Выбор платформы для экспериментов с БПЛА / Хабр

Макетные платы с IMU

Для ряда применений небольшого ARM на борту недостаточно (даже если это М4). Чуть выше уже упоминалась плата Gumstix на OMAP3530 (Cortex-A8) в связке с NavStik. Было бы странно ели бы Gumstix сам не сделал что-то подобное самостоятельно.

Плата расширения Gumstix AeroCore. Другая популярная «макетка» BeagleBone c SOC от TI. Под неё тоже есть подходящая платка:

На фотографии BeagleBone IMU Cape

И, наконец, Intel со своим Edison. Под него платы расширения пока нет, но кто-то сомневается, что будет?

Следует заметить, что перечисленные платформы с трудом проходят по критерию «открытости», вся надежда была на I.MX6, ввиду полноты документации, но его родной SabreLight не подходит по форм фактору, а остальные реализации не имеют должной популярности (сугубо моё мнение). Так что ждем обещанного I.MX6 cо встроенным Cortex-M4 и новой подходящей макеткой.

К отряду макетных плат отнесу так же различные MiniPC на базе Android. Привлекательные, прежде всего, своей ценой. На примере Mk808 за 40$ имеем:

1. RK3066 2 x Cortex-A9 1.6GHz;
2. 1Гб ОЗУ;
3. 8Гб Flash;
4. WiFi;
5. SD разъем;
6. UART на плате;

Есть и более современные устройства на RK3288, но вопросс наличия порта Linux требует дополнительного изучения.

Подобный miniPC прикрученный через UART к любому описанному здесь автопилоту расширяет его возможности вплоть до VSLAM ( SLAM на основе технического зрения ).

Становится возможным вместо описанных здесь «микро ОС» для МК использовать полноценные ОС с надстройками в виде ROS или даже Simulink.

Наконец добрались до Pixhawk. Многие видели красивые ролики с квадрокоптерами играющими с мячиком для настольного тенниса, выполняющими акробатические трюки, стаей дружно что-то стоящие. Основной поставщик этого Контента — ETH Zurich (Swiss Federal Institute of Technology Zurich). Pixhawk это их разработка

. Благодаря академичности проект имеет красивую архитектуру, как в аппаратной части, так и программной. С аппаратной и начнем. Благодаря открытости приобрести клон можно на Alliexpress, что я и сделал:

Комплектность:

1. сам автопилот;
2. GPS модуль с антенной, батарейкой и магнитометром;
3. кнопка со встроенным светодиодом;
4. DC/DC преобразователь с датчиком тока;
5. переходник USB->UART/I2C;
6. разветвитель I2C.

Итого: 185$ (6500р… эх, было время).

Первый вопрос который возникает: насколько китайский клон «китайский». Что же, вскроем и посмотрим.

Github – dairui/niuone-ardupilot: customized autopilot base on stm32f7 and ardupilot

Аппаратная часть

Основной блок устройства представляет собой небольшую коробочку со множеством разъемов.

Материал корпуса — полупрозрачный темный поликарбонат.

Корпус состоит из двух половин. Половинки корпуса скрепляются при помощи четырех саморезов ввинчивающихся в пенечки на верхней половинке корпуса. Для упрощения сборочно/разборочных операций саморезы были сразу заменены на кусок черной изоленты видимый на первой фотографии.

В левом нижнем углу виден небольшой отсек охватывающий датчик давления на плате. До самой платы стенки отсека не доходят. По данным Vooon в родном устройстве в отсеке помещается кусок поролона, но в клоне он почему-то забыт, надо будет исправить самому.

Основные компоненты смонтированны снизу платы.

Сверху располагаются интерфейсные разъемы, разъем microSD и несколько индикаторных светодиодов.
К качеству монтажа претензий нет — все ровно, флюс отмыт (кроме батарейки, она, очевидно, паялась вручную после печки). Кстати, у конкурентов батарейки нет (значит нет и часов реального времени, точнее нет пока не пойман GPS).
Пластиковые разъемы имеют соответствующие отверстия в верхней половинке корпуса. Возле каждого разъема есть подпись. Ответные разъемы входят с некоторым усилием. Для отключения категорически нельзя тянуть за провод (оторвется). Действовать следует так:
На столе операция не вызывает затруднений, а в поле в -15С можно применить хак:

Имеет смысл сразу запастись запасными кабелями на случай неудачи.

