Классификация полетных контроллеров на беспилотных авиационных системах

Введение. Современные беспилотные авиационные системы (БАС) широко применяют электроприводы и микроэлектронику. В большинстве случаев полеты полностью автоматизированы, при этом ключевую роль выполняет полетный контроллер [1]. Это устройство, представляющее собой вычислительную систему, использует сложные алгоритмы для управления полетом дрона. Выбор подходящего полетного контроллера имеет критическое значение для конфигурации и безопасности дрона, а также для минимизации возможных экономических рисков.

Согласно определению Воздушного Кодекса Российской Федерации (ВК РФ), беспилотная авиационная система (БАС) - комплекс взаимосвязанных элементов, включающий в себя одно или несколько беспилотных воздушных судов (БВС), средства обеспечения взлета и посадки, средства управления полетом одного или нескольких БВС и контроля за полетом одного или нескольких БВС [2]. Это включает в себя как крупные аппараты, наподобие опрыскивающего агродрона DJI Agras T30, так и маленькие, такие как дистанционно управляемые воздушные аппараты [3]. БВС варьируются от радиоуправляемых модельных самолетов, вертолетов до мультироторов, что позволяет классифицировать их по нескольким критериям.

Дроны классифицируются по параметрам производительности, таким как вес, размах крыльев, нагрузка, дальность полета, высота полета, скорость, время полета и стоимость производства [4]. Кроме того, дроны подразделяются на модели самолетного типа с фиксированным крылом и мультироторы с лопастными пропеллерами в зависимости от того, как обеспечивается поддерживающая сила [5]. Федеральное агентство воздушного транспорта (Росавиация) классифицирует беспилотные авиационные системы в зависимости от весовых категорий в соответствие с постановлением Правительства РФ от 19.03.2022 N 415, от 12.08.2022 N 1407 определившим порядок государственного учета беспилотных гражданских воздушных судов и их граничные значения 0-0,15 кг и 0,15 – 30 кг максимальной взлетной массы (что идентично 25 кг массы конструкции) [6-7]. Европейское агентство по безопасности воздушной авиации (EASA) классифицирует беспилотные воздушные суда в зависимости от весовых категорий, соответствующих кодам дронов, предложенное в начале 2020 года [8].

Дроны, собранные самостоятельно и весом до 150 г, могут использоваться без регистрации, если дрон представляет собой игрушку или не оснащен камерой [9-10]. В соответствие с постановлением правительства РФ от 12.08.2022 N 1407 об государственном учете беспилотных воздушных судов осуществляемым Федеральным агентством воздушного транспорта (Росавиация) [11-13]. Остальные дроны должны быть зарегистрированы, и пилот должен успешно сдать экзамены [14].

В данной исследовательской работе рассматриваются дроны с четырьмя вращающимися лопастями или пропеллерами, для которых подходит весовая категоризация.

Цель исследования – обзор основных параметров управления полетом БАС. Методология выбора наиболее популярных решений (для выбранных размеров БАС).

Материалы и методы исследования

В работе применялись методы литературного обзора, проведение экспертного интервью, эмпирические тесты, обработка данных с использование статистического метода и сравнительный анализ характеристик и результатов тестирования различных полётных контроллеров. Материалами исследования являлись определение и описание различных типов беспилотных летательных аппаратов, на которых используются полетные контроллеры, обзор доступных полетных контроллеров, их технические характеристики и функциональные возможности и анализ технических документов, инструкций и спецификаций по каждому типу полетных контроллеров.

Результаты и обсуждение.

Полетные контроллеры и датчики. Одной из основных задач полетного контроллера заключается в выполнении расчетов с использованием пропорционально-интегральнодифференциального (ПИД) регулятора и выдаче управляющего сигнала. Эффективность вычислений ПИД зависит от рабочей частоты процессора полетного контроллера, причем стабильность дрона также зависит от производительности процессора [15].

В полетных контроллерах применяются микроконтроллеры с различными архитектурами, такими как 8015, AVR, PIC или ARM. Arduino, основанный на микроконтроллере AVR. AVR является наиболее популярным в настоящее время и ориентирован на использование программного обеспечения MultiWii. Микроконтроллеры PIC производятся компанией Microchip, в то время как архитектура ARM широко распространена в продуктах таких компаний, как Apple Inc., Broadcom, Intel, Microsoft, Qualcomm, Texas Instruments и др. Эта популярность обусловлена использованием 16/32-битных микроконтроллеров, в то время как PIC и AVR являются 8/16-битными. Микроконтроллеры STM32 от компании STMicroelectronics с архитектурой ARM широко используются в БАС.

