Чего я не понимал про мультикоптеры

Он начинающего начинающим

Эту заметку начал писать больше года назад, когда все для меня было ново и необычно. Но не дописал. А теперь уже, пожалуй, не допишу, потому что свежесть ощущений ушла. Публикую как есть. Может, кому будет польза.

Здесь я попробую, пока не забыл, перечислить вещи, которые были мне не понятны перед постройкой и в ходе постройки первого квадрокоптра. Люди, имеющие опыт, часто не понимают (не хотят или не могут понять), что человеку, впервые столкнувшемуся с вертолетной тематикой, бывает непонятно абсолютно все. Его шугают, посылают в фак (который обычно никакой, безбожно устарел и мало что объясняет). А дело не в том, что человек не умеет пользоваться поиском. Дело в том, что ему непонятно все. И не ясно, что собственно искать. Это даже не зависит о предмета. То же самое бывает, когда погружаешься впервые в самые разные темы. Я это точно знаю, поскольку много раз осваивал новые для себя вещи. Даже в своей профессии самоучка.

Всегда есть некоторый барьер вхождения. До его преодоления не понятно ничего. А потом происходит “просветление” и все встает на свои места. Надеюсь, что эти заметки помогут кому-то барьер вхождения преодолеть.

Знакомство с мультикоптером

Довольно давно обращал внимание на диковинные аппараты с несколькими пропеллерами. Впечатляли работы команды airpano. И однажды увидел в руках Стаса Седова гексакоптер при съемке Мачу-Пикчу.

Интерес еще возрос, поскольку давно зреет желание сфотографировать с воздуха родные места. Но было совершенно не ясно откуда такие аппараты берутся. Стал в инете смотреть. Вот эта статья удивила тем, что парень там как-то просто взял, чего-то выпилил, трубки приделал, свинтил все это. И оно полетело. Главное, конечно, мне было не понятно откуда он про все это узнал. Ну, рама, трубки - понятно. Но там еще контроллеры какие-то… Это же надо их программировать уметь… Программировать умею, но не микроконтроллеры… В общем, загадка…

Потом на этот форум попал. Через вертолеты. Подробней об этом тут. И в какой-то момент вдруг понял, что все не так страшно. Есть конечно много малопонятных слов: ArduCopter, “кролик” какой-то, “регули”, которые прошивают… Этот самый “кролик” (полетный контроллер Rabbit). Вот он

Кстати, его фотографии позволили понять, что мозги коптера - полетный контроллер - никто сам не паяет и не программирует. Ну, почти никто, подавляющее большинство. И что эти штучки выпускаются вполне серийно. Это как компьютер можно собрать из готовых комплектующих представляя их устройство очень приблизительно. Очень важная аналогия для меня. В электронике не разбираюсь. Но компьютеры себе и родственникам собираю сам. Тоже было страшно поначалу.

Я не понимал, что:

Мультикоптер можно собрать из готовых комплектующих, не разбираясь в электронике.

Бывают четырехмоторные, шести, восьми-моторные аппараты, даже трехмоторные. Самые популярные - четырехмоторные - квадрокоптеры. Поскольку практически все, о чем пишу, относится к любым таким вариантам, в дальнейшем буду говорить про мультикоптеры.

Мультикоптер состоит всего из нескольких частей:

Рама. Это, наверное, понятно всем. Рамы бывают совсем простые. Буквально из двух деревянных палок. Раму можно сделать самому, а можно купить готовую. Поиск по словам “рама для мультикоптера” или “Multicopter frame”.
Пропеллеры - тоже понятно. Пропеллеры покупают готовые. Бывают пластиковые, композитные (тоже пластиковые в сущности, но покруче), карбоновые (легкие, дорогие, жесткие, понтовые), деревянные - не так часто используют, но используют.
Моторы. Это уже интересней. Для мультикоптеров используют исключительно бесколлекторные (brushless - бесщеточные) моторы. Это замечательная штука! Маленькие, легкие, мощные. В таких моторах нет трущихся частей. Точнее, нет трения скольжения. Есть только два шарикоподшипника (трение качения) - все! Изнашиваться практически нечему! Довольно удивительно, что у моторов для мультикоптеров вращается наружная часть (по английски это называется outrunner). В ней находятся постоянные магниты. А на внутренней части - обмотки. Такие моторы могут работать только благодаря электронному управлению. За это отвечают
Регуляторы. Их, бывает, называют регуляторами напряжения, но это неправильно. И лучше понимать, что это не так. Это электронные регуляторы хода. По английски Electronic Speed Controller, сокращенно ESC. Это такой электронный прибор с микропроцессором внутри, управляющая программа которого может меняться. Процесс называется прошивкой, как выполняется технически до сих пор не понимаю. Без этого понимания можно обходиться, если выбирать регуляторы, в которых не требуется заменять прошивку. Я такие и выбираю. С одной стороны к регулятору тремя проводами подключается мотор (он трехфазный). С другой - два силовых провода от батареи. И еще управляющий провод, обычно трехжильный. По нему от мозгов коптера передаются управляющие сигналы регулятору. Еще, оказывается (я про это поначалу не знал), регулятор может выполнять роль блока питания для управляющей электроники коптера: 5 вольт снимаются с красного проводка (между красным и черным). Почему так, мне и сейчас не очень понятно. Наверное, так надо. Регуляторы переключают большие токи и могут перегреваться, если их нагрузить током большим, чем тот, на который они рассчитаны. Допустимый ток обычно указан на самом регуляторе. Каждому мотору полагается свой регулятор.
Мозги. Если без жаргона - полетный контроллер. По-английски обычно обозначают MC - main controller - главный контроллер. Мозги - это очень важно. Просто очень. Без мозгов такой аппарат не летает. В принципе. Именно благодаря тому, что в ходе прогресса микроэлектроники стало возможно сделать такой легкий управляющий компьютер (контроллер) появился сам класс мультикоптеров. Потому что все управление аппаратом выполняется через этот контроллер, механических устройств управления просто нет (в отличие от вертолета и самолета). Полетный контроллер оснащен разнообразными датчиками. Это:
Гироскопы. С их помощью контролируются угловые скорости вращения аппарата в пространстве. Например, гироскоп позволяет удерживать заданный курсовой угол, то есть держать нос аппарата ~~по ветру~~ в нужном направлении.
Акселерометр. Вообще-то, акселерометр - это прибор для измерения ускорения. Но в последнее время акселеромер рассматривают чаще как прибор, позволяющий определить наклон прибора. Например, в смартфонах. Ошибки в терминах тут нет. Акселерометр измеряет направление ускорения свободного падения (направление силы тяжести) и позволяет держать вертикаль (или горизонталь).
Датчик высоты. Это, вроде, понятно. Позволяет удерживать аппарат на заданной высоте. Автоматически. На вертолетах, например, такого обычно нет. И контроль высоты пилотом вертолета с помощью пульта радиоуправления - не такая простая задача. Здесь - все совсем просто. С пульта радиоуправления вы просто задаете, как менять высоту: подниматься, опускаться или удерживать постоянную высоту. Причем, чтобы коптер удерживал постоянную высоту, нужно просто поставить управляющий рычажок (стик) в среднее положение. По крайней мере в случае полетного контроллера Naza дело обстоит именно так. Что для меня остается до сих пор удивительно, так это то, что датчик высоты барометрический - основан на измерении атмосферного давления, которое меняется с высотой. Не укладывыется в голове как это позволяет получить такую высокую точность. Точность удержания аппаратом высоты может составлять плюс-минус полметра.
GPS-приемник. Позволяет, принимая спутниковые сигналы, определять координаты аппарата. С точностью плюс-минус метр или два. Это дает возможность удерживать коптер в данной позиции (с указанной точностью) даже на ветру. Очень облегчает управление. То есть, если вы не управляете им вручную (можно руки снять с пульта) аппарат просто (сам!) висит в заданной точке пространства, удерживая высоту, позицию и курсовой угол. Круто!
Компас. Магнитный. Прием GPS-сигнала не позволяет, находясь в заданной позиции, определить ориентацию по сторонам света. Для это и нужен компас.