Боевые FPV-дроны. Управление. Конструкция. Практическое пособие

Рисунок 1.18 – Воздушные винты из разных материалов: пластик, карбон, дерево

Пропеллеры имеют следующие обозначения, которые соответствуют направлению вращения (рисунок 1.19):

CW – стандартная система с работой по часовой стрелке;

CCW – вращение лопастей против часовой стрелки.

Рисунок 1.19 – Маркировка направления вращения пропеллеров

Определить, какой пропеллер подойдет для требуемого направления вращения, можно по поднятой кромке лопасти на нем. Эта часть детали направляется в сторону вращения.

Прежде чем устанавливать пропеллеры на квадрокоптер, следует узнать, в правильную ли сторону будут крутиться моторы. Большинство квадрокоптеров летает на конфигурации, представленной на рисунке 1.20

Рисунок 1.20 – Конфигурация направлений вращения пропеллеров у квадрокоптера

Красной стрелкой показано направление полета квадрокоптера. Желтые стрелки – направления вращения пропеллеров.

Маркировка пропеллеров состоит из 3 чисел, следующего вида: 5045 и DP5х4.5х3V, где 5045 – это сокращенная цифра общей маркировки. Общая маркировка – DP5х4.5х3V: первая цифра означает размер (в дюймах), в представленном случае составляет 5 дюймов, 4.5 – это шаг или угол наклона лопастей, который обозначает расстояние, пройденное пропеллером за один полный оборот вокруг своей оси. Третья цифра (3) – это количество лопастей на пропеллере.

Электронный регулятор оборотов (ESC, Electronic Speed Controller) – специальное устройство для управления оборотами электродвигателя (рисунок 1.21).

а) б)

Рисунок 1.21 – Электронные регуляторы оборотов: а) с маркировкой: б) закрепленные на лучах рамы

Основная задача ESC – передача энергии от аккумулятора к бесколлекторному электродвигателю. Потребность в их применении возникла вследствие некоторых особенностей бесколлекторного электромотора. Аккумулятор отдает постоянный ток, а бесколлекторный электродвигатель потребляет трехфазный переменный ток.

На вход ESC подаются напряжение с аккумулятора и сигналы от полетного контроллера (уровень газа), а на выход регулятор выдает управляющее напряжение на бесколлекторном двигателе, меняя скорость его вращения [11].

Регулятор должен обеспечивать:

совместимость с полетным контроллером;

максимальный ток для мотора (рассчитывается из спецификаций мотора и пропеллера плюс 20 – 30%);

потребление тока меньше, чем ток, отдаваемый аккумулятором, поделенный на количество ESC.

Компоненты регулятора скорости:

микроконтроллер;

драйверы ключей;

силовые транзисторы (ключи, MOSFET);

стабилизатор питания микроконтроллера (LDO);

конденсаторы (фильтры);

датчик тока;

светодиоды.

Дополнительно к основной функции, регуляторы оборотов могут также передавать питание к другим узлам БпЛА: полетному контроллеру, сервоприводам и так далее. Это достигается внедрением в регулятор блока исключения батареи – Battery Eliminator Circuit (BEC).

Использование BEC значительно упрощает конструкцию БпЛА, однако такая схема обладает рядом минусов. Блок исключения батареи может перегреваться при больших перепадах напряжения и больших нагрузках. Регуляторы оборотов с BEC, как правило, стоят дороже, чем регуляторы без него.

Более простым решением является раздельное использование ESC и одного BEC. Такое решение называется универсальный блок исключения батареи – Universal Battery Eliminator Circuit (UBEC), которое обладает более высоким коэффициентом полезного действия и подключается напрямую к аккумулятору для питания соответствующего узла [10].

Регулятор оборотов может быть настроен на различные режимы работы, для него пишут отдельное программное обеспечение, называемое прошивкой (firmware). Обновления программного обеспечения включают исправление ошибок и более совершенные алгоритмы управления. Сменить программное обеспечение регулятора можно несколькими способами:

используя специальную плату управления;

используя полетный контроллер;

используя программатор.

Исходя из всего вышеперечисленного, можно выделить особые критерии выбора регулятора оборотов для БпЛА:

совместимость с полетным контроллером. Полетный контроллер должен поддерживать BEC и прошивку ESC.

совместимость со спецификациями мотора и аккумулятора;

наличие или отсутствие BEС;

теплоотвод и герметичность.

