Выбор комплектующих для съемочного квадрокоптера

Инерциальный измерительный блок (imu)¶

Полетный контроллер оснащен набором миниатюрных измерительных устройств
(датчиков), которые лежат в основе инерциального измерительного блока.

Инерциальный измерительный блок или система инерциальной навигации (от
англ. IMU – Inertial Measurement Unit) – это система, которая определяет
своё положение в пространстве используя свойства инерции тел, то есть
определяет на какой угол и по какой оси она была повернута и была
смещена относительно начальной точки.

Измерительный блок включает в себя
датчики линейного ускорения (акселерометр) и угловой скорости
(гироскоп). Основной задачей датчиков на полетном контроллере является
непрерывное получение навигационных данных для математических расчетов
микроконтроллером (микропроцессором), который устанавливает положение
беспилотника относительно горизонта и обнаруживает изменения углов
ориентации, относительно его предыдущего положения в пространстве, затем
направляет данные в электронные регуляторы оборотов двигателей (ESC).

Современные датчики положения и ускорений используемые при управления
беспилотными летательными аппаратами основаны на технологии
микроэлектромеханических систем (МЭМС).

МЭМС (MEMS) или микроэлектромеханические системы представляет собой
технологию, которая позволяет миниатюризировать механические структуры и
полностью интегрировать их с электрическими схема, что приводит к одному
физическому устройству, где механические и электрические компоненты
работают для реализации желаемой функциональности.

Таким образом,
МЭМС-устройство представляет собой микро (т.е. очень маленький) чип, в
котором одновременно находятся электрическая система, отвечающая за
обработку сигналов и движущаяся механическая система. Физические размеры
МЭМС-устройств могут варьироваться от одного микрона до нескольких
миллиметров, а также от относительно простых структур практически без
движущихся элементов до очень сложных электромеханических систем.

Иной язык

Несмотря на то, что сейчас “рулят” си-подобные ECMA-языки, мы нормально отнеслись к тому, что от этого придется отказаться. Более того, кажется, что чем больше программа, тем больше вредит укорочение ключевых слов и конструкций. Что касается Rust, то он – субъективно – в отношении минимализма издалека сильно напоминает Perl, к сожалению.

И наоборот, по ощущениям, пространные, многобуквенные конструкции раздражают, когда разум летит вперед, но не мешают, когда во главу угла ставится надежность, понятность, и легкость чтения. В этом смысле Ada (а SPARK это подмножество Ada) вполне хорош. Теперь давайте посмотрим, что же язык Ada может дать embedded-разработчику.

 Профили

Сам язык и стандартная библиотека позволяет определять и использовать так называемые “профили”. Профиль это набор ограничений, выполнение которых контролирует компилятор. Например, можно определить ограничение “нельзя использовать динамическую память”.

Мы используем профиль Ravenscar, специально для embedded-разработки. Он включает пару дюжин ограничений, которые делают вашу разработку для микроконтроллеров более удобной и верифицируемой: нельзя на ходу переназначать приоритеты задач-потоков, переключать обработчики прерываний, сложные объекты из stdlib-ы и такое.

Вот ограничения профиля Ravescar, для примера

 Runtime

Когда в embedded необходимо создать более-менее сложное приложение, там всегда заводится RTOS, и ее выбор и интеграция это отдельная песня. В случае с Ada с этим больше нет сложностей – сама Ada включает в себя минимальную исполняемую среду с вытесняющим планировщиком потоков (в Ada это tasks, задачи), с интегрированными в сам язык средствами синхронизации (семафоры, рандеву, называются entries) и даже средствами избегания дедлоков и инверсии приоритетов. Это оказалось очень удобно для квадрокоптера, как станет понятно ниже.

Для embedded-разработчика доступны на выбор также разные рантаймы:

Вот пример описания пустой задачи

Хочется обратить внимание, что эти задачи – это по сути легковесные green threads, так как под ними нет никаких настоящих потоков не существует. Поэтому мы не страдаем от отсутствия корутин, ведь задачи не тяжелее них, зато встроены в язык.

Кроме этого, в Ada есть достаточно мощная stdlib для ядра STM32, включая полную реализацию рантайма. Возможно, и для вашей архитектуры она тоже есть.

Почему не “rustRustRUST”!

Когда мы говорим, про гарантии в языках программирования, сразу вспоминается Rust и его гарантии относительно указателей. Почему тут не он? Нам кажется, что Spark мощнее.

Ada не очень любит указатели – там они называются access types, и в большинстве случаев там они не нужны, но если нужны, то – в Spark также есть проверки владения, как в Rust. Если вы аллоцировали объект по указателю, то простое копирование указателя означает передачу владения (которую проконтролирует компилятор/верификатор), а передачу во временное владение (или доступ на чтение) верификатор также понимает и контролирует.

В общем, концепция владения объектом по указателю, и уровень доступа через этот указатель – есть не только в Rust, и его преимуществами можно пользоваться и в других инструментах, в частности, в Ada/SPARK. Подробно можно почитать в [UPS]

Вот пример кода с владением

Почему мы пишем, что в Ada/SPARK не нужны указатели? В отличие от Си, где базовым инструментом является указатель (хочешь ссылку – вот указатель, хочешь адрес в памяти – вот указатель, хочешь массив – вот указатель – ну вы поняли?), в Ada для всего этого есть строгий тип.

Если уже и этого мало, есть интероп с СИ – то есть код можно компилировать совместно, и слинковать на этапе сборки. Но в этом случае гарантии поведения модуля как черного ящика остаются на разработчике. Для интеропа используются атрибуты – вот так, например, мы оборачиваем функцию на Си в доступ для Ada.

Для соблюдения нужного layout или битности в коде также не нужны указатели: Ада при необходимости позволяет детально описать, как именно структура будет располагаться в памяти. Минус ошибки на конвертации из логического в физическое представления и обратно – прощайте битовые сдвиги, сложения на кольце, арифметика указателей.

IDE

Для работы доступна вполне приятная и удобная IDE, но всегда можно использовать и VSCode с плагинами, и другие текстовые редакторы.

О производительности и надежности

Вполне валидным аргументом может быть вопрос с эффективностью ПО. Что касается эффективности, то в интернете доступно свежее исследование [EFF], из которого хочется привести табличку, показывающую, что “старичок» Ada еще огого:

Если говорить о надежности, то SPARK/Ada известен как один из языков с наименьшим количеством ошибок. В планируемом на 21 запуске кубсатов [LIC] полетное ПО планируется реализовывать на Ada, предыдущий спутник BasiLEO тоже на Ada был единственным среди 12, кому удалось приступить к планируемой миссии.

Летный арсенал,или типы контроллеров для авиасимуляторов

Летный симулятор как жанр предусматривает наличие, как принято указывать в обзорах «джойстика». Но в поисках наиболее практичного девайса для полетов рядовой пользователь сталкивается с массой непоняток. Помимо привычной рукояти штурвала встречаются разнообразные панельки, ручки и педали. Нужны ли все эти приблуды начинающему — разберемся чуть позже.

Вне зависимости от того, сражаетесь ли вы в небе над Британией или покоряете далекие созвездия — комплектация набора для комфортной игры не будет варьироваться. Товары в магазине привлекают богатой комплектацией, но «Что такое эти ваши РУД и РУС?» —спросит начинающий игрок. Проведем небольшой ликбез, как говорится, «special for newbies».

1. Ручка управления самолётом (РУС)

Собственно, тот самый «джойстик» в классическом его понимании. Осуществляет управление боевой (или не очень) машиной в воздухе во всех подвластных плоскостях, по соответствующим осям*:

• X1 — наклоны «вверх, вниз», отвечает за крен пилотируемого аппарата в пространстве.
  X2 — повороты «влево-вправо», позволяет контролировать тангаж самолета.

