с камерой GoPro Hero 3 на борту через фейерверк, лучше смотреть в HD, 2020 год

Машины с тремя и четырьмя моторами стали чаще применяться для развлекательных полетов, для съемки видео, а увеличенное число пропеллеров пригодилось в коптерах для перевозки грузов, а также в тех случаях, когда от мультикоптера требуется надежность. Ведь если при отказе одного из моторов в модели вертолета неизбежно происходит его крушение, то в случае моделей с несколькими двигателями нагрузку вышедшего из строя мотора можно распределить на другие и удержать машину в воздухе.

Октакоптер, специально предназначенный для перевозки грузов, 2020 год

Из каких элементов состоят квадрокоптеры?

Концептуально радиоуправляемый коптер состоит из двигателей, регуляторов оборотов, лопастей, рамы, полетного контроллера, батареи, радиоприемника и передатчика. На самом деле в нем гораздо больше модулей, о которых мы поговорим чуть ниже.

Смотрите про коптеры:  Можно ли запускать квадрокоптер в городе, штраф за квадрокоптер

Схема подключения квадрокоптера

Полетный контроллер — это мозг вашего аппарата, именно он отвечает за поведение в полете. Как правило, полетный контроллер представляет собой плату или небольшую коробочку с микросхемой внутри.

Современные полетные контроллеры, это сложные устройства, способные обрабатывать сигналы поступающие со множества различных устройств и самостоятельно принимать решения о выборе наиболее оптимальной траектории полета, а также избегать столкновения с препятствиями. Такие контроллеры установлены на DJI Mavic Pro и DJI Spark.

Полетный контроллер

Как правило полетный контроллер состоит из четырех базовых датчиков:

  • Акселерометр или датчик угловых скоростей;
  • Гироскоп;
  • Магнитометр или компас;
  • Барометр — датчик атмосферного давления, который помогает удерживать высоту.

Управление осуществляется через радиопередатчик, он же пульт управления. Большинство передатчиков работают на частоте 2,4 ГГц, это своеобразный стандарт. Команды с передатчика поступают на радиоприемник который подключен к полетному контроллеру. Полетный контроллер обрабатывает полученный радиоприемником сигнал и передает команды двигателям.

В самом общем случае управляется коптер по 4-м каналам, которые как раз и есть упомянутые нами выше тангаж (pitch), крен (roll), рыскание (yaw) и газ (Throttle). Чтобы понять, как управляется дрон читайте основы управления квадрокоптером.

Познакомьтесь также с простейшей схемой устройства современного квадрокоптера:

Камера: видео и фотосъемка

Еще один пункт, который подтолкнул сферу дронов к очень быстрому развитию — камера. Изначально камеры на квадрокоптерах были низкого качества, а еще у всех была линза с эффектом «рыбий глаз», из-за чего качество видео было посредственным. Производители быстро поняли, что люди хотят использовать дрон для качественной съемки видео, красивых мест, а также делать фотографии, поэтому поменяли вектор на нормальные линзы без всяких эффектов и искажений.

Такие гиганты как DJI, Yuneec, Xiaomi и другие, начали ставить качественные камеры с разрешением съемки 4К и большим битрейтом записи. Это позволило запуститься новому витку развития аэросъемки. Для записи доступны качественные и тяжелые форматы, такие как CinemaDNG и RAW.

Что такое дрон? Фото и видео
Это фото сделано с квадрокоптера

Кроме просто качественной картинки, производители начали устанавливать в камеру оптический и цифровой зум. Например, камера Zenmuse Z30 от DJI имеет оптический 3,5 кратный зум, а также 2-кратный цифровой без потерь качества. А у Walkera Voyager 5 оптический зум составляет невероятные 30 крат!

Для того, чтобы видео было плавным, используются специальные механические подвесы камер, которые крепятся на резиновые демпферы к днищу дрона, либо крепятся к передней части, как у DJI Mavic. Да, сегодня много говорится об этой фирме, потому что они являются законодателями мира дронов и качественной беспилотной продукции.

Чаще всего, это 3-осевые подвесы, такого вида:

Области применения квадрокоптеров

Недорогие модели квадрокоптеров (например, мини квадрокоптеры с камерой) зачастую применяются ради развлечения владельцев, в том числе для проведения любительских съемок. Многие люди с детства мечтали увидеть мир с высоты птичьего полета и сейчас воплощают мечты путем эксплуатации беспилотников.

Такие владельцы квадрокоптеров ежедневно совершают своеобразные виртуальные путешествия, снимая окрестности и наслаждаясь незабываемым видом различных красот, находясь в произвольно выбранном месте.

Квадрокоптер с камерой и трансляцией на пульт ДУ позволяет делать все перечисленное практически на интуитивном уровне. К тому же управление беспилотником сложностей не вызывает, а запас энергии в аккумуляторе позволяет устройству находиться в воздухе до 10-40 минут (в зависимости от модели).

Возможны и более практичные применения квадрокоптеров:

  • Борьба с преступностью. В развитых странах беспилотники используют для инспектирования мест ДТП, выслеживания преступников, контроля толпы на митингах и подобных мероприятиях.
  • Изучение аварийных объектов. Коптеры удобно применять для осмотра пострадавших сооружений промышленного и другого назначения. В опасных ситуациях рисковать людьми нерационально. Оценку ущерба и анализ ситуации можно провести с помощью беспилотников.
  • Помощь в сельском хозяйстве. Квадрокоптеры, оборудованные тепловизорами и специальными датчиками, применяют для контроля эффективности работы автоматизированных систем орошения и удобрения, а также для мониторинга состояния культур.
  • Съемка спортивных событий. Надежный квадрокоптер с камерой и трансляцией видео на пульт или экран уже стал незаменимой вещью во время футбольных матчей. Его использование позволяет оценивать ситуацию на поле с различных ракурсов. Аналогичный подход практикуют и при съемке других спортивных дисциплин.
  • Продажа и аренда недвижимости. Съемка с помощью квадрокоптера позволяет представить объект в лучшем свете, показать все преимущества ландшафта и даже дать информацию о соседях.

Также квадрокоптеры активно применяют в военном деле (в том числе для разведки и охраны объектов). Военные нередко оснащают беспилотники дорогостоящим высокоточным оборудованием, позволяющим получать детальную картинку местности в режиме реального времени. Дополнительно коптеры оборудуют системами распознавания лиц и другими приборами для идентификации личности.

Используют квадрокоптеры и в спасательных миссиях. Периодически жизнь людей и сохранность ценного имущества зависят от точности планирования операции. В таких случаях коптеры позволяют оперативно собрать нужные разведданные и организовать мероприятия с учетом всех особенностей местности.

Рекомендации по покупке квадрокоптера

Популярность дронов сегодня растет лавинообразно. Многие люди приобретают их просто для видео-селфи, которые можно выложить в Интернет, чтобы удивить и порадовать своих подписчиков в соцсети.

Сразу предупредим: при покупке беспилотника не соблазняйтесь его слишком низкой ценой. На современном рынке много подделок, которые стоят сравнительно дешево, но ведь и небольшую сумму жалко «выбросить на ветер».

Лидерами по оптимальному соотношению цены и качества являются сегодня квадролеты китайской фирмы DJI. Выбрать можно как профессиональные дроны (скажем, DJI Phantom 4 Pro), так и более простые, но очень качественные модели (к примеру, DJI Mavic Air).

При выборе конкретной модели нужно исходить из тех задач, которые вы хотите решать с помощью БПЛА. Например, видео с беспилотника может передаваться в режиме реального времени или же записываться на флеш-память. Первый вариант, разумеется, предоставляет куда больше возможностей по видеосъемке и видеомониторингу.

Дроны различаются и по количеству каналов управления: чем их больше – тем лучше. Новичкам посоветуем обратить внимание на наличие такой полезной функции гаджета, как Headless Mode, благодаря которой не нужно задумываться, где у квадрокоптера перед, а где зад.

Предпочтительнее также выбрать БПЛА с гироскопом: этот миниатюрный датчик контролирует положение дрона во время полета, обеспечивая ему завидную устойчивость, особенно при сильном ветре. В данном случае коптер просто зависает, благодаря чему уменьшается риск сноса его в сторону и столкновения с препятствием.

