Энциклопедия Технологий и Методик - Тяжелый FPV-квадрокоптер

Тяжелый FPV-квадрокоптер — APM 2.5 и активный подвес для камеры

Продолжаю рассказ о своем FPV-квадрокоптере. Со времени опубликования первой статьи я налетал немало часов, и проделал множество модификаций на коптере. Обо всех мелких деталях рассказывать — будет долго, да и малоинтересно. Поэтому ограничусь основными изменениями, а именно:

Новый полетный контроллер — простенькая платка Crius MultiWii SE уступила место новому ArduPilot Mega 2.5, резко улучшив летные характеристики и добавив коптеру некое кол-во продвинутых фич.
Активный подвес для камеры — GoPro теперь не жестко закреплена, а установлена на стабилизирующем подвесе, который удерживает ее в горизонтальном положении при любом положении коптера.
Новые моторы — в связи с выросшим весом коптера (а также с внезапной смертью одного из старых моторов) были установлены новые, болеe мощные и значительно более качественные моторы.
Отдельная FPV-камера — GoPro теперь используется толькo для записи, для полета через видеоочки используется отдельная жестко монтированная камера.

Итак, первая обновка — это новый полетный контроллер APM 2.5. Чем он отличается от изпользуемого ранее Crius MultiWii SE?

Вкратце — у APM 2.5 более мощный процессор, болеe точные датчики, более точный GPS (за счет обсчета данных на главном CPU) и более дальнобойная телеметрия. Чего это позволяет добиться:

Удержание позиции и высоты с точностью до полуметра (используются данные GPS вместе с инерциальной навигацией)
Автоматический возврат в точку вылета и посадка (по сигналу с Д/У либо при потере сигнала или низком заряде батарей)
Ограничение максимальной высоты полета и территории, над которой позволено летать
Автоматическая навигация по заданным точкам — план полета составляется с помощью PO Mission Planner, и коптер отправляется в автономное плавание. Возможно удаленное управление с PC через 433 МГц радиотелеметрию.

За счет более точных сенсоров и более продвинутых алгоритмов стабилизации, коптер по ощущениям летать стал нa порядок стабильнее чем под управлением MultiWii. А функция автономного возврата на базу придает спокойствия при полетах через FPV — потеря видеосигнала теперь не смертельна, достаточно включить RTH (Return To Home) и дождаться, пока либо коптер прилетит «домой» и приземлится, либо вернется в зону стабильной видеосвязи. При потере сигнала Д/У RTH включается автоматически.

Для хорошей видеосъемки жестко закрепленная камера не годится — нужна стабилизация, удерживающая камеру в горизонтальном положении независимо от положения коптера. Подвесов для такой стабилизации существует два вида:

Подвесы на сервоприводах: распространенное решение прошлых лет. Используются обычные сервоприводы из модельной области, управляет ими полетный контроллер, благо данные о крене и тангаже у него есть.
Преимущества: просто и недорого.
Недостатки: плохая стабилизация. Разрешение и скорость реакции сервоприводов недостаточны, чтобы компенсировать движения коптера без видимой задержки.

Подвесы на бесколлекторных моторах: получили распространение где-то в последний год. Используются бесколлекторные моторы, перемотанные для создания высокого момента удержания, управляемые отдельным контроллером с датчиком положения камеры.
Преимущества: практически идеальная стабилизация, при достаточно мощных моторах и идеально настроенном контроллере видимого движения у камеры не остается вообще.
Недостатки: дорого, достаточно непросто в настройке, тяжеловато.

Для меня преимущество бесколлекторных подвесов перевесило все недостатки, и я решил сделать собственный: в конце концов, коптер я уже собрал с нуля, не останавливаться же на достигнутом. Заодно решил интегрировать в подвес крепление для дополнительной камеры: летать через FPV всe же приятнее через жестко закрепленную камеру (иначе не видно положения коптера), плюс у специализированных FPV-камер есть ряд преумиществ перед GoPro: они выдают сигнал без задержки и значительно лучше справляются со сложным освещением (при полете против солнца, например). Были закуплены следующие комплектующие:

Контроллер: Martinez v3.1 (€50)
Моторы: RCTimer HP2212 70T (2x $17.99)
FPV камера: Sony Super HAD 600TVL (€40)

Контроллер Martinez работает на ПО с открытым кодом (BruGi), его разрабатывают несколько человек на моем местном FPV-форуме. Альтернатива — хорошо известный контроллер Алексея Москаленко (Alexmos SimpleBGC). Стоит она, однако, более чем в два раза дороже, а по качеству стабилизации последние версии BruGi уже на абсолютно сравнимом уровне.

Механику для подвеса я разработал самостоятельно, и как и с рамой для самого коптера, попросил хорошего знакомого вырезать мне ее на фрезеровочном станке из стеклопластика. Пока товарищ готовил мои детали, другой коллега с форума вызвался сделать 3D-модель и рендер:

Процесс сборки, а также первый полет после многих часов настройки PID-параметров контроллера:

В связи с увеличившимся весом коптера после установки подвеса (до: 1950г, после: 2140г), а также в связи с внезапной смертью одного из старых моторов (в полете… к счастью, полет был на малой высоте над полем с метровой травой — коптер при падении не пострадал), были куплены и установлены новые моторы.

До: Turnigy NTM 28-30 750kv. Тяга с Graupner E-Prop 11x5 и 4S батареей: 1кг

После: Tiger Motor MT2216-11 900kv. Тяга с Graupner E-Prop 11x5 и 4S батареей: 1.2кг

Моторы Tiger Motor значительно дороже, чем Hobbyking-овские NTM (€36,50 против €18), но при этом значительно болеe высокого качества. Используемые в них японские подшипники живут намного дольше, чем дешевые китайские в моторах NTM. Все четыре купленных мной мотора были идеально сбалансированы и работают без вибраций в полном диапазоне оборотов — из четырех NTM три были неплохо сбалансированы, но четвертый был явно кривым и давал достаточно сильные вибрации.

Также, поскольку тяжелый подвес камеры сместил центр тяжести коптера вперед, пришлось сдвинуть батарею еще дальше назад. Это негативно подействовало на летные качества: коптер стал значительно более инертным по оси тангажа, чем по оси крена. Обычно PID-параметры полетного контроллера подбираются одинаково под обе оси, так как большинство коптеров симметричны; мне же пришлось вручную подбирать новые параметры по отдельности для обеих осей, чтобы добиться достаточно стабильного полета без вибраций и других нежелательных эффектов.

Очки подключаются дополнительно параллельно к монитору. Таким образом, когда летаю FPV, наблюдатели могут через плечо заглядывать в монитор. Буду, однако, скоро переделывать — установлю всю технику на 2-метровый штатив (для лучшего приема), добавлю DVR для записи FPV-видеопотока с OSD, ну и еще пару мелочей.