*Указан минимально необходимый функционал( подробнее об осях в соответствующем блоке)

Современный РУС представляет собой не только двухплоскостной штурвал на шарнире — он содержит тот самый минимум, с которым можно комфортно «полетать-пострелять» во всевозможных аркадах, но с гораздо большим трудом в более или менее серьезных симуляторах. В этот набор примочек входят:

• Гашетка, без которой поливать врагов свинцом (или плазмой из космоса, тут уже от жанровых предпочтений игрока зависит) с небес станет невозможным.
• Переключатель автоматического огня — позволяет не отвлекаться на постоянное клацанье по гашетке и включить режим «non-stop fire» по дефолту.
• Дополнительные кнопки, которые располагаются на панели у основания рукояти. Количество зависит от производителя. Своеобразные кастомизируемые помощники в полете для начинающих игроков.     
• Рычаг тяги, отвечающий за управление двигателем. Опять же — издержка любительского уровня, ведь для гибкого контроля тяги существует отдельный девайс. Но такое гибридное решение подойдет для тех, кто только начал пробовать себя в жанре
• «Хатка» или мини-джойстик (hat switch) — знакомый всем владельцам геймпадов. Позволяет «вертеть головой на все 360» в кабине и осуществлять еще массу полезных функций, вроде управления в меню, когда за мышкой тянуться лень.
• Дополнительные ползунки, колесики и кнопки — любимое решение компаний вроде Razer, которые в основном пласте продукции делают упор на казуальный и киберспортивный рынок. Для профессионалов в покорении виртуального неба вряд ли подойдет из-за слишком компактного размещения мелких кнопок на одном рычаге — игрок будет попросту путаться в них.
• Обратная связь — дает более отзывчивое управление полетом за счет технологии «forced feedback». Джойстик с отдачей обойдется гораздо дороже, но и картину полета даст прочувствовать более полную.
• Функция вибрации — позволит частично почувствовать эффекты разваливающегося кокпита или оторванного крыла. Встраивается в дорогие модели.

C помощью РУСа вполне можно гонять в леталки вроде «War Thunder» в аркадном режиме, но в случае серьезных симуляторных полетов без дополнительной оснастки не обойтись.

2. Рычаг управления двигателем (РУД)

Манипулятор для гибкого управления тягой по оси Y2 (вперед-назад). Дополнение для игроков более продвинутого уровня, которым необходим чуть более полный контроль над работой двигателя. Включает в себя:

• N-позиционный переключатель. Количество позиций зависит от модели, оптимальный вариант — 4.
• Набор дополнительных кнопок, который тоже зависит от модели манипулятора.

Датчик наклона даже не в самом дорогом РУДе позволяет управлять отклонением по оси с точностью до 1 градуса, что значительно удобнее колесика, которое постоянно норовит выскользнуть из-под пальцев.

3. Педали

Казалось бы, элемент более уместный в автосимуляторном жанре, но нет — в полете они отвечают за управление по оси X2 (вправо-влево). Выполняет функции руля направления и помогает «рыскать» по курсу, тем самым еще более искусно избегая вражеского огня.

Отличаются же авиационные педали от автосимуляторных тем, что более приближены к реальному обустройству самолета. Втопил одну педаль, вторая ушла назад. Правильный вираж без руля направления не выполнить, от неприятельского обстрела тоже проблематично уйти, поэтому если уж решили покупать дорогой комплект — без педалей не обойтись.

4. Штурвал

Вполне автономная единица для любителей мирных полетов. По дефолту позволяет контролировать полет по основным 4 осям. Ложка дегтя в противовес — каким-нибудь Боингом штурвалом управлять удобно, а вот многоцелевой истребитель требует более чувствительного манипулятора.

Юркая машина станет просто неконтролируемой в виражах из-за довольно тугого хода, предназначенного для вальяжных полетов на аэробусах. Как вариант — пересадка в более тяжелую боевую машину вроде ИЛ-4 или B-17, в управлении которой не требуется совершать хитроумные виражи.

5. Вспомогательные панели

Это уже, как говорится, для «видавших виды». Даже если вы планируете осваивать ИЛ-2 или Lock On на профессиональном уровне, можно будет наверняка обойтись без инфопанелей, размещаемых на столе. Как правило, такие, как я люблю говорить, «жутко декоративные, до безобразия неинформативные» приблуды могут играть роль:

• Высотометра;
• Индикатора воздушной скорости;
• Индикатора вертикальной скорости;
• Компаса;
• Соотношения указанных показателей;   
• Возможность установки крупной панели с возможностью отображения до 24 сегментов состояния. 