И, конечно же, огромное значение для любого дрона имеют дальность полета и продолжительность нахождения в воздухе.

Строим квадрокоптер. часть 1. детали.

Меня зовут Дмитрий Дударев. Я занимаюсь разработкой электроники и очень люблю создавать различные портативные девайсы. Еще я люблю музыку.

Давным-давно – в апреле или около того, когда весь мир сотрясался от ударов страшного карантина, я решил научиться играть на гитаре. Я взял у друга акустическую гитару и стал осваивать инструмент по урокам из ютуба и табулатурам. Было тяжело. То ли я неправильно что-то делал, то ли плохо старался, то ли в обществе моих предков мелкая моторика вредила размножению. Короче, ничего кроме звуков дребезжащих струн у меня не выходило. Мое негодование усиливала постоянная расстройка струн. Да и окружающим тысячный раз слушать мою кривую Nothing else matters удовольствия не доставляло.

Но в этих муках про главное правило электронщика я не забыл. Если что-то существует, значит туда можно вставить микроконтроллер. Или, хотя бы, сделать портативную электронную модификацию.

Электронная гитара? Хм, интересная идея, подумал я. Но еще лучше, если на этой гитаре я сам смогу научиться играть. В тот же день акустическая гитара отправилась на свалку обратно к другу, а я стал придумывать идею.

Поскольку я у мамы инженер, то первым делом я составил список требований к девайсу.

Что я хочу от гитары?

1)  Я хочу что-то максимально похожее на гитару, т.е. шесть струн и 12 ладов на грифе.

2)  Хочу компактность и портативность. Чтобы можно было брать девайс с собой куда угодно, не заказывая газель для транспортировки.

3)  Устройство должно без плясок с бубном подключаться к чему угодно, от iOS до Windows. Окей-окей, ладно, будем реалистичными – ко всем популярным осям.

4)  Работа от аккумулятора.

5)  Подключение должно производиться без проводов (но раз уж там будет USB разъем для зарядки, то и по проводу пусть тоже подключается)

6)  Ключевой момент – на гитаре должно быть просто учиться играть, без необходимости в долгих тренировках по адаптации кистевых связок. Как это реализовать? Сразу пришла идея оснастить струны и лады светодиодами. Типа, загрузил табулатуры в гитару, а она уже сама показывает, куда ставить пальцы. Т.е. нет такого, что смотришь на экран, потом на гитару, снова на экран, снова на гитару. Вот этого вот всего не надо. Смотришь только на гитару. И там же играешь. Все. Это прям мое.

7)  Хотелось бы поддержки разных техник игры на гитаре: hummer on, pull off, slide, vibrato.

8) Без тормозов. По-научному – чтобы задержка midi-команд не превышала 10мс.

9)  Все должно собираться из говна и палок легко доступных материалов без сложных техпроцессов и дорогой электроники.

В итоге должен получиться компактный инструмент, на котором можно играть, как на гитаре, лишенный аналоговых недостатков и оснащенный наглядной системой обучения. Звучит реализуемо.

Разумеется, для мобильных платформ потребуется написать приложение, в котором можно будет выбрать табулатуру для обучения светодиодами, выбрать инструмент (акустика, классика, электрогитара с различными пресетами фильтров, укулеле и т.д.), и воспроизводить звуки.

Существующие аналоги

А надо ли изобретать велосипед? Ведь на всякую гениальную идею почти наверняка найдется азиат, который уже давно все реализовал в «железе», причем сделал это лучше, чем ты изначально собирался. Иду гуглить.

Смотрите про коптеры:  Квадрокоптер DJI Spark купить в Москве по выгодной цене

Оказывается, первая цифровая гитара была создана еще в 1981 году, но в народ сильно не пошла из-за хилой функциональности.

Варианты посовременнее, конечно, тоже нашлись.

Вот, например, с айпадом вместо струн или еще одна в форме моллюска:

Однако такого, чтобы выполнялись все мои хотелки – в первую очередь компактность и режим обучения «жми на лампочки» – такого нет. Кроме того, такие midi-гитары нацелены все же на более профессиональную аудиторию. И еще они дорогие.

