Что такое FPV?
FPV, если перевести с английского языка - полет по видео. Это сравнительно новое и пока еще необычное направление авиамоделизма, суть которого заключается в том, что пилот, управляющий моделью, не наблюдает за ее полетом с земли, а участвует в полете на равных правах с самолетом. Как и настоящий пилот, сидящий в кабине настоящего самолета, моделист видит своими глазами картинку с борта модели.
Уровень развития современной электроники позволил достигнуть единения с небом очень простыми средствами. При всём разнообразии конструкций и подходов принцип у всех моделистов одинаков: картинка с бортовой - иногда стационарной, а иногда и поворотной - камеры передается на землю, пилоту, по радиоканалу, а далее после захвата приемником передается на микродисплеи очков на голове пилота.
Итак, приходит погожий день с подходящими погодными условиями и пилот, набравшись решимости, выезжает на свои первые в сезоне FPV полеты. На поле проводит предполетную подготовку, проверяя функционирование элементов управления модели, устойчивость видеосигнала и проводит ориентирование на местности, чтобы не потеряться в воздухе.
И вот, модель – в воздухе, а пилот – в видеоочках на земле. Набрав высоту, пилот находит знакомые ориентиры и уверенно отправляется на исследование воздушного пространства.
К сожалению, так легко и спокойно проходят далеко не все полеты FPV пилотов. К сожалению, на удачный исход полета влияет слишком много факторов. Например, полеты в незнакомой местности могут привести к потери ориентиров, вылету за предел управления передатчика по дальности и потере модели. То же самое может произойти, если модель улетела далеко, бортовой аккумулятор или топливо на исходе, а запаса высоты, чтобы дотянуть до «дома» уже нет. А если модель подхватил ветер, да такой силы, что вернуться нет никакой возможности, то что же делать?
Телеметрия
Что же можно сделать для того, чтобы хоть как-то обезопасить полеты FPV, ведь было бы неплохо знать все критически важные параметры прямо в полете, не правда ли?
Устройства, способные облегчить жизнь пилотам FPV, существуют, и один из примеров – модуль телеметрии smalltim. Он включается в видеосигнал между камерой и видеопередатчиком и отображает критически важные параметры полета прямо на видеокартинке, которую видит пилот.
Модуль умеет измерять температуру (например, батареи, регулятора или окружающего воздуха), напряжения батарей, ток, израсходованный заряд аккумулятора, а благодаря наличию модуля спутниковой навигации GPS в комплекте, вычисляет и отображает на экране координаты модели. То есть, высоту относительно точки старта, скорость, направление полета, направление на точку старта, расстояние до точки старта, и прочее, вплоть до текущих широты и долготы модели с точностью до метра, что может пригодиться при наихудшем варианте развития событий - потере связи и поиске упавшей модели. При необходимости модуль телеметрии smalltim комплектуется бародатчиками и получает возможность отображать текущую воздушную скорость и высоту, посчитанную по величине атмосферного давления.
Всё эти буковки, циферки, стрелочки и шкалы на экране выглядит, конечно, приятно, но иногда хочется просто насладиться видами с высоты птичьего полета. Что делать? Модуль телеметрии можно подключить к свободному каналу приемника и управлять режимами вывода информации или выключить наложение данных на картинку с камеры прямо в полете.
Чтобы не утомлять деталями, не стоит перечислять особенности и ТТХ модуля телеметрии smalltim, всё это можно подсмотреть на сайте. Можно сказать только то, что модуль телеметрии был спроектирован как устройство, максимально компактное, простое и надежное по конструкции, но при этом имеющее максимально доступный функционал. Новейшая версия модуля держит рекорд минимума по размерам и весу среди полутора десятков аналогов.
Сам модуль и его программная «начинка» разрабатывались в тесном контакте с «летающим» сообществом, и практически все пожелания и рекомендации, полученные от активных пользователей, были реализованы. Обновления в программной части модуля, выпускавшиеся после его «рождения» чуть ли не ежедневно, со временем стали выходить всё реже – продукт стал «взрослеть» и обретать законченную форму, и на данный момент обновлений нет уже более чем 6 месяцев – всё, что можно и нужно было реализовать, было реализовано, а затем протестировано и облетано сотнями пользователей.
Итак, допустим, пилот интегрировал модуль телеметрии в бортовую электронику и теперь в полете он вооружен информацией о текущей скорости, высоте, курсе на базу и так далее. Полеты стали спокойнее, дольше, выше и дальше. Что дальше?
Достаточно освоившись в воздухе, пилоты FPV не ограничиваются полетами в трехста метрах от себя. Хочется большего, хочется летать интереснее. Кто-то устанавливает на модель полноценную камеру для записи картинки в высоком качестве, кто-то начинает исследовать пределы возможностей моделей, своей реакции, системы радиоуправления.
Как раз здесь и начинаются проблемы с этими «дольше, выше и дальше», в буквальном смысле этих слов. Неожиданности в виде некстати севшего ходового аккумулятора, ошибки управления или потери радиосвязи могут обернуться крушением, а если модель улетела безвозвратно, это означает потерю дорогостоящего оборудования, установленного на модели.
Что же делать? Естественным желанием становится обеспечение спасения модели в критических ситуациях с возвратом ее на точку старта.
Автопилот
Автопилот разрабатывался, тестировался, облетывался, исправлялся, дорабатывался, снова тестировался, дорабатывался и облетывался командой smalltim уже полтора года, и сейчас, к началу летнего сезона, наконец, планируется запуск автопилота в серийное производство и появление в продаже.
Главной целью автопилота является возврат модели на точку старта при возникновении нештатной ситуации. В списке таких ситуаций может быть что угодно: потеря радиосвязи, потеря или чрезмерный набор высоты, превышение заданной дальности, просадка напряжения, перерасход заряда бортового аккумулятора, и так далее. Все эти условия и параметры настраиваются через компьютер, при подключении автопилота стандартным кабелем USB.
Автопилот – это полноценный программно-аппаратный комплекс, его программная часть на стороне персонального компьютера – Контрольная Панель, с помощью которой можно настроить все параметры работы автопилота, проконтролировать работу всех датчиков и входов, откалибровать RC передатчик, и так далее. Интересно, что настройки автопилота можно сохранить в файл, создав несколько наборов настроек для разных моделей, или, например, передать коллегам, чтобы они получили возможность прочитать эти настройки из файла и использовать на своих моделях.
С помощью Контрольной Панели можно обновить прошивку автопилота (и даже платы телеметрии, о чем чуть ниже) без помощи каких-либо программаторов, просто подключив автопилот к порту USB и выбрав нужный пункт меню.
Контрольная Панель использует русскоязычный интерфейс, и максимально, насколько это возможно, удобна и проста в применении. Элементы меню интуитивно понятны, а все без исключения пункты настроек сопровождены кратким описанием.
Примечательно, что автопилот ведет бортовой журнал, записывая буквально все параметры полета, от полетного времени до сигналов со всех датчиков, от команд со входов с RC приемника до требуемых углов крена и тангажа и выходов на сервомашинки. Энергонезависимой памяти автопилота хватает на запись от примерно 40 минут до пяти часов полета в зависимости от установленной частоты записи данных. После полета можно скачать бортовой журнал с помощью Контрольной Панели и скрупулезно проанализировать все свои ошибки и удачи.
Аппаратная часть автопилота разработана таким образом, что автопилот способен работать с любыми RC приемниками, использующими PPM на выходах, с любыми, гироскопами, буферами, инвертерами, экспандерами, замедлителями, микшерами и прочими устройствами на входе. Автопилот имеет 6 каналов PPM на входе, 6 выходных каналов PPM, и два управляющих канала, через которые можно управлять логикой работы автопилота в полете. При подключении автопилот не требует строгого соответствия номера канала и отведенной ему роли: канал газа можно подать на первый вход PPM, а руль направления, например, на третий. Главное при этом – использовать выходы, соответствующие входам, то есть, подключить регулятор хода к первому выходному каналу, а руль направления – к третьему.
Более того, при калибровке RC передатчика автопилот автоматически запоминает состояние входных PPM сигналов при подаче команд «крен вправо», «крен влево», «полный газ» и так далее, и использует их при стабилизации и возвращении модели домой. Фактически, автопилот самостоятельно воспроизводит и комбинирует команды, заданные пилотом при калибровке, восстанавливая и комбинируя выходы PPM согласно требуемым параметрам полета. А это означает, что автопилот в силу примененной логики без всяких проблем корректно работает с моделями с любой схемой управления, будь то летающее крыло, модель с раздельными элеронами, или, например, классика – только руль направления и руль высоты.
Помимо основной функции, возвращения модели в точку старта, автопилот имеет возможность выступать в качестве ассистента пилота. Датчики горизонта, которыми пользуется автопилот для определения текущей ориентации модели в пространстве, используются не только при спасении модели, но и в обычном полете. Щелчок на управляющем канале – и автопилот, до поры не вмешивавшийся в процесс управления, вступает в дело, и модель начинает лететь стабилизировано относительно горизонта. При этом возможность управления моделью сохраняется, но само управление – уже не «самолетное», это похоже, скорее, на руление радиоуправляемой машинкой. Стик враво, и модель кренится вправо, и, держа стабильный крен и нулевой тангаж, выполняет правый поворот. Стик на место, и модель тут же самостоятельно выравнивается и летит строго по горизонту...
Информация с датчиков горизонта – а автопилот использует инфракрасные термопарные датчики, как и многие аналогичные системы – может использоваться не только автопилотом для нужд стабилизации и определения ориентации модели. Углы крена и тангажа, и всё остальное, что знает автопилот и не знает телеметрия, может отображаться на экране телеметрии.
Автопилот и телеметрия
Автопилот smalltim разработан с учетом возможности подключения к модулю телеметрии smalltim. Точнее, модуль телеметрии подключается к автопилоту как дочерняя плата и становится его окном во внешний мир. Для того, чтобы автопилот и модуль телеметрии заработали в паре, нужно всего лишь подключить модуль телеметрии к плате автопилота, получив этакий компактный «бутерброд», и обновить прошивку модуля телеметрии с помощью двух щелчков мыши по меню Контрольной Панели.
Совместная работа автопилота и модуля телеметрии приносит обоюдную выгоду. Во-первых, автопилот получает дополнительные данные со всех датчиков телеметрии и использует их для обеспечения возврата модели домой. Во-вторых, плата автопилота забирает на себя обязанности по формированию картинки на экране телеметрии, что позволяет настраивать внешний вид и расположение всех параметров на экране через Контрольную Панель. Можно настроить все четыре экрана телеметрии под свои предпочтения и выбирать нужный экран прямо в полете.
Как это работает?
Программная начинка автопилота достаточно сложна, и для детального описания тонкостей и алгоритмов не хватит целого журнала. Но в основе работы автопилота лежит простой принцип: всегда, когда автопилот вмешивается в управление или самостоятельно управляет моделью, он стремится привести текущие углы крена и тангажа модели к требуемым углам.
Текущие углы крена и тангажа определяются непрерывно, в реальном времени, с помощью датчиков горизонта. Требуемые углы в режиме стабилизации задаются пилотом с помощью ручек элеронов или руля направления и руля высоты. В режиме самостоятельного управления моделью автопилот вычисляет требуемый угол крена по координатам модели, вектору текущей скорости и координатам точки старта. Если точка старта находится, например, слева по курсу, то автопилот выставляет крен на левое крыло, если справа – крен на правое крыло. Угол тангажа вычисляется из текущей высоты и заданной высоты: если необходим набор высоты, то автопилот требует положительный угол тангажа, а если снижение – отрицательный.
Система стабилизации отрабатывает эти команды, приводя текущие углы крена и тангажа к требуемым, и в итоге модель разворачивается в сторону точки старта и летит в направлении точки старта. Одновременно с этим модель выходит на требуемую высоту и выдерживает заранее заданную скорость или уровень газа. Подлетев к пилоту, модель начинает барражировать над пилотом до тех пор, пока он не перехватит управление моделью.
Алгоритм, используемые для системы стабилизации, лежащей в основе работы автопилота – проверенная десятилетиями и миллионами устройств идея ПИД (Пропорционально - Интегрально -Дифференциальный) регулятора. Любознательный читатель может узнать больше о ПИД регуляторах по ссылке. Автопилот smalltim использует независимые ПИД регуляторы для системы стабилизации по каналам крена, тангажа и газа, а управляющие команды для этих регуляторов в свою очередь задает или пилот, с помощью RC передатчика, или, в режиме возвращения на точку старта, сам автопилот, с помощью еще двух ПИД регуляторов - по каналам курса и высоты.
Всё это звучит сложно для начинающего FPV пилота и пугает необходимостью вникать во все тонкости настроек системы. На самом деле, управление моделью – задача со сравнительно небольшим числом неизвестных, поэтому большинство параметров задано заранее или «спрятано» от глаз пилота, и для получения максимально надежного контроля над моделью потребуется подстроить всего лишь несколько параметров, смысл которых описан в Контрольной Панели и вполне очевиден.
Вся остальная логика и внутренняя механика работы автопилота направлена только на одну цель: обеспечить максимально полный охват спектра непредвиденных ситуаций и, подхватив управление, привести модель к пилоту в случае их возникновения.
Где и когда, и что дальше?
Автопилот smalltim задуман как максимально открытая и гибкая система. Это позволяет легко наращивать функциональность как в программной, так и в аппаратной части. Программные усовершенствования могут, например, добавлять более сложные и совершенные алгоритмы управления моделью, новые варианты отображения информации на экране или новые, востребованные элементы Контрольной Панели. В аппаратной части возможно подключение любых датчиков или модулей, оснащенных логическими входами-выходами, полноценным цифровым интерфейсом I2C или выдающими аналоговый сигнал. Например, в ближайшее время можно ожидать появления таких устройств, работающих с автопилотом smalltim, как, например, наземная поворотная антенна для приема видео с модели, высокоточный цифровой вариометр или «дальнобойный» цифровой двунаправленный радиоканал для управления моделью и получения полетных данных с модели в реальном времени.
В настоящий момент тестовые образцы автопилотов проходят финальную серию полетных испытаний и одновременно с этим налаживается полноценное серийное производство. Автопилот разработан для российских FPV пилотов, и появление его ожидается в первую очередь в российских онлайн магазинах. Следите за анонсами!
Тимофей Чеблоков. smalltim@mail.ru