Как можно догадаться, таких штуковин можно разместить хоть на все необходимые индикации сразу. Вопрос лишь в деньгах и свободном месте. Выбор скорее для любителей гражданской авиации, в пылу сражения вряд ли будет время сверяться со всеми показателями. Хотя в особо «мазохистских» боевых симуляторах это тоже может стать своеобразной необходимостью.

6. Свитч-панели

Позволяют пользователю не только любоваться цифрами на дисплее, но и пощелкать разнообразные рычажки, прямо как заправскому пилоту. Позволяют управлять шасси, зажиганием, тягой (при наличии РУД становится бесполезным) десятком сигнальных огней и еще парой полезных функций.

7. Трекер поворота головы

Для тех, кому поворот головы в кабине с помощью хатки кажется слишком нереалистичным. Это может быть как целая система виртуальной реальности вроде Oculus Rift, так и более бюджетный вариант, например Gametrix vTrack MKI. В случае последнего геймер получает в свое распоряжение гарнитуру (которой можно пользоваться не только в летных симуляторах) с шумоподавлением и тем самым датчиком движения головы.

Пример

Итак, учитывая все эти различные сравнительные характеристики, какую информацию вы можете получить о контроллере полёта и что может включать контроллер полета? В качестве примера мы выбрали Quadrino Nano Flight Controller.

Главный процессор

Используемый на борту ATMel ATMega2560 является одним из наиболее мощных Arduino-совместимых чипов ATMel. Хотя он имеет в общей сложности 100 выводов, включая 16 аналогово-цифровых каналов и пять портов SPI, из-за его небольшого размера и предполагаемого использования в качестве контроллера полёта, на плате присутствуют только некоторые из них.

• AVR vs PIC: AVR
• Процессор: 8-бит
• Рабочая частота: 16МГц
• Программная память/Flash: 256Кбайт
• SRAM: 8Кбайт
• EEPROM: 4Кбайт
• Дополнительные контакты ввода/вывода: 3 × I2C; 1 × UART; 2 × 10-контактных GPIO; Серво с 5 × выходами; OLED порт
• Аналого-цифровой преобразователь: 10-бит

Сенсоры

Quadrino Nano включает микросхему MPU9150 IMU, которая включает в себя 3-осевой гироскоп, 3-осевой акселерометр и 3-осевой магнитометр. Это помогает сделать плату достаточно маленькой, не жертвуя качеством датчика. Барометр MS5611 предоставляет данные о давлении и покрыт кусочком пены. Интегрированный Venus 838FLPx GPS с внешней GPS антенной (в комплекте).

Программное обеспечение

Quadrino Nano был создан специально для использования новейшего программного обеспечения MultiWii (на базе Arduino). Вместо того, чтобы изменять код Arduino напрямую, было создано отдельное, более графическое программное обеспечение.

Связь

• Прямой ввод от стандартного RC приёмника.
• Порт выделенного спутникового ресивера Spektrum
• Последовательный (SBus и/или Bluetooth или 3DR радиосвязи)

Дополнительные факторы

1. Корпус: защитный полупрозрачный корпус входит в стандартную комплектацию
2. Монтаж: Есть два основных способа крепления Quadrino Nano к дрону: винты и гайки или наклейка из вспененной резины.
3. Компактная конструкция: сам контроллер (без учёта GPS антенны) имеет размеры 53 × 53мм.