Полетный контроллер (ПК, FC – Flight Controller) – электронное устройство, представляющее из себя вычислительную систему, работающую по сложным алгоритмам и управляющую полетом БпЛА. Функции полетного контроллера могут определяться установленной на борту БпЛА мини-класса дополнительной периферией (GPS/ГЛОНАСС, модем, OSD, подвес для фото/видеокамеры, датчики тока и напряжения, поисковые средства и т.д.). По своей сути ПК – это плата с большим количеством различных датчиков, которая отслеживает положение летательного аппарата и команды от пользователя [8].

Используя полученные данные, она управляет скоростью вращения электродвигателей для того, чтобы БпЛА двигался так, как задумал пилот. У всех полетных контроллеров имеется базовый набор датчиков: гироскопы

(Gyro) и акселерометры (acc); некоторые продвинутые конфигурации имеют также барометр (датчик, измеряющий давление воздуха, благодаря которому можно измерять высоту полета) и магнитометр (компас). К ПК также подключаются периферийные устройства: GPS, светодиоды, сонары и т.д. Контроллеры для гоночных БпЛА очень быстро эволюционируют: становятся меньше, имеют все более быстрые процессоры, более современные датчики и все больше встроенных функций (рисунок 1.22).

Рисунок 1.22 – Полетные контроллеры

Полетный контроллер выполняет следующие задачи.

Стабилизация аппарата в воздухе – сбор и обработка информации с инерциального измерительного блока (IMU), датчиков ускорений и угловой скорости, обеспечивая аэродинамическую устойчивость аппарата в горизонтальной плоскости. Некоторые IMU включают в себя магнитометры, позволяя стабилизировать ориентацию аппарата относительно магнитного меридиана и удержания направления движения.

Автоматическое удержание высоты – сбор и обработка информации с барометрических, ультразвуковых, инфракрасных сенсоров или радиотехнических высотомеров. Датчики рассчитывают высоту и обеспечивают стабилизацию аппарата в вертикальной плоскости. Имеется возможность привязки позиции БпЛА мини-класса на заданной высоте и в заданной точке при помощи модуля GPS/ГЛОНАСС.

Автономный полет – выполнение заранее построенного полетного задания, созданного в специальном программном обеспечении, с выдерживанием заданных оператором параметров полета и автоматический возврат в точку старта при помощи модуля GPS/ГЛОНАСС.

Остановка перед препятствиями и их преодоление – обеспечивает остановку перед препятствиями и их преодоление с помощью набора сенсоров, определяющих расстояние до объекта. В случае оснащения системой технического зрения, полетный контроллер должен обладать высокой вычислительной мощностью, позволяющей в реальном времени аккумулировать и обрабатывать данные с сенсоров, постоянно сканирующих окружающую среду. У разных коптеров состав системы технического зрения может отличаться типом и количеством датчиков, принципом работы, математическими алгоритмами и порядком взаимодействия между этими датчиками [7].

Передача текущих параметров полета – сбор и обработка данных с внешних источников данных (GPS/ГЛОНАСС, датчики тока, напряжения, температуры) и штатных (барометр, акселерометр, магнитометр) с последующей передачей потока данных на модуль OSD (On-Screen Data), которые у оператора отображаются в FPV-очках или на дисплее. Данные телеметрии также могут передаваться непосредственно с полетного контроллера при помощи радиомодема, который обеспечивает двухстороннюю связь по протоколу UART (универсальный асинхронный приемопередатчик) через радиоканал.

Полетные контроллеры могут иметь различный набор датчиков и функционал, в зависимости от его предназначения. Как правило, в FPV-дронах более простой полетный контроллер, чем в классических квадрокоптерах, предназначенных для видеосъемки (рисунок 1.23). Последние ПК имеют полноценный автопилот, выполняющий расширенный функционал, например, полет по точкам, управление полезной нагрузкой, слежение за объектом интереса или автономная навигация. В то же время ПК FPV-дрона выполняет в основном только задачу стабилизации БпЛА в воздухе и управление по командам оператора (рисунок 1.24).

а) б)

Рисунок 1.23 – Виды полетных контроллеров: а) – ПК FPV-дрона, б) – автопилот БпЛА

Рисунок 1.24 – Отличие ПК FPV-дрона от автопилота

Рассмотрим основные составляющие полетного контроллера FPV-дрона.

Микроконтроллер – это однокристальная микроЭВМ обычно из семейства 32-битных STM32 от компании STMicroelectronics. Семейство

STM32 состоит из серий микроконтроллеров: H7, F7, F4, G4, F3, F2, F1, F0. Модели микроконтроллеров отличаются внутренней архитектурой, быстродействием, размером памяти для хранения программ и данных, количеством интерфейсов для подключения внешних и внутренних периферийных устройств и другие. От этих параметров зависит количество каналов управления, количество датчиков и исполнительных устройств, которые можно подключить к ПК, и насколько быстро он будет производить необходимые вычисления.

Минимальное требование к количеству каналов полетного контроллера – наличие минимум четырех каналов управления, поскольку они требуются для управления 4 основными функциями БпЛА:

канал газа – отвечает за уменьшение и увеличение оборотов двигателей БпЛА;

канал тангажа – отвечает за наклон аппарата вперед и назад;

канал крена – отвечает за наклон БпЛА влево и вправо;

канал рыскания – отвечает за вращение аппарата вокруг своей оси.

Для подключения к ПК внешних устройств применяются цифровые шины и CAN, I2C, SPI и аппаратный последовательный интерфейс UART.

Цифровые шины подключения CAN, I2C и SPI предназначены для подключения к ПК различных датчиков. Лучше всего использовать SPI, так как она позволяет работать с большими частотами опроса датчиков, чем I2C.

Аппаратный последовательный интерфейс UART (от англ. Universal Asynchronous Receiver/Transmitter – универсальный асинхронный приемопередатчик) используется для подключения периферийных устройств (приемник GPS-сигнала, телеметрия, транспондер, управление видеопередатчиком и т.д.). У каждого последовательного порта два контакта: TX – для передачи данных, RX – для приема. Следует запомнить, TX на периферийном устройстве подключается к RX на полетном контроллере и наоборот [6]. Количество последовательных портов в полетном контроллере зависит от модели ПК и используемого в нем микроконтроллера. Например, на микроконтроллере типа F1 обычно только 2 порта UART, у F3 и F4 может быть от 3 до 5, а у F7 – 6 или 7.

Встроенные датчики: акселерометры, гироскопы, барометры, магнитометры (компасы), датчики температуры наружного воздуха, а также различные измерительные блоки, например, модуль инерциальной навигационной системы (IMU – Inertial Measuring Unit).

Блок телеметрии предназначен для передачи параметров полета коптера (местоположение, процент заряда батареи, высота, скорость, потребление тока и др.) на пульт управления или через видеопередатчик на FPV-очки.

На рисунке 1.25 показаны основные элементы полетного контроллера и контакты для подключения периферийных устройств.

Рисунок 1.25 – Составляющие полетного контроллера

Периферийное оборудование – это дополнительные внешние устройства, которые подключаются к полетному контроллеру БпЛА по необходимости. Например, модули спутниковой и инерциальной навигации, OSD, bluetooth, Wi-Fi, датчики тока, напряжения и другие.

Рассмотрим некоторые из элементов периферии, входящие в состав полетных контроллеров или подключаемых к ним опционально:

датчики полетного контроллера, применяемые для ориентирования и позиционирования БпЛА в полете:

акселерометр – измеряет линейные ускорения по трем осям (x, y, z).

гироскоп – измеряет угловые скорости вращения БпЛА по трем осям (x, y, z), углы Эйлера, кватернионы, необходимые для определения его пространственного положения.

датчики, которые входят в состав продвинутых версий полетного контроллера:

Магнитометр (компас) – измеряет направление угла рыскания (курса) относительно севера.

Барометр – измеряет барометрическою высоту полета БпЛА. Используется на больших (свыше 50 м) высотах.

средства, которые опционально подключаются к полетному контроллеру для обеспечения дополнительных функций (в FPV-дронах обычно не используются):

Высотомер – измеряет высоту относительно поверхности. Предназначен для «мягкой посадки» БпЛА. Используют при небольших (до 50 м) высотах.

Бывают высотомеры следующих типов:

сонары (звуковые волны);

радиовысотомер (радиоволны);

лазерный дальномер, LiDAR (оптика).

Спутниковая навигационная система (СНС) (Global Positioning System – GPS) – спутниковый навигационный приемник, позволяющий определять координаты БпЛА в любой точке земного шара и в автоматическом или полуавтоматическом режиме осуществлять полет по заданным маршрутам, а также возвращаться в точку посадки. Спутниковый приемник включает в себя антенны и вычислитель. Основные применяемые СНС: ГЛОНАСС, GPS, BeiDou, Galileo, QZSS. Преимущества СНС: всепогодность, глобальность, оперативность, точность и эффективность. Недостатки СНС: необходимость прямой радиовидимости с не менее чем четырьмя спутниками; возможность подавления системами РЭБ; подмена сигнала спутников ложным сигналом (GPS – спуфинг).

Инерциальная навигационная система (ИНС) (Inertial Measuring Unit – IMU) – навигационное устройство, использующее акселерометры, гироскопы и вычислитель для непрерывного определения с помощью точного расчета положения ориентации и скорости БпЛА. Преимущества ИНС заключаются в полной автономности (независимости от внешних источников сигнала) и независимости от внешних факторов (помех и подавления). Главным недостатком ИНС является накопление ошибок, если нет корректировки от неинерциальных систем.

OSD (On Screen Display) – система отображения дополнительной информации о полете на экране, которая накладывает на видеопоток дополнительную информацию с различных датчиков квадрокоптера (рисунок 1.26), например, напряжение аккумулятора, высота, скорость и так далее. Система OSD может быть выполнена в виде отдельного устройства или встроена в полетный контроллер.

Рисунок 1.26 – Внешний вид платы OSD и отображение телеметрии на видео

Система регистрации полетных данных нужна для записи параметров полета квадрокоптера (логов работы) из полетного контроллера в специальный файл. Есть два места, куда можно вести запись логов, это флеш-память полетного контроллера и SD-карта (флешка).

На рисунке 1.27 представлен пример подключения различного периферийного оборудования к полетному контроллеру.

Рисунок 1.27 – Пример подключения периферийных устройств к полетному контроллеру

Система электропитания FPV-дрона состоит из аккумуляторной батареи, платы распределения питания и соединительных проводов.

Плата распределения питания (PDB от англ. Power Distribution Board). Основная задача PDB – это передавать ток от аккумулятора к регуляторам оборотов электродвигателей (ESC), а также питать полетный контроллер и некоторые периферийные устройства. Как правило, PDB – это небольшая плата

размером с полетный контроллер, на которой имеются минимум 5 пар контактных площадок (плюс и минус) (рисунок 1.28). На одну площадку припаивается разъем для подключения аккумулятора (часто эти контакты выведены в сторону), на остальные 4 (если собирается квадрокоптер) припаиваются контакты регуляторов оборотов (ESC), то есть эта плата распределяет ток от аккумулятора по всей системе квадрокоптера [6].

Рисунок 1.28 – Плата распределения питания отдельно и в сборке с полетным контроллером

Большинство PDB содержат регуляторы напряжения для подключения периферии. Как правило, периферия, в том числе и полетный контроллер, работает от питающего напряжения 5V, аккумулятор квадрокоптера вырабатывает напряжение питания 12 – 16V.

Основная задача PDB – это передавать ток от аккумулятора регуляторам оборотов (ESC) и питать полетный контроллер.

Аккумуляторная батарея (АКБ) – устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования.

Современные FPV-дроны используют два вида АКБ:

Li-Ion (литий-ионные);

Li-Po (литий-полимерные).

Литий-ионный аккумулятор (Li-Ion) – тип электрического аккумулятора, который широко распространен в современной бытовой электронной технике и находит в ней применение в качестве источника энергии в электромобилях, накопителях энергии в энергетических системах.

Преимущества Li-Ion АКБ:

высокая энергетическая плотность (емкость);

низкий саморазряд;

высокая токоотдача;

большое число циклов заряд-разряд;

не требуют обслуживания. Недостатки Li-Ion АКБ:

при перезаряде, несоблюдении условий заряда или при механическом повреждении часто бывают чрезвычайно огнеопасными;

потеря емкости на холоде.

Одним из основных технологических достижений, обусловивших взлет популярности гражданских БпЛА, стали литий-полимерные (Li-Po – lithium-ion polymer battery) батареи. Весьма сходные по устройству с батареями для смартфонов, литий-полимерные батареи имеют намного большее соотношение

«емкость/вес» по сравнению с никель-кадмиевыми (NiCD) и никель- металлгидридными (NiMH) батареями. Такое избавление от лишнего веса позволило их использовать на БпЛА.

Литий-полимерный аккумулятор (Li-Po) (рисунок 1.29) – это усовершенствованная конструкция литий-ионного аккумулятора. В качестве электролита используется полимерный материал.

Рисунок 1.29 – Li-Po аккумуляторная батарея с маркировочными данными

Преимущества Li-Po АКБ:

большая плотность энергии на единицу массы;

низкий саморазряд;

возможность получать очень гибкие формы;

незначительный перепад напряжения по мере разряда;

широкий диапазон рабочих температур от -20 до +40 °С. Недостатки Li-Po АКБ:

пожароопасные при перезаряде и/или перегреве. Для борьбы с этим явлением все бытовые аккумуляторы снабжаются встроенной электронной схемой, которая предотвращает перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда. По этой же причине требуют специальных алгоритмов зарядки (зарядных устройств);

количество рабочих циклов 800 – 900, при разрядных токах в 2А до потери емкости в 20 %.

Основными характеристиками аккумуляторов являются:

напряжение;

емкость;

токоотдача;

количество и способ соединения элементов в аккумуляторе.

Напряжение – все литий-полимерные батареи для достижения необходимого напряжения формируются из последовательно соединенных одиночных ячеек, конструктивно объединенных в блоки. Номинальное напряжение каждой ячейки 3,7 В (4,2 В при полном заряде). Это означает, что в нашем примере номинальное напряжение составит 3×3,7 = 11,1 В и может достигнуть 3×4,2 = 12,6 В при полном заряде.

Емкость – это вместимость аккумулятора, измеряется в ампер-часах или миллиампер-часах.

Пример: Батарея емкостью 1000 мАч говорит о том, что она будет отдавать в нагрузку ток, равный 1000 мА или 1 А в течение часа. Время разряда напрямую зависит от силы тока в цепи, если к такой батарее подключить лампочку, которая потребляет 100 мА или 0.1 А, то она будет светить 10 часов и, наоборот, – если подключить мотор, который потребляет 6 А, то этого аккумулятора хватит всего на 10 минут работы такого мотора.

Зная емкость, можно вычислить время работы, разделив емкость на ток нагрузки, из примера выше. Например, если имеется батарея 1 Ач и нагрузка 1 А – 1 Ач, делим на 1 А = 1 час, T=C/I, Т – время разряда, С – емкость аккумулятора, I – ток нагрузки. Пример с лампочкой 1 Ач делим на 0,1 А=10 ч и с мотором 1 Ач делим на 6 А =0,16 ч – 10 минут. Стоит обратить внимание на то, что не любой аккумулятор способен разряжаться с такой скоростью, как с мотором из примера (6 А), некоторые батареи при таком быстром разряде выйдут из строя. Для того чтобы такого не случилось на аккумуляторах, пишут еще один параметр [1].

Токоотдача – это допустимая скорость разряда данного аккумулятора, на батареях или одиночных элементах. Она обозначается «число и буква С», это указывает на то, что данная батарея может отдать всю накопленную энергию за время, которое определяется, как один час разделить на число перед «С», то есть, возьмем батарею 1Ач, ее токоотдача равна 10С, это значит, что она может отдать всю энергию за 1ч, делим на 10С = 0,1ч, то есть 6 минут, получается, что мотор из примера выше не повредит ее, разрядив за 10 минут, так как это по времени на 4 минуты дольше, чем максимальная скорость разряда в 6 минут, до ее полного разряда. Так высчитывается время, за которое можно разрядить батарею без вреда для нее. Рассчитать максимальный ток, который она выдает, можно умножив ее емкость 1 Ач на число, указанное как токоотдача «С» 1 Ач × 10С = 10 А.

Пример: Беспилотный самолет потребляет на максимальных оборотах 10 А, а аккумулятор имеет емкость в 2 Ач, это значит, что самолет разрядит эту батарею за 2/10=0,2 ч – 12 минут, а теперь рассчитаем какое для этого потребуется значение токоотдачи «С». Токоотдачу можно вычислить так: 1 час разделить на время, полученное выше. Для удобства час разобьем на минуты, и так 60/12 = 5 – получается, что для 12-минутного полета ему понадобится аккумулятор емкостью 2 Ач и токоотдачей 5С.

Стоит обратить внимание на тот факт, что токоотдача никак не влияет на время полета. Можно взять батарею с той же емкостью и токоотдачей 100С, время полета останется 12 минут и никак иначе, потому как на время работы модели влияет только емкость батареи. Часто новички выбирают батарею с

гигантским «С» и практически не смотрят на емкость. Например, если мы возьмем модель из описания выше и установим туда аккумулятор 500 мАч и токоотдачей 60 С (мы уже знаем, что она на 2 Ач аккумуляторе летит 12 минут), то высчитаем время полета – 0,5 Ач, делим на ток нагрузки 10 А = 0,05 ч – 3 минуты, и это при том, что батарея 60С. А сколько же «С» нам потребуется для трехминутного полета на такой батарее? 60/3=20 С, так зачем же тогда переплачивать за лишние 40 С, если время полета не изменилось хоть 20 С, хоть 60 С все равно 3 минуты [1].

Количество и способ соединения элементов в Li-Po аккумуляторе. Элементы аккумулятора называются ячейками или банками. Номинальное напряжение одной банки Li-Po аккумулятора равно 3,7 В. Для получения более высокого напряжения их соединяют последовательно (рисунок 1.30), а для увеличения емкости – параллельно. Порядок подключения банок в батарее определяют символы S – последовательное подключение; Р – параллельное подключение [6].

Рисунок 1.30 – Схема сборки ячеек Li-Po аккумуляторной батареи