Наиболее популярными сериями являются F1, F3, F4, F7 и H7. Основные характеристики этих микроконтроллеров, такие как тип и объем памяти, предназначенный для хранения прошивки, представлены в таблице 1. Важно отметить, что этот объем памяти предназначен исключительно для прошивки и не используется для сохранения журнала полетов [16]. Производители полетных контроллеров стремятся увеличить функциональность устройства для достижения конкурентного преимущества, что становится невозможным с применением устаревших микроконтроллеров.

Таблица 1 – Список и сравнение микроконтроллеров

Серия микроконтроллера	№	Краткое описание серии	Тактовая частота, МГц	Количество входы /выходы	ОЗУ, Кб
	F1	Серия F1 MCU была выпущена в 2007 году. Именно с этих MCU началась эра полетных контроллеров. NAZE32 был первым полетным контроллером, основанным на STMF103 и прошивке Baseflight. В настоящее время этот микроконтроллер устарел, так как в 2017 году поддержка Betaflight для микроконтроллеров F1 была прекращена.	72	2	128
ЬкДНИс,	F3	Серия микроконтроллеров F3 была выпущена в 2012 году. F3 практически pin-to-pin совместимы с STM32 серии F1. Более высокая тактовая частота	72	3	256
		позволяет выполнять циклы в 2 раза чаще, чем микроконтроллеры предыдущего поколения F1. В настоящее время этот микроконтроллер является устаревшим, так как поддержка F3 микроконтроллеров компанией Betaflight была прекращена в 2017 году.
lit । ■ппап
	F4	Серия F4 MCU была выпущена в 2011 году. Таким образом, микроконтроллеры F4 фактически были выпущены раньше F3. Они имеют несколько более высокую тактовую частоту, что позволяет выполнять циклы с частотой до 32 КГц.	100-168	2-5	512 1024
ИЛИР
’ЛпР^ Дг
му	F7	Серия микроконтроллеров F7 была выпущена в 2014 году. F7 совместимы по выводам с STM32 серии F4. Наиболее популярный микроконтроллер STM32F722RET6 имеет 512 Кб флэш-памяти, 128 Кб оперативной памяти и 5 аппаратных UARTS.	216	5-6	512 2048
	H7	H7 - новейший микроконтроллер, выпущенный в 2017 году. Он был разработан как более быстрая и экономичная альтернатива серии F7. Серия H7 дешевле серии F7 за счет уменьшения объема внутренней флэш-памяти (вместо нее используется дешевая внешняя память).	480	5-7	128

Интеграция программируемого блока задержки (PDB) и электронного регулятора скорости (ESC) может осуществляться на уровне платы полетного контроллера. Существует два метода интеграции: установка компонентов на одну плату с полетным контроллером или размещение компонентов один над другим. В обоих случаях название контроллера может содержать символ AIO (all-in-one), указывающий на наличие PDB и/или ESC. PDB служит для эффективного распределения энергии с нужным уровнем напряжения по различным подсистемам дрона [17]. В случае наличия видеооборудования у дронов, наиболее подверженного воздействию других электронных устройств, для дронов малого размера PDB интегрирован в полетный контроллер. Однако, для крупных дронов рекомендуется рассмотреть отдельную плату распределения тока, способную обеспечивать потребление до 100А при полной мощности. В отличие от PDB, ESC обычно представляет собой отдельный компонент, и использование интегрированного ESC не рекомендуется. Тип и производительность ESC зависят от электродвигателей, размера винта и аккумулятора. Существует два типа ESC - одномоторные и многомоторные, поэтому помимо необходимой способности контроля тока также следует учесть общую конструкцию дрона.

В БАС используют датчики гироскопа, такие как MPU6000 и ICM20602, для измерения угловых скоростей. Частота обновления MPU6000 составляет 8 кГц, в то время как ICM20602 может достигать 32 кГц. Высокая частота позволяет более точное управление, однако ICM20602 более чувствителен к помехам. Система глобального позиционирования (GPS) применяется для программного управления маршрутом и поиска дрона. Компас интегрируется с GPS для повышения точности позиционирования. Барометр, встроенный по стандарту в контроллеры F7, обеспечивает достаточную точность для поддержания высоты [18]. Управляющий сигнал для электродвигателей вырабатывается в виде сигнала модуляции ширины импульса (PWM) и поступает на регулятор скорости (ESC). Функция черного ящика позволяет записывать параметры полета на SD-карту или во внутреннюю память дрона. Эти данные используются для анализа полета и улучшения алгоритмов ПИД. Звуковой сигнал и светодиоды используются для определения местоположения упавшего дрона. Акустический сигнал повышает вероятность обнаружения, а светодиоды служат в качестве индикатора работы.