Связь

Радиоуправление (RC)

Управление посредством радиосвязи обычно включает в себя RC передатчик/RC transmitter (в беспилотном хобби — радиоаппаратура управления/пульт) и RC приёмник (RC receiver). Для взаимодействия с БПЛА пользователю потребуется как минимум четырёх (и более) канальный RC передатчик. По умолчанию первые четыре канала связаны с:

Все остальные имеющиеся каналы могут быть задействованы для таких действий как:

• Арминг (Arming или Arm)/Дизарминг (Disarming или Disarm) — постановка/снятие с охраны моторов.
• Управление подвесом (панорамирование вверх/вниз, вращение по часовой стрелке/против часовой стрелки, зуммирование)
• Смена режимов полёта (ACRO/ANGLE и т.д.)
• Активировать/Задействовать полезную нагрузку (парашют, зуммер или другое устройство)
• Любое другое применение

Большинство пользователей (пилотов БПЛА) предпочитают именно ручное управление, это ещё раз доказывает, что пилотирование при помощи аппаратуры управления по прежнему является выбором номер один. Сам по себе RC приёмник просто передаёт поступающие от RC передатчика значения, а значит не может управлять беспилотником. RC приёмник должен быть подключен к контроллеру полёта, который в свою очередь должен быть запрограммирован для приёма RC сигналов. На рынке очень мало полётных контроллеров, которые принимают входящие радиокоманды от приёмника на прямую, а большинство ПК даже обеспечивают питание приёмника от одного из контактных выводов. Дополнительные соображения при выборе пульта дистанционного управления включают в себя:

• Не все RC передатчики могут обеспечить полный диапазон RC сигналов от 500мс до 2500мс; некоторые искусственно ограничивают этот диапазон, так как большинство используемых RC предназначены для радиоуправляемых автомобилей, самолётов и вертолётов.
• Дальность/Макс. воздушный радиус действия (измеряется в футах или метрах) RC-системы — практически никогда не предоставляются производителями, поскольку на этот параметр влияют множество факторов, таких как помехи, температура, влажность, заряд батареи и другие.
• Некоторые RC-системы имеют приёмник, который также имеет встроенный передатчик для передачи данных от датчика (например, GPS-координат), которые в последствии будут отображаться на ЖК-дисплее RC передатчика.

Bluetooth

Bluetooth и более поздние продукты BLE (Bluetooth Low Energy) изначально предназначались для передачи данных между устройствами без заморочек сопряжения или согласования частот. Некоторые имеющиеся на рынке контроллеры полёта могут отправлять и получать данные по беспроводной связи через соединение Bluetooth, что упрощает поиск неисправностей в полевых условиях.

Wi-Fi

Управление по Wi-Fi обычно достигается посредством Wi-Fi роутера, компьютера (в том числе ноутбук, десктоп, планшет) или смартфон. Wi-Fi в состоянии справится как с передачей данных, так и с передачей видеопотока, но одновременно с этим эту технологию сложнее настроить/реализовать. Как и для всех Wi-Fi устройств, расстояние удаления ограничено Wi-Fi передатчиком.

Радиочастота (RF или РЧ)

Радиочастотное (РЧ) управление в этом контексте относится к беспроводной передаче данных с компьютера или микроконтроллера на летательный аппарат с использованием РЧ передатчика/Приёмника (или двухполосного приёмопередатчика). Использование обычного радиочастотного блока, подключенного к компьютеру, позволяет осуществлять двухполосную связь на большие расстояния с высокой «плотностью» данных (обычно в последовательном формате).

Смартфон

Хоть это и не тип связи, самого вопроса, как управлять дроном используя смартфон, достаточно, чтобы уделить ему отдельный раздел. Современные смартфоны это по сути мощные компьютеры, которые по случайному совпадению могут также совершать телефонные звонки. Почти все смартфоны имеют встроенный модуль Bluetooth, а также модуль WiFi, каждый из которых используется для управления дроном и/или получения данных и/или видео.

Инфракрасное излучение (Infrared (IR))

Инфракрасная связь (то что можно найти в каждом телевизионном пульте дистанционного управления) редко используется для управления дронами, так как даже в обычных комнатах (не говоря уже об открытом пространстве) присутствует так много инфракрасных помех, что они не очень надёжны. Несмотря на то, что технологию можно использовать для управления БПЛА, не может быть предложена как основной вариант.

Сравнительная таблица контроллеров для авиасимуляторов

Вам также может быть интересно: Лучшие спортивные часы для мужчин

Хотите заняться fpv полетами? с чего начать? нетривиальный гайд 2023-2023