FPV-мультикоптеры | Базовые определения
Вернёмся на пару десятков лет назад. Интересовались ли вы когда-либо ранее ракетным моделированием? Моделями самолётов с дистанционным управлением? Если вы похожи на сотрудников редакции , то вы не ограничиваетесь сборкой и апгрейдом ПК, а периодически перепрошиваете свой смартфон, изучаете возможности вашего автомобиля в связи с внедрением в них новых технологий и не считаете тратой времени чтение о достижениях аэрокосмической отрасли. Мало кто из нас пилотировал свой самолёт, но многие по-прежнему мечтают о том, чтобы бросить вызов закону притяжения.
Когда-то раньше кое-кто из нас собирал модели самолётов с двухтактным двигателем и корпусом из бальзы и эпоксидной смолы. Забавно наблюдать, как собственноручно собранная модель впервые отрывается от земли. Сегодня мы планируем рассмотреть современные FPV-мультикоптеры, обеспечивающие “эффект погружения” в процесс управления и имеющие широкий набор опций, заслуживающий внимания лаборатории . Настало время вспомнить о забытом хобби и выяснить, что потребуется для сборки первого самолёта с системой управления First-Person View.
Для начала раскроем некоторые определения.
FPV (First-Person View) – общий термин, который относится к летательным аппаратам с дистанционным управлением, пилотируемым с помощью видео с установленной на борту камеры. Противоположная концепция, LOS (Line-Of-Sight), предполагает, что вы управляете при помощи пульта на основе того, что видите непосредственно своими глазами на расстоянии. Каждый из двух подходов имеет преимущества и недостатки. Но очевидно, что FPV обеспечивает большую свободу с точки зрения дальности полёта, так как полёт не ограничен зоной прямой видимости. Система управления “от первого лица” может использоваться не только в летательных аппаратах, но также в лодках, автомобилях и прочих устройствах с дистанционным управлением. В рамках данного обзора мы остановимся на многовинтовых летательных аппаратах – FPV-мультикоптерах.
FPV-мультикоптерами называются летательные аппараты, имеющие более двух винтов. Самая распространённая разновидность мультикоптера – квадрокоптер – оснащена четырьмя винтами. Другие известные конфигурации – трикоптер и гексакоптер. Как правило, винты расположены симметрично и в одинаковой плоскости (горизонтально).
Мультикоптеры, в которых используется система управления FPV, классифицируются как беспилотные летательные аппараты (БПЛА) либо беспилотные системы (БПЛС). В англоязычных источниках используются, соответственно, названия Unmanned Aerial Vehicle (UAV) и Unmanned Aerial System (UAS). В просторечии чаще можно встретить названия “беспилотник” и “дрон”, хотя энтузиасты обычно избегают данных терминов, дабы дистанцироваться от больших беспилотных аппаратов, использующихся военными.
FPV-мультикоптеры | Готовая к полёту альтернатива
DJI Phantom Aerial UAV Drone Quadcopter ($479 на Amazon)
Для тех, кто не может собрать собственный беспилотник и хочет приобрести аппарат, готовый к полёту “из коробки”, отличной альтернативой представляется DJI Phantom Aerial UAV Drone Quadcopter. Он официально поддерживает установку камеры GoPro, но потоковая передача данных с камеры по каналу Wi-Fi невозможна, так как может помешать управлению с пульта ДУ.
Если вы соберётесь приобрести первый мультикоптер (и, в целом, летательный аппарат с дистанционным управлением), обратите внимание на аббревиатуру, которая отражает уровень сборки модели. RTF означает “Готов к полёту” (Ready to fly). Теоретически, открыв коробку с RTF-аппаратом, требуется лишь подключить зарядное устройство и найти место для первого запуска. Тем не менее, иногда подобная комплектация предполагает, что у вас уже есть аккумулятор и приёмник радиосигнала. В этом случае может использоваться аббревиатура ARTF, где первая буква означает almost – “почти”. Такая маркировка может означать и то, что вам не придётся покупать дополнительные принадлежности, но сборку необходимо завершить самостоятельно.
Взяв за основу вышесказанное, мы продолжим разговор о том, что потребуется для сборки мультикоптера с FPV-управлением, и рассмотрим некоторые компоненты, которые вам потребуется приобрести. Покупка комплектующих определённо означает затраты денег и времени, но возможности, которые вам откроются, поистине безграничны. Следует ли считать деньги, когда у вас появляется шанс взмыть над верхушками деревьев и, оставив километры позади, увидеть достопримечательности, о существовании которых вы даже не подозревали?
FPV-мультикоптеры | Контроллер полёта: сердце любого мультикоптера
FPV-мультикоптеры не имеют аналогов в мире радиоуправляемых моделей. Как правило, когда речь заходит об управлении моделью катера или самолёта, пилот имеет абсолютный, точный контроль над работой мотора. Нажатие на джойстик пульта приводит к пропорциональному увеличению скорости вращения винтов (в об./мин). То же самое можно сказать о работе рулей, элеронов, закрылок и других элементов конструкции, отвечающих за изменение скорости и направления движения.
Отличие многовинтовых летательных аппаратов (вне зависимости от того, достоинство это или недостаток) в том, что ни один человек не в состоянии одновременно контролировать скорость вращения трёх и более моторов достаточно точно, чтобы сохранять баланс аппарата в воздухе.
Именно здесь в игру вступают контроллеры полёта.
Полётный контроллер (Flight Controller, FC) представляет собой небольшую печатную плату, на которой распаян процессор. Его функция заключается в непосредственном управлении частотой вращения каждого мотора в зависимости от данных на входе. Поступающая от пилота команда на движение вперёд подаётся на контроллер, который определяет, как манипулировать каждым мотором, чтобы получить требуемый результат.
В большинстве контроллеров применяются датчики, обеспечивающие более точные результаты вычислений. Сложность датчиков варьируется в широких пределах: от простых гироскопов для ориентации в пространстве до барометров, отвечающих за контроль набора высоты. Может использоваться GPS-датчик, отвечающий за работу автопилота или сохранение отказоустойчивость на пути к цели. В дальнейшем мы более подробно остановимся на данном моменте.
При правильной настройке контроллера полёта команды, поступающие с пульта пилота, должны точно соответствовать поведению летательного аппарата. Контроллеры настраиваются и программируются, что позволяет корректировать их работу на различные мультироторные конфигурации. Для проверки используются пробные запросы или PID-идентификаторы, что обеспечивает быстрый и точный отклик. В зависимости от выбора контроллера полёта, предусмотрено различное ПО, позволяющие привнести собственные настройки.
Многие контроллеры обеспечивают различные режимы полёта, выбор которых осуществляется с помощью переключателя на беспроводном приёмнике. Примером трехпозиционной конфигурации может быть набор, включающий режим GPS-lock, режим поддержки уровня высоты и полностью ручной режим. Различные настройки можно применять к каждому профилю полёта, обеспечивая различные его характеристики.
FPV-мультикоптеры | Изучаем контроллеры полёта
DJI является, возможно, доминирующим игроком на рынке контроллеров для . Компания предлагает две модели:
- Naza-M Lite – высококачественный, простой в установке модуль, оснащённый GPS и защитой от отказа.
- Naza-M V2 практически ничем не отличается от базовой модели, но включает набор из нескольких дополнительных опций, таких как возможность установки карт расширения DJI (например, модуль Bluetooth). Также данная версия поддерживает работу до восьми моторов (базовая – до шести).
Контроллер полёта DJI Naza Lite
Доступны следующие режимы полёта: GPS-lock, фиксация высоты, режим ориентации (направление движения выбирается относительно точки взлёта, независимо от текущего угла летательного аппарата), а также ручной режим без стабилизации.
Контроллеры Naza – оптимальный выбор для любительских БПЛА: он обеспечивает обширный набор функций, отвечающих за лёгкость использования и относительно простую установку. Тем не менее, они могут быть не лучшим выбором для конкретного мультикоптера. Давайте узнаем, почему.
FPV-мультикоптеры | Полётные контроллеры: OpenPilot, MultiWii, ArduPilot и другие
Большинство полётных контроллеров не относится к корпоративному, серийному производству вроде Naza. Одна из многих историй успеха на рынке мультироторных контроллеров – OpenPilot, сообщество open-source- разработчиков, созданное для совершенствования алгоритмов управления полётом.
Доступны различные полётные контроллеры OpenPilot. Одним из самых популярных является CC3D. Благодаря OpenPilot, его относительно просто установить, следуя пошаговому мастеру конфигурации платы. Контроллер имеет несколько режимов полёта, включая автоматическое поддержание высоты и полностью ручной режим управления. Но контроллеру недостаёт автономных опций Naza, равно как и режима GPS-lock.
Полётный контроллер OpenPilot CC3D Lumenier Edition
Другая популярная плата – KK2. Доступная и гибкая в плане конфигурации, она вполне достойна самого пристального внимания.
Также представляет интерес MultiWii – проект ПО с открытым исходным кодом, “отколовшийся” от разработчиков ПО для сенсорного пульта игровой приставки Nintendo Wii. ПО совместимо с рядом различных аппаратных компонентов, но наибольшей популярностью пользуется плата ввода/вывода Arduino. Предполагается выбор между несколькими режимами полёта, включая удержание высоты и “зависание” (в безветренную погоду “зависает” в одной точке). Имеются выход на камеру и полноценный графический интерфейс.
На самом конце спектра находятся индивидуальные прошивки, создаваемые энтузиастами-разработчиками. Платформа Arduino – это то, что объединяет подобные кустарные разработки, а прошивки обсуждаются на специализированном форуме ArduPilot.
Несмотря на широкий выбор, когда речь заходит о выборе контроллера полёта, не существует правильного или ошибочного решения. Набор функций зависит от аппаратной платформы, которую вы используете, равно как и от ваших запросов относительно кастомизации прошивки. Сложная 8-винтовая конфигурация коптера и использование дорогостоящего видеооборудования – достаточное основание, чтобы выбрать дорогой контроллер Naza с функциями GPS-lock и защиты от сбоя. Тем не менее, небольшой квадрокоптер способен отлично справиться со своей задачей и без этих функций. Иногда предпочтение и вовсе отдаётся ручному режиму управления, чтобы получить ощущение максимального контроля над летательным аппаратом.