Выбор полетного контроллера. Основной функцией полетного контроллера является управление регулятором оборотов двигателей. ПИД-регулятор обеспечивает заданное направление движения и устойчивость полета. Сегодня большинство полетных контроллеров могут выполнять алгоритм ПИД-регулирования с достаточным быстродействием.

Вес — критически важный параметр для всех БАС. Основными факторами, определяющими вес, являются размер рамы, электронные модули и винты. Вес полетного контроллера начинается от четырех граммов и достигает отметки в сотню граммов с дополнительными радиаторами и другими охлаждающими приспособлениями. Полетных контроллер (ПК) может быть установлен в отдельном корпусе (например, Pixhawk 2.1), но такое решение обычно является декоративным и только увеличивает общий вес, не улучшая устойчивость к погодным условиям системы [19]. Размеры ПК также могут определять размер рамы дрона. Важным измерением в этом случае является расстояние между отверстиями для установки. Исходя из литературного исследования и анализа рынка, наиболее распространенные расстояния между отверстиями для установки (в мм) — 30,5×30,5, 20×20 и 16×16 для горизонтальной установки, а также 25,5×25,5 для установки на раме c поворотом относительно горизонтальной оси на 45 градусов. В зависимости от производителя, допустимым отклонением от расстояния между отверстиями может быть полмиллиметра.

Программное обеспечение играет ключевую роль, так как стабильность, функциональность и отказоустойчивость дрона зависят от возможностей программного обеспечения. Существует множество различных программных решений для ПК. Однако разработки в этой области изменчивы, и несколько программ больше не разрабатываются или развиваются медленно. Кроме того, программное обеспечение имеет различные типы лицензий, которые могут накладывать ограничения на пользователей. Таблица 2 содержит список наиболее распространенного бесплатного программного обеспечения и поддерживаемого им функционала.

Таблица 2 – Наиболее распространенное программное обеспечение

Программное обеспечение	Автопилот	Коммуникация	Отказоустойчивость	Дополнительные функции
CleanFlight	sph, swp	sb, ib, sd, sh, pm, pw, cf, jeb, ds, xbu, fs, sp, ht, lt, ml, sl, msp	c2k, bvw	g, bm, dl, rth, hf, ts, at
BetaFlight	sph, swp	sb, ib, sd, sh, pm, pw, cf, jeb, ds, xbu, fs, sp, ht, lt, ml, sl, msp	c2l, c2k, bvw	g, bm, dl, rth, hf, ts, at
INAV	fm, swp, sph	sb, ib, sd, sh, pm, pw, cf, jeb, ds, xbu, fs, sp, ht, lt, ml, msp	c2l, c2k, bvw, c2rl	g, at, bm, dl, rth, at
ArduPilot	svnf, sph, swp	sb, pm, ds, fs, ml	ar, sw, apr, sc, c2rl, c2l, c2k, bll, gf	g, rlg, loa, bm, rth
PX4	sph, swp, fm	sb, sd, ds, fs, sp, ht, ml, ir	gf, c2k, c2l, c2rl, sc, apr	g, rth, bm, dl, rlg, loa

Рассмотрим подробнее каждую из функций:

Автопилот: sph (удержание позиции относительно спутника) эта функция позволяет дрону удерживать свою позицию, используя данные о положении от спутников. Swp (навигация по точкам) позволяет дрону следовать заданному маршруту, проходя точки в определенном порядке. Fm (слежение) предоставляет функциональность для слежения за объектом, следуя за ним. Svnf (навигация по стереозрению) использует стереозрение для навигации, что позволяет дрону лучше ориентироваться в пространстве.

Коммуникация: sb (SBus), ib (iBus), sd (SumD), включая - SumH, pm (PPM), pw (PWM), cf (CRSF), или - JetiExBus, ds (DSM), xbu (XBUS), fs (FrSky), sp (SmartPort), ht (HoTT), lt (LTM), ml (MavLink), sl (SRXL), msp (Multiwii sequence protocol), и - Iridium SBD: Представляет различные протоколы связи и стандарты, которые могут использоваться для управления дроном и передачи данных.

Отказоустойчивость: Ar (поддержка ADS–B) поддержка автоматического вещания зависимого наблюдения, что повышает безопасность воздушного движения. C2l (посадка при потере связи), c2rl (возвращение домой при потере связи с пультом управления), c2k (отключение питания двигателя при потере связи с пультом) функции, обеспечивающие безопасные процедуры при потере связи между дроном и пультом управления. Bvw (предупреждение о низком заряде батареи), apr (автоматический парашют), sw (переключатель опасности для напряжения на двигателе), bll (посадка или возвращение домой при низком напряжении батареи), gf (геотара), sc (начало проверки датчика).

Дополнительные функции: g (стабилизатор камеры - гимбал), rth (возврат домой), bm (мониторинг батареи), dl (функция черного ящика), hf (полет по фиксированному маршруту), ts (поддержка транспондера), at (автоматическая установка PID), rlg (поддержка ретракторного шасси), permission (разрешение). Дополнительные функции, такие как стабилизация камеры, возврат к точке взлета, мониторинг заряда батареи, запись данных о полете, автоматическая настройка PID, поддержка ретракторного шасси и другие [20].

Эти функции предоставляют различные возможности для настройки и управления беспилотным летательным аппаратом в зависимости от его целей и задач. Программное обеспечение BetaFlight является наиболее широко используемым для FPV (First Person View) дронов [21]. Cleanflight вырос из BetaFlight и имеет преимущество в упрощенном коде. Однако скорость разработки программного обеспечения CleanFlight замедлилась, и в долгосрочной перспективе следует использовать программное обеспечение BetaFlight. ArduPilot является самым простым и надежным программным обеспечением для автопилота в мире хобби [22-23]. Возможен переход с программного обеспечения BetaFlight на CleanFlight или INav, но для этого требуется дополнительная поддержка программного обеспечения для ПК.

Таблицы сравнения для полетных контроллеров в БАС. Исходя из классов БАС, полетные контроллеры могут использовать дополнительные функции. Таблицы в данной главе основаны на предположении, что более крупногабаритным дронам (до 30 кг) требуются больше функций и датчиков, чем малогабаритных (до 150 гр.). Поэтому невозможно предложить систему оценки для выбора контроллера полета, так как цели конструкторов дронов различны [24-25].

Механические параметры контроллеров для дронов приведены в таблице 4. Контроллеры, представленные в таблицах 3 и 4, являются выбором наиболее популярных моделей для дронов данного размера. Таблицы не рекомендуют конкретный контроллер, но обеспечивают быстрый выбор полетного контроллера.

Столбец распределения тока в таблице 3 описывает способность полетного контроллера управлять током БАС. Например, если указано ESC 13A, это означает, что контроллер способен управлять током до 13А. Если указано 5V2A, это указывает на регулятор тока с выходом 5В2А.

Таблица 3 – Сравнение микроконтроллеров, распределение тока, программного обеспечения и дополнительные функции в полетных контроллерах

Название	Микроконтроллер	Распределение тока	Программное обеспечение	Дополнительные функции
С микроконтроллерами серии F4
HGLRC FD413 stack	STM32F411	ESC 13A; 5V2A	BF	g, osd, SBUS, PPM, DSMX, IBUS
BetaFPV Toothpick F405	STM32F405	ESC 20A	BF	g, osd, SBUS,DSMX, Frsky XM/XM Futaba/Flysky; TBS Crossfire /DSMX.
Happymodel Crazybee F4	STM32F411	ESC 5A; 5V1A	BF	g, osd, VTX, Frsky/Flysky, us.

BETAFPV F4 1S AIO	STM32F411	ESC 5A	BF	g, osd, VTX, Frsky/Futaba.
JHEMCU GHF411 Pro 35A	STM32F411	ESC 35A;9V2A; 5V2.5A	BF, INAV	g, osd, SBUS, IBUS, DSM2, DSMX, TBS, BB 8Mb, cs
С микроконтроллерами серии F7
CL Racing F7 V2.1 Dual	STM32F722	5V3A;3.3V0.25A	BF	2 x g, osd, 6 x UART, bb 32Mb, BFB
Holybro Kakute F7 HDV AIO	STM32F745	5V1.5A;8V2A	BF	g, b, 6 x UART, SBUS, iBus, Spektrum, Crossfire, bb TF card, PDB, SCL/SDA GPS
Diatone Mamba F722 APP 60A	STM32F722	ESC60A;9V3A;5V3A; 3.3V0.5A	BF; INAV	g, 6 x UART, SBUS, TBS, IBUS, DSM, BFB
HolyBro Kakute F7 HDV	STM32F745	5V1.5A;8V2A	BF;CF	g, b, 6 x UART, SBUS, iBus, Spektrum, Crossfire, bb TF card, PDB, SCL/SDA for GPS
Matek F722-SE AIO	STM32F722	5V2A;3.3V0.2A	BF; INAV	2 x g, b, 5 x UART, bb SD card, I2C, CC, SBUS, IBUS, DSM, CS, osd
С полетными контроллерами закрытого типа шифрования для серийного производства
Название	Микроконтроллер	Программное обеспечение	Входы/ выходы	Дополнительные функции
Hex Pixhawk 2.1 – The Cube Orange Standard Set + ADS-B	STM32H753VIT 6; STM32F100	PX4, Ardupilot	1 x I2C, 14xPW M, PPM, SBUS, DSM	3 x g, c, 2 xb, autopiloot, ADS-B vastuvхtja, IMU soojendus, tхrkekindel MCU, toetab 2x GPS
Holybro Pixhawk 4 Autopilo t	STM32F765; STM32F100	PX4, Ardupilot	3 x I2C, 16xPW M, 7xUART	2 x g, c, b, autopiloot, BB SDcard
Raspberry PI accessory board Navio 2*	Cortex-M3 RC I/O co-processor	Ardupilot	1 x I2C, 12xPW M, 1xUART, PPM, SBUS	2 x g, GPS, b
Veronte 1x autopilot	-	Veronte software	-	Veronte
DJI N3	-	DJI software	-	DJI Lightbridge 2, DJI DR16, SBU

Таблица 4 – Размеры, масса и тип батарее полетных контроллеров

Название	Расстояние крепежных отверстий, мм	Масса , гр	Тип батарее
С микроконтроллерами серии F4
HGLRC FD41 Stack	16 x 16	9	2-4 S
BetaFPV Toothpick F405	26 x 26	5.8	2-4 S
Happymodel Crazybee F4 Lite	26 x 26	4.5	1 S
BETAFPV F4 1S AIO	29 x 29	3.9	1 S
JHEMCU GHF411 Pro 35A	25.5 x 25.5	6.3	2 - 6 S
С микроконтроллерами серии F7
CL Racing F7 V2.1 Dual	30 x 30	9.5	< 8S
Holybro Kakute F7 HDV AIO	30.5 x 30.5	10	< 6S
Diatone Mamba F722 APP 60A	30.5 x 30.5	30.7	3-6 S
HolyBro Kakute F7 HDV	30.5 x 30.5	8	< 6S
Matek F722-SE AIO	30.5 x 30.5	10	2 - 8 S
С полетными контроллерами закрытого типа шифрования для серийного производства
Hex Pixhawk 2.1 - The Cube Orange Standard Set + DS-B	94,5 x 44,3 x 31	73	4.1- 5.7V/2.5A
Holybro Pixhawk 4 Autopilot	44 x 84 x 12	33.3	6V
Navio 2	55 x 65	23	4.75- 5.25V
Veronte 1x autopilot	63 x 39.6 x 67.9	190	3-12S
DJI N3	57,9 x 39 x 17 мм	226	3-12S

Основным условием для полетных контроллеров является устойчивость к сбоям, функциональность и многозадачность. При выборе критически важных систем необходимо общаться с разными производителями для предложения правильного решения в соответствии с приложением и требуемыми возможностями. У БАС с высокой устойчивостью к сбоям важна экосистема полетного контролера и других компонентов.

Вывод

Задача проектирования БАС далека от тривиальной, поскольку для различных приложений существуют различные требования, которые определяют размер и спецификации дрона. Полетный контроллер выбирается тщательно, так как он ответственный за функциональность всей системы. В данной статье производится сравнение выбранных полетных контролеров, подходящих для трех различных серий микроконтроллеров.

Промышленные контроллеры используются для больших дронов и решения производственных задач по мониторингу, фотограмметрии, съемки местности и др. Поскольку они обладают системами отказоустойчивости, поддержкой дополнительных датчиков, имеют корпуса для защиты электроники от внешнего воздействия окружающей среды.

Касательно рекомендаций по выбору полетного контроллера, можно отметить, что рекомендуется придерживаться продукции известных производителей, которые гарантируют качество продукта. Более того, техническая поддержка известного производителя, как правило, лучше и более точна. Кроме того, такие производители выпускают необходимые дополнительные модули, которые хорошо взаимодействуют с существующими полетными контр оллерами.

176 Агротехника и энергообеспечение. – 2023. – № 4 (41)