GPS модуль идущий в комплекте совмещает в себе приемник СНС с батарейкой и антенной и магнитометр.

Необходимость выносить магнитометр вместе с GPS антенной возникает так как его желательно располагать подальше от силовых проводников и магнитных материалов. Для примера на DJI это сделано так:

Все входы/выходы выведенные на разъемы имеют защиту от статики, ограничительные резисторы. По цепям питания установлены проходные конденсаторы и защитные диоды.

Для наглядности вот фотография с разметкой части деталей обеспечивающих защиту.

В итоге: к китайскому производству претензий нет, плату можно осторожно покрыть лаком и в полет! А если дополнить металлическим корпусом с выведенными разъемами то устройство будет смотреться и на фоне гораздо более дорогих коммерческих автопилотов.

А теперь вспомним конкурентов из начала статьи у которых ноги МК напрямую подключены к разъемам. Самые крупные детали на плате это два МК. Большой STM32F427 (168МГц, 256КБ ОЗУ, 2МБ FLASH) и поменьше STM32F103 выполняющий функции failsafe контроллера (управление аппаратом при отказе основного алгоритма автопилота). Т.е.

Мы видим ту же архитектуру что и в Paparazzi 2008года, но на современной элементной базе. Здесь можно отметить что в современных SOC есть тенденция встраивать небольшие МК (ядра) для решения вспомогательных задач (а также задач жесткого реального времени), но здесь поступили проще — поставили отдельный МК. Установленные датчики/выведенные интерфейсы подробно расписывать не буду, все есть на странице проекта.

Дополнение. cсылки на коммерческие автопилоты для бпла:

1. NAZA-M-V2 автопилот от DJI;
2. Micropilot — один из первых коммерческих производителей;
3. UAVOS — белорусско/швейцарская платформа;
4. SWIFT AI — отечественная платформа для автопилота с упором на FPV;
5. АЭРОБ — отечественная платформа от соучастника Сколково;
6. АВАКС-ГеоСервис АП-05 — отечественная платформа с

блэкджеком QNX, резервированием и RS-485;

7. RUAV STA3x — отечественная платформа с Simulink подобный визуальным редактором. «Коробочный продукт» с документацией.

Программная часть

Проект базируется на

. NuttX представляет собой небольшую posix ОС. Система имеет поддержку ROMFS что позволяет часть настроек производить через конфигурационные файлы при работе системы (сравните со сборкой через конфигурационные xml у paparazzi).

Алгоритмы БИНС основаны на EKF и доступны в виде отдельного проекта InertialNav. Есть варианты реализации под различные наборы датчиков: на 21, 22, 23 и 24 переменных состояния. Код фильтра хорошо документирован и частично получен автоматической генерацией из MATLAB. В проекте имеются исходные MATLAB файлы, архивы с данными — полный набор для опытов.

Работа с устройством «на столе» крайне проста: при подключении к USB в системе появляется новый виртуальный COM порт который можно использовать для связи с автопилотом (в реальном устройстве вместо USB будет подключаемый по UART радиоканал).

Проект совместим с кодом наземной станции управления QgroundControl. Взаимодействи происходит через открытый протокол MAVLink.

Станция управления позволяет настроить автопилот под конкретный летательный аппарат, задать полетное задние и управлять ходом его выполнения, т. е. все что нужно пользователю.

Для пользователя достаточно, но мы пойдем дальше…

Установка среды разработки и загрузка проекта осуществляется в два клика даже из-под windows:

1. качаем toolchain
2. запускаем PX4_Software_download.bat — происходит скачивание проекта;
3. импортируем проект в Eclipse.

Все, имеем Eclipse c проектом:

Кому приходилось настраивать Eclipse для работы с ARM оценит простоту.

Теперь остается прикрутить ST-LINK и можно начинать отладку… но будет это в следующей статье которая появится только после накопления и осознания соответствующего опыта.