Для новичка заманчиво купить плату, с которой управлять полётом проще всего. Но зачастую впоследствии подобный выбор вызывает сожаление. Предпочтительно научиться управлять “беспилотником” без чрезмерной помощи со стороны лётного контроллера. Начав с небольшой настройки и режима без удержания высоты, вы сможете достичь большего, чем полагаясь на GPS-lock или аналогичный ему режим.
С учётом сказанного, мы рекомендуем остановиться на менее дорогом начальном комплекте и избегать продвинутых вариантов Naza. Мы отдали бы предпочтение CC3D, в большей мере ориентированному на ручной режим управления, но имеющему функцию удержания высоты, что делает его идеальным вариантом для обучения.
FPV-мультикоптеры | Рама и опоры: фундамент успешного полёта
Не в меньшей степени, чем надёжная электроника, в деле построения мультироторного коптера важен прочный, но лёгкий корпус. Существует великое множество конструкций рамы, различающихся по форме, размеру и материалам. Более жёсткие рамы обеспечивают лучшие лётные характеристики, так как менее подвержены деформации и искривлению. Если рама слишком хрупкая, то неизбежные на этапе обучения падения обернутся более частым ремонтом. Рама должна быть прочной и жёсткой, но, в то же время, лёгкой, чтобы мог без затруднений отрываться от земли.
Одним из наиболее распространённых материалов при изготовлении рамы для коптеров является углепластик. Очень многие физические свойства данного материала делают его идеальным вариантом для любительского беспилотника. Единственный минус углепластика в том, что он блокирует радиосигнал, а это не очень хорошо, учитывая тот факт, что при управлении задействовано сразу несколько линий связи. Тем не менее, углепластик нашёл широкое применение в данной сфере, просто следует учитывать возможность блокировки сигнала.
Рамы также могут быть изготовлены в домашних условиях из алюминия или листа базальта. Но результаты будут отличаться от изделий фабричного производства и в плане лётных качеств, и по внешнему виду.
Общим местом является интеграция цепей питания внутрь панелей рамы. Разъёмы от аккумулятора должны быть припаяны непосредственно к колодкам, встроенным внутрь материала рамы, а питание – подводиться к другим местам пайки без применения внешней проводки. Таким образом, чтобы исключить нагромождения проводов внутри каркаса, следует отдать предпочтение раме с интегрированной силовой проводкой.
DJI Flame Wheel F450 – рама с интегрированной цепью питания
Опоры также могут быть изготовлены в домашних условиях из алюминия или жёстких пластиковых труб. Тем не менее, для большинства энтузиастов предпочтительно использовать опоры заводского производства. Эти компоненты относительно недороги и легко монтируются. Поэтому они изначально рассматриваются как расходный материал в случае аварий. При аварии опоры должны разрушаться в первую очередь, предотвращая тем самым повреждения моторов или дорогой электроники внутри рамы. Вот почему опоры должны быть достаточно хрупкими, особенно при использовании на тяжёлых, сложных в управлении квадрокоптерах.
Опора DJI Flame Wheel
Опоры играют важную роль в борьбе с вибрацией, которая может вызвать целый ряд различных проблем. Полётные контроллеры, оснащённые чувствительными барометрами и гироскопами, как правило, плохо переносят непрерывную тряску. Неустойчивая к вибрациям конфигурация может привести к некорректной работе контроллера и, как результат, к падению летательного аппарата. Кроме того, вибрации необходимо исключить, если вы планируете использовать камеру на , так как в противном случае видео будет смазываться, результатом чего станет сопутствующее снижение детализации.
Если опоры, которые вы используете, недостаточно жёсткие, они могут привести к эффекту реверберации и создавать гармоники, которые передаются через корпус аппарата. С другой стороны, слишком жёсткие опоры не способны погасить вибрации от моторов, в результате чего возникает та же самая проблема. В данном случае, важно выдержать баланс между двумя данными характеристиками.
Габариты , как правило, измеряются в горизонтальной плоскости для конструкции в сборе (рама плюс опоры). Стандартно измеряется расстояние в миллиметрах от мотора до мотора через центр рамы. Если название модели включает цифры, то, вероятно, они указывают именно на такое измерение. Например, диагональ DJI F450 составляет около 450 мм, F330 – 330 мм и так далее.
FPV-мультикоптеры | Моторы и винты: подъём тяжестей
Корректная работа электроники – первый шаг на пути к полёту, но не сдвинется с места без старой доброй физики, толкающей его вверх. Ваш выбор моторов играет ключевую роль в успешности собранной конфигурации. Кроме того, на данном этапе спецификации становятся весьма запутанными. Вам предстоит проделать определённые расчёты, чтобы выбрать правильную конфигурацию для квадрокоптера. Кроме того, моторы недёшевы, что делает ещё более ответственным выбор на данном этапе конфигурации.
В настоящее время выбор моторов практически полностью ограничен так называемыми бесщёточными моделями. Они обеспечивают минимальные фрикционные потери. Цилиндрическая оболочка магнитов вращается на прецизионных подшипниках вокруг ядра, имеющего плотную и аккуратную обмотку витым проводом. Пропеллер закрепляется на вершине мотора. Многие читатели наверняка знают, как устроен электромотор, но для любителей мультикоптеров знать внутреннее устройство необязательно. При соблюдении разумной осторожности и чистке подшипников от загрязнения бесщёточные моторы порадуют вас своей надёжностью.
Бесщёточный мотор Tiger Motor MT-1306-10 Kv 3100
Моторы имеют различные спецификации, самой весомой из которых является рейтинг Kv. В данном случае Kv не означает киловольт. Это постоянная скорость вращения, отражающая количество оборотов в минуту (RPM), которые выполняет мотор, когда разница потенциалов 1 В подаётся при нулевой нагрузке – то есть количество оборотов (RPM) на вольт. Величина Kv важна, так как определяет полётные характеристики мультикоптера в зависимости от других спецификаций, таких как напряжение батареи и взлётная масса.
Также важен выбор винтов. Вариантов здесь, возможно, больше, чем у любых других компонентов, которые мы затрагиваем: материалы, размеры и цена охватывают исключительно широкий диапазон. Как правило, недорогие винты производятся с более грубыми допусками и более склонны к образованию вибраций.
В особенности это относится к относительно крупным винтам, тогда как с уменьшением их размера при сборке небольших летательных аппаратов различия играют меньшую роль. Повторимся: определённый уровень вибрации является допустимым, в связи с чем не стоит списывать со счетов менее дорогие винты. Но если вы планируете снимать с помощью качественное видео, то не следует экономить на винтах.
Воздушный винт Graupner E-Prop 8×5
Стоит отметить, что большинство воздушных винтов разрабатывалось для моделей самолётов, хотя мы встречаем всё больше винтов, оптимизированных для . Большинство энтузиастов отдаёт предпочтение марке Graupner и линейке винтов E-Prop, спроектированных для электрических моторов. Также популярностью пользуются такие марки, как Gemfan, APC, T-Motor и RCTimer.
Винты Gemfan 5×3
Следует брать во внимание три простых величины. Первая – длина. Чем выше Kv ваших моторов, тем компактнее должны быть винты. Винты небольшого размера обеспечивают более высокую скорость, но снижают эффективность. Конфигурацию с винтами большого размера (и, соответственно, моторы с более низким значением Kv) проще заставить стабильно летать, она расходует меньше энергии, позволяет поднять большую массу.
Честно говоря, лучший способ подобрать сочетание моторов и винтов – обратиться к рекомендациям производителей, если за основу был взят комплект ARTF. В противном случае можно взять за основу конфигурацию, собранную более опытными коллегами.
Вторая величина – шаг лопасти – менее важна, хотя и заинтересует более опытных энтузиастов. Размеры винта обычно указываются в формате 9×4,7 дюйма (цифры взяты в качестве примера). Первое значение относится к длине винта, которую мы только что рассмотрели. Вторая цифра – шаг, то есть расстояние, на которое винт выдвинется вперёд за один полный оборот (по аналогии с вворачиваемым в дерево шурупом). Чем больше шаг, тем выше тяга и требования к мощности мотора. Как правило, в используются винты с шагом в диапазоне от 3 до 5 дюймов. Чем меньше шаг, тем выше эффективность, но в этом случае коптер приобретает более спокойный стиль полёта.
Наконец, третья величина – размер отверстия в центре винта. Здесь всё просто: отверстие должно быть совместимо с выбранным мотором. Доступны адаптеры, позволяющие понизить размер отверстия винта. Кроме того, некоторые винты, в частности, выпускающиеся компанией T-Motor, используют систему прямого монтажа, когда воздушный винт прикрепляется непосредственно к голове мотора посредством шурупа.
FPV-мультикоптеры | Регуляторы оборотов и аккумуляторы
Электронные регуляторы оборотов (Electronic speed controller, ESC) используются во многих областях авиамоделирования. Они преобразуют сигнал для питания мотора. В каждый мотор имеет собственный ESC-регулятор, а каждый регулятор, в свою очередь, подключён к полётному контроллеру. После того как полётный контроллер определяет подключённые входы, каждый регулятор настраивает скорость вращения мотора в соответствии с режимом полёта.
Набор регуляторов оборотов TBS Bulletproof 30 A
Частота обновления ESC-регуляторов различается. Для любого , с учётом ключевой роли, которую играет баланс между несколькими моторами для обеспечения стабильного полёта, высокая частота обновления важнее, чем во многих других областях авиамоделирования.
По сути, речь идёт о программируемых микроконтроллерах, в которых за определение и выполнение задачи отвечает прошивка. В мире признанным лидером прошивок для ESC считается SimonK, создающий оптимизированные версии прошивок для мультикоптеров, лишённые ненужных функций и имеющие высокую частоту обновления (400 Гц и выше). ESC могут быть прошиты с помощью оптимизированного ПО от SimonK либо приобретаются с уже предустановленной оптимизированной прошивкой.
Другой важной характеристикой, которую необходимо учитывать, является максимальная сила тока, который подводится к каждому мотору. Как правило, для средних/крупных используются регуляторы оборотов с рейтингом 30А, а для небольших квадрокоптеров достаточно 10-12 А.
Очевидно, что это достаточно высокая сила тока, но такова природа мультикоптера. Гексакоптер средних размеров может легко потребовать 40 А на крутых виражах. Как результат, необходим ёмкий аккумулятор, способный обеспечить приемлемое время полёта.
Стандартом считаются литий-полимерные (LiPo) аккумуляторы. Относительно лёгкие, компактные и обеспечивающие высокую ёмкость, такие аккумуляторы оптимально подходят для использования в .
LiPo аккумулятор Turnigy Nano-tech (2200 мАч, 3S 35C)
Готовы к следующей подборке спецификаций? Существуют три характеристики, важные при выборе LiPo аккумулятора.
Первая – напряжение. Одна ячейка обеспечивает номинальное напряжение 3,7 В (4,2 В при полной зарядке). Каждая дополнительная ячейка, подключённая последовательно, добавляет 3,7 В к общему номинальному напряжению. Число ячеек обозначается в названии аккумулятора цифрой перед буквой S. Следовательно, для аккумулятора с маркировкой 4S, состоящего из четырёх ячеек по 3,7 В, суммарное номинальное напряжение составляет 14,8 В.
Наборы батарей LiPo имеют также C-рейтинг, отражающий максимальную скорость токоотдачи, с которой аккумулятор может быть разряжен. Набор с маркировкой 20С способен отдать ток, в 20 превышающий его ёмкость.
Наконец, третьим важным фактором является ёмкость аккумулятора. Она выражается в миллиампер-часах (мАч). Предположим, что батарея с рейтингом 20С имеет ёмкость 4000 мАч. С учётом того, что мы уже знаем о С-рейтинге, мы можем вычислить и определить максимальную отдачу энергии – 80000 мА или 80 А. Как и в случае ESC-регуляторов, максимальная отдача должна быть выше, чем суммарный расход энергии моторами.
При параллельном соединении LiPo-аккумуляторов увеличивается ёмкость, а не напряжение. В свою очередь, индикатор S в маркировке изменяется. Например, батарея с маркировкой 3S2P состоит из двух аккумуляторов по три ячейки, соединённых параллельно.
Аккумуляторы не вечны и различаются по цене. Более дорогие LiPo-батареи, как правило, обеспечивают больше циклов разрядки, чем более дешёвые. Как только аккумулятор исчерпывает свой срок службы, он превращается в бесполезный кусок пластика. Чрезмерный нагрев после использования – ещё один плохой признак.
Лучший способ продлить жизнь LiPo-аккумулятора – следовать правилу 80%. Следует избегать разряда аккумулятора более 80% от ёмкости согласно спецификации (например, не выше 4000 мАч для аккумулятора 5000 мАч).
Кроме того, проверяйте напряжение во время полёта и приземляйтесь до того, как оно снизится до 3,3 В на каждую ячейку. Напряжение падает быстрее по мере разрядки аккумулятора, и при значении 3 В на ячейку может свалиться на землю. Некоторые полётные контроллеры имеют механизм защиты, позволяющий предотвратить чрезмерную разрядку.
FPV-мультикоптеры | Видеосистемы: камеры и радиооборудование
Конфигурация летательного аппарата с системой управления FPV определяется видеосистемой на борту. Камера – ядро данной конфигурации, и существуют различные варианты, которые можно рассматривать. Некоторые энтузиасты заходят столь далеко, что устанавливают сразу две камеры. Первая из них, разумеется, служит для управления полётом. Вторая представляет собой обычную HD-камеру, которая обеспечивает высокое качество записи видео во время полёта. Великолепные видеопейзажи, снятые с квадрокоптеров, которые можно встретить в Интернете, получены не с той камеры, которая используется для управления полётом.
Всегда остаётся возможность захвата видео с FPV-камеры, используя видеовыход приёмника, но качество и управление яркостью страдает по сравнению со специализированной камерой. С другой стороны, если перед вами не стоит задача фиксировать ваши открытия на видео, есть смысл ограничиться одной камерой. Ваша конфигурация в большей мере зависит от личных предпочтений и имеющегося бюджета.
GoPro – бренд, которому отдаёт предпочтение большинство энтузиастов при выборе камеры для записи. Модель Hero3 обеспечивает высокое качество изображения, обилие опций записи и имеет компактный форм-фактор, что делает её идеальным решением для большинства конфигураций. Но всё же есть и несколько альтернативных решений. Рынок экшн-камер стремительно растёт, и сегодня не представляет проблему отыскать сходную по функциональности и размерам камеру.
Одно из интересных и не столь раскрученных решений предлагается под китайским брендом Mobius. Это компактные, доступные по цене экшн-камеры имеют достойные характеристики, хотя до уровня high-end-устройства от GoPro Mobius всё же не дотягивает. Тем не менее, китайские камеры лёгкие и отличаются простотой в установке. Не следует их недооценивать.
Экшн-камера Mobius
По сравнению с камерами для записи, FPV-камеры с CCD-матрицей обеспечивают низкий уровень контрастности и более динамичную реакцию на резкие изменения в яркости. Иными словами, они предназначены специально для того, чтобы помочь вам лучше видеть и уверенно управлять полётом . Как и многие другие компоненты, которые мы затрагивали, выбор достаточно велик. Некоторые камеры лучше приспособлены для какой-то узкой специфики, но большинство подходит для использования.
Возможно, лучшей отправной точкой могут стать рекомендации производителя. Обратите внимание на количество ТВ-линий, которое фактически означает разрешение. Большее число линий означает более высокое качество, хотя и при большей стоимости.
FPV-камера TBS 59
Все FPV-комплекты по своей природе включают камеру и передатчик, а приёмник и дисплей находятся на земле. Видео транслируется через радиосвязь. В определённых границах вы можете выбирать частоты, на которых осуществляется трансляция, что абсолютно необходимо с точки зрения сохранения жизнеспособности вашего оборудования: и с целью увеличения дальности полёта, и по причине того, что разные материалы по-разному пропускают радиоволны.
Обратите внимание, что мы говорим о радиочастотах во множественном числе. Мультикоптеры с управлением FPV используют одну частоту для передачи видео, а другую – для команд управления. Не получится ограничиться одной частотой, так как в этом случае будут наблюдаться взаимные помехи.
Аудиовидеопередатчик ImmersionRC (5,8 Гц 600 мВт)
Более низкие частоты гораздо лучше проникают через препятствия и требуют меньше энергии для передачи на одно и то же расстояние. Вы обнаружите, что низкие частоты зарезервированы с учётом того, что приоритет имеют дистанция и проникающая способность радиосигнала, который служит для управления (а не видеопотока). Более высокие частоты имеют несколько преимуществ: небольшой размер антенны, более высокая резкость транслируемого изображения и, в некоторых случаях, доступность частотного диапазона.
Наиболее часто FPV используют следующие частоты: 900 МГц, 1,2 ГГц, 1,3 ГГц, 2,4 ГГц и 5,8 ГГц, причём последние два варианта выбирают наиболее часто. Другие частоты также могут использоваться, но редко можно найти “железо”, которое бы их поддерживало.
FPV-мультикоптеры | Видеосистемы: антенны и очки
Работа FPV-оборудования обеспечивается за счёт сочетания энергии передатчика (в мВт) и антенны, причём последняя играет на удивление весомую роль. Выбор антенны зависит от формы радиоволны. Как правило, выбирать приходится между линейной антенной и антенной с круговой поляризацией (Right-Hand Circular Polarized – RHCP или просто CP). Круговая поляризационная антенна позволяет снизить помехи, вызванные несколькими каналами передачи. Принцип работы у неё точно такой же, как у поляризационных очков, блокирующих отражённый свет. Поляризационная антенна блокирует сигнал, который был “отражён” и поступает с запозданием.
Плоская трёхлепестковая антенна типа “Лист клевера” с круговой поляризацией (RCHP) для диапазона 1,3 ГГц
Во-вторых, антенны бывают либо открытыми, либо направленными. Разница между ними очевидна. Направленные антенны имеют разную форму, в частности:
- “Яги” – также известна как “волновой канал”, состоит из расположенных вдоль линии параллельно друг другу активного и нескольких пассивных вибраторов.
- Патч-антенна – состоит из плоского металлического лепестка.
- Спиральная антенна.
Такие антенны имеют различный уровень направленности, который измеряется в децибелах. Направленные антенны используются в приёмнике, а не в передатчике.
Спиральная антенна RHCP 12 дБ для диапазона 5,8 Гц
Чем выше уровень дБ у антенны, тем более направленной она является. Направленные антенны, очевидно, должны быть постоянно направлены в сторону летательного аппарата, что несколько ограничивает ваши возможности. Для автоматического панорамирования и наклона антенны могут использоваться антенные трекеры, но это опция для комплекта премиум-класса.
Приёмники (кратко Rx) почти столь же важны как передатчики (Tx). Разница между приёмниками относительно невелика, хотя некоторые оснащаются резонансными фильтрами, чтобы снизить помехи, приходящие с близких частот. Обязательно удостоверьтесь, что карта каналов вашего приёмника соответствует передатчику. Как можно увидеть далее, в некоторых случаях приёмники встроены в устройства вывода изображения.
Последняя важная часть FPV-комплекта – дисплей, который может быть представлен либо монитором, либо очками. Пригодятся мониторы для ПК, хотя также существуют видеостанции, специально приспособленные для данной задачи.
Хорошо себя зарекомендовала на рынке видеоочков для FPV компания FatShark. Модель Dominator от FatShark (которая скоро должна быть заменена Dominator V2 с более высоким разрешением) представляет собой почти безупречную систему, оснащённую модульным отсеком для датчика отслеживания поворота головы либо встроенного приёмника.
