Что такое квадрокоптер и его применение – arduino+

Самодельный FPV квадрокоптер. Часть 1. Покупка всего необходимго

Почитав на хабре статьи про самодельные квадрокоптеры и после того как я увидел видео снятое с AR.Drone в планах на будущее появилась идея сделать самодельный FPV квадрокоптер, AR.

Drone не устраивал ценой в 350$ примерно(я тогда еще не знал что свой получится куда дороже), тем что радиус действия небольшой, нестабильностью вне помещений,и то что он не open source и я не могу влиять на алгоритм его работы.

С тех пор прошел примерно год, за это время я практически на занимался ничем связанным с Arduino и прочей электроникой, хотя понемногу покупал разные электронные штуки интересные.

И вот буквально недавно оказалось что один из моих знакомых решил собирать квадрокоптер, и я решил что пора и мне.

Требования к квадрокоптеру: FPV(first person view(вид от первого лица)) то есть управление с земли не смотря на модель, а смотря только на экран, fail safe – в случае потери сигнала от пульта нужно чтоб он не падал комом, а спокойно сел, или летел к месту взлета. GPS – достаточно интересно запрограммировать какую-нибудь миссию для него, и смотреть за выполнением. Время полета на одной зарядке > 10 минут. Дальность действия примерно километр.

Список необходимого

GoPro Hero3

GoPro у меня уже была(использовал в качестве мото-видеорегистратора) так что не пришлось тратиться.
ЦЕНА: 300$
Купить GoPro Hero3

Эта легендарная(своей дешевизной, хорошим качеством и функционалом для таких денег) аппаратура радиоуправления у меня тоже была куплена заранее, но я ей еще не пользовался, лежала пылилась.

Она поставляется с ресивером и трансмиттером или без них, у меня с ними, но для нашего квадрокоптера нужны будут другие(с fail safe), так что можно купить урезанный вариант, хотя я не жалею о покупке полной версии, т.к.

вставить другой приемник сюда не сложно, а цена различается всего на 4$.

Питается она от 12в, которые можно обеспечить 8-ю пальчиковыми батарейками, но лучше использовать LiPo аккумулятор, я немного прогадал с размерами, и мой аккумулятор приходится крепить двусторонним скотчем, но внизу я даю ссылку на аккумулятор который отлично впишется в батарейный отсек. Нужно следить за полярностью (минус слева, плюс по центру) т.к. можно не туда воткнуть и спалить аппу.

По умолчанию она идет без подсветки экрана, поэтому лучше сразу докупать подсветку за 5$.

И прошивка с которой она поставляется оставляет желать лучшего(я сам не в курсе, но очень многие прошиваются на прошивку ER9x, которая проще в понимании и более функциональна) я тоже буду прошивать, даже не попользовавшись стандартной прошивкой, и для этого нужен программатор. Цена: 54+5(подсветка)+10(LiPo)+4(программатор)+24(доставка)=97$

Купить Turnigy 9X
Купить Turnigy 9X (без ресивера и трансмиттера)
Купить подстветку
Купить LiPo
Купить программатор

Приемник и передатчик для Turnigy 9x с fail safe (его еще не купил, но надо будет для того чтоб уверенно отлетать и не бояться потери сигнала)
ЦЕНА: 40+6(доставка)=46$
Купить FrSky DJT 2.4Ghz Combo Pack for JR w/ Telemetry Module & V8FR-II RX

Аккумулятор который будет стоять в квадрокоптере(еще не купил, закажу вместе с FrSky)
ЦЕНА: 10,68$ + доставка
Купить LiPo 2200mAh 3S

Раму можно конечно сделать самому, но т.к. они не сильно дорогие, и внешне смотрятся очень хорошо, я решил купить. Выбор пал именно на эту т.к. в ней вроде достаточно места для всего что запланировано, и еще останется на будущие доделки, к ней удобно крепить GoPro, и по моему лучи и лопасти не будут попадать в кадр, или будут но минимально.
ЦЕНА: 29$
Купить раму

Пропеллеры покупал просто дешевые и подходящие по размеру(в инфо к раме написано 9~12″ propeller) к тому же тут есть переходники под разные моторы.
ЦЕНА: 27$
Купить пропеллеры

В моторах особо не разбираюсь, смотрел чтоб к раме подходили (в инфо по раме сказано 28, 35 series motor), такие же моторы купил мой знакомый. Они были разной мощности от 750KV до 1300KV, решил взять середину. ЦЕНА: 11×4=44$
Купить моторы

Контроллеры такие купил мой знакомый и я тоже их выбрал, чтоб в случае чего вдвоем разбирались решали проблемы. Да и на хабре кто-то хвалил их.
ЦЕНА: 12,5×4=50$
Купить контроллеры моторов

Просто для того чтоб не паять и выглядело симпатично.
ЦЕНА: 2$
Купить кабель для контроллеров моторов

Не знаю где в Беларуси можно купить провода нормальные, поэтому на всякий случай заказал красный и черный по 2 метра.
ЦЕНА: 1*2+1*2=4$
Купить красный провод
Купить черный провод

Для подключения датчиков и приемника радиосигнала может пригодиться
ЦЕНА: 10$
Купить Male to Female jumper

Для подключения аккумулятора и моторов могут пригодиться
ЦЕНА: 3,5$
Купить 2 mm Bullet Banana Plug Connector

Полетный контроллер покупал такой же как и знакомый, т.к. цена и функционал устраивают. А решать проблемы проще вместе будет. Планируется ставить на него MultiWii

ЦЕНА: 49$

Купить AIOP V2.0

Не знаю что это особо, но т.к. цена не большая и может быть эта штука мне пригодится решил взять. Подозреваю что тут выведены пины дополнительные на которые можно цеплять еще датчики и прочее. И вроде телеметрию на пульт можно будет передавать блягодяря ей и FrSky.
ЦЕНА: 4$
Купить AIOPIO Board

GPS приемник который поддерживается MultiWii
ЦЕНА: 30$
Купить u-Blox CN-06

Что то типа двустороннего скотча который еще немного вибрации сглаживает.
ЦЕНА: 1$
Купить Flight Controller Mounting Pad

Т.к. для AIOP нужны 5v а моторы у нас 12 вольтовые, нужно понизить напряжение от 3s аккумулятора до 5 вольт(тот что я купил возвращает 5,25) т.к. читал что AIOP недостаточно 5в(на самом деле сначала купил, а потом заметил что не ровно 5v и начал искать не плохо ли это).
ЦЕНА: 7$
Купить UBEC 7A

Кабель для приема реалтаймового аналогового видео и аудио сигнала от GoPro.
ЦЕНА: 11$
Купить Gopro Hero3 USB to AV

200mW 5.8G передатчик видео и аудио и 5.8GHz приемник. Для получения картинки с камеры на земле в реальном времени.
ЦЕНА: 47$
Купить 200mW 5.8G FPV Video Audio Transmitter TX 2KM 2000M + 5.8GHz Rx Receiver

On Screen Display для того чтоб накладывать телеметрию(скорость, высоту, расстояние, заряд аккумулятора) на видео передаваемое на землю поверх картинки с камеры.
ЦЕНА: 21,5$
Купить MAVLink-OSD v1.0

У меня уже есть. Не знаю сколько он стоит, но средняя цена вроде 40$
ЦЕНА: 40$
Купить автомобильный LSD дисплей

Если у вас нет зарядки для LiPo то придется докупать и ее: Imax B6 + 12v 5a блок питания + доставка = 50$

Итого

Доставка всех товаров с RcTimer где-то 12$

В сумме покупка всего что я перечислил обойдется примерно в 850$

UPD

Квадрокоптер полетел, но я его разбил делая трюки и нет времени сейчас им дальше заниматься, так что цикл статей неизвестно когда продолжится.

Вместо AIOP V2.0 советую покупать APM 2.6, суть та-же, но удобнее упаковано и вообще более продуманная штука.

Источник: https://la2ha.ru/dev-seo-diy/electronics/diy-quadrocopter_part-1

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

Электроника квадрокоптера

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, подобнымиPWM – 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.

Читайте также:  Ардуино радар: делаем акустический радиолокационный дисплей

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 датчикТак 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 Source)

Источник: http://mozgochiny.ru/electronics-2/lichnyiy-kvadrokopter-sdelay-sebe-fan-chast-3-elektronika/

Часть 1. Что такое квадрокоптер

Создание мультироторных летающих аппаратов — очень увлекательное занятие! Они сравнительно просты в сборке и управлении, но имеют свои особенности.

В первой статье цикла мы постарались собрать базовые знания об устройстве и принципах полета квадрокоптера.

Это первая часть из цикла статей о квадрокоптерах, в которой я постараюсь максимально подробно объяснить как устроена и как летает простейшая мультироторная платформа.

Структурная схема квадрокоптера

Есть множество способов конфигурации двигателей: трикоптер, гексакоптер, октокоптер, но самый простой из них в сборке и управлении, это квадрокоптер, то есть мультироторная платформа с четырьмя двигателями. Мы построили именно квадрокоптер, поэтому будем рассматривать его. В свою очередь квадрокоптер может иметь + и Х- конфигрурацию.

У «+»-коптера один из лучей направлен вперед, у «Х»-платформ основное направление находится между двумя соседними лучами. Эти два типа не отличаются друг от друга ничем, кроме того что на последнем проще закрепить камеру так, чтобы в ее поле зрения не попадали работающие винты. Поэтому наш коптер имеет «Х»-ориентацию.

Сразу скажу, что все изложение будет привязано к тому оборудованию, которое используем мы. Это проверенное сочетание устройств, которое мы рекомендуем и вам, так как они наиболее широко распространены, доступны и получает даже на первых парах получить неплохую стабильность полета.

Подробное описание использованного оборудования вы сможете найти в следующей статье цикла.

На структурной схеме весьма условно все составляющие части нашего квдрокоптера. Красным цветом показаны цепи питания и черным — линии данных. На структурной схеме показаны те элементы, которые используем мы. Вид сверху:

Читайте также:  Топ-5 квадрокоптеров с камерой - arduino+

Структурная схема квадрокоптера

Управление коптером осуществляется при помощи пульта управления, который передает команды радиоприемнику. Мы используем пульт Turnigy 9x. Сами модули радиоканала могут быть приобретены отдельно и установлены в совместимый пульт, но гораздо чаще используются готовые решения пульт с радиомодулем+приемник.

Пульт питается от батареек, а радиоприемник получает питание от Полетного контроллера. Связь односторонняя, только от пульта к приемнику. Обычно приемник подключается к полетному контроллеру четырьмя проводами, по которым передаются сигналы поворота вокруг трех осей и команда «газа».

Задача полетного контроллера — переводить команды от пульта управления в сигналы задающие обороты двигателя. Также в нем установлены инерциальные измерительные датчики, позволяющие следить за текущим положением платформы и выполнять автоматические регулировки. Мы используем полетный контроллер DJI NAZA. который состоит из двух блоков.

В первом из них находится стабилизатор питания и светодиод, отображающий статус. Во втором (основном) — непосредственно управляющая электроника.

Разделение частей полетного контроллера обусловлено тем, что второй блок при установке должен быть размещен в строго определенном месте, а второй блок там, где оператору будет видно светодиод статуса. ESC — это регуляторы оборотов электродвигателей.

Дело в том, что в квадрокоптерах используют специальные бесколлекторные, которые способны работать на очень больших оборотах. Для управления этими двигателями необходимо формировать трехфазное напряжение и относительно большие токи, чем и занимаются регуляторы оборотов. Для каждого двигателя необходим свой регулятор оборотов.

Для управления регуляторами оборотов принят такой же сигнал как и для сервоприводов, то есть импульсы следующие с частотой 50Гц и длительностью, меняющейся от 0,8 до 2,1мс. Чем длиннее управляющий импульс, тем выше обороты двигателя. Все четыре регулятора оборотов подключаются к полетному контроллеру.

Питаются регуляторы непосредственно от аккумулятора. Обычно регуляторы имеют встроенный стабилизатор на 5В, который в коптерах используется редко. Этот стабилизатор необходим, когда нужно подключить регулятор напрямую к приемнику, в тех случаях когда двигатель только один (например, в авиамоделях). Каждый двигатель подключен к своему регулятору оборотов тремя проводами. Последовательность подключения проводов определяет направление вращения двигателя.

Аккумулятор питает регуляторы и полетный контроллер. В строительстве коптеров применяют специализированные литий-полимерные аккумуляторы, о которых мы отдельно потом расскажем позже. Обратите внимание на подключенный к аккумулятору тестер. Когда заряд аккумулятора подходит к концу он издает звуковой сигнал оповещения. Летать без него очень опасно, так как можно испортить аккумулятор.

Оси квадрокоптера

Есть много терминов, обозначающих оси и вращающие моменты коптера (и любого другого летающего аппарата). Все многообразие возможных движений коптера мы попытались собрать на одной иллюстрации:

Оси квадрокоптера

Отличную анимацию на эту тему можно посмотреть здесь. Термины для обозначения пришли из авиации.
Throttle — переводится как «дроссель», «тяга» или «газ» в обиходе. В планерах «газ» определяет скорость движения вперед, то есть вектор силы приложен вдоль оси X. В коптерах он управляет подъемом платформы, то есть вдоль оси «Z».

Rudder, или «руль направления». У крылатых аппаратов это часть хвостового оперения, которая позволяет самолету поворачивать. В коптерах этим словом также обозначают управление носом платформы.
Elevator, или «руль высоты». В самолетах также находится в хвосте и позволяет задрать или опустить нос и, тем самым, снизиться или набрать высоту.

В коптерах манипуляции с этим моментом силы позволяет коптеру двигаться вперед или назад.
Aileron, или «элероны». Часть конструкции крыла которая позволяет управлять креном самолета. Коптер за счет крена может двигаться боком влево или вправо.
Все эти термины применяются одновременно, но наиболее корректны названия моментов вращения Yaw, Pitch, Roll.

Эти обозначения используются при работе с матрицами вращения.

Управление квадрокоптером

Полет контролируется стиками пульта. в предыдущем разделе показано соответствие движений стиков, движениям коптера. Однако важно понимать, как именно достигается движение в том или ином направлении. А происходит это за счет изменения тяги двигателей. Пояснить это проще всего при помощи рисунка:

Управление перемещением квадрокоптера

Структурная схема коптера фактически продиктована особенностями управления полетом. Например, моторы обязательно должны попарно вращаться навстречу друг другу. В противном случае платформа начнет закручиваться.

Становится очевидна необходимость использования полетного контроллера. Когда оператор двигает стик газа вверх происходит одновременное увеличение оборотов всех двигателей.

Для поворота носа платформы необходимо отклонить один стик горизонтально, а полетный должен увеличить обороты одной пары двигателей и замедлить для второй.
Теоретически можно подключить регуляторы непосредственно к приемнику.

Каждый стик будет управлять тягой одного двигателя. Но совершенно невозможно вообразить себе каким мастерством должен обладать оператор совершить какое-нибудь подобие управляемого полета.

Стабилизация полета

Помимо преобразования команд оператора в команды двигателя полетный контроллер стабилизирует полет платформы. Стабилизация необходима по нескольким причинам:

  • неидентичность винтомоторных групп (ВМГ)
  • неидентичность регуляторов оборотов
  • неравномерность распределения нагрузки на двигатели из-за смещения центра тяжести
  • «сдувание» ветром

Для компенсации этих воздействий в составе полетного контроллера есть инерциальная измерительная система, которая включает в себя акселерометр, гироскоп, магнитометр и барометр. В более дорогих моделях дополнительно используют GPS-приемники.

Даже в те моменты когда оператор пытается просто удерживать коптер на месте полетный контроллер продолжает активно менять двигатель тягу двигателей компенсируя все возможные ускорения и вращения.

Ссылки на остальные части цикла статей о квадрокоптерах:

Часть 2. Элементы квадрокоптера

Часть 3. Все об аккумуляторах для квадрокоптеров
Часть 4. Рама квадрокоптера
Часть 5. Подсветка коптера
Часть 6. Подключение элементов квадрокоптера
Часть 7. Настройка пульта Turnigy9x для коптера
Часть 8. Настройка регуляторов оборотов бесколлекторного двигателя
Часть 9. Настройка полетного контроллера DJI NAZA
Часть 10. Гиростабилизированный подвес для камеры SJ4000

Мы будем очень рады, если вы поддержите наш ресурс и посетите магазин наших товаров shop.customelectronics.ru.

Источник: http://www.customelectronics.ru/chast-1-chto-takoe-kvadrokopter/

Записки программиста

Ранее в заметке Как я собирал свой первый квадрокоптер на базе PixHawk была описана, так сказать, базовая комплектация квадрокоптера — полетный контроллер, рама, ESC, моторы, пропеллеры, и так далее. Это минимум, необходимый для получения чего-то, что летает.

Однако на таком квадрокоптере вы далеко не улетите, так как по мере удаления от вас он очень быстро превращается в небольшое черное пятнышко на небе. Да и не очень-то безопасно на нем летать.

В частности, при потери связи с аппаратурой или сильном разряде аккумулятора лучшее, что может сделать квадрокоптер — это успеть автоматически приземлиться (в реку, на дерево, или кому-нибудь на голову). Давайте же выясним, как можно решить эти проблемы.

<\p>

Ниже приведен полный список новых компонентов, использованных мной в квадрокоптере. Забегая немного вперед, отмечу, что вам может понадобится далеко не все из этого списка.

Суммарная стоимость перечисленных компонентов составила 225$ (по курсу на момент покупки) с доставкой в Россию. Как можно заметить, в наборе две камеры.

Mobius Action Camera с широким углом обзора была установлена впереди квадрокоптера в фиксированном положении, а камеру из набора для FPV я установил внизу квадрокоптера, на управляемом при помощи двух серводвигателей подвесе.

На первых порах можно обойтись и без дополнительной экшн-камеры, и, соответственно, без переключателя между камерами, да и большинства других наворотов. Строго говоря, из приведенного списка только первые три позиции являются действительно обязательными. Их общая стоимость составляет 98$.

Примечание: Еще из сравнительно недорогих, но качественных экшн-камер, пригодных для FPV, большой популярностью пользуются камеры под брендом RunCam.

Вес квадрокоптера в собранном виде составил 1.45 кг. Выглядит он как-то так:

Интересно, что при этом квадрокоптер влез в сумку 43x40x19 см (понятное дело, со снятыми винтами) вместе с аппаратурой, экраном, запасной батареей, зарядным устройством и ремкомплектом. Вес собранной сумки составляет 5.2 кг. То есть, вполне приемлемо для транспортировки даже общественным транспортом, не говоря уже об автомобиле.

Как вы к этому моменту уже могли догадаться, я не стану утомлять вас нудными подробностями на тему что к чему подключается и как настраивается в APM Planner. Там все более-менее интуитивно понятно, к тому же, есть множество видео на YouTube. Ограничусь лишь несколькими замечаниями.

Начну с того, что я перешел на аппаратуру RadioLink AT9S, подаренную мне на день рожденья. Она оказалась существенно лучше моей предыдущей RadioLink T8FB. Во-первых, у нее 10 каналов, а не 8.

Во-вторых, она имеет экранчик и может быть полностью настроена в полевых условиях, безо всякого компьютера и кривого конфигуратора под Windows с интерфейсом на китайском языке. В-третьих, у нее не срывает USB-разъем или иные компоненты.

В-четвертых, в нее нормально влезает аккумулятор, а не впритык и с большим усилием. Наконец, для нее есть модуль телеметрии (см выше), который превосходно интегрируется с PixHawk.

Вся телеметрия (GPS-координаты, скорость, высота, заряд аккумулятора, режим полета, …) выводится на экранчик RadioLink AT9S. В общем, правду говорят — лучше сразу брать нормальную аппаратуру.

Начиная заниматься авиамоделизмом, я не мог понять, зачем может понадобится больше восьми каналов. Давайте посчитаем:

  • Четыре канала, понятно, нужно для стиков;
  • Два канала уходят для управления двумя серводвигателями в подвесе камеры. Я выделил каналы 6 и 7, повесив на них потенциометры VrC и VrD. Они находящиеся у аппаратуры сзади, как раз чтобы их было удобно двигать указательными пальцами.
  • Еще один канал нужен для переключения камеры. Я выделил канал 10, повесив на него трехпозиционный переключатель SwG, находящийся на аппарате справа. При этом среднее положение переключателя пока не используется, что в будущем позволит добавить еще одну камеру или включать/выключать OSD.
  • И еще один канал нужен для переключения режимов полета. Я лично использовал канал 5, повесив на него трехпозиционный переключатель SwE и двухпозиционный SwF, находящиеся на аппаратуре с левой стороны. Таким образом, аппаратура позволяет переключаться между шестью режимами полета. Из них как минимум три нужны обязательно: это Land (без него вы квадрокоптер нормально не посадите), Stabilize (обычный режим полета) и RTL (автоматический возврат на точку запуска, если что-то пошло не так).

Итого 8 каналов занято. Если дополнительно понадобится, например, управлять подсветкой или шасси, каналов уже не хватит. В моем случае остались неиспользуемыми каналы 8 и 9. На них я повесил переключатели SwD и SwH, на будущее.

Еще раньше я думал, что GPS в квадрокоптере — это что-то прикольное, но не обязательное. Сейчас же я больше склоняюсь к мысли, что без него летают только ненормальные (ну или, понятно, владельцы гоночных квадрокоптеров, но это совсем другая история). Потому что GPS-модуль стоит в районе 20$ и позволяет:

  • Настроить failsafe так, чтобы при потери связи с аппаратурой или разряде аккумулятора до определенного уровня, квадрокоптер автоматически возвращался к точке запуска. Мой квадрокоптер эта возможность один раз уже спасла;
  • Даже если связь нормальная и аккумулятор не разряжен, удобно автоматически возвращать квадрокоптер к месту запуска, переведя его в режим полета RTL;
  • В случае крушения квадрокоптер можно найти по последним известным GPS-координатам;
  • Можно летать по заранее построенному маршруту, в том числе за пределами радиуса действия аппаратуры;
  • Можно настроить «виртуальный купол», за пределы которого квадрокоптеру вылетать запрещено;
  • Наконец, GPS-модуль вместе со встроенным в него дополнительным компасом, существенно увеличивают стабильность полета. В том числе, квадрокоптер может удерживать позицию в пространстве при порывистом ветре;

Что же касается самого FPV, тут мне как-то нечего особо добавить. Картинка отображается, камеры переключаются, подвес вращается. Можно смотреть, что там происходит внизу с высоты птичьего полета, а при желании — даже записывать. Прикольно.

По большому счету, это все, чем я хотел сегодня поделиться. Сожалею, что заметка получилась несколько сумбурной. Если у вас возникли какие-то вопросы, я постараюсь ответить на них в комментариях.

А летаете ли вы по FPV и если да, то какие модули для этого используете?

Источник: https://eax.me/quadcopter-gps-fpv/

Квадрокоптер на ардуино — отзывы покупателей

В данной статье мы расскажем о квадрокоптерах на ардуино, их преимуществах и ценовых категориях.

Содержание статьи:

В современном мире имеется большое многообразие моделей квадрокоптеров, которые предназначены для использования в самых разных целях. Они являются не просто игрушками, коими они воспринимались с самого начал их появления на отечественном рынке. Теперь они представляют собой устройства, предназначенные для выполнения самых разных видов задач.

Они используются во многих случаях для профессиональной творческой деятельности. Для того чтобы квадрокоптер работал должным образом его необходимо на производстве оснастить дополнительными деталями, помимо основы.

Для того чтобы устройство поддавалось управлению при помощи пульта дистанционного управления необходимо установить на него процессор и многие другие детали системы электроники. Сегодня представлено большое количество процессоров, которые применяются для создания качественных и функциональных квадрокоптеров. Среди них выделяется ардуино.

Он представляет собой достаточно мощный процессор, который позволяет квадрокоптеру иметь некоторые функции компьютерного устройства.

На сегодняшний день квадрокоптер на ардуино можно без труда приобрести в любом интернет магазине, который специализируется на производстве подобных устройств. Благодаря данному процессору создаются самые большие и мощные по техническим параметрам устройства.

Они пригодны для выполнения самых разных задач. Они предназначены и для совершения обычных полетов, и для профессиональных съемок. Благодаря мощному процессору они с легкостью выполняют все поставленные пользователями задачи.

Скорость обмена данными с пультом дистанционного управления значительно увеличивается. К тому же видео, снимаемые в режиме реального времени мгновенно передаются на мобильные устройства, которые подключены к квадрокоптеру на данный момент.

Следует отметить, что устройства на процессоре Ардуино многие пользователи собирают самостоятельно. Он доступен практически в каждом специализированном магазине.

Устройства на ардуино пользуются огромной популярностью, потому что ими очень удобно пользоваться. Квадрокоптеры такого типа быстро выполняют все поставленные пользователями задачи.

С данным процессором есть возможность получить качественное устройство, которое позволит наслаждаться безграничными возможностями и во время обычного полета, и даже во время съемочного процесса. Изображения получаются с высоким уровнем разрешения. У устройств на ардуино работа осуществляется бесперебойно.

Благодаря данному процессору само устройство способно осуществлять свою работу на протяжении длительного периода времени, и его система не выйдет из строя. Устройства на последних версиях ардуино не являются бюджетными.

Однако это позволяет пользователям получить квадрокоптеры профессионального уровня, которые будут быстро и без перебоев выполнять все поставленные потребителями задачи. Он обеспечивает надежную работу квадрокоптера.

Источник: http://kvadrokopterpro.ru/kvadrokopter-na-arduino.html

Несколько причин не использовать Arduino в своих конструкциях

» Статьи » Открытые МК-платформы · Arduino

25-08-2012

Arduino

Vassilis K. Papanikolaou, Греция

На самом деле идея Arduino замечательна. Это золотое дно для новичков, т.к. на ее основе можно разрабатывать конструкции простого и среднего уровня за короткие сроки.

Это великолепная микроконтроллерная платформа для отладки и прототипирования с огромным количеством готовых проектов с открытым исходным кодом, учебных материалов, форумов и пр., что очень важно для всех при изучении встраиваемых систем.

Используя простую интегрированную среду разработки и код на С++-подобном языке, USB кабель и несколько пассивных компонентов, возможно в считанные секунды заставить мигать светодиод, или организовать обмен данными с ПК за несколько минут, не имея серьезного опыта в электронике.

Это, несомненно, отличное стартовое решение, но как далеко Вы можете зайти в использовании Arduino? Ну, довольно далеко, но до определенного предела, потому что (как и вообще в жизни) всегда приходится выбирать между простотой и производительностью.

Наверное, именно поэтому наблюдается появление высокопроизводительных клонов Arduino, таких как ChipKIT на микроконтроллерах компании Microchip семейства PIC32 или Netduino на микроконтроллерах ARM.

Эта альтернатива может спасти разработчика во многих случаях приростом производительности, но, в конечном счете, все же остаются скрытые функции и библиотеки, которые используют ресурсы микроконтроллера, и пользователи будут вынуждены изучать аппаратную часть микроконтроллера.

Автор лично решил полностью отказаться от Arduino после нескольких месяцев изучения. Фактически, как утверждает автор, сама платформа Arduino подтолкнула его на этот шаг. Ниже приведены причины, но сначала рассмотрим преимущества Arduino.

Плюсы Arduino (Что замечательно):

  • Интегрированная среда разработки Arduino IDE основывается на компиляторе языка Си AVRGCC. Изучение Arduino, в конечном счете, поможет в изучении С++. Если Вам не нравятся специфические высокоуровневые Arduino команды или библиотеки, вы сможете заменить их на С++ эквиваленты (как выясняется, не всегда);
     
  • Питание, программирование и коммуникация с Arduino платформой осуществляется с помощью одного кабеля USB (или кабеля с адаптером на специализированной микросхеме FTDI для некоторых клонов);
     
  • Со встроенными библиотеками вы можете реализовать какой-то простой (и медленный) проект за считанные минуты, не задумываясь, как эти библиотеки реализованы, и как работают. Медленно происходит чтение кнопок, отображение данных на ЖК дисплее или их отправка по последовательному интерфейсу, работа с электродвигателями;
     
  • Коммуникация по последовательному интерфейсу и SPI превосходна и стандартна.

Минусы Arduino (Что ужасно):

  • Arduino IDE – это самый худший и самый непригодный редактор кода после «Блокнота». В один день вы переключитесь на достойный внешний редактор, однако вам все равно придется оставить открытой Arduino IDE для программирования устройства;
     
  • Загрузчик Arduino. Для того, чтобы завершить какое-либо Arduino-устройство, вам придется вручную запрограммировать загрузчик в каждый «чистый» микроконтроллер ATmega. Это уменьшает доступный объем Flash-памяти программ на 2 КБайта;
     
  • Всего несколько вариантов: если вы будете использовать официальные платы Arduino, то выбрать вы сможете только из вариантов с 30 Кбайт или 254 КБайт встроенной памяти программ. Что будет, если ваш код занимает, скажем 42 КБайта? Единственный выбор – использование клона Sanguino, который не полностью совместим с Arduino;
     
  • Нет простого способа изменить тактовую частоту, не так ли? Модель микроконтроллера с питанием 3.3 В и тактовой частотой 8 МГц может безопасно работать на частоте 12 МГц;
     
  • Функция digitalWrite() выполняется за 56 циклов (хотя автором был получен результат в 400 циклов). По крайней мере, это легко выяснить и перейти к использованию прямого доступа к портам (второй элемент для изменения, после Arduino IDE). Как правило, Arduino не очень удобна для написания эффективного кода;
     
  • Вы не сможете (по крайней мере, просто) отключить библиотеку последовательной коммуникации, используемую по умолчанию, чтобы использовать TX и RX прерывания, независимо от того, была она запущена, или нет;
     
  • Подпрограмма обслуживания прерывания по переполнению таймера запускается через каждые 16000 циклов в фоновом режиме. Это сделано для работы функций millis() и micros(), даже когда они не используются;
     
  • Пустой Arduino проект для платформы Arduino UNO занимает 466 Байт и 666 Байт для Arduino Mega2560. Дополнительное расходование ресурсов не устраивает многих, в том числе и автора статьи. Также неприятно видеть ошибки компиляции проекта, связанные с вышеописанными изменениями;
     
  • Последнее, но не менее важное – среда разработки Arduino, без сомнения, «скрывает» важные аспекты архитектуры микроконтроллера: регистры, прерывания и таймеры. Их знание просто необходимо.

В связи с этим автор утверждает, что настало время использовать чистый AVRGCC. Однако, у него тоже есть свои плюсы и минусы.

Трудности при использовании AVRGCC:

  • Необходимость переписывать некоторые элементы в С++, наиболее важным из которых является обмен по последовательному интерфейсу (возможно, лучшая часть в Arduino). К счастью, имеется много практических советов и руководств по этой задаче. Написание других протоколов гораздо проще, например, SPI; 
     
  • Необходимо изучить, в какие библиотеки включены команды без компиляции, и включить эти библиотеки в свой файл исходного кода. Наиболее распространенными являются: avr/io.h, avr/interrupt.h, util/delay.h, stdio.h and string.h;
     
  • Типы байтовых и логических переменных должны быть uint8_t и bool, байтовые числа, например B00010001, должны быть в виде 0b00010001, и так далее. Вы найдете все остальные изменения, их очень мало;
     
  • Требуется больше знаний и, главное, не сдаваться.

Польза от использования AVRGCC:

  • Нужен другой процессор для увеличения памяти программ или производительности? Вы можете его использовать (например, из той же серии megaAVR), и придется только перекомпилировать проект. Потребуется изменить некоторые регистры и имена прерываний, make-файл и Fuse-биты;
     
  • Нужна другая тактовая частота? Используйте другой кварцевый резонатор, или можно использовать встроенный осциллятор микроконтроллера, всего лишь изменив Fuse-биты и make-файл;
     
  • Можно использовать достойную (Notepad++) или мощную (Atmel Studio 6) интегрированную среду разработки кода;
     
  • Вы получаете полный контроль над своим кодом. То что вы написали, то и выполняется. Ничего не скрывается, ничего не происходит без вашего согласия. Вы пишете более эффективный и быстрый код. Вы узнаете больше.

Как и для Arduino, для AVRGCC имеется большое количество вспомогательных средств, готовых проектов, библиотек и учебных материалов. Выбор остается за пользователями.

vpapanik.blogspot.com

Источник: https://www.rlocman.ru/review/article.html?di=138878

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector