Привет всем! Хочу рассказать о создании небольшого коптера, который может летать самостоятельно, без посредственного управления через радиоаппаратуру, и при этом осуществлять съемку. Идея зародилась перед очередным путешествием в Азию. Хотелось с собой взять коптер и поснимать с него, но при этом тащить минимум электроники и комплектующих, а также, чтобы сам коптер занимал совсем немного места.

Сразу хочу представить результат этой затеи — отснятое видео, а ниже описать из каких комплектующих собран коптер, как он настроен и с какими трудностями пришлось столкнуться при эксплуатации данного устройства.



Конструкция рамы и электроника.

Сразу пришла мысль, что можно собрать дрона на базе рамы для FPV Racer'а. Как раз такая была и лежала пока без дела, потому что из-за снега зимой FPV не особо хотелось летать.



Рама вырезана из карбона с небольшими переделками относительно данной рамы. Изменения заключаются в крепежных отверстиях под моторы и форме демпфирующей платформы под камеру Xaiom Yi, вместо Mobius'а. Винты выбраны 6045, так как из характеристик мотора видно, что они наиболее эффективны. Время полета с аккумулятором 3s 2200 мАч составляет 10-11 минут.



Регуляторы двигателей установлены DYS SN20A. Они недорогие и достаточно надежные, тем более для неспешного автоматического управления.



Главный элемент электроники — полетный контролер или автопилот — выбран 3DR APM 2.5. На самом деле он уже устарел, но оказался под рукой. Конечно, если есть возможность, лучше использовать Pixhawk. Прошивка ArduCopter для APM не поддерживается с версии 3.2.1, хотя содержит в себе всё необходимое, чтобы справляться поставленными задачами.

Для повышения качества управления полетного контроллера нужна виброизоляция с рамой (чтобы уменьшить шум на акселерометр и гироскоп), поэтому автопилот установлен на демпфирующую платформу. В моем случае она напечатана на 3d принтере, но можно рассмотреть и другие конструкции. Для измерения высоты используется встроенный в автопилот барометр, а для определения углового положения задействованы акселерометр, гироскоп и магнитометр. Магнитометр лучше использовать внешний, чтобы уменьшить отрицательное воздействие от металлических деталей и силовой электроники на магнитное поле.

Теперь рассмотрим важную часть для автономного полета — это модуль GPS, на котором также присутствует магнитометр. Модуль необходим для позиционирования в горизонтальной плоскости, чтобы осуществлять полеты по заданному маршруту. Модуль вынесен на 12см вверх, чтобы повысить точность измерений магнитометра, вдобавок прием GPS сигналов лучше, если верхняя полусфера антенны, которая тоже находится на модуле, полностью открыта. Я использовал Ublox Neo-M8N. На модуле пришлось выкрутить один из трех железных винтов на корпусе (на фото слева), так как он находился около чипа магнитометра.



Чтобы отправлять команды с земли и принимать телеметрию с коптера необходима радиосвязь. Хорошим выбором являются модемы SiK Telemetry Radio. На коптере установлена версия на 900 МГц. В условиях города такой связи хватает на 500-700 метров без прямой видимости. Благодаря модемам можно отправлять составленную полетную миссию на коптер (об этом ниже), давать команду на взлет или на возвращение домой (если видно, что что-то пошло не так), менять параметры автопилота и многое другое. Также с дрона на землю можно получать информацию о местоположении, высоте, заряде батареи и т. п. Вообщем-то дальность связи не так важна, так как при полетах на большие расстояния коптер передвигается самостоятельно по заранее записанной в нем миссии. Прерывание связи плохо тем, что дрон нельзя в любой момент вернуть домой, а также не понятно, в какой точке на карте искать его в случае падения.

Для подключения модема к смартфону понадобится USB OTG кабель. Удобнее всего использовать модель с двумя угловыми microUSB. Я изготовил его самостоятельно, но можно купить кабель от 3DR. Модем закрепляется на телефон с помощью липучки.



Еще на коптере присутствует модуль питания, который преобразует напряжение батареи (3s, 11.1 В) в напряжение питания управляющей электроники (5 В). Плата питания оснащена датчиком тока и напряжения, чтобы следить за зарядом батареи.



Так как перед автономным полетом коптер необходимо настроить (коэффициенты ПИД-регуляторов и другие параметры автопилота), на первоначальном этапе на дрон был установлен радиоприемник для управления с аппаратуры. Это позволяет вручную управлять коптером для отладки стабильности полета и в случае непредвиденных ситуаций приземлить его.

Для съемки используется камера Xiaomi Yi, так как является наиболее оптимальной по цене и качеству. Она установлена на раму через резиновые демпферы, чтобы уменьшить влияние вибраций на качество видео.



Настройка полетного контроллера и первые полеты.

Так как коптеры, собранные самостоятельно, состоят из уникального набора винто-моторной группы, регуляторов скорости, рамы, аккумулятора и дополнительной нагрузки, а также они могут быть предназначены для различных целей, необходима настройка полетного контроллера определенным образом. Наиболее функциональной оболочкой для конфигурации ArduCopter является MissionPlanner для Windows.

Начнем с ПИД-регуляторов. Стабильный и устойчивый полет обеспечивает подбор коэффициентов составляющих регулятора. Подробнее можно почитать на официальном сайте ArduCopter. Наиболее важными являются контуры управления по крену и тангажу. Проще всего выполнить настройку при помощи пульта, меняя коэффициенты и наблюдая за изменениями в полете. В режиме Stabilize необходимо добиться максимально отзывчивого управления по крену, тангажу и рыску без осцилляций.

Затем переходим к Alt Hold — режиму удержания высоты, при котором задействован барометр. Стоит обратить внимание на параметр INAV_TC_Z. Он был поднят до 6, чтобы избежать потери высоты при начале движения из точки зависания.

Когда с удержанием высоты все в порядке, остается проверить режим полета по GPS — Loiter. Перед началом испытаний необходимо откалибровать компас (магнитометер). Наиболее точно это можно сделать на улице, вдали от металлических конструкций. Калибровка устраняет локальные (находящиеся на коптере) искажения магнитного поля. Затем можно проверить, как дрон ведет себя при полете с GPS позиционированием. Не стоит забывать о количестве спутников и параметре HDOP, если они ниже установленных по умолчанию, то о стабильном полете можно забыть. Запуски допустимо производить на расстоянии от высоких зданий и деревьев, которые могут перекрывать GPS сигналы. Также отрицательное влияние на компас производят железные объекты, которые могут внести искажения в показания и привести к некорректному поведению в полете. Параметры ПИД-регуляторов Loiter можно оставить по умолчанию.

Главной цель — автономный полет. Его представляет режим Auto, и связанные с ним RTL, Guided и Follow Me. Если первые три режима, описанные выше, правильно настроены, то с режимом Auto не должно возникнуть никаких проблем. Говоря о параметрах автоматических режимов, можно обратить внимание на RTL_ALT (высота при возвращении на точку старта), WPNAV_RADIUS (радиус с которым коптер будет срезать углы маршрута), WPNAV_LOIT_SPEED, WPNAV_SPEED_DN, WPNAV_SPEED_UP (горизонтальная и вертикальная скорости), WP_YAW_BEHAVIOR (задает, куда будет «смотреть» коптер при движении по маршруту).

Все параметры можно просмотреть ниже. Замечу, что если собрать такой же по конфигурации коптер, этап настройки можно пропустить, а просто залить существующие параметры в автопилот. Можно даже не использовать пульт и приемник для отладки, но это уже на свой страх и риск.


Автономный полет.

Вначале о приложении, с помощью которого задается маршрут на карте. Это Tower. Вместе с ним придется установить 3DR Services, чтобы подключить модем к Android. Приложение достаточно стабильное и функциональное, можно использовать оффлайн карты или просто прогружать заранее Google Maps. О всех возможностях и навыках использования данного приложения легко узнать из следующего видео.



Стоит отметить, что на начальных этапах лучше не снимать радиоприемник с дрона и иметь пульт под рукой, чтобы перехватить коптер в ручное управление, так как возможны ошибки при запусках через Tower, пока интерфейс программы полностью не изучен.

Первое, на что стоит обратить внимание — это высота полета, задаваемая вручную. Часто сложно со стороны определить высоту, на которой должен пройти коптер, чтобы ничего не задеть. Стоит потренироваться в определении высоты «на глаз». Но все равно это не спасает при полетах на большие расстояния, когда обзор перекрывают ближе стоящие объекты.

Второе — всегда нужно помнить об условиях работы GPS и магнитометра, описанных выше. В связи с этим необходимо тщательно выбирать стартовую площадку. Чтобы проверить компас, можно посмотреть, совпадают ли повороты коптера на земле на 90 или 180 градусов, с показаниями угла курса в Tower. Ошибка не должна превышать 15 градусов.

Третье — безопасность. Взлеты и посадки лучше производить вдали от людей и животных, а также не осуществлять полеты в запрещенных зонах.

Опыт использования аппарата и заключение.



Воплощение идеи небольшого коптера, летающего самостоятельно по маршруту, можно принять состоявшейся. Минимум необходимых вещей, включая пять аккумуляторов и зарядное устройство, занимают совсем немного места в багаже. За 10 минут полета коптер способен улететь на 1.5-2 км и вернуться. Нужно признать достаточную надежность аппарата — никаких сбоев ни разу не произошло. При этом испытания проходили в СПб, когда температура держалась около нуля градусов, а основные полеты были в жару 30-35 градусов. Кстати, можно увидеть видео первых полетов 1, 2, 3 и 4. В общей сложности было отснято около 2х часов видео и совершено 40 вылетов в различных местах.

Конечно, случались и ошибки. Два раза в путешествии коптер врезался в препятствия. Это полностью связано с некорректной установкой высоты полета, так как в первом случае была гористая местность, а во втором не хватило буквально десяти сантиметров. Три раза при посадке наблюдались, так называемые “toiletbowls”, потому что рядом находились большие металлические здания. При этом посадки были не очень удачные, но без поломок. Возможность использования Follow Me режима я не сильно оценил, его стоит дорабатывать. В этом режиме полет неуверенный.

Еще выделю основной недостаток такого коптера — это отсутствие гиростабилизированного подвеса и, как следствие, дерганное видео. Но к сожалению, без потери продолжительности полета, в заданный размер не уместить подвес для Xiaomi Yi.

В целом, проект можно считать удавшимся. Благодаря дрону получены незабываемые кадры путешествия. Хотя стоит признать, что есть над чем поработать и, может быть, создать новую версию.