FPV-видеоочки FatShark Dominator
Преимуществом очков над монитором является эффект полного погружения. Хорошие очки блокируют дневной свет и, независимо от интенсивности дневного освещения, изображение, которое вы наблюдаете, хорошо видно и избавлено от бликов. Опыт напоминает просмотр полёта со среднего ряда пустого кинотеатра.
FPV-мультикоптеры | Системы управления
Вторая радиосистема на – это, конечно же, система управления. Нам вновь потребуются передатчик и приёмник, но в данном случае выбор частоты играет ещё большую роль. В целом, для систем управления доступно меньшее количество частот. Чаще всего используется частота 2,4 Гц, хотя в прошлом популярностью также пользовались диапазоны 35 МГц и 72 МГц. Радиочастотный диапазон UHF (ultra high frequency), включающий частоты от 300 МГц до 3 ГГц, становится всё более популярным, и далее мы поясним, почему это так.
Модульный передатчик Turnigy 9XR
Передатчики доступны в виде единого блока либо, реже, в виде передающего модуля. Если вы покупаете отдельно оболочку передатчика, ручки и переключатели без радиооборудования, то вам потребуется отдельный передающий модуль. Энтузиасты, имеющие несколько моделей, задействующих разные частоты, часто видят целесообразным именно такой подход, так как он позволяет легко заменять модули. Turnigy 9XR – пример качественного, недорогого модульного передатчика.
Передающий модуль OrangeRX 2,4 ГГц
Решение о выборе частоты для системы управления подчиняется тем же принципам, что и в случае с видео. Радиоволны лучше проникают сквозь препятствия на более низких частотах, но одна и та же частота не может использоваться и для FPV, и для системы управления. Кроме того, лучше избегать пересечения гармоник – также из-за риска получить помехи. Например, видеосигнал на частоте 1,2 ГГц будет конфликтовать с сигналом системы управления на частоте 2,4 ГГц, так как радиоволны имеют пересекающиеся точки.
При выборе передатчиков обращайте особое внимание на количество каналов, которые они предлагают. Для каждой манипуляции необходим уникальный канал. Для пилотирования требуются как минимум четыре канала: throttle (“газ”), yaw/rotation (поворот по/против часовой стрелки), pitch (вперёд/назад) и roll (влево/вправо). Для каждого режима полёта, управления стабилизатором и подсветкой задействуется дополнительный канал. Для большинства полётных контроллеров рекомендуются задействовать восемь каналов, хотя понятно, что чем больше каналов обеспечивает передатчик, тем шире ваши возможности для кастомизации или апгрейда.
На другом конце системы управления находится приёмник, работающий на соответствующей частоте. Конечно, количество каналов приёмника должно соответствовать передатчику, если вы хотите задействовать все доступные функции. Каждый канал имеет отдельный выход, который подключён к кабелю сервопривода соответствующего органа управления. Чтобы обеспечить управление полётом , на приёмнике должны быть предусмотрены не менее четырёх выходов.
Шестиканальный приёмник Spektrum AR6260 для частоты 2,4 ГГц
Существует два протокола для передачи сигнала. Первый и более традиционный – импульсно-кодовая модуляция (Pulse-Code Modulation, PCM) – стандартная аналоговая передача “один к одному”. Она остаётся доступной и популярной. Но всё чаще энтузиасты выбирают альтернативу – импульсно-позиционную модуляцию (Pulse-Position Modulation, PPM). При использовании PPM несколько входов кодируется и передаётся через один канал. Такой подход позволяет упростить конфигурацию системы управления и одновременно задействовать большее число каналов. Обе схемы имеют право на существование, и ни одна не считается более правильной, чем другая. Однако не все передатчики/приёмники поддерживают PPM.
Более современные решения в диапазоне UHF, о которых мы упоминали ранее, принципиально подобны другим системам управления. Тем не мерее, они работают в диапазоне частот (обычно от 130 до 135 МГц) и используют смену каналов, чтобы поддерживать как можно дольше стабильное соединение. Как правило, UHF-передатчики размещаются во внешних корпусах, прикреплённых к обычному передатчику с помощью специального порта. С учётом использования низких частот и относительно высокой энергии передачи, UHF-системы стали стандартом для использования на большой дистанции, охватывая несколько километров и относительно легко проходя через препятствия.
Передатчик ImmersionRC EzUHF
Существуют различные марки UHF-оборудования, например, DragonLink и ImmersionRC EzUHF. Все они обеспечивают одинаковую функциональность, хотя некоторые имеют лучшую совместимость с определёнными передатчиками. Вы можете потратить больше на UHF-систему, но ничего не добавить к вашему опыту полётов. Данная технология неактуальна в том случае, если вы планируете пилотировать на небольших площадках. Кроме того, передатчики с более низкой мощностью позволяют соблюсти баланс и исключить конфликт между радиосистемами.
FPV-мультикоптеры | Мечты о полёте сбываются!
Как вам, возможно, уже известно из просмотра видео на YouTube, пилотирование квадрокоптера с системой управления FPV является достаточно сложной задачей, но доставляет массу удовольствия. Вы можете начать с малого и перейти к более серьёзным летательным аппаратам, оттачивая своё мастерство. Это очень похоже на процесс разгона “железа” для ПК.
Прежде чем инвестировать в свой первый , имейте в виду неизбежность аварий, особенно в период обучения. Даже у опытных пилотов бывают аварии, так как они расширяют границу полёта и иногда пересекают её. Аварии – существенная часть данного хобби, и её нужно принять. Можно осторожно летать в стабилизированном режиме, чтобы свести к минимуму ущерб в течение длительного отрезка времени. Но такой подход лишает вас значительной части удовольствия от полёта, что важно для большинства пилотов.
Кроме того, безаварийность полёта квадрокоптера зависит от погодных условий. При сильном ветре шанс потерять контроль над летательным аппаратом многократно возрастает. Дождя также следует избегать, поскольку, не имея специальной защиты, электроника может выйти из строя.
Квадрокоптер TBS Discovery для полётов на дальние дистанции
Как мы уже отмечали, вибрация является одним из главных врагов . Минимизация вибрации достигается путём проб и ошибок. Источник вибрации – это, главным образом, моторы и винты. К счастью, путём шлифования лопастей винта можно сбалансировать его массу. Также можно сбалансировать и массу моторов, прикрепив кусочек изоленты на одну из сторон летательного аппарата. Кроме того, можно изолировать камеры от вибрации, используя поглощающие материалы. Хорошо показали себя в этом деле обычные беруши, но доступны и более специализированные решения для данной задачи.
Также остаются вопросы, связанные с правовым статусом беспилотных аппаратов, неприкосновенностью частной жизни, коммерческим использованием и безопасностью. Все они должны приниматься во внимание, особенно вопрос безопасности. Вращающиеся лопасти могут оставить человека без пальца, не говоря о том, что мультиротор мчится по воздуху со скоростью около 50 км/ч. Пилот обязан предпринять все меры, чтобы избежать нанесения травм окружающим.
С точки зрения закона, правила любительского использования беспилотных летательных аппаратов до сих пор нигде не прописаны. Если обратиться к зарубежному опыту, то Федеральное управление гражданской авиации США (Federal Aviation Administration, FAA) и Управление гражданской авиации (Civil Aviation Authority, CAA) Великобритании требуют, чтобы БПЛА летал на расстоянии менее 500 метров от оператора, в 50 метрах от любого случайного человека или здания и не поднимался на высоту свыше 400 футов (122 метра) от земли. Тем не менее, нам не известен ни один случай судебного разбирательства в упомянутых странах, связанный с нарушением установленных ограничений. Подобные законы действуют и в некоторых других странах. Так или иначе, пока пилотирование остаётся вашим хобби, вы вряд ли столкнётесь с интересом со стороны чиновников и органов правопорядка.
Существуют также законы, касающиеся использования радиочастотных диапазонов. Если вы приобретаете сертифицированное радиооборудование, руководство пользователя должно содержать указания на диапазон, разрешённый для использования в любительских целях.
Недавно Федеральное управление гражданской авиации США пыталось привлечь к ответственности одного из наиболее известных и уважаемых энтузиастов Рафаэля Пикёра (Raphael Pirker), известного под псевдонимом Trappy (“Опасный”) из команды BlackSheep за коммерческое использование дрона и “опасные” действия. Но в этом случае суд США признал законы FAA устаревшими и постановил, что эти законы не могут применяться к любительскому БПЛА.
Команда BlackSheep в Лондоне
FPV-мультикоптеры | Теперь дело за вами
Мы надеемся, что данная статья поможет читателям определиться с конфигурацией собственного мультикоптера и пилотированием с помощью FPV-системы. Хотя по мере обучения всё покажется значительно проще, первый полёт, возможно, является самым сложным шагом для новичка. Как только ваш коптер окажется в воздухе, навыки начнут стремительно улучшаться.
Есть множество вариантов стартового комплекта на выбор. Однако чтобы упростить себе задачу, можно остановиться на ARTF-комплекте или самостоятельно собрать небольшой квадрокоптер. Они, как правило, более долговечны и способны выдержать аварии на первых этапах. Меньший размер означает более простое управление и более высокую отзывчивость на ваши команды. Подходящими вариантами с учётом данных требований являются QAV 250 или недавно представленный Blackout Mini H Quad, оба из которых предназначены для аркадных полётов. В качестве более спокойного стартового комплекта можно выбрать несколько более компактную раму, например, DJI Flame Wheel F450.
YouTube – отличный инструмент для изучения рынка. Здесь вы можете найти качественные видеозаписи полёта для каждого типа . В конечном итоге, всё сводится к личным предпочтениям. Вы сами распоряжаетесь бюджетом, и сами будете пилотировать аппарат. Данный рынок быстро растёт, и на нём регулярно появляются инновационные продукты. Помимо удовольствия от FPV-пилотирования, для мультикоптера существует множество других областей применения. Независимо от вашей мотивации в выборе хобби, FPV представляет собой поистине захватывающее времяпрепровождение, которое ещё только предстоит открыть широким массам.
Серверное побережье Корнуэлла (Англия), недалеко от г. Ньюквей