Значит, приступаем!

Первый прототип

Чтобы проверить жизнеспособность концепции, нужно сначала определиться с элементной базой.

Контроллер берем STM32F042. В нем есть все, что нужно, при стоимости меньше бакса. Кроме беспроводного подключения, но с этим позже разберемся.

Далее. Струны на деке. Для первого концепта решил напечатать пластиковые язычки, закрепить их на потенциометрах с пружинками и измерять углы отклонения.

Так выглядит 3D-модель:

А так живьем:

Тактильное ощущение приятное. Должно сработать.

Для ладов на грифе я заказал на Али вот такие тензорезистивные датчики.

В отличие от разнообразных кнопок, они не щелкают. Плюс есть возможность определять усилие нажатия, а значит, можно реализовать сложные техники вроде slide или vibrato.

Плюс нужен АЦП, чтобы считывать инфу с датчиков и передавать на контроллер.

Пока ждал датчики из Китая, развел плату:

Прежде чем заказывать печать платы, решил дождаться тензорезисторов. И, как оказалось, не зря. Из 80-ти датчиков рабочими оказались только несколько, и то с разными параметрами.

Выглядит, мягко говоря, не так, как заявлено. И чего я ожидал, покупая электронику на Али?..

И тут меня осенило.

Можно ведь применить другой метод детектирования — измерение емкости, как в датчиках прикосновения. Это гораздо дешевле и доступнее. А если правильно спроектировать механику, то можно и усилие определять.

Что ж. Удаляю все, что было сделано

Второй прототип

Итак, тензорезистивные датчики в топку. В качестве сенсорных элементов в этот раз взял небольшие медные цилиндрики, напиленные из проволоки. Для измерения емкости удалось найти дешевый 12-канальный измеритель емкости общего назначения. Он измеряет емкость в масштабах единиц пикофарад, чего должно быть достаточно для схемы измерения усилия, которую я планирую реализовать в следующих модификациях.

Дополнительно на всякий случай повесил на каждый элемент грифа по посадочному месту для кнопки или чего-то подобного. И сделал соответствующие вырезы в плате. Это чтобы можно было не только прикоснуться к цилиндрику, но и прожать его внутрь. Можно будет поэкспериментировать с разными техниками игры.

Решив вопрос подключения множества микросхем измерителя емкости к контроллеру, приступаю к разводке платы.

На этот раз плату удалось заказать и даже дождаться ее изготовления.

После того, как припаял все комплектующие к плате, понял, что конструкция с пластиковыми струнами получается слишком сложной. Поэтому решил пока что повесить на деку такие же сенсорные цилиндрики, но подлиннее.

Два проводочка в нижней части – это я подключил накладку с цилиндриками к уже изготовленной плате. Это временное решение.

Железяка готова. Следующая задача – заставить ее играть.

Софт

Программная часть реализована так:

1. Скачиваем виртуальный синтезатор, который может работать с MIDI устройством и издавать гитарные звуки.

2. Пишем прошивку для контроллера, которая будет опрашивать сенсоры и передавать данные по USB на комп.

3. На стороне компа пишем программу, которая будет получать эти данные, генерировать из них MIDI-пакеты и отправлять их на виртуальный синтезатор из пункта 1.

Теперь каждый пункт подробнее.

Виртуальных синтезаторов под винду с поддержкой MIDI оказалось довольно много. Я попробовал Ableton live, RealGuitar, FL studio, Kontakt. Остановился на RealGuitar из-за простоты и заточенности именно под гитару. Он даже умеет имитировать несовершенства человеческой игры – скольжение пальцев по струнам, рандомизированные параметры извлечения нот.

Чтобы подключить свое приложение к виртуальному синтезатору я сэмулировал виртуальный порт midi, который подключен ко входу синтезатора RealGuitar через эмулятор midi-кабеля. Такая вот многоуровневая эмуляция.

*Мем с ДиКаприо с прищуренными глазами*

В интерфейсе программы я сделал графическое отображение уровня измеряемой емкости для каждого сенсора. Так будет проще подстраивать звучание. Также на будущее добавил элементы управления светодиодами, вибромотором (пока не знаю зачем, но он тоже будет в гитаре), визуализации работы акселерометра и уровня заряда аккумулятора.

Для того чтобы удары по струнам гитары вызывали проигрывание правильных нот, нужно замапить все 72 сенсора на грифе на соответствующую ноту.

Оказалось, что из 72 элементов на 12-ти ладах всего 37 уникальных нот. Они расположены по определенной структуре, так что удалось вместо построения большой таблицы вывести простое уравнение, которое по номеру сенсора выдает номер соответствующей ноты.

Проверяем работу

Похоже, все готово для первого теста. Пилить прутки и паять все 12 ладов мне было лень, поэтому ограничился 8-ю. Момент истины:

IT’S ALIVE! Жизнеспособность концепта подтверждена. Счастью не было предела! Но нельзя расслабляться.

Следующий этап – добавление светодиодов, акселерометра, вибромотора, аккумулятора, беспроводной связи, корпуса и возможности работы без драйверов или программ эмуляции midi на всех популярных платформах.

Светодиоды

По плану гитара должна подсказывать пользователю, куда ставить пальцы, зажигая в этом месте светодиод. Всего нужно 84 светодиода. Тут все просто. Я взял 14 восьмибитных сдвиговых регистров и соединил в daisy chain. STM-ка передает данные в первый регистр, первый – во второй, второй – в третий и т.д. И все это через DMA, без участия ядра контроллера.

Акселерометр

Самый простой акселерометр LIS3D позволит гитаре определить угол своего наклона. В будущем буду это использовать для наложения звуковых фильтров во время игры в зависимости от положения гитары.

Беспроводное соединение

Для беспроводной передачи данных решил поставить ESP32. Оно поддерживает различные протоколы Bluetooth и WI-FI, будет с чем поэкспериментировать (на тот момент я еще не знал, что в моем случае существует только один правильный способ подключения).

Корпус

Одно из ключевых требований к гитаре – портативность. Поэтому она должна быть складной, а значит, электронику деки и грифа нужно разнести на две платы и соединять их шлейфом. Питание будет подаваться при раскрытии корпуса, когда магнит на грифе приблизится к датчику Холла на деке.

Доработка прототипа

Что ж, осталось облачить девайс в приличную одежку.

Я много экспериментировал с различными конструкциями тактильных элементов грифа и рассеивателями для светодиодов. Хотелось, чтобы равномерно светилась вся поверхность элемента, но при этом сохранялась возможность детектирования прикосновения и нажатия на кнопки.

Вот некоторая часть этих экспериментов:

Еще я обратился к другу, который профессионально занимается промышленным дизайном. Мы придумали конструкцию узла сгибания гитары, после чего он спроектировал и напечатал прототип корпуса.

Развожу финальный вариант плат и собираем гитару:

Выглядит почти круто. Но девайс все еще подключается к компу через цепочку эмуляторов, эмулирующих другие эмуляторы.

Превращаем гитару в MIDI-устройство

В новой версии в первую очередь я хотел, чтобы при подключении по USB, гитара определялась как MIDI устройство без всяких лишних программ.

Оказалось, сделать это не так сложно. Все спецификации есть на официальном сайте usb.org. Но все алгоритмы, которые выполнялись на стороне python-приложения, пришлось переписывать на C в контроллер.

Я был удивлен, что оно сразу заработало на всех устройствах. Windows 10, MacOS, Debian 9, Android (через USB переходник). Достаточно просто воткнуть провод и в системе появляется MIDI-устройство с названием «Sensy» и распознается всеми синтезаторами. С айфоном пока протестировать не удалось т.к. нет переходника. Но должно работать так же.

Беспроводной интерфейс

Осталось избавиться от проводов. Правильное решение пришло не сразу, потому что я поленился как следует погуглить. Но в итоге я использовал протокол BLE MIDI, который поддерживается всеми новыми операционками и работает без всяких драйверов прямо как по USB MIDI. Правда, есть вероятность, что на более старых операционках решение не заработает в силу отсутствия поддержки BLE MIDI. Но все тесты с доступными мне девайсами прошли успешно.

