Твой первый квадрокоптер: теория и практика

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 Trigger приходит 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 I²С 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.

Использование сонара оправдано для автоматического включения посадочных огней при заходе на посадку. Обычно нужно, чтобы подсветка посадочной площадки включалась на высоте около 2–3 м. Барометр на этой высоте будет иметь большую погрешность, особенно если во время полета изменилось атмосферное давление, а точности сонара вполне достаточно для включения огней.

В качестве примера использования полного набора сенсоров рассмотрим плату популярного полетного контроллера CRIUS All-In-One Pro (AIOP) версия 2 (рис. 2.8).

Рис. 2.8.Популярный полетный контроллер MultiWii AIOP v.2: