В. Яценко - Твой первый квадрокоптер: теория и практика

Система телеметрии предназначена для передачи с борта важной технической информации в режиме реального времени, а также, при необходимости, записи этой информации в лог для последующего изучения. Состав этой информации зависит от назначения системы и потребностей оператора. В простейшем случае, когда полет происходит на небольшом удалении и коптер контролируется визуально, достаточно следить только за напряжением силовых батарей. При полете с управлением по видеокамере уже, как правило, необходимо контролировать дальность полета и уровень радиосигнала, чтобы не потерять связь, а также следить за напряжением батареи видеоканала.

На практике набор телеметрийной информации намного шире, и в него стараются включить максимум параметров. Разумеется, набор этих параметров определяется оборудованием квадрокоптера:

• напряжение батарей;

• потребляемый ток;

• температура батарей;

• режим работы полетного контроллера;

• время полета;

• высота;

• линейная скорость;

• вертикальное ускорение;

• показания акселерометров (крен);

• показания компаса;

• обороты двигателей;

• текущие координаты GPS;

• количество доступных спутников;

• дальность до "дома" и направление "домой".

Данные имеют разную практическую ценность. Например, обороты двигателей в режиме реального времени нужны только для отладки и настройки. Если один или два мотора работают с большей нагрузкой в тот момент, когда коптер висит горизонтально и неподвижно, это может означать дисбаланс коптера — смещение его физического центра масс в сторону.

Формировать поток данных для телеметрии может не только полетный контроллер. Большинство современных телеметрийных систем способно автономно обрабатывать показания датчиков тока, напряжения и температуры, и даже поток данных GPS. Нет принципиальной разницы в том, куда подключать датчики, но иногда бывает конструктивно удобнее и безопаснее подключить их непосредственно к модулю телеметрии. С другой стороны, нет нужды приобретать очень дорогой модуль логирования и телеметрии, оснащенный собственным барометром, компасом, акселерометрами, поскольку эти датчики все равно есть на плате полетного контроллера.

В общем виде система телеметрии коптера состоит из следующих компонентов: набор датчиков и прочих источников информации; бортовой модуль телеметрии, который обрабатывает исходные данные и "упаковывает" их в непрерывный поток данных; радиоканал для передачи данных на землю; устройство для приема и отображения данных; устройство записи данных в лог.

В практической реализации телеметрии возможны различные варианты. В классической и самой простой схеме сбор и обработку данных осуществляет полетный контроллер. Далее, через последовательный порт он передает поток данных на специальный модуль OSD (On-Screen Data — будет рассмотрен далее), который накладывает цифробуквенные и графические элементы на изображение бортовой видеокамеры, которое на земле отображается в видеоочках оператора или на дисплее.

Иногда датчики тока и напряжения и приемник GPS подключают непосредственно к модулю OSD. Запись лога данных может вестись во встроенную память полетного контроллера, в память модуля телеметрии, в специальный логгер, в наземный компьютер либо путем записи полетного видео. Лог бывает полезен при анализе максимального потребляемого тока, поиске просадок питающего напряжения, выявлении сбоев канала управления и т. д.

Телеметрийная информация может передаваться непосредственно с полетного контроллера при помощи специального радиомодема — оборудования, обеспечивающего двустороннюю связь по протоколу UART через радиоканал.

И, наконец, телеметрия может передаваться на землю при помощи аппаратуры радиоуправления двустороннего действия, с отображением данных на дисплее пульта управления. Это вариант удобный, но не самый дешевый, особенно если учесть, что для полетов по видеокамере все равно понадобится еще и телеметрия на экране. Окончательный выбор варианта и практическая реализация зависят только от потребностей и возможностей владельца коптера, поэтому нельзя однозначно сказать, что лучше.

Теперь разберемся подробнее, что является источником данных для телеметрии.

Датчик напряженияпредставляет собой простейший делитель напряжения из двух постоянных резисторов. Напряжение с выхода делителя поступает на аналоговый вход микроконтроллера, который при помощи встроенного АЦП измеряет напряжение. Делитель необходим, т. к. на вход микроконтроллера категорически нельзя подавать напряжение батареи напрямую. Это приведет к выходу микроконтроллера из строя. Как минимум, будет испорчен этот аналоговый вход.

Датчик токаустроен несколько сложнее. Это либо низкоомный шунт — мощный резистор с очень низким сопротивлением, включенный последовательно в разрыв силовой цепи, либо датчик Холла, реагирующий на напряженность магнитного поля, возникающего вокруг силового провода. В том и другом случае требуется дополнительная схема, операционный усилитель, усиливающий слабый сигнал датчика.

Существуют готовые измерительные модули. Пример такого модуля изображен на рис. 3.8. Этот модуль кроме резистивного делителя напряжения и токового шунта содержит импульсный источник с выходным напряжением 5,25 В и током 3 А для питания бортовой электроники.

Рис. 3.8. Модуль для измерения напряжения и тока силовой батареи.

Датчики тока и напряжения имеют погрешности, вызванные разбросом параметров элементов, поэтому их показания корректируют программно, при помощи калибровочных констант, которые необходимо один раз подобрать при настройке коптера.

На основании текущей продолжительности полета, напряжения и тока система телеметрии может рассчитать количество потребленной от батареи энергии в миллиампер-часах. Иногда этот параметр более информативен, чем просто текущее напряжение батареи, потому что позволяет знать, сколько батарея "отдает" на самом деле, в отличие от надписи на этикетке, и приблизительно оценить оставшееся время полета.

Датчик температурыприменяется нечасто, в основном в мощных квадрокоптерах с большим энергопотреблением, когда силовая батарея может работать в критических режимах. В качестве датчика может использоваться терморезистор или термодиод, меняющие сопротивление в зависимости от температуры, а также интегральный термометр, подключаемый к модулю телеметрии по шине I 2С или I-Wire.