Квадрокоптер в полете постоянно меняет тягу четырех двигателей. Даже когда машина просто висит на месте, обороты корректируются снова и снова: нужно удерживать наклон, высоту и положение, компенсировать небольшие отклонения и выполнять команды пилота.
Сам пилот не распределяет тягу между моторами. Он двигает стики, а дальше команду принимает бортовая электроника. Именно полетный контроллер определяет, какие двигатели должны ускориться или замедлиться.
Что передает пульт управления дроном
Два стика пульта задают основные движения квадрокоптера. Один обычно отвечает за высоту и разворот вокруг вертикальной оси, второй — за движение вперед, назад и в стороны. Конкретное расположение функций зависит от выбранной схемы управления.
Под каждым стиком находится датчик положения. Электроника пульта измеряет направление и величину отклонения, после чего превращает движение руки в цифровое значение.
Например, при движении стика вперед пульт не отправляет команду вроде «увеличить обороты задних двигателей». Он передает значение управляющего канала. Уже на борту полетный контроллер преобразует его в нужный наклон и рассчитывает работу моторов.
Кроме стиков на пульте могут находиться колесики, кнопки и переключатели. Через них меняют режим полета, управляют камерой, запускают автоматические функции или выбирают другие предусмотренные производителем команды.
В результате пульт формирует поток цифровых данных, который постоянно обновляется во время полета. Следующий узел в этой цепочке — радиосистема.
Как команда попадает с пульта на дрон
В пульте находится радиопередатчик, а на дроне — приемник. Передатчик кодирует управляющие данные и отправляет их по радиоканалу. Приемник получает сигнал и передает команды полетному контроллеру.
Современные системы связи обычно работают в обе стороны. Дрон принимает команды пилота и одновременно отправляет обратно данные о своем состоянии.
На экран пульта могут поступать:
- уровень заряда аккумулятора;
- высота и скорость;
- координаты;
- количество доступных спутников;
- качество радиосвязи;
- состояние датчиков;
- предупреждения бортовой системы.
Отдельный поток данных занимает видео с камеры. В некоторых системах управление, телеметрия и изображение передаются в рамках одного цифрового комплекса связи, хотя внутри выполняют разные задачи.
Радиосистема также отслеживает состояние соединения. Если связь ухудшается или исчезает, полетный контроллер может запустить заранее предусмотренное действие. Конкретное поведение зависит от модели и настроек: аппарат может зависнуть, начать посадку или перейти к автоматическому возврату.
Что делает полетный контроллер
Полетный контроллер — бортовой компьютер дрона. Он получает команды от радиоприемника и одновременно собирает данные с датчиков.
Основные инерциальные датчики находятся в IMU, инерциальном измерительном блоке. В него обычно входят гироскопы и акселерометры.
Гироскоп измеряет угловое движение. По его данным контроллер видит, с какой скоростью аппарат наклоняется или вращается. Акселерометр измеряет ускорения и помогает определять положение относительно направления силы тяжести.
Дополнительно на борту могут работать:
- барометр для оценки изменения высоты;
- магнитометр для определения направления;
- приемник спутниковой навигации;
- направленные вниз камеры;
- оптические датчики;
- лазерные или другие дальномеры.
Данные разных датчиков объединяются. Например, автопилот ArduPilot использует расширенный фильтр Калмана для оценки положения, скорости и ориентации аппарата по информации гироскопов, акселерометров, компаса, спутниковой навигации, барометра и дополнительных сенсоров.
После обработки контроллер знает текущее положение корпуса, скорость его вращения и, при наличии необходимых навигационных данных, движение относительно земли.
Если пилот дает команду наклониться вперед, контроллер сравнивает требуемое положение с фактическим. Затем рассчитывает изменение тяги моторов. Датчики сразу фиксируют начавшееся движение, и расчет повторяется.
Такая обратная связь работает постоянно. Контроллер не отправляет двигателям одну команду и не ждет результата. Он непрерывно получает новые измерения и обновляет управляющие сигналы.
Как GPS помогает дрону удерживать место
В разговорной речи спутниковую навигацию дронов часто называют GPS. Современные аппараты могут принимать сигналы сразу нескольких систем, например GPS, Galileo и BeiDou. Общее обозначение для них — GNSS.
Спутниковый приемник определяет координаты аппарата и помогает оценить его перемещение относительно поверхности Земли. Эти данные нужны для функций, связанных с положением в пространстве.
С GNSS работают, например:
- удержание позиции;
- полет к заданной точке;
- запоминание домашней точки;
- возврат к месту старта;
- автоматические маршруты.
При этом спутники не отвечают за быструю стабилизацию корпуса. Наклон или вращение прежде всего фиксируют инерциальные датчики. GNSS добавляет информацию о положении и движении аппарата относительно земли.
Удержание одной точки требует сразу нескольких действий. Навигационная система определяет, что аппарат начал смещаться. Контроллер задает наклон в противоположную сторону, квадрокоптер гасит скорость, затем возвращается к горизонтальному положению.
Без спутниковой навигации дрон тоже может стабилизировать наклон. Для удержания положения в помещении применяют другие источники данных. Камеры нижнего обзора могут отслеживать перемещение поверхности под аппаратом, а дальномер помогает измерять расстояние до пола.
По этой причине небольшие компактные квадрокоптеры способны достаточно точно зависать в помещении, где сигнал спутников слабый или отсутствует. Работа такой системы зависит от освещения, структуры поверхности и возможностей конкретных датчиков.
Как четыре двигателя заставляют квадрокоптер двигаться
Полетный контроллер передает управляющие сигналы электронным регуляторам скорости, или ESC. Регуляторы управляют бесколлекторными электродвигателями и меняют их обороты.
Четыре двигателя не работают независимо друг от друга. Контроллер постоянно распределяет между ними тягу в зависимости от нужного движения.
Для набора высоты увеличивается суммарная тяга всех винтов. Для снижения она уменьшается. Для движения вперед корпус должен наклониться, поэтому система создает разницу тяги между передней и задней частью аппарата.
После наклона вектор тяги винтов тоже наклоняется. Часть тяги продолжает удерживать аппарат в воздухе, а часть начинает разгонять его горизонтально.
Крен вправо или влево создается похожим способом: контроллер меняет соотношение тяги между сторонами квадрокоптера.
Разворот вокруг вертикальной оси работает иначе. Соседние винты квадрокоптера вращаются в противоположных направлениях. Их реактивные моменты при обычном полете взаимно компенсируются. Для поворота контроллер меняет баланс между двумя группами двигателей, и корпус начинает вращаться.
Одновременно система продолжает удерживать общую тягу. Изменение одного движения не должно само по себе заставлять аппарат резко потерять высоту или уйти в нежелательный крен.
Электроника пересчитывает эти поправки значительно чаще, чем пилот успевает заметить отдельное изменение. На пульте движение выглядит одним действием, хотя на борту ему соответствует постоянная серия корректировок четырех моторов.
Что именно делает автопилот
Автопилот работает не только во время полностью автоматического полета. Его алгоритмы используются и тогда, когда дроном управляет человек.
Количество работы, которую берет на себя электроника, зависит от режима.
| Режим | Что контролирует система |
|---|---|
| Стабилизация | Удерживает заданный наклон или угловое движение корпуса |
| Удержание высоты | Дополнительно поддерживает заданную высоту |
| Удержание позиции | Контролирует высоту и положение относительно земли |
| Автоматический полет | Сам выполняет заданные этапы полета или маршрут |
Хороший пример дает режим Position в PX4. Отклонение стиков задает горизонтальное движение, подъем, снижение и разворот. После возвращения стиков в центральное положение система тормозит квадрокоптер, выравнивает его и удерживает текущую позицию.
Для такой работы контроллер одновременно использует несколько внутренних контуров управления. Один отвечает за угловое движение, другой за положение корпуса, следующие могут контролировать скорость, высоту и координаты.
Во время автоматического маршрута меняется источник исходной команды. Вместо положения стика система получает заданную точку или этап полета. Контроллер определяет необходимое направление движения и дальше использует те же датчики, регуляторы и двигатели.
Полная цепочка управления современным квадрокоптером выглядит так:
- пульт считывает положение стиков;
- радиопередатчик отправляет цифровую команду;
- приемник на дроне передает ее полетному контроллеру;
- контроллер получает данные гироскопа, акселерометра и других датчиков;
- навигационная система добавляет данные о положении и движении;
- контроллер рассчитывает необходимые изменения тяги;
- ESC управляют электродвигателями;
- датчики измеряют получившееся движение;
- контроллер выполняет следующую корректировку.
Вопросы и ответы
Как управляется современный дрон?
Пульт передает цифровые команды по радиоканалу, а полетный контроллер дрона обрабатывает их вместе с данными датчиков и рассчитывает необходимую тягу двигателей.
Управляет ли пульт каждым мотором отдельно?
Нет. Пилот задает движение аппарата, а полетный контроллер самостоятельно распределяет тягу между двигателями.
Зачем дрону нужен GPS?
Спутниковая навигация дает данные о координатах и перемещении. Они используются для удержания позиции, возврата, движения к заданным точкам и других навигационных функций.
Может ли квадрокоптер летать без GPS?
Да. Инерциальные датчики позволяют стабилизировать аппарат без спутников. Для определения перемещения дополнительно могут использоваться камеры, оптический поток и дальномеры.
Что такое полетный контроллер?
Полетный контроллер — бортовой компьютер, который получает команды управления и данные датчиков, а затем рассчитывает работу двигателей.
Что делает автопилот дрона?
Автопилот стабилизирует аппарат, обрабатывает навигационные данные и выполняет выбранный режим полета. В автоматических режимах он также может самостоятельно вести дрон по заданной программе.
Что происходит, когда пилот отпускает стики?
Поведение зависит от режима. В режиме удержания позиции система тормозит аппарат, выравнивает его и сохраняет текущую высоту и положение.
