В. Яценко - Твой первый квадрокоптер: теория и практика

Остался еще один важный параметр полета — высота. Стабилизация высоты важна как для комфортного управления квадрокоптером, так и для безопасного полета, особенно в режиме автоматического возврата к точке старта по GPS. Для измерения высоты в квадрокоптерах используют либо интегральный барометр, либо внешний ультразвуковой сонар, либо оба устройства сразу. Поскольку они оба выполняют одинаковую задачу, мы немного забежим вперед и рассмотрим достоинства и недостатки ультразвукового сонара в этой главе, хоть сонар и является дополнительным оборудованием.

Устройство интегрального барометра

Измерение высоты полета барометрическим методом основано на зависимости атмосферного давления от высоты. Чем больше высота, тем ниже атмосферное давление. В миниатюрных интегральных барометрах применяется, как правило, тензорезисторный либо пьезорезонансный датчик. В первом случае чувствительным элементом является тензорезистор (рис. 2.6), изменяющий свое сопротивление в зависимости от степени деформации под воздействием атмосферного давления. Во втором случае на пьезоэлемент подают переменное электрическое напряжение, заставляя его колебаться под действием обратного пьезоэффекта. Собственная резонансная частота элемента, — при которой напряжение на электродах пьезоэлемента максимально, зависит от степени деформации элемента.

Рис. 2.6. Устройство тензорезисторного датчика атмосферного давления

Существенным недостатком этих датчиков является выраженная зависимость результатов измерения от температуры окружающей среды и большой разброс выходных данных между экземплярами. Для термокомпенсации внутрь корпуса встраивают терморезистор и при измерениях учитывают его сопротивление в качестве компенсирующего параметра. Для устранения конструктивной неоднородности каждый экземпляр интегрального барометра калибруют на заводе, записывая в его память калибровочные константы.

На выходе барометра мы получаем не абсолютное значение давления, а некое "сырое" значение, из которого давление рассчитывается путем вычислений с плавающей точкой, учитывая калибровочные константы и текущую температуру корпуса. Формулы для расчетов приводятся в спецификации микросхемы.

Применительно к квадрокоптерам, нас обычно интересует не высота над уровнем моря, а высота относительно точки взлета. Поэтому в момент активации моторов перед взлетом текущее давление воздуха принимается соответствующим нулевой высоте. К сожалению, даже в течение одного 10-минутного полета атмосферное давление может измениться настолько сильно, что это будет соответствовать перепаду высоты 2–3 м. Особенно это характерно для неустойчивой предгрозовой погоды.

Барометр следует защищать от воздействия прямых потоков воздуха. Обычно для этого используют кусочек крупнопористого поролона, которым прикрывают отверстие сенсора, или помещают полетный контроллер в защитный кожух. Также следует защищать барометр от попадания прямых солнечных лучей на сенсор через отверстие в корпусе. Теоретически современные интегральные барометры способны измерять высоту с точностью в несколько сантиметров, однако когда барометр смонтирован, на квадрокоптере и рядом с ним несущие винты прокачивают потоки воздуха, а на это накладываются флуктуации плотности воздушных масс разной температуры, такую точность реализовать практически невозможно. К вибрациям барометры не чувствительны.

Устройство ультразвукового сонара

Ультразвуковой сонар (датчик расстояния) состоит из генератора ультразвука, излучателя, приемника и усилителя-формирователя выходного сигнала (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Устройство ультразвукового сонара

Простейшие сонары не содержат собственный микроконтроллер и работают под управлением внешнего устройства. Когда на вход Triggerприходит 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 I 2С 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.