Твой первый квадрокоптер: теория и практика

_{1 — микроконтроллер ATMEGA2560; 2 — конвертер логических уровней шины I²C PCA9306DP1; 3 — барометр MS5611; 4 — магнитометр HMC5883L; 5 — гироскоп + акселерометр MPU6050; 6 — адаптер USB/UART FT232RQ; 7 — стабилизатор +3,3 В; 8 — флеш-память 16Mbit AT45DB161D}

Микроконтроллер (1) выполняет обработку управляющих сигналов от радиоаппаратуры и показаний сенсоров и формирует управляющие сигналы для регуляторов оборотов моторов. Наиболее часто применяются микроконтроллеры Atmel, достаточно быстродействующие, недорогие и с низким энергопотреблением. Однако в последнее время, с совершенствованием и усложнением вычислительных алгоритмов, разработчики все чаще упираются в ограничения быстродействия процессора и объема программной памяти. Существуют более мощные решения, например на ARM-контроллерах от ST Microelectronics, и даже экзотические конструкции на базе микрокомпьютера Raspberry Pi.

Встроенный стабилизатор напряжения 3,3 В (7) необходим для питания микроконтроллера и сенсоров. Как правило, источник бортового питания имеет напряжение 5 В, потому что именно это напряжение требуется для питания радиоприемника и различных дополнительных модулей.

Конвертер уровней шины I²C (2) используется для согласования логических уровней микроконтроллера и внешних устройств, подключенных к шине. Микроконтроллер питается напряжением 3,3 В и поддерживает соответствующие низковольтные логические уровни на шине. Но некоторые внешние устройства, такие как модули GPS, выносные компасы, дисплеи, могут питаться напряжением 5 В. Разница логических уровней между трех- и пятивольтовыми схемами может вывести из строя микроконтроллер.

Встроенный конвертер USB-UART (6) не нужен в процессе полета, но он позволяет подключить полетный контроллер непосредственно к разъему USB стационарного компьютера или ноутбука для записи прошивки или настройки. Микроконтроллер обменивается данными с компьютером через протокол последовательной передачи данных UART, а компьютерный СОМ-порт — это одна из реализаций протокола UART, называемая RS-232. Но даже если в вашем компьютере еще остался аппаратный СОМ-порт, то напрямую подключать к нему выводы микроконтроллера нельзя! Электрические параметры порта RS-232 существенно отличаются от уровней стандартной трех- или пятивольтовой TTL-логики. В протоколе RS-232 логический ноль лежит в диапазоне от +3 до +12 В, а единица— от -3 до -12 В. Промежуток от -3 до +3 В считается зоной неопределенности. Бытовые ноутбуки вообще не содержат стандартные физические СОМ-порты. Общепринятым и наиболее удобным решением является использование специальных микросхем-конвертеров. При подключении такой микросхемы к порту USB операционная система компьютера создает виртуальный СОМ-порт, который с точки зрения прикладных программ ничем не отличается от физического. Через этот порт вы можете записывать прошивку в микроконтроллер или настраивать различные параметры.

Использовать конвертер, встроенный на плату, удобнее, чем постоянно подключать внешний. Но есть важный нюанс: как показал опыт множества пользователей, если забыть отключить от контроллера провод USB, то можно легко вырвать с платы разъем microUSB. Это не означает необратимую поломку платы, в крайнем случае можно будет использовать внешний адаптер. Но все равно, будьте аккуратны и внимательны.

Встроенная флеш-память для ведения логов (8) есть не на каждом полетном контроллере и для обычных полетов также не требуется. Но ее наличие удобно в более сложных случаях, когда надо проанализировать в динамике бортовое напряжение питания, маршрут и параметры полета или отладить прошивку. На плату контроллера могут быть также встроены приемник радиоуправления, приемник GPS, передатчики видеосигнала и/или телеметрии, LCD-дисплеи и т. д., но это уже комбинированные устройства. Мы рассмотрим дополнительные модули в отдельной главе.

Аппаратура радиоуправления

Комплект аппаратуры радиоуправления — это, зачастую, самый дорогой компонент радиоуправляемой системы. Но экономить на нем крайне нежелательно. В радиоаппаратуру обязательно должна быть заложена возможность развития конструкции вашего квадрокоптера, в противном случае сиюминутная экономия может обернуться дополнительными расходами спустя один-два года. Причем управление квадрокоптером высоко поднимает планку минимальных требований по сравнению с самолетами и даже вертолетами.