Современные беспилотные летающие аппараты

2.4.1. Аккумуляторные батареи

Поскольку многие современные дроны летают при помощи бесколлекторных двигателей, то есть на электрической тяге, то аккумуляторная батарея является одной из основных частей дрона. Без нее невозможно запустить дрон и выполнить все поставленные полетные задачи. Впрочем, если вы управляете дроном с пульта (джойстика), то нужно помнить, что он тоже работает от своей батареи. Батарея на борту дрона чаще всего называется полетной (бортовой) и может иметь разные параметры (тип, емкость, мощность, наличие или отсутствие интеллектуальных функций и т.п.).

Аккумуляторная батарея состоит из нескольких аккумуляторов. Номинальное напряжение одного аккумулятора составляет 3,7 вольт. Это условная постоянная величина которой часто пользуются для упрощения расчетов. На аккумуляторах указывается именно номинальное напряжение, а не напряжение полностью заряженного аккумулятора. Реальное же напряжение аккумулятора зависит от степени его заряда: полностью заряженный аккумулятор имеет напряжение 4,2 вольт, а полностью разряженный 3 вольт.

Аккумуляторная батарея представлена на рис.2.24, а последовательное и параллельное соединения аккумуляторов в батарее показано на рис. 2.25.

Рис. 2.24. Аккумуляторная батарея

При последовательном соединении аккумуляторов, образующих батарею, итоговое напряжение будет равно сумме напряжений всех входящих сборку элементов или банок.

Разъем это провод образует силовой вывод аккумулятора, к которому впоследствии и будут подключаться потребители энергии.

Рис.2.25. Виды соединения аккумуляторов в батарее.

Также к выводам отдельных аккумуляторов припаивают провода, из которых образуется так называемый балансировочный разъем —он необходим для контроля напряжения на каждой банке, рис.2.26.

Рис. 2.26. Балансировочный разъем

Емкость аккумулятора показывает, как долго батарея может отдавать номинальный ток. Емкость измеряется в миллиампер*часах (мАч) или Ампер*часах (Ач), в зарубежном написании mAh или Ah. Чем выше емкость, тем дольше от одной зарядки может работать квадрокоптер.

При последовательном включении аккумуляторных элементов суммируется напряжение, при параллельном – суммируется ток. Если ячейки включатся только последовательно (без параллельного включения), то надпись 1P может исключаться. Конечно, чем больше емкость, тем больше энергии сможет отдать аккумулятор, и тем больше пролетит квадрокоптер. Однако и тем больше весит батарея, что совершенно не нужно. Батарея, которая весит 170 грамм, для коптера является существенным весом.

Аккумулятор, конечно же, не может обеспечивать совершенно любую силу тока. Одной из самых важных характеристик аккумулятора является максимальный разрядный ток или токоотдача. Токоотдача указывается на аккумуляторах в единицах «С».1С = емкость аккумулятора в мАч (C– Capacity, то есть ёмкость). Чтобы узнать максимальный разрядный ток (токоотдачу) в амперах необходимо значение в единицах С умножить на емкость аккумулятора. Например, у данного аккумулятора токоотдача 70 С. Значит, максимальная сила тока с таким аккумулятором составляет 91 ампер. Однако указанные на аккумуляторах параметры далеко не всегда соответствуют действительности. Поэтому следует применять только проверенные аккумуляторы, чтобы не получить падение в середине полета.

Моторы квадрокоптера требуют большой силы тока, когда работают на полной мощности, поэтому и токоотдача (единицы С) аккумулятора должна быть как можно больше. Рекомендуется выбирать батареи таким образом, чтобы расчетный рабочий ток не превышал 70 процентов от номинальной токоотдачи батареи.

При повышении максимального тока разряда, то есть, когда нагрузка больше, чем может обеспечить аккумулятор, неминуемо следует перегрев аккумулятора, при котором внутри него происходят необратимые химические реакции и, как следствие, аккумулятор деградирует. В итоге он вздуется, что свидетельствует о выделении водорода из полимерного геля. А это может привести к возгоранию.

Понятно, что у разных моделей беспилотников разные требования не только к силовой установке, но и к батарее, как к источнику питания. Небольшие и любительские дроны оснащаются батареями небольших размеров с небольшой емкостью и мощностью, что в конечном итоге влияет на полетное время и рассчитанную полезную нагрузку. Для сравнения:

–DJI Spark– 1480 мА/ч – 16 минут полета;

–Ryze Tello– 1100 мА/ч – 13 минут полета;

–-DJI Mavic Air– 2375 мА/ч – 21 минута полета;

–DJI Mavic 2 Pro– 3850 мА/ч – 31 минута полета;

–DJI Inspire 2– 4280 мА/ч – 27 минут полета в зависимости от нагрузки;

–DJI Phantom 4 V2.0– 5870 мА/ч – 30 минут полета.

Специализированные (промышленные дроны и платформы) требуют более емкой и мощной батареи ввиду сложности и большого объема решаемых задач. Отсюда и иные параметры источников питания, а также вытекающие отсюда полетное время и вес полезной нагрузки. Для сравнения:

–DJI Matrice 100– 4500 мА/ч (дополнительная 5700 мА/ч) – в зависимости от полезной нагрузки и количества батарей время полета и зависания от 20 до 40 минут

–DJI Matrice 600 Pro– 4500 мА/ч (дополнительная 5700 мА/ч) – в зависимости от полезной нагрузки и количества батарей время полета и зависания до 38 минут

Компания DJI, стала выпускать специальные аккумуляторы с подогревом, позволяющие эксплуатировать ее дроны при низких температурах, что ранее было просто невозможно.

2.5. Управление полетом БПЛА

Полётный контроллер – это «мозг» любой мультироторной системы. Удерживать мультироторную машину в воздухе в заданном положении довольно сложная задача – требуется очень быстро реагировать на стремительно изменяющееся силы, действующие на воздушный аппарат, и молниеносно принимать решения какой мотор ускорить, а какой притормозить. Этим занимается полетный контроллер.

Полетный контроллер – электронное устройство, представляющее из себя вычислительную систему, работающую по сложным алгоритмам, и управляющая полетом беспилотного летательного аппарата. Если несколько упростить его задачи, то полетный контроллер отвечает за передачу всех команд, которые пилот передает на борт дрона. В задачи контроллера входит интерпретация входящих данных от ресивера (приемника), модуля GPS, монитора батареи и бортовых датчиков. Кроме этого, полетный контроллер взаимодействует с электронными регуляторами хода и тем самым следит за работой двигателя и регулировку скорости, что является частью задач по управлению дроном. Но это, разумеется, далеко не все. Любые команды – запуск и работа камеры, управление режимом автопилота и другие автономные функции, – все они направляются полетным контроллером.

Команды, принятые приемником, поступают в полетный контроллер в виде широтно-импульсного сигнала. Здесь они с учетом текущей навигационной информации (получаемой в самом полетном контроллере от встроенных микросистемных гироскопов и акселерометров), а также с учетом сигналов с модуля GPS (опционально) преобразуются в широтно-импульсные сигналы управления моторами, которые подаются на контроллеры частоты вращения двигателей (т.н. ESC – Engine Speed Control).

Он имеет множество входов и выходов для получения управляющего сигнала, его обработки и передачи различным исполнительным устройствам, рис. 2.27.

На полетном контроллере установлены датчики, которые регистрируют информацию о малейших изменениях углов ориентации квадрокоптера. Эти сведения передаются в сердце полётного контроллера – микропроцессор.

Рис.2.27. Полетный контроллер

Микропроцессор. Производит сложные математические расчеты и определяет, с какой скоростью сейчас следует крутится каждому из моторов. Чем быстрее процессор справляется с вычислениями, тем чаще он считывает данные о текущем положении квадрокоптера с датчиков, а значит быстрее реагирует на малейшее их изменения.

Полетные контроллеры квадрокоптеров строятся на базе микропроцессоров STM32. На самом процессоре после обозначения STM32 можно прочесть, к какому поколению он относится. Обозначение «F1» имеет скорость 72 мегагерца. Это самый медленный процессор. Данный процессор сможет выполнять максимум 2000 расчетов в секунду. Тысячи обозначим буквой «К» = 2К расчетов в секунду. Следующий процессор в линейке – «F3». Он будет делать 4К расчетов в секунду. Микропроцессор «F4» имеет скорость 168 мегагерц и способен обеспечить более 8К расчетов за одну секунду. Процессор F7 имеет скорость 216 мегагерц – выдает 32 К.

Процессор получает информацию от следующих датчиков:

–акселерометр – измеряет ускорение в любом направлении;

–гироскоп – измеряет вращение;

–барометр – измеряет высоту;

–магнитометр – корректирует информацию, полученную с акселерометра и гироскопа, так как фиксирует перемещение дрона относительно магнитного поля земли;

–GPS-приемник – необходим для возврата дрона в точку взлета, а также ограничивает возможность полета над запрещенными объектами.

Назначение модулей ESC – преобразование управляющих широтно-импульсных сигналов в синусоидальные трехфазные напряжения для обмоток бесколлекторных электромоторов.

Регуляторы оборотов. ESC —electronic speed controller, переводится как электронный контроллер скорости. В русскоязычном сообществе принято называть их как «регуляторы оборотов», в простонародье «регуляторы».

Принцип действия ESC. Контроллер полета посылает данные регулятору оборотов, что нужно прибавить или убавить скорость вращения пропеллеров. Но мотору квадрокоптера нельзя просто подать напряжение, так как он трехфазный и требуется попеременно подавать напряжение на определенные участки обмотки. Этим и занимается регулятор оборотов (ESC), рис. 2.28.

Рис. 2.28. Схема ESC

В зависимости от требуемой скорости вращения регулятор будет в строго заданной последовательности с определенной скоростью подавать на обмотки двигателя напряжение, что будет вызывать вращение ротора. Обмотки бесколлекторного мотора соединены между собой по специальной схеме. Имеют три вывода. К электронному регулятору нужно подключить эти выводы обмоток мотора, а также подвести питание от аккумулятора.

Сигнальный вывод ESC. Выбирая регулятор для квадрокоптера, вы столкнетесь со следующими параметрами.

Максимальный ток. Это та сила тока, которую выходные транзисторы контроллера могут держать продолжительное время.

Иногда указывают величину кратковременного пикового тока, допустимого в течение нескольких секунд. Также на регуляторе указывается максимальное рабочее напряжение. Важно убедиться, что регулятор рассчитан на то количество банок, которые содержатся в вашем аккумуляторе.

Чем быстрее передаются в регулятор сведения о скорости вращения мотора, тем выше реакция силовой установки на расчеты полетного контроллера и тем лучше квадрокоптер ведет себя в воздухе. Поэтому постоянно разрабатываются все новые и новые протоколы, позволяющие все быстрее и быстрее доставлять данные в регулятор.

Самый медленный и поддерживаемый всеми регуляторами протокол обозначается буквами PWM или если по-русски ШИМ, широтно-импульсная модуляция. Виды и скорость протоколов передачи данных в ESC. В настоящее время повсеместно внедряется принципиально новый тип протокола, цифровой, который называется DSHOT. Цифровой протокол отличается более точной и помехоустойчивой передачей данных и высоким разрешением. Для выполнения команд пилота к полетному контроллеру подключается радиоприемник. Он, в свою очередь, принимает сигналы от пульта управления и передает их на полетный контроллер, рис.2.29.

Для усиления сигнала могут использоваться антенны. Радиоприемник работает на нескольких каналах для более устойчивого сигнала и повышения дальности.

Микросхемный модуль OSD (On-Screen Display) передает информацию о состоянии квадрокоптера на пульт управления или поверх видеосигнала с камеры. Он отображает информацию:

–заряд аккумулятора;

–потребление тока;

–высота;

–скорость;

–скороподъемность;

–GPS-координаты;

–уровень сигнала.

Рис.2.29. Схема приема и передачи сигналов на полетный контроллер

На полётном контроллере любого мультикоптера установлен чип MPU, который объединяет в себе трёхосевой гироскоп, трёхосевой акселерометр и цифровой процессор обработки движения (DMP), который способен обрабатывать комплексные алгоритмы по 9 осям. Элементы с motion fusion алгоритмами по 9 осям обладают доступом к внешним магнитометрам или другим датчикам через дополнительную I2C шину, позволяя устройству собирать полный набор данных датчиков без вмешательства системного процессора. Проще говоря, чип MPU является основным элементом, участвующем в формировании полёта квадрокоптера.

Также, наряду с чипом MPU, на полётном контроллере установлен ещё один не менее важный чип – STMF4, который является командным центром для всех систем полётного контроллера. В нём хранится прошивка – программная часть полётного контроллера.

К функциям полётного контроллера относится:

–стабилизация аппарата в воздухе;

–удержание высоты при помощи барометрического высотомера или иных датчиков;

–удержании позиции при помощи GPS/ГЛОНАСС;

–автоматический полёт по заданным заранее точкам -(опционально);

–передача на землю текущих параметров полёта с помощью радиомодема или Bluetooth (опционально);

–обеспечение безопасности полёта (возврат в точку взлёта при потере сигнала, авто посадка);

–остановка перед препятствием (для мультикоптеров) или облет препятствий (для самолётов) при наличии датчиков;

–подключение дополнительной периферии: OSD, светодиодной индикации и т.д.

Поскольку каждый индивидуальный ESC питается от основной батареи, основной разъем АКБ должен быть как-то разделен на четыре ESC. Для этого используется плата распределения питания или жгут распределения питания.

Плата распределения питания. Плата имеет специальные площадки-контакты силовой линии питания, к которым припаиваются провода от регуляторов оборотов. Внутри этой платы все плюсовые и все минусовые контакты соединены между собой. И выведены в отдельное место для подсоединения разъёма аккумулятора, рис. 2.30.

Рис.2.30. Плата распределения питания

Получается аккуратный монтаж без всяких скруток и навесных спаек. Часто полетный контроллер уже имеет места для подключения ESC.

Дополнительно может быть установлен датчик расстояния, рис. 2.31. В отличие от других он выведен наружу корпуса из-за особенностей работы.Принцип работы похож на ориентацию в пространстве летучих мышей: одно отверстие испускает высокочастотный звук, а другое принимает его. Датчик фиксирует время, необходимое для возвращения звука, после чего происходит расчет расстояния до ближайших объектов.

Рис. 2.31. Датчик расстояния

Вместе с ними могут использоваться лидары. Принцип работы аналогичен, только вместо звуковой волны лидар использует лазер, и помимо определения расстояния, может строить более подробную карту окружающего пространства. Эти устройства необходимы для точного управления и позиционирования квадрокоптера в пространстве. Они могут быть встроены в плату или подключаться отдельно. При этом корректная работа возможна только при совокупности получаемой информации.

На новых моделях квадрокоптеров этот модуль встроен в плату, но в старых моделях есть возможность подключить его отдельно.

Важным модулем является камера с видеопередатчиком. Видео передатчик отвечает за отправку сигнала. Аналоговая передача осуществляется по 5,8 Ггц каналу. Это уменьшает задержку и дает возможность использования FPV-режима, но у данного стандарта есть недостатки в виде низкого разрешения (максимум – 480р) и наличия помех. Они увеличиваются с расстоянием, но сигнал прерываться не будет.

Wi-Fi передача данных распространена на недорогих дронах и может конфликтовать с сигналом от пульта, так как они находятся на одних частотах (2,4 и 5 Ггц). Качество видео при этом будет высоким, однако, заметная задержка, которая увеличивается с расстоянием, сильно усложняет возможность полета в режиме FPV. При этом можно передавать видеосигнал на экран смартфона.

Напряжение. На питание электронных компонентов квадрокоптера требуется подать определенное напряжение. Например, для работы электроники полётного контроллера требуется 5 вольт. Напряжение аккумулятора, конечно же, больше. Поэтому необходимо какое-то устройство для понижения бортового напряжения до нужного стабильного значения. Такое устройство называется регулятор напряжения («UBEC», порусски Бек).

Инерциальный измерительный блок (IMU) включает трёхосевой акселерометр, трёхосевой гироскоп и трёхосевой магнитометр, обеспечивающий в общей сложности 9 осей измерения.

Принцип работы интегрального гироскопа. Гироскоп (от греч. «gyros» – круг и «skopeo» – смотрю, наблюдаю) – это устройство, которое способно реагировать на изменение углов ориентации объекта и определять его положение в пространстве. Чувствительным элементом интегрального гироскопа являются две подвижные массы (грузики), которые находятся в непрерывном движении на упругом подвесе в противоположенных направлениях, рис.2.32.

Рис.2.32 Устройство интегрального гироскопа

Источником колебаний подвижной массы является гребенчатые электростатические двигатели. Подвижная масса, вместе с электродами, расположенная на подложке, образуют конденсаторы, входящие в состав дифференциальной схемы, вырабатывающей сигнал, пропорциональный разности емкостей конденсатора. Линейное ускорение одинаково воздействует на обе подвижные массы и подложку, поэтому сигнал на выходе дифференциальной схемы не появляется. Как только произойдет изменение угловой скорости относительно оси вращения, то на подвижные массы начинает действовать сила Кориолиса, отклоняя подвижные массы в противоположных направлениях.

Соответственно, емкость одного конденсатора увеличивается, а другого уменьшается, что порождает разностный сигнал, пропорциональный величине углового ускорения. Таким образом, осуществляется преобразование угловой скорости гироскопа в электрический параметр, величина которого детектируется специальным датчиком.

Для того, чтобы мультикоптер определял положение в пространстве относительно трех ортогональных направлений х, y, и z, внутри одного корпуса микросхемы располагаются три датчика перпендикулярно осям. Отсюда происходит название – трехосевой гироскоп.