Полетный контроллер является одним из важнейших компонентов FPV-дрона. Он отвечает за стабилизацию аппарата, обеспечение точных маневров полета и предоставление данных пилоту. В этой статье мы подробно объясним, что такое полетный контроллер, как он работает и почему он является такой важной частью любого дрона. Независимо от того, являетесь ли вы новичком или опытным пилотом, понимание основ управления полетом имеет решающее значение для получения максимальной отдачи от полета.
Полетный контроллер: что он такое и как он работает
На рисунке отражена тенденция эволюции полетных контроллеров (идет снижение размера контроллера, увеличение мощности процессора и увеличение количества дополнительных функций выполняемых контроллером)
Полетный контроллер, или “полетник”, похож на мозг FPV-дрона. Это печатная плата, оснащенная датчиками, которые определяют движения дрона и команды пользователя. Имея эту информацию, полетник регулирует скорость двигателей, чтобы двигать дрон в нужном направлении.
Все полетные контроллеры имеют базовые датчики, такие как гироскопы и акселерометры, в то время как другие могут содержать другие датчики, такие как: датчики барометрического давления (барометр) и компасы (магнитометр).
Полетник также может служить концентратором для других периферийных устройств дрона, таких как электронный контроллер скорости (ESC), GPS, подсветка LED, сервоприводы, радиоприемник FPV-камеры и видеопередатчик.
Подсоединение полетника
Вот пример схемы подключения компонентов FPV-дрона к полетному контроллеру от сайта OscarLiang.
Прошивка полетного контроллера
Что касается полетных контроллеров, у вас есть выбор не только оборудования, но и прошивки. Различные варианты встроенного программного обеспечения предлагают разные функции и специализации для разных приложений. Например, iNav разработан с учетом использования GPS, в то время как Betaflight больше ориентирован на летные характеристики.
Вот список популярных прошивок полетников для различных вариантов FPV дронов:
- Betaflight: эта прошивка с открытым исходным кодом имеет самую большую базу пользователей, что позволяет легко получить помощь, если у вас возникнут проблемы. Она также имеет самый широкий ассортимент доступных полетных контроллеров.
- KISS: это прошивка с закрытым исходным кодом, где аппаратное и программное обеспечение контролируется частной компанией. Это означает, что вы ограничены использованием их собственных контроллеров полета.
- iNav: если вы больше заинтересованы в автоматическом полете и выполнении миссии по путевым точкам GPS, iNav — ваш путь.
Если вы новичок в FPV, то рекомендуем Betaflight, так как это одна из самых универсальных и популярных прошивок. Есть статья, который объясняет, как настроить Betaflight с нуля для вашего первого полета.
Выбрав прошивку, вы можете найти совместимую плату контроллера полета.
Конфигурация и настройки
Прошивку полетного контроллера можно настроить с помощью компьютера, смартфона или радиоконтроллера. Каждая прошивка имеет собственный пользовательский интерфейс (UI) и параметры, которые можно изменять. Однако даже похожие интерфейсы могут отвечать за различные летные характеристики в зависимости от прошивки, поэтому требуется время, чтобы освоить и адаптироваться к новой.
“Тюнинг” -это термин, который мы используем в FPV-хобби, чтобы описать процесс выполненных тонких настроек, таких как PID, коэффициенты/экспонента и др. для достижения желаемых характеристик полета. Это важный шаг для оптимизации производительности вашего FPV-дрона и получения максимальной отдачи от полетного контроллера. Вот инструкция о настройке дрона под управлением Betaflight за 10 простых шагов.
Процессор
Процессоры “полетников” – слева и далее: STM32 F1, F3, F4
Полетный контроллер использует блоки микроконтроллера (MCU) для хранения программных кодов и выполнения сложных вычислений.
Есть несколько типов микроконтроллеров, используемых для полета, включая F1, F3, F4, F7 и H7. Основные отличия между ними-скорость вычислений и объем памяти. F4, F7 и H7 — отличные процессоры, в то время как F1 и F3 больше не поддерживаются в последних версиях Betaflight из-за нехватки памяти для прошивки.
| F1 | F3 | F4 | F7 | H7 | |
| Скорость | 72 МГц | 72 МГц | 168 МГц | 216 МГц | 480 МГц |
| Память | 128 КБ | 256 КБ | 512 КБ/1 МБ | 512 КБ/1 МБ | 1 МБ/2 МБ |
Эта статья содержит более подробное объяснение различий между всеми MCU для лучшего понимания процессоров полетника.
Что такое UART у полетного контроллера?
UART, или универсальный асинхронный приемник/передатчик, представляет собой аппаратный последовательный интерфейс, который позволяет подключать внешние устройства к контроллеру полета. Примеры включают в себя последовательные радиоприемники, телеметрию, гоночные транспондеры и управление видеопередатчиком.
Каждый UART имеет два контакта, один для передачи данных (TX) и один для получения данных (RX). Важно помнить, что TX на периферийном устройстве подключается к RX на полетнике, и наоборот.
В приведенном ниже примере UART3 (контакты R3 и T3) и UART6 (контакты R6 и T6) на полетном контроллере могут быть назначены для различных задач на вкладке портов конфигуратора Betaflight.
Понимание UART и его контактов имеет решающее значение для настройки вашего FPV-дрона для различных программ полета.
Полетные контроллеры могут иметь разное количество UART; перед покупкой проверьте, достаточно ли их для вашей сборки.
Если вам нужны дополнительные порты UART, Betaflight имеет функцию под названием SoftSerial, которая позволяет создавать до двух дополнительных портов UART с помощью программного обеспечения. Имейте в виду, что SoftSerial увеличивает нагрузку на процессор, он не подходит для более медленных процессоров, и вам, возможно, придется снизить частоту цикла PID-контроллера. Кроме того, SoftSerial имеет гораздо более низкую скорость обновления, что означает, что он не подходит для приложений, критически важных для скорости, таких как обработка сигналов приемника и GPS.
Инверсия UART
Вам нужно беспокоиться только об инверсии UART, если вы используете приемники Frsky, потому что их выходные сигналы инвертированы.
F3, F7 и H7 могут обрабатывать инвертированные сигналы без какого-либо дополнительного оборудования, однако для F1 и F4 требуется внешний инвертор для правильного считывания сигнала. Чтобы избежать этого, некоторые полетные контроллеры F4 имеют специальные колодки для соединений SBUS (обозначенные SBUS). Кроме того, вы можете получить неинвертированный сигнал от RX.
Гироскоп
Контроллер полёта дрона с FPV использует ряд датчиков для определения движения и ориентации.
Основной датчик, используемый для этой цели, называется инерциальным измерительным блоком (IMU).
IMU содержит акселерометр и гироскоп, но в любительской среде термин «гироскоп» часто используется для обозначения датчика IMU.
Гироскоп используется для измерения угловой скорости, а акселерометр измеряет линейное ускорение. Самый популярный режим полета в Betaflight — акрорежим использует только гироскоп, в то время как для многих других режимов полета, таких как угловой режим, режим горизонта и режим спасения, для работы требуются как гироскоп, так и акселерометр.
Обзор типов IMU
Самые популярные типы гироскопов для полетных контроллеров FPV дронов производят два производителя: InvenSense (теперь часть TDK) и Bosch Sensortec. Вот список распространенных моделей гироскопов вместе с поддерживаемыми ими протоколами связи и максимальной эффективной частотой дискретизации:
| IMU | Возможный протокол связи (ШИНА) | Максимальная эффективная частота дискретизации Гироскопа |
| MPU6000 | SPI, i2c | 8 кГц |
| MPU6050 | i2c | 4 кГц |
| MPU6500 | SPI, i2c | 32 кГц |
| MPU9150* | i2c | 4 кГц |
| MPU9250* | SPI, i2c | 32 кГц |
| ICM20602 | SPI, i2c | 32 кГц |
| ICM20608 | SPI, i2c | 32 кГц |
| ICM20689 | SPI, i2c | 32 кГц |
| ICM42688P | SPI, i2c | 32 кГц |
| BMI270 | SPI, i2c | 6,4 кГц |
- MPU9150 фактически MPU6050 с интегрированным магнитометром AK8975, в то время как MPU9250 это MPU6500 с таким же магнитометром.
Чтобы узнать, какой гироскоп имеет ваш полетник, вы можете найти номер модели IMU, напечатанный на чипе, например, это популярный Invensense MPU-6000.
Или вы можете ввести команду «status» в интерфейсе командной строки (CLI) Betaflight Configurator и искать имя IVP в Gyro/ACC. Некоторые летчики могут иметь более одного гироскопа на борту, и вы можете выбрать, какой из них использовать в интерфейсе командной строки, используя команду «set gyro_to_use=0 или 1».
Как выбрать гироскоп
Выбор гироскопа зависит от его максимальной частоты дискретизации и чувствительности к электрическим и механическим помехам. До 2022 года наиболее распространенным гироскопом был MPU6000 из-за его устойчивости к шуму.
Существует общее мнение избегать MPU6500 и MPU9250 несмотря на их более высокую скорость дискретизации.
ICM20689 также является достойным гироскопом с точки зрения производительности, но предположительно имеет более высокий процент отказов. ICM20602-еще один популярный выбор, однако он более восприимчив к шуму и его сложнее настроить. Начиная с Betaflight 4.1 (октябрь 2019 г.), частота дискретизации гироскопа 32 КГц была удалена из Betaflight, поэтому нет никаких преимуществ в использовании гироскопа с частотой дискретизации 32 КГц.
Однако с 2022 года все больше производителей полетных контроллеров перешли на BMI270 из-за глобальной нехватки кремния. Хотя его максимальная частота дискретизации составляет 6,4 кГц, Betaflight заставляет его переключиться в режим OSR4 (с предельной частотой 300 Гц), что приводит к еще более низкой частоте дискретизации 3,2 кГц.
Основным недостатком, вероятно, является дополнительная фильтрация, которая иногда требуется, поскольку частота среза выше во встроенном фильтре нижних частот с гироскопом BMI270.
Существуют коптеры с гироскопом, “мягко установленным” на куске пены для уменьшения вибрации, передаваемой на гироскоп. Это не очень популярный способ, так как было доказано, что он не нужен, если сам полетный контроллер имеет подходящую мягкую подкладку. Вот несколько советов по мягкой установке и фильтрующие конденсаторы для уменьшения шума.
Протоколы связи для гироскопов
Существует два типа связи между гироскопом и процессором: SPI и i2c.
SPI является предпочтительным протоколом связи между IVP и процессором, поскольку он обеспечивает гораздо более высокую частоту обновления гироскопа, чем I2C (который имеет ограничение 4 кГц). Почти все современные полетные контроллеры сегодня используют для гироскопа соединение SPI. Стоит избегать MPU6050 и 9150, поскольку они поддерживают только i2c, а не SPI.
Компоновка
Компоновка полетника относится к расположению контактов и паяльных контактов на плате полетного контроллера, что может в значительной степени повлиять на то, насколько легко можно подключить различные компоненты.
Многие люди заботятся только о возможностях полетного контроллера и могут упускать из виду важность компоновки.
Несмотря на его важность, многие люди склонны сосредотачиваться исключительно на возможностях полетного контроллера, не обращая внимания на компоновку. Например, CL Racing F7 и Kakute F7-отличные полетные контроллеры, но CL Racing F7 имеет отличную компоновку со всеми панелями, сгруппированными по функциям и расположенными по всем краям.
Конкретные преимущества модели могут отличаться, но компоновка является важным фактором при выборе полетного контроллера.
CL Racing F7 полетник
Kakute F7
Совместимость с электронным контроллером скорости (ESC)
4-в-1” регули ” (ESC) сегодня часто продаются вместе с полетными контроллерами в виде стека, и они спроектированы как plug and play.
Однако штекеры и соединения для «регуля» (ESC) и «полетника» (FC) от разных брендов между этими платами могут быть несовместимыми, поэтому важно еще раз проверить перед подключением, иначе вы можете сжечь свой полетник.
Схема креплений
Схема креплений означает расстояние между соседними монтажными отверстиями на полетном контроллере. Общие шаблоны включают 30,5×30,5 мм, 25,5×25,5 мм, 20×20 мм и 16×16 мм. Схема в основном определяется размерами платы и дрона, для которого она предназначена. Дроны размером более 5 дюймов часто используют 30,5×30,5 мм, в то время как дроны меньшего размера обычно используют 25,5×25,5 мм и 20×20 мм. Схема 16 × 16 мм становится популярной для микросхем менее 100 мм.
Другие особенности
Полетные контроллеры имеют ряд функций, которые могут улучшить ваши впечатления от полета. Давайте рассмотрим некоторые из них.
Функция ”Черный ящик”
“Черный ящик” или Blackbox полезен для настройки и устранения неполадок. Вы можете записывать данные о своем полете двумя способами – с помощью встроенной флэш-памяти или сохранять их на SD-карте, если есть встроенный регистратор на SD-карту.
Есть инструкция, который объясняет, как использовать функцию “черный ящик”.
Флэш-память дешевле, но имеет ограниченную емкость, обычно от 5 до 10 минут данных полета. Загрузка данных с карты также может быть медленной. Используя устройство чтения SD-карт на контроллере полета, вы можете вести запись круглый год, не освобождая хранилище, и это дает вам мгновенный доступ к журналам, если вставить SD-карту в устройство чтения карт.
Журналы Blackbox крайне необходимы опытным пилотам. Это дает вам возможность выжать каждую частичку производительности из дрона и детально диагностировать проблемы. Если ваш полетный контроллер не имеет слота для SD-карты или флэш-памяти, вы также можете подключить внешний считыватель SD-карт к полетнику через UART.
Типы коннекторов
Три основных типа разъемов на полетном контроллере:
- Пластиковые коннекторы JST;
- Паяльные колодки;
- Сквозные отверстия.
Пластиковые разъемы менее долговечны, но удобны в использовании, в то время как паяльные колодки более прочные, но требуют пайки. Сквозные отверстия дают возможность прямой пайки или использования штифтов.
Профессиональный совет: как снять шпильки контактов на полетнике.
Еще совет от профессионала: знаете ли вы, что паяльные контактные площадки можно исправить, если они отслаиваются?
BEC
BEC (блок регулировки напряжения) — это именно то, что мы называем регуляторами напряжения на полетном контроллере.
Почти все полетные контроллеры имеют 5-вольтовый BEC для питания радиоприемника, GPS и т. д., В то время как некоторые также предлагают 9 или 12 вольтовые BEC, предназначенные для питания видеопередатчика. Хотя вы можете питать оборудование FPV-дрона непосредственно от батареи LiPo, питание от регулируемого источника питания может дать лучшие результаты.
Узнать о том как подключить аналоговый видеопередатчик FPV-дрона для наилучшего результата.
Важно выбрать правильный источник напряжения в зависимости от устройства, которое вы питаете. Некоторые устройства могут питаться непосредственно от аккумулятора LiPo, например-видеопередатчик. Однако источник питания от LiPo имеет тенденцию быть “шумным”, скачки напряжения могут даже повредить ваши устройства, если нет достаточной фильтрации. BEC действует как фильтр и обычно является лучшим источником питания, но вам необходимо проверить, соответствует ли он требованиям к напряжению и силе тока вашего устройства.
Барометр
Наличие барометра, встроенного в полетный контроллер, может сделать полет с поддержкой GPS более точным (например Режим спасения по GPS ), но это не обязательно.
Чип OSD
Для аналоговой системы FPV-дрона убедитесь, что ваш полетный контроллер оснащен чипом OSD [наэкранного меню ] AT7456E, иначе OSD Betaflight не будет работать. Однако это не обязательно для цифровых систем дронов FPV, таких как DJI, HDZero и Avatar, все, что им нужно для работы экранного меню, — это просто запасной UART.
Немного истории
История полетного контроллера FPV-дрона начинается с 2009 года, когда производители использовали аксессуар Wii Motion Plus с платой Arduino для управления дроном. Это привело к разработке проекта Multiwii, который в конечном итоге создал собственную плату полетного контроллера. Она работала на 8-битном процессоре Atmel.
В 2013 году другой разработчик под названием «timecop» создал плату полетного контроллера с 32-битным процессором ARM, Naze32, и перенес на нее исходный код Multiwii под названием «Baseflight». Эта плата имеет форм-фактор 35×35 мм (с креплением 30×30 мм) и актуальна до сих пор.
В 2014 году Hydra модифицировала Baseflight и создала Cleanflight, что привело к взрыву на рынке 32-битных полетных контроллеров, когда производители разрабатывали собственные варианты полетников.
Betaflight был создан в 2015 году пользователем «BorisB». Он использовал исходный код Cleanflight и внес в него значительные изменения. Когда Betaflight был впервые выпущен, он был в основном сосредоточен на улучшении производительности Cleanflight, а также на добавлении новых функций и возможностей. Со временем Betaflight стал значительно отличаться от Cleanflight и теперь считается отдельной прошивкой. Betaflight в настоящее время является самой популярной прошивкой полетного контроллера для беспилотных летательных аппаратов FPV и до сих пор часто обновляется.