Переписанный функционал приложения – т.е. трансляция данных сенсоров в MIDI-данные – занял точнехонько всю память контроллера. Свободными осталось всего 168 байт. Очевидно, кремниевые боги мне благоволили, значит иду в правильном направлении.

Уверен, можно оптимизировать, но это отложу для следующей версии. Хотя, возможно, проще не тратить время и просто взять контроллер потолще. Разница по деньгам – 5 центов. Посмотрим. Все равно нужно будет место для новых фич – обрабатывать техники игры, например. В первую очередь, хочу реализовать slide. Это когда начинаешь играть ноту с определенным зажатым ладом и проскальзываешь рукой по грифу, перескакивая с лада на лад.

Теперь можно проверить работу по беспроводу:

При включении всех светодиодов, гитару можно использовать, если вы заблудились в темной пещере.

Недостатки прототипа

На текущий момент у конструкции есть следующие минусы:

1) На сенсорах нигде не измеряется усилие нажатия. Это влечет за собой три проблемы:

• Постоянно происходят случайные задевания соседних струн как на деке, так и на грифе. Это делает игру очень сложной.

• Все играемые ноты извлекаются с одинаковой громкостью. Большинство подопытных этого не замечают, но хотелось бы более приближенной к настоящей гитаре игры

• Невозможность использовать техники hammer on, pull off и vibrato

2) Светодиоды одноцветные. Это ограничивает наглядность при игре по табулатурам. Хочется иметь возможность разными цветами указывать на различные приемы игры.

3) Форма корпуса не подходит для левшей. С точки зрения софта – я уже реализовал инверсию струн по акселерометру. Но механический лепесток, необходимый для удержания гитары рукой во время игры, поворачивается только в сторону, удобную правшам.

Смотрите про коптеры:  Квадрокоптер - Игрушки - OLX.ua

4) Отсутствие упора для ноги. Сейчас при игре сидя нижняя струна почти касается ноги, а это неудобно.

5)  Сустав сгибания гитары требует осмысления и доработки. Возможно, он недостаточно надежен и стабилен.

Время переходить к разработке следующей версии.

Переезжаю на контроллер серии STM32F07. На нем уже 128КБ флэша – этого хватит на любой функционал. И даже на пасхалки останется.

Использовать ESP32 в финальной версии гитары было бы слишком жирно, поэтому я пошел искать что-то более православное. Выбор пал на NRF52 по критериям доступности, наличию документации и адекватности сайта.

Конечно, будут реализованы и три главных нововведения:

— светодиоды теперь RGB,

— на каждом сенсоре грифа будет измерение усилия (тактовые кнопки больше не нужны),

— струны на деке станут подвижными.

На данный момент плата деки выглядит так (футпринт ESP на всякий случай оставил):

Уже есть полная уверенность в том, что весь задуманный функционал будет реализован, поэтому было принято решение о дальнейшем развитии. Будем пилить стартап и выкладываться на Kickstarter 🙂

Проект называется Sensy и сейчас находится в активной разработке. Мы находимся в Питере, сейчас команда состоит из двух человек: я занимаюсь технической частью, мой партнер – маркетингом, финансами, юридическими вопросами.

Скоро нам понадобится наполнять библиотеки табулатур и сэмплов различных инструментов. Если среди читателей есть желающие в этом помочь – пожалуйста, пишите мне в любое время.

Кому интересно следить за новостями проекта – оставляйте почту в форме на сайте и подписывайтесь на соцсети.

Очень надеюсь на обратную связь с комментариями и предложениями!

Спасибо за внимание!

Забавный эпизод из процесса разработки

Сижу отлаживаю NRF52, пытаюсь вывести данные через UART. Ничего не выходит. Проверял код, пайку, даже перепаивал чип, ничего не помогает.

И тут случайно нестандартным способом перезагружаю плату – в терминал приходит буква «N» в ascii. Это соответствует числу 0x4E, которое я не отправлял. Перезагружаю еще раз – приходит буква «O». Странно. Может быть проблема с кварцевым резонатором и сбился baud rate? Меняю частоту в терминале, перезагружаю плату – опять приходит «N». С каждой новой перезагрузкой приходит по новой букве, которые в итоге составляют повторяющуюся по кругу фразу «NON GENUINE DEVICE FOUND».

Что эта NRF-ка себе позволяет? Прошивку я обнулял. Как она после перезагрузки вообще помнит, что отправлялось в предыдущий раз? Это было похоже на какой-то спиритический сеанс. Может, я и есть тот самый NON GENUINE DEVICE?

Залез в гугл, выяснил, что производители ftdi микросхем, которые стоят в USB-UART донглах, придумали способ бороться с китайскими подделками. Виндовый драйвер проверяет оригинальность микросхемы и на лету подменяет приходящие данные на эту фразу в случае, если она поддельная. Очевидно, мой донгл оказался подделкой и переход на другой решил эту проблему.

Снова спасибо китайцам.

Улучшения и повышение стабилизации полета

В то время как первые игрушечные вертолеты имели всего 2 канала управления (вперед-вверх и поворот лишь в одну сторону), любители для себя делали и модели на многоканальном радиоуправлении. Чтобы управлять самыми первыми моделями дистанционно управляемых вертолетов, требовалась довольно долгая тренировка, поскольку ровно удержать его в воздухе было довольно трудно, и многое зависело от мастерства пилота.

Для самых простых игрушечных вертолетов вместо радиоуправления применялось управление по инфракрасному излучению. В более продвинутых моделях — по радиоканалу. В дешевых моделях оно было двухканальным, чем дороже — тем каналов управления становилось больше.

В самых дешевых моделях на смену двухканальному управлению добавили третий, и управление стало больше походить на полноценный полет. Вот только держаться в воздухе, несмотря на множество каналов, было все еще непросто.

Обратите внимание, как трудно пилоту совладать с удержанием модели на месте:

Одна из первых моделей вертолетов, схема типа Pixelito, 2007 год.

Появление миниатюрных гироскопов значительно улучшило эту ситуацию. После добавления в модель этого устройства полет становился прямо непривычно стабилен, не надо было постоянно держать пальцы на клавишах управления. Однако такие модели стоили гораздо дороже, чем вертолеты без гироскопа. Гироскопы стали применяться и в моделях вертолетов с ДВС.

Видео про модели вертолетов с гироскопами, 2020 год

Самой популярной из моделей с гироскопом для массового покупателя была модель Syma S107, ну а самыми надежными, выдерживавшими прямые столкновения со стенами, зубы котов и бесконечные тараны мебели, наверное, являлись вертолетики фирмы Himoto.

После своего появления, новые устройства стабилизации стали ставиться и на самые первые модели электровертолетов. В магазинах появились наборы для модернизации Kalt Whisper, Kyosho EP Concept, Icarus ECO 8 и 16 и GWS Dragonfly. На тех же самых вертолетах, после установки гироскопа, литий-полимерных аккумуляторов и легких и мощных бесколлекторных двигателей стало возможно не только нормально летать, но и даже заниматься аэробатикой.

Демонстрация возможностей электровертолета с гироскопом, 2020 год. А ваш квадрокоптер так умеет?

Эволюция идеи

Одним из первых таких дронов стал «Автоматический аэроплан Хьюитта-Сперри», созданный в 1917 году. Правда, он не имел радиоуправления, для полета по заданному курсу его создатели настраивали гироскопы (на борту их было два). О том, как все это работало, информации практически не сохранилось. Но зато есть фотография автоматического аэроплана.

Первым боевым дроном стала «воздушная торпеда Кеттеринга», разработанная во время Первой мировой войны.

Говоря о дронах, не стоит забывать о квадрокоптерах, которые тоже далеко не новинка. Первые прототипы (правда, пилотируемые) были разработаны еще в 20-х годах прошлого века. Над созданием устройств такого типа работали сразу два человека. Первый — это конструктор Георгий Ботезат, живший в США и французский инженер Этьен Эмишен.

Коптеры того времени смогли поучаствовать лишь в тестовых полетах без дальнейшей практической реализации. Как оказалось, системы имеют три главных недостатка:очень сложная трансмиссия, которая должна передавать крутящий момент с двигателя сразу на все роторы. Она работала, но часто ломалась.

