Твой первый квадрокоптер: теория и практика - [8]

Рис. 2.7.Устройство ультразвукового сонара

Простейшие сонары не содержат собственный микроконтроллер и работают под управлением внешнего устройства. Когда на вход Trigger приходит пусковой импульс, электронная схема сонара генерирует короткий пакет колебаний ультразвуковой частоты, поступающий на излучатель. Отразившись от твердой поверхности, колебания поступают на приемник и далее на усилитель-формирователь, на выходе которого формируется импульс Echo (эхо) с логическим уровнем. Внешнее устройство вычисляет расстояние до поверхности через интервал времени между фронтами пускового импульса и эха по формуле

где v — скорость звука, ΔТ — разность времени между фронтами пуска и эха. Поскольку звук дважды проходит расстояние Н, мы берем 1/2 вычисленного значения.

Более сложные сонары содержат встроенный контроллер, самостоятельно выполняют процесс измерения, производят фильтрацию и усреднение результатов измерения и выдают готовое значение расстояния по протоколу I²С или SPI.

Как барометр, так и сонар обладают специфическими недостатками. При полете на малой высоте квадрокоптер создает не только эффект воздушной подушки, но и зону завихрений и нестабильного давления вокруг себя. Чем крупнее квадрокоптер, тем заметнее этот эффект. Как показывает опыт, барометр квадрокоптера среднего размера начинает работать стабильно на высоте более пяти диагоналей рамы, т. е. более 2 м от земной поверхности.

Популярные ультразвуковые сонары измеряют дистанцию с точностью до одного-двух сантиметров, но работают на очень ограниченном расстоянии до отражающей поверхности, как правило, не более 3–4 м. Сонарам безразличны потоки воздуха, но они крайне чувствительны к качеству отражающей поверхности. Трава, вспаханная земля, снег, рябь на воде — такие поверхности рассеивают ультразвуковой импульс либо вносят большие искажения. Поэтому применение сонара оправдано при полетах в закрытых залах, где высота полета как раз соответствует рабочей дальности сонара, а пол хорошо отражает ультразвук. Нужно также учитывать, что сонар правильно показывает высоту при горизонтальном положении коптера. Как только рама наклоняется и импульс ультразвука отражается в сторону под углом к полу, сонар становится бесполезен.

В настоящее время даже в открытых прошивках решена проблема стабильного удержания высоты при помощи комбинации барометра и акселерометра. При удержании высоты логично предположить, что если показания барометра изменились, но акселерометр не показывает вертикальное ускорение, то наверняка это флуктуация показаний барометра. На самом деле, алгоритм достаточно сложен, надо учитывать конечную чувствительность акселерометра и барометра, продолжительность и скорость изменения показаний сенсоров, правильно задать весовые коэффициенты влияния этих сенсоров при расчетах и т. д. Рассуждения на эту тему выходят за рамки книги, ограничимся лишь констатацией факта, что использование барометра позволяет в безветренную погоду "подвесить" правильно настроенный квадрокоптер, и он будет стабильно висеть без участия пилота, дрейфуя по высоте максимум ±20 см.

Использование сонара оправдано для автоматического включения посадочных огней при заходе на посадку. Обычно нужно, чтобы подсветка посадочной площадки включалась на высоте около 2–3 м. Барометр на этой высоте будет иметь большую погрешность, особенно если во время полета изменилось атмосферное давление, а точности сонара вполне достаточно для включения огней.

В качестве примера использования полного набора сенсоров рассмотрим плату популярного полетного контроллера CRIUS All-In-One Pro (AIOP) версия 2 (рис. 2.8).

Рис. 2.8.Популярный полетный контроллер MultiWii AIOP v.2:

_{1 — микроконтроллер ATMEGA2560; 2 — конвертер логических уровней шины I²C PCA9306DP1; 3 — барометр MS5611; 4 — магнитометр HMC5883L; 5 — гироскоп + акселерометр MPU6050; 6 — адаптер USB/UART FT232RQ; 7 — стабилизатор +3,3 В; 8 — флеш-память 16Mbit AT45DB161D}

Микроконтроллер (1) выполняет обработку управляющих сигналов от радиоаппаратуры и показаний сенсоров и формирует управляющие сигналы для регуляторов оборотов моторов. Наиболее часто применяются микроконтроллеры Atmel, достаточно быстродействующие, недорогие и с низким энергопотреблением. Однако в последнее время, с совершенствованием и усложнением вычислительных алгоритмов, разработчики все чаще упираются в ограничения быстродействия процессора и объема программной памяти. Существуют более мощные решения, например на ARM-контроллерах от ST Microelectronics, и даже экзотические конструкции на базе микрокомпьютера Raspberry Pi.

Встроенный стабилизатор напряжения 3,3 В (7) необходим для питания микроконтроллера и сенсоров. Как правило, источник бортового питания имеет напряжение 5 В, потому что именно это напряжение требуется для питания радиоприемника и различных дополнительных модулей.

Конвертер уровней шины I²C (2) используется для согласования логических уровней микроконтроллера и внешних устройств, подключенных к шине. Микроконтроллер питается напряжением 3,3 В и поддерживает соответствующие низковольтные логические уровни на шине. Но некоторые внешние устройства, такие как модули GPS, выносные компасы, дисплеи, могут питаться напряжением 5 В. Разница логических уровней между трех- и пятивольтовыми схемами может вывести из строя микроконтроллер.