В. Яценко - Твой первый квадрокоптер: теория и практика

Напомним, что интегральный гироскоп — это всего лишь датчик углового ускорения. Для него нет понятия "верх" или "низ", и ему безразлично, в каком статическом положении относительно горизонта он находится. Он лишь показывает мгновенное угловое ускорение относительно начального положения. Как только внешнее воздействие начнет поворачивать раму квадрокоптера вокруг одной из осей, то от соответствующего гироскопа немедленно поступит сигнал на процессор полетного контроллера. В ответ контроллер скорректирует обороты моторов так, чтобы скомпенсировать ускорение. Но как только внешнее воздействие прекратится, угловое ускорение станет равным нулю, и на основании сигналов одних лишь гироскопов контроллер не узнает, вернулся ли квадрокоптер в исходное положение. Это задача оператора, которую он может решать только при визуальном контроле.

А теперь представьте, что вы командой с пульта отклонили квадрокоптер на пять градусов вправо, а затем вернули рукоятку пульта в нейтральное положение. В соответствии с сигналом пульта контроллер сделает обороты всех моторов одинаковыми, но это вовсе не означает, что квадрокоптер вернется в горизонтальное положение. Гироскопам имеющийся статический наклон будет безразличен. Нет углового ускорения — на выходе гироскопа нулевое значение. Кроме того, гироскоп имеет ограниченную чувствительность: медленное вращение он просто не заметит.

При гироскопической стабилизации оператор должен выровнять коптер вручную. На практике, квадрокоптер, оснащенный только гироскопами, не может стабильно висеть более минуты даже в помещении. Далее нужно вручную парировать его дрейф. Свое влияние на показания гироскопов оказывают изменение температуры корпуса и угловые ускорения, возникающие при вращении Земли. Следовательно, для более продвинутой конструкции полетного контроллера необходим датчик, показывающий положение квадрокоптера относительно земной поверхности (если точнее, то относительно вектора ускорения свободного падения, который всегда направлен перпендикулярно земной поверхности, к центру Земли). Такой датчик есть в каждом современном смартфоне или планшете и называется акселерометром .

Принцип работы интегрального акселерометра

Акселерометр — это МЕМС-устройство, которое измеряет линейные ускорения. В состав интегрального акселерометра входят чувствительный элемент и электронная часть, осуществляющая предварительную обработку сигнала.

В очень упрощенном виде чувствительный элемент представляет собой токопроводящий грузик на гибком подвесе, помещенный между двумя электродами (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Устройство чувствительного элемента акселерометра и его эквивалентная электрическая схема

Грузик и электроды образуют два конденсатора. При смещении грузика под действием ускорения емкость одного конденсатора уменьшается, а другого увеличивается. Так как заряд конденсаторов постоянен, то изменяется напряжение на выводах конденсаторов. Это изменение измеряется встроенной электронной схемой, результат измерения в цифровом виде выдается в ответ на запрос внешнего вычислительного устройства. Результат может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от направления вектора ускорения.

Реальный сенсор акселерометра устроен значительно сложнее, в нем детали конструкции выполняют несколько функций одновременно. Но для понимания принципа работы упрощенной схемы достаточно.

Все современные интегральные акселерометры, как правило, трехосевые. Три сенсора расположены внутри одного корпуса микросхемы перпендикулярно осям x, у и z . Вектор действующего на устройство ускорения вычисляется микроконтроллером через проекции вектора на три оси. Даже если устройство находится в покое, на него действует ускорение свободного падения g . Вектор g → направлен вертикально вниз, к центру Земли. Если корпус акселерометра расположен строго горизонтально, то вектор земного тяготения совпадает с осью z и ускорение действует только на один сенсор. Но стоит наклонить акселерометр, как появятся составляющие вектора g → по осям х и у , а составляющая по оси z пропорционально уменьшится. На основании величин проекций вектора земного тяготения на оси и их знака микроконтроллер вычисляет наклон квадрокоптера. Именно по такому принципу ваш смартфон или планшет определяет ориентацию экрана.

Поскольку датчики акселерометра не идеально одинаковые и печатная плата может быть смонтирована не идеально ровно, перед началом эксплуатации акселерометр необходимо откалибровать: поместить устройство строго горизонтально и сообщить бортовому контроллеру, что текущие показания акселерометра соответствуют горизонтали. Соответствующие корректировочные константы записываются во встроенную память микроконтроллера. В этом состоит различие между процедурами калибровки гироскопа и акселерометра: гироскоп калибруют после каждого включения питания, а также при длительном перерыве между взлетами, а акселерометр однократно, после окончания сборки коптера. После смены версии прошивки контроллера или изменения конструкции квадрокоптера акселерометр необходимо откалибровать заново!

Существенным недостатком MEMS-акселерометров является высокая чувствительность к вибрациям. Но вибрации — неизменный спутник винтокрылых аппаратов, поэтому необходимо принимать специальные меры по виброизоляции, а также балансировке воздушных винтов и моторов.

Именно появление доступных по цене трехосевых акселерометров определило взрывной рост популярности квадрокоптеров. Еще несколько лет назад акселерометры были, в основном, двухосевыми, а трехосевые стоили весьма дорого и были редкостью. С появлением игровой приставки Nintendo Wii и игровых манипуляторов WiiMotionPlus и Nunchak ситуация кардинально изменилась. Малогабаритные трехосевые интегральные акселерометры и гироскопы стали доступны по вполне разумным ценам. Первые энтузиасты покупали платы манипуляторов Nintendo и подключали их к вычислителю на основе модуля Arduino. Затем к процессу подключились китайские производители, начавшие массовое производство полетных контроллеров с полным наборов сенсоров "на борту". Отсюда исторически происходит название одной из самых популярных открытых прошивок MultiWii и платы контроллера MultiWii All-In-One (MWIAIOP).

Благодаря тому, что акселерометр определяет положение квадрокоптера относительно горизонтали, становится возможным автоматическое выравнивание устройства (автогоризонт). Как только ручки управления на пульте вернулись в нейтральное положение, полетный контроллер воспринимает это как команду выровнять квадрокоптер в горизонтальное положение, которое вы задали при калибровке.