Аппараты никак не были стабилизированы в воздухе, поэтому малейшее дуновение ветерка могло вывести летательный аппарат из строя.

Слишком большое число пропеллеров (Эмишен предложил восемь), плюс недостаточная маневренность. Так, коптер Георгия Ботезата мог более-менее нормально передвигаться только при наличии ветра определенного направления и силы.

В 30-х годах прошлого века серийно производился дрон DH.82B Queen Bee. Он представлял собой биплан, разработанный на основе двух летательных аппаратов — DH.60 Moth и DH.82 Tiger Moth. В качестве управляющей аппаратуры служил передатчик на вакуумных электронных лампах и электромеханических реле. Этот дрон был военным, но использовался не в боях, а в учениях — летчики отрабатывали на них приемы воздушного боя.

Немецкие самолеты-снаряды вроде «Фау-1» тоже являются дронами, их относительная успешность дала толчок развития не только ракетной техники, но и автономных летательных аппаратов.

Далее дроны применялись, в основном, военными. Среди прочих моделей стоит указать самолет-разведчик Ryan Model 147E, разработанный в США и применявшийся во Вьетнаме, советские дроны Ту-123, Ту-141 и Ту-143. Все это — крупногабаритные летательные аппараты, размеры которых примерно такие же, как и у самолетов с сопоставимой функциональностью.

Все о квадрокоптерах: применение, классификация, производители | Cтатьи
Самолет-разведчик Tу-143

В 1982 году вступили в дело радиоуправляемые дроны, разработанные израильтянами. Они использовались в ходе Ливанской войны. Чаще всего применялись IAI Scout и Tadiran Mastiff. Их разработали «с нуля», это уже не были переделанные под автономный полет самолеты.

Ну а потом другие страны, включая США, стали производить сверхсовременные военные дроны вроде MQ-1B Predator и MQ-9 Reaper, способные передавать данные наблюдения в режиме реального времени. Некоторые модели таких дронов умеют и стрелять по цели, причем ракетами.

Примерно со второй половины 20 века активно стало развиваться и такое направление, как бытовые радиоуправляемые дроны. Изначально это были сплошь DIY-модели, которые представляли собой имитацию самолетов. Но затем бизнес, видя востребованность радиоуправляемых летательных аппаратов, взял инициативу в свои руки.

Этика и безопасность как часть истории

Появление камер и персональных дронов, которые способны отдаляться от оператора на многие километры, подняло ряд вопросов об этической стороне работы с «домашними» БПЛА. Ведь любой желающий теперь мог заглянуть в окно соседа, или окно соседней компании, направляя аудио- и видеопоток прямо на свой телефон или компьютер.

Дроны падали на головы зрителям на спортивных стадионах, создавали угрозу пассажирским самолетам и промышленным объектам. Дрон — практически идеальный инструмент для любителя подглядывать, шпиона (коммерческого или государственного), анархиста и т.п.

В итоге во многих странах законодатели стали спешно принимать новые законы, регулирующие продажи и эксплуатацию дронов. В каждой стране свои законы, но в большинстве случаев владельцам дронов запрещается снимать людей без явного их согласия, БПЛА нельзя использовать рядом с аэропортами, вокзалами, объектами военного и промышленного значения.

В России получение разрешение на съемку с мультикоптера обязательно. При нарушении правила на виновника может быть наложен штраф в размере 3–50 тыс. рублей. Да и для получения разрешения на полеты необходимо получать разрешение. Для этого требуется:

  • документ, удостоверяющий летную годность,
  • доступ к эксплуатации ВП,
  • удостоверение правомерности управления БПЛА.


Пилотирование дронов в РФ регулируется такими документами:

  • воздушным кодексом Российской Федерации,
  • УК, статья 271.1 ФЗ,
  • АКРФ, статья 11.4 («Нарушение правил эксплуатации российского воздушного пространства»),
  • правилами эксплуатации воздушного пространства РФ федерального уровня.

В России разрешены такие модели БПЛА:

Syma,

  • Gopro Karma,
  • Yuneec,
  • DJI (Inspire, Mavic, Phantom 2,3,4),
  • похожие по габаритам и функциональности устройства других производителей.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector