Твой первый квадрокоптер: теория и практика

Яценков В.С.

«Твой первый квадрокоптер: теория и практика»

Посвящаю эту книгу самым дорогим для меня людям: дочери Полине, супруге Ольге и, конечно же, моей маме — с любовью и благодарностью за поддержку

От автора

Уважаемый читатель!

Автор не ставил перед собой задачу создать исчерпывающую энциклопедию или настольный справочник. Вы держите в руках руководство для новичков, назначение которого — помочь вам построить свой первый квадрокоптер, обойдясь без нелепых технических ошибок и чрезмерных денежных затрат. Интеллектуальная цена вхождения в это сложное хобби весьма высока. Автор постарался сберечь для вас главную ценность — время.

В книге плотно переплетаются теория и практика, иначе в авиамоделизме нельзя. Материал не обязательно читать по порядку. Обращайтесь к нужным главам и разделам по мере работы над своей конструкцией. Рекомендуем, прежде всего, ознакомиться с общими принципами работы квадрокоптера и определиться с набором компонентов, которые необходимо приобрести. Поскольку наиболее выгодный путь для покупки компонентов — это заказ в интернет-магазинах, то с момента заказа до получения может пройти несколько недель. Пока заказанные компоненты находятся в пути, вы можете более подробно изучить теорию и установить на компьютер необходимое программное обеспечение.

Это важно: автору пришлось пойти на сознательные упрощения и сокращения некоторых сегментов информации, чтобы сделать ее более доступной. Далее вы самостоятельно будете развиваться в наиболее интересном для вас направлении: видеосъемка, FPV, развлекательные полеты, маршрутные полеты по GPS и т. д. Все, о чем вы прочтете, проработано и проверено автором на практике.

Подбор компонентов и программного обеспечения для первого квадрокоптера основан на опыте тысяч ваших предшественников из разных стран и означает лишь, что собранный по нашим рекомендациям аппарат будет недорогим, надежным, простым в управлении и полетит сразу после окончания сборки. Зачастую выбор компонентов и программного обеспечения является поводом для ожесточенных "религиозных войн" на форумах. Пока воздержитесь от участия в них и не воспринимайте слишком серьезно противоречивые мнения сторон.

Часть I. ТЕОРИЯ

Глава 1

Принцип работы квадрокоптера

Квадрокоптеры, которым посвящена эта книга, являются частным случаем мультикоптеров — многороторных устройств, которые держатся в воздухе, управляются и перемещаются только за счет несущих пропеллеров. В этом мультикоптеры схожи с вертолетами. Для простоты и краткости в обиходной речи мультикоптеры часто называют просто коптерами. Мы тоже будем использовать этот термин в случаях, когда количество роторов не играет роли.

Классический квадрокоптер представляет собой крестообразную раму, на концах лучей которой вертикально закреплены моторы (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема конструкции простейшего квадрокоптера

Воздушные винты, расположенные на диагональных лучах рамы, создают суммарную вертикальную тягу. Синхронно регулируя обороты моторов, можно заставить квадрокоптер подниматься вверх, зависать или опускаться. Если изменить обороты моторов неравномерно, то квадрокоптер отклонится от горизонтального положения и полетит в сторону отклонения. Например, при увеличении оборотов двух задних моторов его задняя часть приподнимется и квадрокоптер полетит вперед. За счет неравномерного изменения оборотов всех моторов квадрокоптер способен лететь в произвольном направлении.

Очевидно, что при наклоне рамы за счет появления горизонтальной составляющей вектора тяги V_x уменьшится вертикальная составляющая V_y и квадрокоптер начнет терять высоту. Это явление иногда называют "соскальзыванием", потому что коптер начинает двигаться вниз по диагональной траектории (рис. 1.2), словно скользя по склону. Поэтому для поддержания высоты при наклоне квадрокоптера обороты всех моторов должны возрасти на некую одинаковую компенсирующую величину.

Рис. 1.2. Векторы тяги квадрокоптера

Вращающиеся винты создают реактивный крутящий момент, который старается развернуть квадрокоптер в сторону, противоположную вращению винта. Поэтому в квадрокоптере два винта вращаются по часовой стрелке и два против часовой стрелки, взаимно уравновешивая реактивные моменты. Если увеличить обороты моторов, вращающихся по часовой стрелке, и в равной мере уменьшить обороты у вращающихся против часовой стрелки, то суммарная вертикальная тяга не изменится, однако реактивный момент раскомпенсируется и рама начнет поворачиваться против часовой стрелки. Аналогично можно заставить квадрокоптер поворачиваться по часовой стрелке.

Угловые отклонения по осям следовало бы называть "тангаж", "крен" и "рыскание", но на практике прижились англоязычные термины, которые читателю следует запомнить: Pitch (наклон вперед-назад), Roll (наклон вправо-влево), Yaw (вращение в горизонтальной плоскости) и Throttle (общий газ) — рис. 1.3.

Рис. 1.3. Соответствие отклонений коптера рычагам на пульте

Оборотами моторов в режиме реального времени управляет специальная вычислительная система на основе достаточно быстродействующего микроконтроллера, так называемый полетный контроллер. Он постоянно опрашивает встроенные гироскопы, акселерометры, барометр, сигналы от приемника радиоуправления и на основе полученных данных рассчитывает управляющие сигналы для каждого мотора в отдельности.

Теперь, когда мы рассмотрели общие принципы работы квадрокоптера, можно проанализировать достоинства и недостатки этого типа летательных аппаратов.

Достоинства

• Простота конструкции и низкая стоимость ущерба при аварии.

Как мы уже говорили, квадрокоптеры держатся в воздухе только за счет несущих пропеллеров и этим похожи на вертолет. Однако полноценная модель вертолета имеет весьма сложную и точную механическую часть — автомат перекоса, позволяющий управлять положением вертолета в пространстве. Кроме этого, вертолет оснащен механизмом отбора мощности на хвостовой винт и узлом переменного шага этого винта. Только простые и дешевые маленькие модели вертолетов не имеют автомата перекоса, но и управляются они намного хуже. По сравнению с вертолетом механическая часть даже у большого профессионального квадрокоптера предельно проста и не зависит от размеров модели. Это жестко закрепленные на лучах рамы моторы, на валы которых надеты воздушные винты.

Автомат перекоса вертолета требует сложной и длительной регулировки даже при наличии опыта. Каждая авария вертолета, даже незначительная, как правило, дорого обходится владельцу (автор убедился в этом на собственном опыте). Причем в запасе приходится держать широкий ассортимент различных запчастей. Самодельный квадрокоптер можно разбить почти полностью и восстановить за один выходной день, пользуясь в основном подручными материалами. В запасе достаточно иметь пару запасных валов и подшипников для моторов, один-два регулятора оборотов, десяток винтов правого и левого вращения и материал для изготовления лучей рамы.

• Простота управления и обучения.

Несмотря на то, что квадрокоптер, как и вертолет, управляется за счет смещения вектора тяги, он более стабилен в воздухе (чем крупнее, тем стабильнее). Управление квадрокоптером интуитивно более понятно и легче осваивается. Кроме того, благодаря наличию полетного контроллера, правильно собранный и минимально настроенный квадрокоптер способен висеть в воздухе практически без участия пилота.

• Простота самостоятельного изготовления.

Если заранее приобрести минимальный набор необходимых компонентов и иметь обычные инструменты, то изготовить простой, но качественный квадрокоптер можно за один-два выходных дня. При создании рамы можно обойтись парой кусков фанеры и несколькими деревянными рейками, и это не ухудшит летные качества устройства.

• Возможности для творчества.

К сожалению, в последнее время радиолюбителям все труднее найти прикладную область для своего хобби. Многое из того, что можно было бы изготовить своими руками, проще и дешевле купить в готовом виде, с промышленным качеством. В схожей ситуации сейчас и программисты-любители. Писать любительские прикладные программы стало либо слишком сложно, либо незачем.

Квадрокоптеры придают новый смысл многим увлечениям. Можно участвовать в разработке открытого программного обеспечения или создавать свое; разрабатывать с нуля и изготавливать на самодельном станке с ЧПУ сложные детали конструкции; экспериментировать с аэровидеосъемкой или работать паяльником. Менять и развивать конструкцию самодельного квадрокоптера можно практически бесконечно.

Недостатки

• Полное отсутствие летучести.

Квадрокоптер хорошо летает, только пока полностью исправен. Стоит выйти из строя одному из моторов или полетному контроллеру, как летательный аппарат потеряет управление и рухнет, беспорядочно кувыркаясь. В аналогичной ситуации вертолет способен к авторотации, т. е. тормозит падение за счет вращения несущего винта набегающим потоком воздуха, а самолет способен планировать. Даже наличие шести или восьми несущих винтов не спасает мультикоптеры от крушения. Некоторым опытным пилотам удавалось спасти гекса- и октакоптеры при отказе одного из моторов, но это исключение из правила.

• Высокий порог знаний.

Можно купить готовый квадрокоптер и запускать его, не задумываясь, как он работает. Но если вы решили сами строить квадрокоптер или модернизировать покупной, то придется хотя бы на начальном уровне научиться понимать радиосхемы, паять, прошивать микроконтроллеры, читать технические тексты на английском языке, разбираться в принципе работы GPS и т. д…

• Низкая динамика и управляемость.

Обратная сторона стабильности квадрокоптеров — вялость и инерционность в управлении. Особенно вяло квадрокоптеры управляются по курсу (Yaw). Поэтому на квадрокоптере невозможно исполнить традиционные фигуры высшего пилотажа самолетов или инверсный полет, как на модели вертолета. Впрочем, при наличии опыта на коптере можно эффектно исполнить переворот или пролет по кругу с вращением вокруг оси. Но здесь надо понимать, что каждый летательный аппарат хорош для своих целей, и вялость в управлении вряд ли является недостатком, когда речь идет о полетах по камере, видеосъемке или развлечении в выходной день. Для динамичных полетов имеет смысл приобрести или построить модель спортивного самолета, у которой, ^кстати, тоже будут специфичные недостатки.

Глава 2

Обязательные компоненты квадрокоптера

Компоненты квадрокоптера можно условно разделить на две группы: основные, без которых эксплуатация устройства невозможна или опасна, и дополнительные, наличие которых зависит от потребностей владельца. В этой главе мы рассмотрим основные компоненты.

Рама

На рис. 2.1 изображены основные варианты конструкции рамы. На практике возможны различные вариации и гибриды, но в любом случае рама состоит из лучей и, в большинстве случаев, центральной несущей части. Иногда встречаются рамы, состоящие только из трубчатых деталей, а также миниатюрные рамы, изготовленные из листового текстолита, одновременно являющегося печатной платой для электронных компонентов. Моторы всегда крепятся на концах лучей. Основным показателем размера квадрокоптера является расстояние между осями моторов по диагонали.

Рис. 2.1. Варианты конструкции рамы квадрокоптера

По расположению моторов относительно направления полета выделяют два основных типа рам: "+" и "X". Подвидом рамы типа "X" является рама типа "Н".

Наиболее популярны рамы типа "X". Очевидное преимущество такой рамы — удобное расположение видеокамеры, когда лучи рамы не попадают в кадр. У рамы типа "X" более высокая устойчивость к мелким авариям. Наиболее частой аварией, особенно в период обучения, является цепляние земли при быстром наклонном пролете или "заруливании", либо падение под углом. В случае "+"-образной рамы весь удар чаще приходится на один луч, который сильно страдает, тогда как при распределении удара на два луча ущерб обычно ограничивается сломанными пропеллерами. Кроме того, большинству пилотов психологически комфортнее управлять именно типом "X". В свою очередь, квадрокоптер с рамой типа "+" несколько быстрее и острее реагирует на команды "вправо-влево" и "вперед-назад", поэтому больше подходит любителям динамичного пилотирования.

Рама типа "Н" удобна при построении миниатюрных коптеров, а также полноразмерных конструкций из карбоновых трубок и часто используется при построении специализированных коптеров для видеосъемки и полетов по GPS, т. к. предоставляет больше места для монтажа оборудования.

Необходимо подчеркнуть, что для полетных контроллеров, с точки зрения системы стабилизации полета, конструкция рамы вообще не имеет значения. Достаточно лишь указать в настройках тип рамы и угол, под которым смонтирована плата контроллера относительно направления полета.

Рама, которую мы условно обозначили "Quad Xv", имеет несимметричные лучи. Такая рама часто используется при фото- и видеосъемке с воздуха. Дело в том, что для любого квадрокоптера должно соблюдаться условие симметрии по весу. Иначе говоря, центр тяжести конструкции должен находиться в точке пересечения диагоналей квадрата, образованного осями моторов. Если вы крепите в передней части рамы тяжелую фото- или видеокамеру, то удлиненные задние лучи играют роль противовеса. Однако и в этом случае моторы, как правило, расположены по диагоналям воображаемого квадрата.

Что будет, если центр тяжести смещен? Разумеется, полетный контроллер постарается поддерживать раму в строго горизонтальном положении за счет различия в оборотах моторов. Если дисбаланс невелик, то в статичном режиме, без внешних воздействий, квадрокоптер достаточно долго будет висеть ровно. Но при этом моторы будут работать в разных режимах нагрузки. У более нагруженных моторов останется меньший динамический запас оборотов и мощности, чтобы отработать "команды" полетного контроллера на компенсацию порывов ветра или управляющие сигналы с пульта. В результате появится некомпенсированное отклонение от горизонтали и квадрокоптер начнет дрейфовать в сторону смещенного центра тяжести. Подготовленные пользователи могут применить специальные настройки программы контроллера для компенсации негативного эффекта от смещенного центра тяжести, но в общем случае асимметрии следует избегать.

Даже если рама полностью симметрична, у квадрокоптера всегда есть условное направление "вперед", в котором он по умолчанию полетит при отклонении рукоятки пульта по оси Pitch вперед. Это направление привязано к полетному контроллеру, который монтируется на раме в строго определенном положении.

Рама может быть как со складными, так и с фиксированными лучами. На летные качества это не влияет, при выборе конструкции нужно исходить из соображений простоты изготовления, стоимости, удобства транспортировки, при условии соблюдения достаточной прочности. Рамы миниатюрных "наладонных" квадрокоптеров иногда представляют собой единое целое с печатной платой полетного контроллера и целиком изготавливаются из текстолита.

Поскольку в случае квадрокоптеров аэродинамика корпуса или рамы не имеет значения, на первый план выходят противоречивые требования минимального веса и максимальной прочности. Наиболее прочными и легкими являются цельноформованные пустотелые рамы из карбона, так называемые "скорлупки" или "корки", но они и самые дорогие. На втором месте рамы, детали которых изготовлены из листового карбона и карбоновых трубок. Далее идут рамы из всевозможных сочетаний различных материалов, включая сосновые рейки и фанеру. Обсуждению конструкционных материалов будет посвящен отдельный раздел, а сейчас настало время поговорить про "мозг" квадрокоптера.

Полетный контроллер

Зачем вообще нужен специальный полетный контроллер — вычислительная система, работающая в реальном времени по довольно сложным алгоритмам? Очевидно, что квадрокоптер необходимо непрерывно стабилизировать, парируя порывы ветра и неоднородность воздушных масс, а возможностей человеческого организма для этого недостаточно. Современный полетный контроллер оснащен набором миниатюрных интегральных сенсоров, непрерывно отслеживающих положение рамы в пространстве, воздействующие на нее угловые ускорения, атмосферное давление и направление силовых линий магнитного поля.

Классическим устройством для стабилизации объекта в пространстве либо измерения угловых ускорений является гироскоп. Все мы из школьных уроков физики знаем про механический гироскоп-волчок либо про вращающийся в свободном подвесе маховик. При попытке изменить угловое положение оси вращающегося маховика возникает противодействующая сила. В трехмерном пространстве произвольное изменение положения рамы квадрокоптера можно разложить на вращение по трем взаимно ортогональным осям. Соответственно, возникают мгновенные угловые ускорения по каждой из этих осей. Эти ускорения могут быть измерены я использованы для выработки компенсирующей реакции в системе с обратной связью, которой в нашем случае является квадрокоптер, оснащенный полетным контроллером.

Современные датчики положения и ускорений представляют собой интегральные микросхемы размерами в несколько миллиметров. Внутри у них находится сложная электромеханическая структура из упругих подвесов, грузиков, пружин, конденсаторов и электронной части для усиления и обработки сигналов. Такие устройства принято обозначать аббревиатурой МЭМС (MEMS — MicroElectroMechanical System).

Принцип работы интегрального гироскопа

Чувствительным элементом интегрального гироскопа обычно являются два миниатюрных грузика, колеблющихся на упругом подвесе в противоположных направлениях (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Устройство интегрального гироскопа

Источником колебаний грузиков являются гребенчатые электростатические двигатели. Грузики, вместе с электродами, расположенными на подложке, образуют конденсаторы, входящие в состав дифференциальной схемы, вырабатывающей сигнал, пропорциональный разности емкостей конденсаторов. Линейное ускорение одинаково воздействует на оба грузика и подложку, поэтому сигнал на выходе дифференциальной схемы не появляется. Когда возникает вращательное ускорение по оси со, то на грузики начинает действовать сила Кориолиса FC, отклоняя грузики в противоположных направлениях. Соответственно, емкость одного конденсатора увеличивается, а другого уменьшается, что порождает разностный сигнал, пропорциональный величине углового ускорения. Изначально, при включении, разностный сигнал на выходе гироскопа не нулевой, поэтому требуется процедура стартовой калибровки, когда микроконтроллер опрашивает показания гироскопов в состоянии покоя и принимает их за нулевые. Во время прохождения калибровки нельзя двигать коптер.

Но почему в конструкции квадрокоптера нельзя обойтись простейшей системой стабилизации на основе гироскопов, по одному на каждую ось вращения? Зачем нужны другие датчики и микроконтроллер со сложной программой? В реальных условиях квадрокоптер не отклоняется идеально лишь по одной оси. В общем случае отклонение комбинированное, с неким соотношением между осями. По этой причине необходимо устройство, которое будет обрабатывать сигналы от всех гироскопов и формировать управляющие сигналы для регуляторов оборотов моторов.

Например, под влиянием случайного порыва ветра квадрокоптер отклонился по диагонали назад вправо. Значит, управляющая система должна увеличить обороты правого заднего мотора и уменьшить левого переднего, отклоняя раму вперед влево. Но моторы, регуляторы и пропеллеры не идеально одинаковые, и команду они отработают по-разному. Возникнет некомпенсированный реактивный крутящий момент. Следовательно, одновременно с выравниванием квадрокоптера в горизонт полетный контроллер должен оперативно внести коррективы в обороты другой пары моторов, чтобы скомпенсировать вращение по курсу. И это самый простой пример, в котором мы не учитываем, что в то же самое время с пульта могут поступать сигналы управления. Впрочем, с вычислительной задачей для системы с тремя гироскопами способен справиться недорогой микроконтроллер начального уровня. Сейчас по такому принципу устроены простые игрушечные квадрокоптеры-"НЛО". Такие игрушки неплохо летают в помещении, но для управления ими необходимо постоянно визуально контролировать, в каком положении находится квадрокоптер.

Напомним, что интегральный гироскоп — это всего лишь датчик углового ускорения. Для него нет понятия "верх" или "низ", и ему безразлично, в каком статическом положении относительно горизонта он находится. Он лишь показывает мгновенное угловое ускорение относительно начального положения. Как только внешнее воздействие начнет поворачивать раму квадрокоптера вокруг одной из осей, то от соответствующего гироскопа немедленно поступит сигнал на процессор полетного контроллера. В ответ контроллер скорректирует обороты моторов так, чтобы скомпенсировать ускорение. Но как только внешнее воздействие прекратится, угловое ускорение станет равным нулю, и на основании сигналов одних лишь гироскопов контроллер не узнает, вернулся ли квадрокоптер в исходное положение. Это задача оператора, которую он может решать только при визуальном контроле.

А теперь представьте, что вы командой с пульта отклонили квадрокоптер на пять градусов вправо, а затем вернули рукоятку пульта в нейтральное положение. В соответствии с сигналом пульта контроллер сделает обороты всех моторов одинаковыми, но это вовсе не означает, что квадрокоптер вернется в горизонтальное положение. Гироскопам имеющийся статический наклон будет безразличен. Нет углового ускорения — на выходе гироскопа нулевое значение. Кроме того, гироскоп имеет ограниченную чувствительность: медленное вращение он просто не заметит.

При гироскопической стабилизации оператор должен выровнять коптер вручную. На практике, квадрокоптер, оснащенный только гироскопами, не может стабильно висеть более минуты даже в помещении. Далее нужно вручную парировать его дрейф. Свое влияние на показания гироскопов оказывают изменение температуры корпуса и угловые ускорения, возникающие при вращении Земли. Следовательно, для более продвинутой конструкции полетного контроллера необходим датчик, показывающий положение квадрокоптера относительно земной поверхности (если точнее, то относительно вектора ускорения свободного падения, который всегда направлен перпендикулярно земной поверхности, к центру Земли). Такой датчик есть в каждом современном смартфоне или планшете и называется акселерометром.

Принцип работы интегрального акселерометра

Акселерометр — это МЕМС-устройство, которое измеряет линейные ускорения. В состав интегрального акселерометра входят чувствительный элемент и электронная часть, осуществляющая предварительную обработку сигнала.