Клевер конструирование и программирование квадрокоптеров


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.

Тема 1. Что такое мультикоптер.

Устройство. Базовые понятия.

Беспилотный летательный аппарат (БПЛА)
-

летательный аппарат,
выполняющий полет без пилота

(экипажа) на борту и управляемый в полете
автоматически, оператором с пункта управления или сочетанием указанных
способов
. Имеет широкое применение в различных сферах:



Телекоммуникационная сфера (использование двусторонней
видео/аудио связи);



Транспортная

сфера (транспортировка грузов);



Спасательные работы (исследование труднодоступных зон при
стихийных бедствиях, терактах, поиск находящихся под завалами
людей, транспортировка медикаментов, оказание первой помощи при
несчастных случаях);



Рекламные кампании

(применение робота для привлечения внимания
на крупных выставках и т.п.);



Сфера СМИ (аэросъемка различных событий);



Видео/фото
-
съёмка (съёмка фильмов или рекламных роликов с
высоты птичьего полёта);



Продовольственная сфера (доставка продуктов питания);

М
ультикоптер
-

это летательный аппарат с произвольным количеством
несущих винтов, вращающихся диагонально в противоположных направлениях.

Конфигурация

Есть множество способов конфигурации двигателей: трикоптер,
гексакоптер, октокоптер, но самый простой из н
их в сборке и управлении, это
квадрокоптер, то есть мультироторная платформа с четырьмя двигателями. В
свою очередь квадрокоптер может иметь + и х конфигрурацию. У «+»
-
коптера
один из лучей направлен вперед, у «х»
-
платформ основное направление
находится ме
жду двумя соседними лучами.



Рис 1. Конфигурации мультикоптеров.




Управление

Управление коптером осуществляется при помощи пульта управления,
который передает команды радиоприемнику. Пульт питается от батареек, а
радиоприемник получает питание от Полет
ного контроллера. Связь зачастую
односторонняя, только от пульта к приемнику. Приемник подключается к
полетному контроллеру минимум пятью проводами, по которым передаются
сигналы поворота вокруг трех осей, команда «газа» и полетный режим.


Рис 2. Управление мультикоптером.

Throttle



переводится как «дроссель», «тяга» или «газ» в обиходе. Газ
мультикоптера


среднее арифметическое между скоростями вращения всех
моторов. Чем больше газ, тем больше суммарная тяга моторов, и тем сильнее они
та
щат коптер вверх (проще говоря «Тапок в пол» здесь означает наискорейший
подъем). Обычно измеряется в процентах: 0%


моторы остановлены, 100%


вращаются с максимальной скоростью. Газ висения


минимальный уровень
газа, который необходим, чтобы коптер не
терял высоту.

Оси коптера
: углы тангажа, крена и рыскания (pitch, roll, yaw)


углы,
которыми принято определять и задавать ориентацию мультикоптера в
пространстве.

Yaw


«рыскание». Поворот носа мультикоптера. условно
-

вращение
вправо влево.


Pitch
-

«т
ангаж». В коптерах манипуляции с этим моментом силы позволяет
коптеру двигаться вперед или назад за счет наклона носа в соответствующем
направлении.


Roll
-

«крен». Наклон мультикоптера влево вправо. Коптер за счет крена
может двигаться боком в соответст
вующую сторону.



Иногда слово «угол» опускают и просто говорят: тангаж, крен, рыскание.
Полет коптера в необходимом направлении достигается изменением этих трех
углов. Например, чтобы полететь вперед коптер должен наклониться за счет того,
что задние мот
оры закрутятся чуть сильнее передних.


Рис 3. //придумать название

Многие контроллеры обеспечивают различные режимы полёта, выбор
которых осуществляется с помощью переключателя на беспроводном приёмнике.
Примером трехпозиционной конфигурации может быть набор, включающий режим
GPS
-
lock (при отсутствие команд с пульта ДУ уд
ерживается положение во всех
координатных плоскостях), режим поддержки уровня высоты и полностью ручной
режим. Различные настройки можно применять к каждому режиму полёта,
обеспечивая различные его характеристики. Подробнее на полетных режимах
остановимся
в главе о Полетных контроллерах.










Элементы мультикоптера


Рис 4. Компоненты мультикоптера и их расположение.

Мультикоптеры

не имеют аналогов в мире радиоуправляемых моделей. Как
правило, когда речь заходит об управлении моделью катера или самолёта,
оператор имеет абсолютный, точный контроль над работой мотора. Нажатие на
джойстик пульта приводит к пропорциональному увеличению

скорости вращения
винтов (в об./мин). То же самое можно сказать о работе рулей, элеронов,
закрылок и других элементов конструкции, отвечающих за изменение скорости и
направления движения.

Отличие многовинтовых летательных аппаратов (вне зависимости от тог
о,
достоинство это или недостаток) в том, что ни один человек не в состоянии
одновременно контролировать скорость вращения трёх и более моторов
достаточно точно, чтобы сохранять баланс аппарата в воздухе.

Именно здесь в игру вступают Полетные контроллеры.

Полетный контроллер

-

самая важная часть. Стабильность полета и
управляемость на девяносто процентов зависит от способностей полетного
контроллера

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.

Аппаратура радиоуправления
. Представляет собой передатчик с пультом
и приемник. Отличаются друг от друг
а количеством каналов и частотой.
Большинство передатчиков имеют частоту 2,4ГГц, так же на рынке представлен
ряд других частот.

ESC



это регуляторы оборотов электродвигателей. Дело в том, что в
мультикоптерах используют специальные бесколлекторные, котор
ые 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. Все ре
гулятора оборотов подключаются к полетному
контроллеру. Питаются регуляторы непосредственно от аккумулятора. Каждый
двигатель подключен к своему регулятору оборотов тремя проводами.
Последовательность подключения проводов определяет направление вращения
дв
игателя.

Воздушный винт
, пропеллер
-

лопасть, приводимая во вращение
двигателем и предназначенная для преобразования мощности (крутящего
момента) двигателя в тягу. Лопасти винта, вращаясь, захватывают воздух и
отбрасывают его в направлении, противоположном

движению. Перед винтом
создаётся зона пониженного давления, за винтом
-

повышенного. Таким образом
создается подъемная сила.

Аккумулятор

питает регуляторы и полетный контроллер. В строительстве
коптеров применяют специализированные литий
-
полимерные аккуму
ляторы.








Тема 2. Основы электричества.

Введение. Электродвижущая сила. Закон Ома.

Как известно все тела состоят из мельчайших частиц
-

молекул, молекулы
из атомов, атомы ещё из более мелких протонов, нейтронов, электронов.
Каждая частица, молекула,
тело имеет свой энергетический заряд. Тела с
положительным (+) зарядом притягиваются к телам с отрицательным (
-
)
зарядом, а одноимённые (+) с (+) и (
-
) с (
-
) отталкиваются. Наблюдается
движение.

Интенсивность этого движения частиц в веществах зависит от
многих
факторов: деформация, воздействие света, нагревание, трение, химические
реакции.

При этом образуются небольшие источники двух полярностей (+) и (
-
).
Каждая полярность имеет свою величину
-

потенциал. Чем больше потенциал,
тем больше разница между (
+) и (
-
).

Так вот, эта разница потенциалов (+) и (
-
), есть электродвижущая сила
(далее ЭДС), то есть электрическое напряжение.

Итак, источник электроэнергии обладает разностью потенциалов,
заряженные частицы которых, стремятся друг к другу. А так
-

же есть

такие,
которые
ограничивают их движение
.

Первые
-

это проводники, которыми является большинство металлов,
вода, кислоты, щёлочи и прочие. Вторые
-

диэлектрики: дерево, воздух,
пластмассы и т.д. Из хороших диэлектриков: фарфора, стекла, текстолита,
ре
зины и т.д. изготовляют изоляторы.

В качестве проводника электроэнергии используется медь, алюминий, бронза,
латунь, серебро, золото и их сплавы. Если мы возьмём отрезок проводника и
соединим им две полярности источника, то мы получаем движение заряженных
частиц по проводнику от (+) к (
-
).

Это движение и есть электрический ток.

Любое тело обладает свойством сопротивляться движению заряженных частиц
(электротоку). Это свойство зависит от вещества , из которого состоит тело, и
называется сопротивлением. У пр
оводников оно маленькое, у диэлектриков
-

большое. Источник электроэнергии тоже имеет своё сопротивление,
называется оно внутренним сопротивлением источника.

Величина тока, протекающего по цепи будет зависеть от разницы потенциалов
(мы помним: чем больше
разница, тем больше притяжение) и от
сопротивлений: проводника и внутреннего сопротивления источника, как
правило, сопротивление источника очень мало и при изучении им можно
пренебречь.

Зависимость такая:

Электрический ток будет равен тому, что мы получим
, когда поделим разность
потенциалов участка (величина напряжения) на сопротивляемость этого
участка (сопротивление).

Обозначаем: I
-

электрический ток; U
-

напряжение; R
-

сопротивление;






или






-

закон Ома

Взаимосвязь тока, напряжения и
сопротивления можно назвать основным
законом электротехники, он применим во всём, что связано с электричеством.
На этом законе построено и работает всё
-

электрические сети, все возможное
электрооборудование, электрические механизмы, электроника, радиотехн
ика и
т.д.

Законы Киргофа


Первый закон Кирхгофа

В цепях, состоящих из последовательно соединенных источника и приемника
энергии, вычисления производятся по закону Ома. На практике в цепях, токи
идут по разным путям. Точки, где сходятся несколько проводн
иков,
называются узлами, а участки цепи, соединяющие два соседних узла, ветвями.

В замкнутой электрической цепи ни в одной ее точке не могут скапливаться
электрические заряды так, как это вызвало бы изменение потенциалов точек
цепи. Поэтому электрические з
аряды притекающие к какому
-
либо узлу в
единицу времени, равны зарядам, утекающим от этого узла за ту же единицу.

Разветвлённая цепь.

Обозначим токи в неразветвленной части цепи
-

I, а в ветвях соответственно:
I1, I2, I3... У этих токов в такой цепи будет соотношение:



1


2


3





Cумма токов, подходящих к узловой точке электрической цепи, равна сумме
токов, уходящих от этого узла
.

При параллельном соединении резисторов

ток проходит по четырем
направлениям, что уменьшает общее сопротивление или увеличивает общую
проводимость цепи, которая равна сумме проводимостей ветвей.

Обозначим силу тока в неразветвленной ветви буквой I.

Си
лу тока в отдельных ветвях соответственно I1, I2, I3.

Напряжение между точками A и B
-

U.

Общее сопротивление между этими точками


R.

По закону Ома напишем:








1



1



2



2



3



3


Согласно первому закону Кирхгофа:




1


2


3

или





1



3

Сократив обе части полученного выражения на U получим:

1


1

1

1

2

1

3
, что и требовалось доказать.

Cоотношение для любого числа параллельно соединенных резисторов.

В случае, если в цепи содержится два параллельно соединенных резистора

R1

и R2, то можно написать равенство:

1


1

1

1

2

Из этого равенства найдем сопротивление R, которым можно заменить два
параллельно соединенных резистора:




1


2

1


2

Второй закон Кирхгофа

В замкнутом контуре электрической цепи сумма всех ЭДС равна
сумме
падения напряжения в сопротивлениях того же контура.


1


2


3








1


1


2


2


3


3









При составлении уравнений выбирают направление обхода цепи и
произвольно задаются направлениями токов.

Если в электрической цепи включены
два источника энергии, ЭДС которых
совпадают по направлению, то ЭДС всей цепи равна сумме ЭДС этих
источников, т. е.



1


2

Если же в цепь включено два источника, ЭДС которых имеют противоположные
направления, т. е. включены встречно, то общая ЭДС цепи

равна разности ЭДС
этих источников




1


2

Закон Джоуля
-
Ленца

При прохождении электрического тока через металлический проводник
электроны сталкиваются то с нейтральными молекулами, то с молекулами,
потерявшими электроны.

При столкновении электронов с
молекулами расходуется энергия, которая
превращается в тепло.

Любое движение, при котором преодолевается сопротивление, требует
эатраты определенной энергии. Так, например, для перемещения какого
-
либо
тела преодолевается сопротивление трения, и работа, зат
раченная на это,
превращается в тепло.

Электрическое сопротивление проводника играет ту же роль, что и
сопротивление трения.

Таким образом, для проведения тока через проводник источник тока
затрачивает некоторую энергию, которая превращается в тепло.

Переход электрической энергии в тепловую отражает закон
Ленца
-
Джоуля

или закон теплового действия тока.

Русский ученый Ленц и английский физик Джоуль одновременно и независимо
о
дин от другого установили, что при прохождении электрического тока по
проводнику количество теплоты, выделяемое в проводнике, прямо
пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени, в
течение которого электрический ток протекал по проводни
ку. Это положение
называется законом Ленца
-
Джоуля.

Если обозначить количество теплоты, создаваемое током, буквой Q (Дж), ток,
протекающий по проводнику
-

I, сопротивление проводника
-

R и время, в
течение которого ток протекал по проводнику
-

t, то закону

Ленца
-
Джоуля
можно придать следующее выражение:




2





Так как





и




, то



2










Тема 3 Практикум “Основы электричества”


Тема 3
. Аэродинамика полета. Пропеллер .



Пропеллер


лопастной агрегат, приводимый во вращение двигателем и
предназначенный для преобразования мощности (крутящего момента) двигателя
в тягу.


Первое и основное: при сборке, пайке, программировании, настройке и
прочих манипуляциях с мультикоптером,

не связанных непосредственно с
полетом, пропеллеры должны быть сняты с коптера.


Основные характеристика пропеллера это диаметр и шаг. Обе
характеристики измеряются в дюймах.

Шаг
-

расстояние, пройденное поступательно винтом за один полный оборот
(360°).

Например: Пропеллер 10х4,5 означает то, что у него диаметр 10 дюймов и шаг 4,5
дюйма.

Чем больше эти значения, тем большую тягу развивает пропеллер. Однако нужно
найти баланс между этими двумя характеристиками и мощностью двигателя.

Если возьмете пропелле
р больше по размеру, двигатель его не потянет: не
сможет развивать достаточную скорость, будет перегреваться и т. д.

Возьмёте пропеллер меньше
-

не будет тяги. Двигатель будет работать на полной
скорости, но как бы вхолостую, т. к. пропеллер слишком мал.

С
ледовательно, пропеллеры всегда подбираются под мотор. Для этого можно
воспользоваться таблицами на сайте производителя двигателя или
специализированны квадрокоптерным калькулятором (например, ecalc.ch).

Чем больше пропеллеры, тем больше у них инерция, поэ
тому они не смогут так
же быстро, как маленькие пропеллеры, реагировать на изменение оборотов
двигателя. Таким образом, коптер с большими пропеллерами менее
маневренный, менее юркий, шустрый, чем коптер с маленькими пропеллерами.

Самыми популярными являютс
я пропеллеры изготовленные из пластмассы или
карбона.

В конструкции коптера используются пропеллеры, вращающиеся по
часовой и против часовой стрелки, причем однонаправленные пропеллеры
установлены на противоположных лучах.

Такая конфигурация необходима для
компенсации вращающего момента, возникающего при вращении пропеллера,
стремящегося развернуть коптер. Наличие разнонаправленных пропеллеров на
противоположных лучах компенсирует этот крутящий момент. А при
необходимости п
овернуть систему, изменяется скорость определенных винтов,
что выводит систему из равновесия, вызывая поворот. Аналогичным образом
производится наклон коптера. Для постройки квадрокоптера нужно две пары
разнонаправленных

винтов, для гексакоптера


тр
и пары и т.д.


Трудно представить себе движитель более универсальный, чем воздушный
винт. Он годится чуть ли не для любого транспортного средства: глиссера и
аэросаней, самолета и мотодельтаплана, аэрохода и экранолета, вертолета и
мультикоптера.

Однако да
леко не все четко представляют себе, как правильно рассчитать
параметры воздушного винта. Действуя методом проб и ошибок, мы подчас
теряем много времени и сил, подбирая десятки различных пропеллеров в
надежде найти такой, который применительно к конкретном
у двигателю и
транспортному средству обеспечивал бы оптимальную тягу.

Расчет и подбор воздушного винта к двигателю, а также к конкретному коптеру


сложная и тонкая задача.

Исходными данными для подбора винтов для самодеятельных конструкторов
обычно являю
тся мощность двигателя Nдв (Вт), частота вращения воздушного
винта NВ (об/мин), максимальная скорость движения (полета) Vмакс (м/с).

Несколько замечаний применительно к расчетной скорости. Воздушный винт
фиксированного шага, как известно, является однорежи
мным. Это означает, что
максимальный
коэффициент полезного действия (КПД)

он обеспечивает только на
одной


расчетной


скорости.

Для мультикоптера расчетным режимом полета является висение. Именно в этом
состоянии должен достигаться максимальный КПД. След
овательно расчетная
скорость равна нулю.

Надо сразу же примириться с мыслью, что ни один расчет не позволит сразу и с
высокой точностью определить все параметры винта фиксированного шага.
Точный расчет таких винтов


дело крайне сложное. Даже самые тщатель
ные
расчеты не дают возможности получить идеальный для данного транспортного
средства аэродвижитель. Лишь в процессе испытаний станет ясно, как
видоизменить винт, уменьшить или же увеличить его шаг. Методика же, которая
здесь предлагается, вполне позволяет

подобрать исходный винт


если можно
так выразиться, винт первого приближения. И уже испытания покажут, появится ли
необходимость в следующем, более подходящем для созданного вами
транспортного средства.

При вынужденном уменьшении диаметра винта иногда ре
комендуют увеличивать
шаг или ширину лопастей. Действительно, это позволяет снимать с двигателя всю
мощность, но КПД аэродвижителя при этом неизбежно падает.

Очень важно запомнить: скоростному коптеру

нужен высокооборотный пропеллер
малого диаметра, тихоходному


малооборотный большой.

Разумной можно представить следующую методику подбора винта к
любительскому аппарату. Вначале в соответствии с компоновочной схемой
выбирается максимально возможный диам
етр винта: здесь принимаются во
внимание допустимые зазоры между концами лопастей и конструкцией, и другие
параметры. Затем подбираются моторы, в соответствии с требованиями модели.
Бывают так же ситуации, когда пропеллер подбирается под мотор.

Итак, нам
необходимо подобрать мотор и пропеллер. Как это сделать, не
используя громоздкие формулы и сложные вычисления? Ниже приведен подбор
пропеллеров исходя из выбранных моторов. Но данный способ также подходит
для подбора мотора под пропеллер, при выполнении от

обратного.

Для примера возьмем мотор X2204S 2300kv компании SunnySky. Заходим на сайт
производителя и находим наш мотор. В описании имеется табличка, с помощью
которой можно подобрать пропеллер (prop).


По этой же таблице можно подобрать аккумулятор. Нас

интересует количество
“банок” на выбраном источнике питания. Обычно батареи маркеруются 3S, 4S и
тд. В данном случае число обозначает количество банок. Дальнейший подбор
пропеллера зависит от довеса коптера и требуемой полезной нагрузки. Если
необходимо п
однять больший вес, берем больший пропеллер, если нужна
маневренность, то меньший. Но стоит так же учитывать возможности рамы, а
именно, смогут ли выбранные пропы разместиться так, что бы не контактировать с
прочими частями коптера и друг с другом.


Собере
м все формулы по теме воздушного винта

Аэродинамика пропеллера:

Сила тяги, создаваемая пропеллером (F), и мощность, необходимая для
вращения пропеллера (N), выражаются такими
формулами
:











2


4

(1)











3


5

(2)

Здесь:

alpha и beta
-

безразмерные коэффициенты тяги и мощности. Зависят от скорости
набегающего потока и формы винта. При висении, когда скорость набегающего
потока равна нулю, зависят только от формы винта;


ro
-

плотность воздуха;


n
-

час
тота вращения винта;


D
-

диаметр винта;

Эффективность винта

Рассмотрим, каким образом эффективность винта зависит от полезной нагрузки
(тяги). Для этого выразим из формулы (1) частоту n:












4










2


(3)

Подставим n и
з (3) в
формулу

(2):
















2

3


5
(4)

Вычислим эффективность пропеллера (E), разделив силу тяги F на мощность,
выраженную формулой (4):






(5)

Упрощая правую часть (5), получим:








3
2






(6)

Коэффициент



3
2


характеризует аэродинамическое качество пропеллера и в
режиме висения зависит только от формы винта. Обозначим этот коэффициент






3
2


(7)

Тогда эффективность выражается так:











(8)

В режиме висен
ия тяга, создаваемая несущими винтами, равна весу ЛА. Поэтому
F можно понимать как часть веса ЛА, приходящуюся на один пропеллер. То есть F
в формуле (8)
-

это тяга, которую должен развить пропеллер, чтобы удержать ЛА.

Таким образом, из (8)
следует
, что

эффективность пропеллера прямо
пропорциональна его диаметру и обратно пропорциональна квадратному корню из
величины тяги, которую должен создать пропеллер.

Учет температуры и атмосферного давления

Чтобы выразить плотность воздуха через атмосферное давлени
е и температуру,
используем уравнение Менделеева
-
Клапейрона:











(9)

Здесь:


p
-

давление;


V
-

объем;


m
-

масса;


M
-

молярная масса. Для воздуха M 29 г/моль.


R
-

универсальная газовая постоянная;


T
-

температура (по Кельвину).

Плотность
-

отношение массы к объему:





(10)

Выражая m/V из (9), получим:









(11)

Подставляя выражение для плотности из (11) в (8), получаем:

















(12)

Обозначим






-

для воздуха
это константа. Тогда формула для
эффективности окончательно будет выглядеть так:















(13)


Тема 4
. Бесколлекторные двигатели. Регуляторы хода.

БК двигатели.

В конструкциях коптеров используются бесколлекторные

электродвигатели. Они
обладают выдающимися характеристиками и живучестью в связи с отсутствием
трущихся узлов (щеток) посредством которых передается ток.
Этот тип моторов
зовется OUTRUNNER (т.е бегает снаружи). Снаружи бегает корпус двигателя а не
якорь,
как в случае INRUNNER двигателей.

В отличие от обычного электродвигателя, у которого имеется подвижная часть
-

ротор и неподвижная
-

статор, у бесколлекторного двигателя подвижной частью
является как раз статор с постоянными магнитами, а неподвижной час
тью
-

ротор
с обмотками трех фаз.

Для того, чтобы заставить вращаться такую систему,
необходимо

осуществлять в определенном порядке смену направления
магнитного поля в обмотках ротора
-

тогда постоянные магниты статора будут
взаимодействовать с магни
тными полями ротора и подвижный статор прийдет в
движение. Это движение основано на свойстве магнитов с одноименными
полюсами полюсами отталкиваться, а с противоположными
-

притягиваться.

В рассматриваемых нами мультироторных аппаратах используются серийн
о
выпускаемые бесколлекторные двигатели, применяемые моделистами при
строительстве радиоуправляемых
самолетов и вертолетов
.

Достоинства и недостатки бесколлекторных двигателей:

Достоинства:

-
Частота вращения изменяется в широком диапазоне
;

-
Возможнос
ть использования во взрывоопасной и агрессивной среде;

-
Большая перегрузочная способность по моменту
;

-
Высокие энергетические показатели (КПД более 90 %);

-
Большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт
отсутствия скользящих
электрических контактов.

Недостатки:

-
Относительно сложная система управления двигателем;

-
Высокая стоимость двигателя, обусловленная использованием дорогостоящих
материалов в конструкции ротора (магниты,
подшипники, валы
).


У моторов есть ключевой параметр


kV.
Это количество оборотов в минуту,
которые сделает мотор, на поданный вольт напряжения.

Это не мощность мотора,
это его, скажем так, «передаточное число». Чем меньше kV, тем меньше
оборотов, но выше крутящий м
омент. Чем больше kV при той же мощности, тем
больше оборотов и ниже момент.

Чем быстрее вращается мотор, тем большую мощность он выделяет. Моторы
имеют предельную мощность, на которую они рассчитаны, и просто сгорят при
эксплуатации на предельной или чре
змерной мощности.

Чем меньшее kV, тем больший крутящий момент у мотора, поэтому он способен
крутить более большие пропеллеры. Если пропеллер слишком большой для
мотора, то это приводит к повышению рассеиваемой мотором мощности. Она
может превысить предель
но допустимую, мотор перегреется,
поэтому коптер на
больших пропеллерах просто не полетит
.

Регуляторы хода для бесколлекторных моторов

Моторы подключаются к батарее не напрямую, а через так называемые
регуляторы скорости. Регуляторы скорости (ESC) управляют скоростью вращения
моторов, заставляя коптер балансировать на месте или лететь в нужном
направлении. Выбираются контроллеры скорости
исходя из потребления мотором
тока
.

Моторы подключаются к регулятору скорости тремя проводами,
последовательность не имеет значения, но если поменять любые два из трех
проводов местами, то мотор будет вращаться в обратном направлении. Два
силовых провод
а, идущих от регулятора, надо подключить к батарейке. Очень
важно не перепутать полярность. Вообще, для удобства регуляторы подключают
не к самой батарейке, а к так называемому Power Distribution Module


модулю
распределения питания. Это, в общем
-
то, прос
то плата, на которой припаяны
силовые провода регуляторов,

распаяны разветвления
для них и припаян силовой
кабель, идущий к батарее.

Бесколлекторные моторы, и соответственно регуляторы хода для них можно
разделить на 2 основных класса
-

с
датчиками

п
оложения ротора и без них.
Бездатчиковые проще в изготовлении, поэтому большинство моторов и
контроллеров в настоящее время именно такие (кроме специальных
автомодельных). Далее речь пойдет именно о бездатчиковых регуляторах хода.

Большинство применяемых в

моделизме бесколлекторных моторов построены по
принципу "вывернутого наизнанку" коллекторного двигателя: якорь с обмотками
неподвижен, а
корпус
с постоянными магнитами вращается.

Среди бесколлекторных моторов для моделизма можно выделить две основные
г
руппы
-

с внутренним ротором, где постоянный магнит вращается внутри
обмоток, и с внешним ротором (outrunner)
. Последние имеют, как правило,

большее количество магнитных полюсов
, и больший крутящий момент по
сравнению с моторами с внутренним ротором,

что позволяет применять их на
авиамоделях без использования редуктора
-

они могут «напрямую» крутить винты
большого диаметра.

Основные характеристики контроллеров

Максимальный постоянный (сontinuous) ток


указывает, какой ток контроллер
способен держать
продолжительное время. Как правило, этот параметр входит в
обозначение контроллера (например Jes
-
18, Phoenix
-
10). Иногда указывают
величину "кратковременного" тока, допустимого в течении нескольких секунд.

"Кратковременный" ток способны держать выходные
транзисторы контроллера, но
рассеивать выделяемое при этом токе количество тепла контроллер не в
состоянии.

Максимальное рабочее напряжение
-

указывается, с каким количеством NiCd или
литий
-
полимерных банок можно использовать контроллер. Как правило, если
используется ВЕС (
Battery Elimination Circuit
-

устройство в регуляторе, которое
преобразует напряжение силовой батареи для питания бортовой электроники
),
количество банок не превышает 12.

Если вы хотите работать с большим
количеством банок
, то придется

ставить или отдельную батарею питания
приемника, или использовать внешний ВЕС. Но в любом случае нельзя
превышать максимальное напряжение, допустимое для контроллера.

Максимальные обороты (maximum rpm)
-

программное ограничение максимальных
оборотов. Всег
да указывается для двухполюсного двигателя. Для многополюсных
моторов это число надо разделить на количество пар полюсов. Например, если
указано 63000 rpm, то для мотора с 12
-
ю магнитами максимальные обороты будут
63000/6 10500 rpm, а это уже не так много.
.. Данная функция не дает мотору
набрать большее, чем указано количество оборотов, некоторые контроллеры при
превышении этого значения на холостом ходу начинают сбоить, вызывая
значительные броски тока
-

мотор начинает резко дергаться. Этот эффект не
являе
тся признаком неисправности мотора или контроллера.

Внутреннее сопротивление


полное сопротивление силовых ключей
контроллера, без учета проводов.
Чем мощнее контроллер, тем меньше его
внутреннее сопротивление.

Как правило, сопротивление проводов

сравнимо с
внутренним сопротивлением контроллера и вносит до 30% потерь. Для примера,
внутреннее сопротивление контроллера Castle Creations Phoenix
-
25 13 mOhm, а
сопротивление 30 см провода сечением 1кв. мм


6 mOhm, то есть почти треть
потерь приходится
на провода.

Частота импульсов контроллера (PWM Frequency)
-

как правило, составляет 7
-
8
Кгц. У "продвинутых" контроллеров частоту регулирования можно
программировать на другие значения
-

16 и 32 кГц.
Эти

значения применяется в
основном для высокооборотны
х 3
-
4
-
х витковых моторов с малой индуктивностью,
при этом улучшается линейность регулирования частоты вращения.

Особенности подключения

Провода
-

не такое простое дело, как может показаться на первый взгляд. Есть
несколько важных аспектов.

Самое главное
-

нельзя делать провода от контроллера до аккумулятора большой
длины.
Дело в том, что стартовые токи беколлекторных

моторов намного больше,
чем аналогичных коллекторных, и при работе моторов возникают большие броски
тока. Конденсаторы, всегда стоящие на входе контроллера, должны быть
специального типа, но многие производители ставят обычные.

При удлинении проводов от к
онтроллера до батареи начинает сказываться их
индуктивность, и может возникнуть ситуация, когда уровень помех по напряжению
питания на входе контроллера станет настолько высок, что контроллер не сможет
правильно определить положение ротора мотора (иногда п
ри этом еще и
"повисает" процессор контроллера). Известно несколько случаев полного
"выгорания в дым" контроллеров, при удлинении проводов со стороны
аккумулятора до 30см. Если необходимо увеличить длину проводов (например,
двигатель стоит в хвосте модели)
, то надо увеличивать длину проводов от мотора
до контроллера. Как правило, контроллеры поставляются с проводами до батареи
длиной 13
-
16см. Такая длина вполне достаточна для надежной работы
контроллера, и не следует ее увеличивать более чем на 5см.

Кроме т
ого, длинные провода до батареи могут вызывать проблемы при резком
старте мотора
-

контроллер может не перейти от режима старта к рабочему
режиму при слишком резком прибавлении “газа”. Для предотвращения этого
эффекта во многих контроллерах есть специальны
е настройки.

Настройки

Практически все современные контроллеры имеют множество программных
настроек
. От них зависит режим работы, надежность, а иногда и
работоспособность контроллера в паре с тем или иным мотором. Здесь мы
попробуем перечислить основ
ные настройки, и объяснить, как и на что они
влияют.

Напряжение выключения мотора (cut
-
off voltage)


при каком минимальном
напряжении на батарее мотор будет выключен. Эта функция предназначена для
сохранения работоспособности аппаратуры при разряде батаре
и и для защиты
самой батареи от переразряда (последнее особенно важно для литий
-

полимерных аккумуляторов). На некоторых контроллерах (например, Jeti серии “
Advanced ”) нет установки напряжения на конкретное число банок в случае
использования литиевых бат
арей, количество банок при этом определяется
автоматически.

Тип выключения мотора (cut
-
off voltage)


как правило имеет 2 значения
-

плавный
(soft cut
-
off) и жесткий (hard cut
-
off).

При плавном выключении мотора контроллер сбрасывает обороты постепенно, не

позволяя напряжению на батарее упасть ниже заданного, при этом контроль над
моделью сохраняется до последнего.

При жестком
-

мотор немедленно останавливается если зафиксированно падение
напряжения ниже заданного. Жесткое отключение может доставить некотор
ые
неудобства при разряженном аккумуляторе: манипулируя газом, вместо
небольшой прибавки оборотов иногда получается полная остановка мотора.

Тормоз (brake)


торможение мотора после установки газа в "ноль". Может иметь
значения включен/выключен, на некотор
ых контроллерах есть еще
программируемая величина тормоза 50
-
100% и задержка включения тормоза
после полного сброса газа. Это необходимо для защиты шестеренок редуктора в
случае использования больших и тяжелых пропеллеров. Опережение (Timing)


параметр, о
т которого зависит мощность и КПД двигателя. Может находится в
пределах от 0° до 30°.

Для двухполюсных моторов при увеличении опережения обороты и мощность на
максимальных оборотах растут, а общий КПД падает. Для двух и 4
-
х полюсных
моторов с внутренним р
отором рекомендуют значения от 5 до 15 градусов. При
больших значениях опережения мощность практически не растет, а КПД падает
на 3
-
5%
-

это важно для соревнований, где счет идет именно на эти проценты.

Для многополюсных моторов с внешним ротором ситуация
иная
-

для них
оптимальным по КПД и мощности является опережение 25
-
30°. При изменении
угла опережения от 5 до 25° растут и КПД и выходная мощность. Однако прирост
этот невелик
-

около 3%. Как говорится
-

в полете не заметно, но осознавать
приятно...

Режим

старта (start mode)
-

не имеет как правило каких
-
то числовых значений,
описывается только как мягкий, (soft) жесткий (hard), быстрый (fast) и пр. Плавный
старт обеспечивает меньшие пусковые токи в момент старта и позволяет
избежать возможных перегрузок по

току контроллера, но время раскрутки мотора
до полных оборотов увеличивается.

Время акселерации или задержка акселерации (acсeleleration time или acceleration
delay)


устанавливает время набора оборотов после старта до максимума.
Устанавливается меньше д
ля моторов с легкими пропеллерами без редукторов и
больше для моторов с редукторами и в случае срабатывания защиты по току при
резком прибавлении газа.

Ограничение тока (
Current
limiting)


уровень срабатывания защиты по току.
Устанавливается более ч
увствительным в случае применения моторов с большим
стартовым током и батарей с высоким внутренним сопротивлением. При этом
желательно установить плавное отключение мотора, в противном случае при
резких манипуляциях газом мотор будет останавливаться. Не ре
комендуется
отключать защиту по току, если вы не уверены, что ток мотора не может
превысить максимально допустимое значение для контроллера. Это может
привести к повреждению контроллера большими стартовыми токами.

Режим газа (throttle type или throttle mod
e)


устанавливает зависимость оборотов
мотора от ручки газа. Может иметь значения автокалибровки (auto calibrating)


при этом контроллер самостоятельно определяет положение малого и полного
газа, а также фиксированный (fixed)
-

когда характеристика задан
а
производителем.

Реверс (reverse)
-

смена направления вращения. Обычно для изменения
направления вращения двигателя надо поменять местами любые два провода от
мотора. Но в продвинутых контроллерах, возможно изменить направление
вращения мотора программно.




Тема 5
. Управление полётом мультикоптера. Принцип функционирования
полётного контроллера. ПИД регуляторы.


Управление полётом мультикоптера.

Отличие мультикоптера

от других подобных роботов (ездящих, плавающих),
заключается в том, что пилот не управляет напрямую мощностью мотора. С
помощью джойстика, он передает сигнал полётному контроллеру, который делает
расчеты и передает необходимую мощность на моторы.




Рис.

Скорость вращения моторов, в зависимости от команды пилота.

Пилот управляет не скоростью вращения каждого пропеллера, а газом и углами
наклона квадрокоптера через полётный контроллер. Пилот задает направление, в
котором желал бы двигаться, а полётный конт
роллер делает остальную работу.


Принцип функционирования полётного контроллера.

Полётный контроллер
-

устройство, обеспечивающее полёт квадрокоптера,

за
счет управления

газом, углами крена, тангажа и рысканья (
throttle
,
pitch
,
roll
,
yaw
).

Это своеобразные "мозги" мультикоптера. Обычно он содержит несколько
датчиков (гироскопы, акселерометр, магнитометр,
GPS

датчик) и
микроконтроллер, который производит расчеты. Именно полётный контроллер
отвечает за то, чтобы при среднем положении всех сти
ков джойстика
квадрокоптер стабилизировался, висел в воздухе не отклоняясь ни в одну из
сторон.



Рис. Примеры полётного контроллера.

Полётный контроллер

несколько

десятков раз в секунду выполняет

цикл
управления в который входит: считывание показаний да
тчиков, считывание
каналов управления, обработка информации и выдача управляющих сигналов
моторам, чтобы выполнять команды пилота.

Полётный

контроллер выполняет следующие задачи:



Собирает информацию с датчиков (встроенные, либо внешние
:

гироскопы,
акселер
ометры,
GPS
, магнитометр);



Рассчитывает свое положение в пространстве, по показаниям датчиков;



Собирает информацию о внешних воздействиях, таких как отклонения
стиков пилотом, алгоритм программы;



Вносит корректировку с помощью коэффициентов

ПИД (Пропорцио
нально
-
Интегральн
о
-
Дифференциальные)
;



Отправляет управляющие сигналы на регуляторы оборотов (
ESC
).

Полётный контроллер выдает ШИМ
-
импульсы

(
PWM
)

на регуляторы оборотов
(
ESC
), в зависимости от команды стика джойстика, либо программы.

Например,
чтобы дать ко
манду мотору вращаться с максимальной скоростью контроллер
должен отправлять импульсы длительностью 2 миллисекунды, перемежающиеся
логическим нулем длительностью 10


20 миллисекунд. Длительности импульса
в 1 миллисекунду соответствует остановка мотора, 1.
1 мс


10% от
максимальной скорости, 1.2 мс


20% и т.п. Длительность нуля не играет никакой
роли, важна только длительность самого импульса.




Рис. ШИМ
-
импульсы.


Но все не так просто, полетные контроллеры бывают разные с разными
настройками, регуляторы

бывают разные, минимум (1 мс) и максимум (2 мс)


не
универсальны. В зависимости от множества факторов диапазон 1
-
2 мс может на
деле оказаться 1.1


1.9 мс
, либо другим
.
Ч
тобы регулятор и контроллер
говорили абсолютно на одном языке существует процедура к
алибровки
регуляторов.

Нужно ли расписывать саму процедуру, мне кажется, не стоит, лучше показать на
примере?


ПИД
-
регуляторы.

При работе с

мультик
оптерами,
вам придется столкнуться с настройкой ПИД
-
регулятора
, этот математический аппарат применяется почти во всех задачах
стабилизации: стабилизация углов квадрокоптера в воздухе, полет и удержание
позиции по GPS, удержание высоты по
альтиметру.


Вы собираете мультикоптер, калибруете датчики, регуляторы, радио, в
се
проверяете, пытаетесь взлететь, а
его переворачивает даже

лег
ким ветерком
.
Или наоборот: он такой резкий, что внезапно срывается с места и крутит тройное
сальто без разрешения. Причина все та же: параметры ПИД
-
регуляторов.


Для многих устройств
,

использ
ующих ПИД
-
регуляторы
,

существуют инструкции по
настройке. Но чтобы легче ориентироваться в этом многообразии полезно
понимать, как же внутри устроены эти регуля
торы. Предлагаю вместе со мной
самим заново «изобрести» и

«на

пальцах»

понять

формулу
ПИД
-
регулятора.
Будем рассматривать квадрокоптер в двумерном пространстве, где у него есть
только один угол


угол крена, и два мотора: левый и правый.




Рис. Квадрокоптер в двухмерном пространстве


В полетный контроллер непрерывно поступают команды с зе
мли: «крен 30
градусов», «крен
-
10 градусов», «крен 0 градусов (держать горизонт)»; его задача


как можно быстрее и точнее их выполнять с помощью моторов с учетом: ветра,
неравномерного распределения веса квадрокоптера, неравномерного износа
моторов, инер
ции квадрокоптера и т.п. Таким образом, полетный контроллер
должен непрерывно решать задачу, какую скорость вращения подавать на каждый
мотор с учетом текущего значения угла крена и требуемого


Уровень газа поступает из приемника в контроллер. Обозначим ег
о

.
Если


и




скорости вращения левого и правого моторов, то:





где




реакция квадрокоптера (усилие), которое создает момент вращения
за счет того, что левый мотор вращается на

быстрее, чем газ, а правый


на столько же медленнее.


может приним
ать и отрицательные значения,
тогда правый мотор закрутится быстрее. Если мы научимся вычислять эту
величину на каждой итерации цикла обработки, значит мы сможем управлять
квадрокоптером. Понятно, что


как минимум должно зависеть от текущего
угла крена (
) и желаемого угла крена (
), который поступает с
пульта управления.


Представим ситуацию: поступает команда «держать горизонт» (

0), а
квадрокоптер имеет крен влево:




Рис. Двухмерный квадрокоптер с креном влево.





разность (ошибка) между


и

, к
оторую контроллер
стремится минимизировать.


Чем больше разность между желаемым углом крена и текущим, тем сильнее
должна быть реакция, тем быстрее левый мотор должен закрутиться
относительно правого. Если это записать с использованием наших обозначений:




P


коэффициент пропорциональности. Чем он больше, тем сильнее будет
реакция, тем резче квадрокоптер будет реагировать на отклонение от требуемого
угла крена. Эта интуитивно понятная и простая формула описывает
работу

пропорционального

регулятора
.
Ч
ем с
ильнее квадрокоптер отклонился
от требуемого положения, тем сильнее надо пытаться его вернуть. К сожалению,
эту формулу придется усложнить. Главная причина


перерегулирование.


За несколько десятков миллисекунд (несколько итераций цикла обработки) под
воз
действием пропорционального регулятора квадрокоптер вернется в требуемое
(в данном случае горизонтальное) положение. Все это время ошибка


и
усилие


будут иметь один и тот же знак, хоть и становиться все меньше по
модулю. Набрав какую
-
то скорость поворота (угловую скорость) квадрокоптер
просто перевалится на другой бок, ведь никто его не остановит в требуемом
положении. Все равно что пружина, которая в
сегда стремится вернуться в
начальное положение, но если ее оттянуть и отпустить


будет колебаться, пока
трение не возьмет верх.


По этой причине в пропорциональный регулятор нужно добавить еще одно
слагаемое, которое будет тормозить вращение квадрокопте
ра и препятствовать
перерегулированию (переваливанию в противоположную сторону)

имитация
трения в вязкой среде: чем быстрее поворачивается квадрокоптер, тем сильнее
надо пытаться его остановить, конечно, в разумных пределах. Скорость вращения
(скорость из
менения ошибки ) обозначим как

, тогда:




D


настраиваемый коэффициент: чем он больше, тем сильнее
останавливающее усилие.

Скорость

изменения любой величины


производная этой величины по времени:


.


И вот пропорциональный регулятор превращается в пр
опорционально
-
дифференциальный (пропорциональное слагаемое и дифференциальное):


.


Ошибку


вычислить легко, ведь на каждой итерации мы знаем


и

; P и D


настраиваемые перед запуском параметры. Для
вычисления производной (скорости изменения

) необход
имо хранить
предыдущее значение
, знать текущее значение


и знать время,
которое прошло между измерениями (период регулирования). И вот она


физика
шестого класса школы (скорость расстояние / время):


.





период регулирования;




значение ошибки с

предыдущей
итерации цикла регуляции. Кстати, эта формула


простейший способ
численного дифференцирования, и он нам здесь вполне подойдет.


Теперь у нас есть пропорционально
-
дифференциальный регулятор в плоском
«бикоптере», но осталась еще одна проблема.
Пусть левый край будет весить
чуть больше правого, или, что то же самое, левый мотор работает чуть хуже
правого. Квадрокоптер чуть наклонен влево и не поворачивается обратно:
дифференциальное слагаемое равно нулю, а пропорциональное слагаемое хоть и
приним
ает положительное значение, но его не хватает, чтобы вернуть
квадрокоптер в горизонтальное положение, ведь левый край весит чуть больше
правого. Как следствие


квадрокоптер будет все время тянуть влево.


Необходим механизм, который бы отслеживал такие отк
лонения и исправлял их.
Характерной особенностью таких ошибок является то, что они прявляют себя со
временем. На помощь приходит интегральное слагаемое. Оно хранит сумму всех
ошибкок


по всем итерациям цикла обработки. Как же это поможет? Если
пропорционального слагаемого не достаточно, чтобы исправить маленькую
ошибку, но она все равно есть


постепенно, со временем, набирает силы
интегральное слагаемое, увеличивая реакцию


и квадрокоптер принимает
требуемый угол крена.


Тут есть нюанс. Предпо
ложим


равна 1 градусу, цикл регулирования


0.1с.
Тогда за одну секунду сумма ошибок примет значение 10 градусов. А если цикл
обработки


0.01с, то сумма наберет аж 100 градусов. Чтобы за одно и тоже
время интегральное слагаемое набирало одно и тоже знач
ение при разных
периодах регулирования, полученную сумму будем умножать на сам период
регулирования. Легко посчитать, что в обоих случаях из примера получается
сумма в 1 градус. Вот оно


интегральное слагаемое (пока без настраиваемого
коэффициента):


.


Эта формула


не что иное, как численный интеграл по времени функции


в
интервале от нуля до текущего момента. Именно поэтому слагаемое называется
интегральным:


,


где T


текущий момент времени.


Пришло время записать окончательную формулу пропорционал
ьно
-
интергрально
-
дифференциального регулятора:


,


где




один из настраиваемых параметров, которых теперь трое:

.

ПИД регуляторы
-

важная часть полётного контроллера, без их использования
квадрокоптер летал бы непредсказуемо. Они настраиваются индивид
уально для
каждого квадрокоптера.


Тема 6
. Основы радиосвязи. Принцип работы радиоаппаратуры управления

Основы радиосвязи.

Радиосвязь
-

наиболее распространенный способ передачи информации на
расстояние. Сотовые телефоны, спутниковая связь, телевиденье
-

все это
работает на основе передачи сигналов через электромагнитные колебания
определенной частоты.

В передатчике формируются высокочастотные колебания определенной частоты
(несущий сигнал). На него накладывается сигнал, который нужно передать, это
называ
ется модуляция полезным сигналом. Сформированный таким образом
высокочастотный сигнал излучается антенной в виде радиоволн. Этот сигнал
воспринимается антенной приёмника, проходит через систему фильтров, которая
выделяет из множества наведенных в антенне
токов от различных

передатчиков
сигнал с нужной несущей частотой, а детектор выделяет из него модулирующий
полезный сигнал.

В зависимости от несущей частоты передатчика, излучаемый сигнал обладает
разными

характеристиками относительно дальности распространения,
рассеивания, способности отражаться и огибать препятствия.

Радиоволны
распространяются в пустоте и в атмосфере; земная твердь и вода для них
непрозрачны. Однако, благодаря эффектам дифракции и отраж
ения, возможна
связь между точками земной поверхности, не имеющими прямой видимости (в
частности, находящимися на большом расстоянии).

Примером модуляции сигнала может служить
AM

и
FM
. Это частные виды
аналоговой модуляции в которых полезный сигнал передаё
тся либо за счет
амплитуды волны, либо частоты.


Рис.
Пример м
одуляция сигнала


Принцип работы радиоаппаратуры управления.

Управление подвижными моделями основано на взаимодействии человека и
модели, в нашем случае квадрокоптера. Аппаратура радиоуправлени
я состоит из
передатчика, который находится у пилота, и размещенных на модели приемника и
полётного контроллера, который и управляет квадрокоптером через регуляторы
мощности. О полётном контроллере и регуляторах мощности мы уже
рассказывали, теперь рассмот
рим Приёмник и передатчик.


Рис. Принцип работы радиоаппаратуры управления.


Передатчик

Различают 2 основных вида пультов
-

джойстиковые и пистолетные. Для
квадрокоптеров используют джойстиковый пульт.



Рис. Виды пультов.

Для управления движущимися моделями требуется воздействие одновременно на
несколько функций, поэтому передатчики радиоуправления делают
многоканальными. Для квадрокоптеров минимальное количество каналов
-

4:
управление газом, угол крена, угол тангажа, угол

рысканья. Положение каждого из
стиков пульта кодируется при помощи ШИМ импульса.

Каналы управления бывают двух типов: пропорциональные и дискретные.
Например, пропорциональный канал
-

управление газом, а дискретный
-

включение
/
выключение подсветки.
Дискретные каналы используются только для
вспомогательных функций, все основные функции передаются с помощью
пропорциональных каналов.

Чем больше задач должен решать пульт, тем больше
ему нужно каналов. Управление подвесом камеры, передача видео, телеметри
и,
все требует дополнительных каналов.

Пульт имеет возможность подстройки (триммирование). Любой квадрокоптер не
идеален, центр масс у него может быть немного смещен в какую
-
либо сторону,
какой
-
то из моторов может работать чуть лучше. Что проще
-

пытаться
достигнуть
идеальной симметричности модели и действий всех электромоторов, либо
немного подстроить центральное положение ручек при помощи триммеров?
Конечно же, все решают эту проблему подстройкой джойстика под каждую
конкретную модель.

На выходе с пульта
сигнал модулируется, чтобы передать данные на
квадрокоптер. Модуляция сигнала позволяет наложить полезный сигнал на
излучаемые волны, для этого все каналы уплотняются в один посредством
кодирования. В основном для этого используется фазово
-
импульсная модул
яция,
обозначаемая буквами РРМ (Pulse
Position

Modulation)
, она распространена из
-
за
единого стандарта на всем оборудовании. Пульт и приемник разных
производителей могут работать вместе, привязка их друг к другу осуществляется
за счет пары кварцевых резона
торов.


Рис.
PPM

сигнал пятиканальной аппаратуры.

РРМ сигнал имеет фиксированную длину периода Т 20мс. Это означает, что
информация о положениях ручек управления на передатчике попадает на модель
50 раз в секунду, что определяет быстродействие аппаратуры
управления. Как
правило, этого хватает, поскольку скорость реакции пилота на поведение модели
намного меньше. Все каналы пронумерованы и передаются по порядку номеров.
Значение сигнала в канале определяется величиною временного промежутка
между первым и вт
орым импульсом
-

для первого канала, между вторым и
третьим
-

для второго канала и т.д.

Диапазон изменения величины временного промежутка при движении джойстика
из одного крайнего положения в другое определен от 1 до 2мс. Значение 1,5 мс
соответствует сред
нему (нейтральному) положению джойстика (ручки
управления). Продолжительность межканального импульса составляет около 0,3
мс. Данная структура РРМ сигнала является стандартной для всех
производителей RC
-
аппаратуры. Значения среднего положения ручки у разны
х
производителей может немного отличаться, а диапазон изменения у некоторых
видов компьютерных передатчиков может быть шире, и достигать от 0,8 мс до 2,2
мс. Однако такие вариации допускают смешанное использование компонентов
аппаратуры от разных производи
телей, работающих в режиме РРМ кодирования.


Приёмник
-

устройство, служащее для осуществления радиоприёма, т.е . для
выделения сигналов из радиоизлучения. Приёмник устанавливается на
квадрокоптере, принимает сигнал с пульта и передаёт его в полётный
конт
роллер.



Рис. Внешний вид приёмника.


Рассмотрим, как работает приёмник.



Рис. Принципиальная схема работы приемника



Сигналы, принятые антенной, подаются на колебательный контур, в котором
работает приёмник. Этот контур является преселектором. Посл
е преселектора
сигнал попадает в усилитель высокой частоты, а затем, уже усиленный сигнал
подается на смеситель. На смеситель так же подается сигнал с гетеродина (
высокочастотного генератора). Антенна воспринимает сигналы со всех
передатчиков, находящихся

рядом, в смесителе происходит процесс первичной
фильтрации сигнала. Из смесителя отфильтрованные сигналы поступают на
селектор промежуточной частоты, который должен выбрать из всех полученных,
сигнал "своего" приёмника и подавить остальные. После этого с
игнал проходит
через усилитель промежуточной частоты и попадает на демодулятор
-
дискримнатор, где сигнал проходит обратную модуляции процедуру, когда
принятого сигнала выделяется полезный сигнал. Затем он попадает на триггер
Шмидта, который формирует необхо
димую амплитуду и крутизну
PPM

сигнала, а
затем подается на декодер полётного контроллера.


Чтобы было понятно, рассмотрим на примере. Наш передатчик и приемник
осуществляют связь по 50 каналу, 40,665 МГц. Частота гетеродина, чтобы
определить "свой" сигнал

обычно отличается на 455 кГц (0,455 МГц),
соответственно она равна 40,665 МГц
-

0,455 МГц 40,210 МГц. Например,
антенна приняла сигналы 40,665 МГц и 40,805 МГц, что соответствует 50 и 80
каналам. Они усилились при помощи УВЧ и попали в смеситель. Чтобы
найти
"свой" сигнал в смесителе происходит сложение и вычитание частот полученных
сигналов и гетеродина. Получим:

40,665 МГц
-

40,210 МГц 0,455 МГц

40,665 МГц + 40,210 МГц 80,875 МГц

40,805 МГц
-

40,210 МГц 0,595 МГц

40,805 МГц + 40,210 МГц 81,015

МГц

Из полученных четырех значений 80,875 МГц и 81,015 МГц явно не подходят, т.к.
разница должна быть 0,455 МГц, эти значения отфильтровываются на выходе
смесителя. Оставшиеся два значения: 0,455 МГц и 0,595 МГц близки между собой,
поэтому они проходят фи
льтр в смесителе и попадают в селектор, который
фильтрует только "свою" частоту, 0,455 МГц, подавив остальные фильтром
промежуточной частоты.

Отфильтрованный "свой" сигнал поступает на УПЧ, а затем, уже усиленный, он
попадает на декодер и триггер Шмидта, г
де его преобразуют в
PPM

сигнал,
который передается на полётный контроллер.




Тема 7
. Способы предотвращения столкновения БЛА с препятствиями.
Методы определения расстояния до препятствий. Принцип
функционирования ультразвукового сонара и работа с ним.


Способы предотвращения столкновения БЛА с препятствиями.

Не разбить свой, только что собранный коптер, непростая задача. Будет ли он
управляться с пульта, либо автономно, в какой
-
то момент он обязательно
попытается во что
-
то врезаться. Этого можно пытатьс
я избежать хорошо
пилотируя дрон, а можно подстраховаться и поставить на него систему датчиков,
которые будут предупреждать о препятствиях. Или создать систему, которая
корректирует полет квадрокоптера, когда он приближается к препятствиям.

Скорость челове
ческой реакции в среднем равна 200 мс, реакция же электронной
системы, основанной на ультразвуковых датчиках составит 40 мс. Она среагирует
на препятствие в 5 раз быстрее вас, а значит и возрастет максимальная скорость.
Да и в узких помещениях коптер сможе
т летать, не боясь врезаться в стены, а
подъем по лестнице станет простой задачей.

Чтобы собрать такую систему нам нужны:

-

датчики, которые оценят расстояние до препятствия, направленные во все
стороны.

-

программа, которая обработает информацию с датчи
ков, проанализирует
данные и скорректирует курс.


Методы определения расстояния до препятствий.

В робототехнике для измерения расстояния применяется 2 основных типа
датчиков: ультразвуковой датчик и ИК
-
дальномер. Оба датчика посылают сигнал
(ультразвуково
й или световой) в определенном направлении, а потом
анализируют ответ.

ИК
-
дальномер посылает импульс света в инфракрасном диапазоне, он
отражается от препятствия и улавливается приемником. Или не отражается, когда
препятствия нет. Угол падения отраженного
луча показывает расстояние до
объекта.


Рис. 75. Метод измерения ИК
-
дальномером.

Расчет производится по формуле:


L
=
A
/2*
tg

a
, где

А
-

расстояние между передатчиком и приемником, постоянная величина для
прибора,

а
-

угол, зависящий от расстояния до препя
тствия, определяется измерением.

В зависимости от значения тангенса угла
a

мы вычислим расстояние до
препятствия.


Ультразвуковой сонар работает по схожему принципу, но замеряет не угол, а
время прохождения сигнала. Передатчик излучает ультразвуковой импул
ьс,
который отражается от объекта и возвращается в приемник.


Рис. 77
-

Принцип работы сонара.


Датчик учитывает скорость звука в среде, время прохождения сигнала от
передатчика до приемника и на основании этих данных рассчитывает расстояние
по формуле:

d
=
vt
/2,
где

d

-

расстояние до препятствия

v

-

скорость звука в среде

t
/
2

-

половина

времени, за которое сигнал прошел путь от передатчика до
приемника


ИК
-

дальномер точнее, чем ультразвуковой датчик, но он воспринимает
препятствия на меньшем расстоянии (до 1,5 метров), в то время как сонар до 4
-
х
метров. Решение, какой датчик использовать, ложится на Вас.


Принцип функционирования ультразвукового сонара

и работа с ним.

Принцип

функционирования
.

Сонар (
Ultrasonic

module
)

-

датчик, позволяющий оценить расстояние до предмета
при помощи ультразвукового импульса.


Рис. 76
-

Внешний вид датчика.

Принцип работы ультразвуковых сонаров мы уже рассмотрели. Тепер
ь о
практическом использовании.

Импульсы посылаются последовательно, после получения эха от предыдущего
сигнала. Рекомендованный период между импульсами сонара составляет 50 мс.
Если эхо сигнала еще не получено приемником, сонар считает, что препятствия
не
т.


Стандартные сонары хорошо работают на расстоянии от 2 см до 4 метров. Сонар
"видит" небольшую область в 30 градусов по направлению приемника и
передатчика. Поэтому даже 4 сонара, каждый направленный в свою сторону,
имеют "слепые" зоны.


Рис 78.
Диагра
мма направленности Сонара
HC
-
SR
04.

Подключение сонара.

Для подключения сонара в макетную плату используются 4
-
х пиновое соединение.
2 контакта для питания: напряжение (5В
,
Vcc
), земля
(
GRND
)

и 2 сигнальных
контакта:

Trig
,
Echo
.


Рис. 79 Схема подключения сонара на примере
Arduino

Uno
.

Разъем
Vcc

(5В) датчика

подключаем красным проводом к разъему
5
V

Arduino
.

Разъем
GRND

датчика черным проводом к любому из разъемов
GRND

Arduino

Разъемы
Trig

и

Echo

подключаем к 2
-
м незанятым пинам
A
rduino
, в нашем случае
Trig

к 4, а
Echo

ко 2
-
му синим и желтым проводом соответственно.

Цвет проводов никак не влияет на их свойства, но это правила хорошего тона,
подключать питание
-

красным проводом, а землю
-

черным. Чтобы кто
-
то кроме
вас смог разобра
ться в этой схеме.

После того как сонар подключен к
Arduino
, напишем программу, которая будет его
опрашивать. Для начала подключим библиотеку нашего сонара, выбрав в меню
Sketch

-

Import

library

-

Add

library


Напишем код

1

#include "Ultrasonic.h"

2

Ultrasonic

us
_1(4, 2); //указываем пины
arduino
, в которые подключили
наш сонар.
Trig

-

первым,
Echo

-

вторым

3

Void setup()

4

{

5

Sreial.begin(9600);//
запускаем

serial port.

6

}

7

Void loop()

8

{

9

Float

d
_1 =
us
_1.
Ranging
(
CM
);// получаем расстояние с сонара.

10

Serial.print (d_1);

11

Serial
.
print
("
cm
")
;
// выводим полученную дистанцию

12

}

После выполнения на экране появится что
-
то вроде:

20.00

cm

20.00
cm

18.00
cm

21.00
cm

25
9.00
cm

25
9.00
cm


Отлично. Наш сонар работает и выдает нам данные.

Теперь на основании данных с него мы можем давать команды коптеру
замедлиться, остановиться, менять курс в зависимости от расстояния до
препятствия.

Анализ данных.

(с технической точки зрения этот пункт должен быть, но я не
уверен, что школьникам 12
-
14 ле
т будет понятна статистика, а писать "сделайте
так", не объясняя, было бы странно).

Брать сигналы с датчика в чистом виде не стоит. У любого датчика бывают
погрешности, сбои. Лучше всего пользоваться какой
-
либо методикой усреднения
результатов, например пр
и помощи скользящего среднего, или медианы.



Приложенные файлы

  • pdf 5182568
    Размер файла: 2 MB Загрузок: 9

Добавить комментарий