Личный квадрокоптер (сделай себе FAN). Часть 3 — Электроника

Продолжим:) Что самое главное в полете? Правильно - управление!

Электроника квадрокоптера

ЭКС – электронный контроллер скорости (контроллер оборотов двигателя)

Бесколлекторные двигатели являются мультифазными (как правило - трехфазными), так что не получится запустить их, просто подключив к источнику постоянного тока. Для этого используются специализированные ЭКСы (но не те, что проводились революционерами), а гораздо более технологичные и миниатюрные. ЭКСы генерируют серию (в зависимости от количества фаз) высокочастотных сигналов, которые и заставляют вал мотора вращаться. В зависимости от потребления двигателя, ЭКС должен иметь соответствующую пропускную способность по силе тока.

По сути, ЭКС является контроллером мощности, который преобразует ток источника питания в трехфазный ток для питания бесколлекторных двигателей квадрокоптера. Каждый ЭКС управляется отдельно PPM - сигналами, подобными PWM – модуляции.

ПРИМЕЧАНИЕ ПЕРЕВОДЧИКА: PPM (Pulse-position modulation, русск: Фазово - Импульсная модуляция) - распространенный метод кодирования сигналов, передаваемых дистанционно в системах связи с низкими требованиями к помехоустойчивости.

Метод PPM представляет собой последовательность имеющих постоянную длительность импульсов, которые разнесены друг от друга на разные временные периоды. Величина периодов между сигналами и задает кодируемые значения. Группы импульсов объединяются в так называемые фреймы (пакеты).

PWM – модуляция (Pulse-width modulation , русск: Широтно-Импульсная Модуляция, русск. разг: ШИМ) является методом управления средним значением напряжения на нагрузке изменением скважности (соотношения частоты повторения к длительности) импульсов. Таким образом, чем длиннее сигналы, тем большее напряжение получает потребитель.

Частота сигналов может варьироваться в широких пределах, особенно в сложной системе, которую представляет собой квадрокоптер. Система управления для обеспечения необходимого числа оборотов двигателей (а значит, и стабильности полета нашего аппарата) должна уметь обрабатывать команды датчиков с частотой до 200-300 герц, то есть до 300 раз в минуту менять скважность импульсов на каждом из двигателей. Отдельные модели ЭКС могут управляться через систему управления I2C, но их цена пока неоправданно высока.

ПРИМЕЧАНИЕ ПЕРЕВОДЧИКА: I2C (англ: Inter-Integrated Circuit) последовательная шина данных для связи интегральных схем, использующая SDA и SCL (двунаправленные линии связи). Используется для соединения низкоскоростных переферийных устройств с управляющими модулями. Широко применяется для управления устройствами на базе микроконтроллеров.

Вот он какой, ЭКС...

Одним из важнейших критериев при выборе ЭКСа является величина силы тока, которая может коммутироваться на потребителе, в нашем случае - двигателе. Автор рекомендует использовать ЭКСы, которые могут коммутировать ток не ниже 10 Ампер, а в случае использования мощных двигателей – не ниже величины их пикового потребления. Вторым важнейшим фактором является программная совместимость контроллеров с платой управления. Это значит, что некоторые модели ЭКСов позволяют использовать тайминги (временные периоды) управления, которые выходят за пределы стандартного для моделизма диапазона от 1 до 2 мс. Это предоставляет дополнительные возможности при самостоятельной разработке модулей управления квадрокоптером.

Источник питания

Для питания систем квадрокоптера автор рекомендует LiPo (литий - полимерные) аккумуляторы по двум причинам. Во – первых, они легче по весу, а во – вторых, имеют ток отдачи, как раз подходящий для наших проектов. Возможно использование NiMH (никель - металгидридных) аккумуляторов, но они имеют значительно больший вес, хотя и меньшую стоимость.

Литий - полимерный аккумулятор

Напряжение

LiPo источники питания поставляются как в виде отдельных элементов со стандартным выходным напряжением 3.7 Вольт, так и в виде батарей из более чем 10 отдельных элементов сообщим напряжением 37 Вольт и выше. Популярным выбором для любителей квадровертостроя являются т.н. 3SP1 – батареи, то есть три последовательно соединенные элемента с суммарным выходным напряжением 11.1 Вольт.

Емкость источников питания

Для выбора емкости батареи, вы должны принять во внимание следующие аспекты:

Какое потребление у ваших двигателей?
В каком полетном времени вы заинтересованы?
Какое влияние окажет вес батареи на общий конструкционный вес аппарата?

Хорошим тоном считается, если ваш квадрокоптер при 4 несущих винтах модели EPP1045 и четырех двигателях с Kv рейтингом, равным 1000, при полной мощности двигателей будет держатся в воздухе количеством минут, равное емкости источника питания аппарата в Ампер/Часах. То есть, при емкости батареи квадрокоптера в 4000 мА/Ч, в режиме полной мощности двигателей аппарат должен держатся в воздухе 4 минуты при полезной массе в 1 кг. При учете расхода заряда батарей, это дает 16 минут полета в режиме висения.

Степень разрядки батарей

Еще одним важным фактором является степень разряда C. Вместе с емкостью батареи, эта переменная определяет максимальную силу тока, которая может быть получена с источника питания. Максимальный ток отдачи источника питания рассчитывается по следующей формуле: Мто = емкость батареи x степень разряда.

Пример: батарея имеет степень разряда 30С и емкость в 2000 мА/ч. Максимальный ток разряда, который вы можете получить с указанной батареи, по приведенной выше формуле составляет 60 Ампер. Таким образом, при конструировании вы должны принять во внимание, что максимальный ток потребления всех систем вашего квадрокоптера не должен превышать 60 Ампер.

ИИК – инерционный измерительный комплекс

Инерционный измерительный комплекс (далее - ИИК) - совокупность электронных систем и датчиков, которые считывают и передают управляющему модулю информацию о текущей скорости, ориентации и силах, воздействующих на летательный аппарат.

ИИК, как правило, представляет собой комбинацию 3-координатного акселерометра с 3-координатным гироскопическим модулем, формируя систему датчиков с 6 степенями свободы. Для увеличения курсовой устойчивости, указанную систему иногда дополняют 3-координатным магнитометром, в результате чего система получает в общей сложности 9 степеней свободы.

ПРИМЕЧАНИЕ ПЕРЕВОДЧИКА: Магнитометр (цифровой компас) нужен для ориентации по сторонам света, чтобы узнать, куда идти с какой стороны от нашего аппарата расположен север.

Принцип действия ИИК

Акселерометр (датчик ускорения), предназначен для измерения разности ускорения аппарата и гравитационной составляющей. Так как акселерометр имеет три оси измерения, мы можем использовать его для определения текущей ориентации нашего квадрокоптера.

ИИК с 6 степенями свободы

Гироскопический датчик применяется для измерения угловой скорости, то есть скорости вращения квадрокоптера вокруг каждой из трех осей.

Что будет, если в конструкции мы используем только акселерометры?

В случае использования в нашем квадрокоптере исключительно датчиков ускорения, мы сможем определять ориентацию аппарата с привязкой к поверхности земли. Однако, акселерометр является очень чувствительным и порой неточным датчиком, и из-за вибраций от двигателей, может дать неверные показания. Разумеется, это приведет к потере ориентации. Для решения этой проблемы используются гироскопические датчики. В результате обработки показаний датчика ускорения и гироскопов, мы можем учесть помехи от вибрации при определении реального положения.

: Инерционный датчик

Так работает 3х-координатнй датчик ускорения

Что будет, если в конструкции мы используем только гироскопы?

А вот гироскопический датчик

Если гироскопический датчик предоставляет нам информацию о поворотах аппарата, почему бы не использовать в конструкции только их?

Гироскопы имеют тенденцию накопления курсовой ошибки. Это приводит к тому, что во время вращения, гироскопический датчик точно показывает угловую скорость, но после остановки не обязательно обнуляет свои показания. Таким образом, при использовании исключительно гироскопических датчиков, вы довольно быстро заметете, что их показания медленно изменяются (дрейфуют) даже после остановки вращения. По этому, для точной ориентации вашего квадрокоптера в пространстве, вам необходимо использовать два типа датчиков.

Акселерометр не может фиксировать рысканья по курсу так же, как изменения углов крена и тангажа. Для этого в конструкцию квадрокоптеров иногда вводят магнитометр.

Магнитометр измеряет направление и величину магнитного поля. Он в состоянии определить направление движения нашего аппарата и направление на Северный и Южный полюсы. Угол отклонения от направления на магнитный полюс Земли с учетом угловых скоростей поворотов по горизонту, полученных от гироскопического датчика, используется для вычисления стабильного курсового угла.

Автор заявляет, что пытается минимально углубляться в теорию, однако обещает в последующих пособия предоставить больше деталей.

Выбор ИИК

Несмотря на то, что на рынке предоставлены все три типа датчиков, автор рекомендует приобрести специализированные наборы, где датчики с 6-ю или даже 9-ю степенями свободы собраны на одной плате.

Плата датчиков передает показания центральному вычислительному блоку через I2C или в аналоговом виде. Цифровые системы передачи данных более удобны для разработчика и конструктора, однако, значительно дороже аналоговых.

Продаются даже полные ИИК – комплексы, в которые входит отдельный вычислительный блок. Как правило, он управляется 8-битным микроконтроллером, запрограммированным на обработку показаний датчиков рысканья, крена и тангажа. Результаты вычислении передаются центральному процессору в аналоговом виде или через I2C.

Выбор ИИК непосредственно определяет вычислительный блок. Который вы сможете использовать. Так что, покупая ИИК, прочитайте инструкцию к вашей системе управления. Некоторые центральные вычислительные модули имеют встроенные сенсоры.

Вот примеры ИИК, которые можно приобрести через Интернет:

Sparkfun 9DOF stick
Sparkfun 6DOF combo board
FreeIMU

А вот ИИК с системой обработки показаний датчиков:

Sparkfun 9DOF Razor
Mongoose 9DOF (10DOF)
ArduIMU

Система управления полетом (центральный вычислительный модуль)

В процессе создания квадрокоптера вы можете приобрести специализированный контроллер, либо собрать его самостоятельно из отдельных компонентов. Некоторые из таких контроллеров даже оборудованы встроенными сенсорами, в то время как другие требуют приобретения специальных плат с датчиками.

По ссылке ниже, приведен сравнительный перечень характеристик готовых к использованию ЦВМ:

http://robot-kingdom.com/best-flight-controller-for-quadcopter-and-multicopter/

AeroQuad MEGA Shield The AeroQuad board является платой расширения для микроконтроллеров на базе Arduino, и требует дополнительно платы Sparkfun 9DOF, которая также продается в формате платы расширения (шилд).

Плата ArduPilot, так же как и , построена на базе микроконтроллера ATMEGA328. Подобно AeroQuad, этот модуль не оборудован собственными сенсорами и для получения радости полета вам необходимо приобрести плату расширения ArduIMU.

ЦВМ OpenPilot – еще более продвинутая система управления квадрокоптером, построенная на базе процессора ARM Cortex-M3 с тактовой частотой 72 мегагерца. Плата имеет встроенный акселерометр и гироскопический датчик. Отдельно необходимо отметить программное обеспечение, которое идет в комплекте с платой. Оно позволяет откалибровать датчики, и, при наличии GPS – модуля, задавать маршрутные точки для полета вашего квадрокоптера.

Центральный вычислительный модуль своими руками

Автор утверждает, что при наличии некоторых навыком и прямых рук, любой энтузиаст может изготовить ЦВМ квадрокоптера своими руками. Например, с использованием микроконтроллера Ардуино. В то же время, эти ценные навыки автор обещает предоставить в будущем.

Система радиоуправления

Квадрокоптеры могут управляться разными способами, но наиболее распространенным, является управление по радио, в режимах Темп (аэробатика) и Автостабилизация. Разница состоит в способе интерпретации контрольной системой квадрокоптера текущего положения аппарата и команд, полученных с пульта управления.

В режиме аэробатики для управления квадрокоптером используются только показания гироскопического датчика. Пульт управления используются для контроля тягой двигателей и крена по всем трем осям. Однако, если вы бросите управление квадрокоптером, его автоматическая стабилизация по горизонту проведена не будет. Эта особенность полезна при аэробатике для небольшого доворота квадрокоптера, после чего он не совершит автоматического компенсирующего маневра.

Разумеется, режим аэробатики для начинающих может оказаться излишне сложным и автор рекомендует начать с режима Автостабилизация. Для поддержания ориентации квадрокоптера в этом режиме используются все имеющиеся в наличии сенсоры. Для поддержания баланса, будет осуществляться постоянное и симметричное управление тягой каждого двигателя. Вы же, будете управлять курсом и движением квадрокоптера по любой оси с использованием джойстиков пульта управления. Например, для движения вперед, вам достаточно будет передвинуть вперед один из джойстиков для изменения угла тангажа. После того, как джойстик вернется в нулевую позицию, квадрокоптер автоматически выправит крен и стабилизируется относительно поверхности земли.

Дополнительные компоненты

После покупки все необходимых частей, наличия все еще живого квадрокоптера и желания продолжать эту бодягу, вы можете попробовать использовать дополнительные компоненты, такие, например, как GPS – модуль, ультразвуковой датчик, барометр и др. Все это может повысить летные характеристики и удобство использования вашим квадрокоптером.

GPS при помощи спутников выдает точную информацию о месте нахождения вашего квадрокоптера. Это информация может использоваться для расчета пройденного пути и выяснения маршрута движения. Особенно полезной данная функция может быть для полностью автономных квадрокоптеров, которым необходимо учитывать текущую позицию для выбора дальнейшего направления движения.

Ультразвуковой датчик измеряет дистанцию до земли, то есть текущую высоту полета. Это весьма полезно при полете на заранее заданной высоте без контроля пилота. Как правило, ультразвуковые датчики действуют в диапазоне дистанций от 20 см. до 7 метров.

ПРИМЕЧАНИЕ ПЕРЕВОДЧИКА: также используются лазерные датчики расстояния (ЛИДАР), наиболее доступные из которых работают в диапазоне от 3 см. до 5 метров.

Если же вы решили забраться повыше – вам необходим барометр. Этот датчик измеряет влажность и давление воздуха в зависимости от высоты полета. Если же квадрокоптер находится на малой высоте поблизости от земли (где изменение этих фактора не так сильно выражено), барометр теряет свою эффективность.

Заключение

Автор надеется, что ознакомление с его статьей поможет читателям определится с назначением и особенностями функционирования каждой из частей квадрокоптера и поможет выбрать необходимые компоненты для его постройки.

(A-Z )

87	52	26	61	4	7	9	5	3	17