Що всередині дрона: Вивчаємо анатомію пристрою, який перетворився на ефективну зброю

Дрони змінили війну, її сприйняття та усталені норми ведення бойових дій. Буквально за декілька років вони поставили під сумнів ефективність багатомільйонного арсеналу озброєння багатьох країн світу.

Мініатюризація електроніки, поява дешевих MEMS-сенсорів, розвиток open-source прошивок типу ArduPilot і PX4 — все це демократизувало технологію та зробило її доступною для будь-кого. Сьогодні зібрати «на коліні» високоефективний безпілотник за $200 може навіть ентузіаст у гаражі.

В цій статті готуємо вас до курсу «Архітектура безпілотних систем» і розповідаємо про головне — дрони: з чого вони складаються, як працюють і що вміють.

Анатомія сучасного безпілотника

Дрон — це багаторівнева система, де механіка, електроніка і софт працюють як єдиний організм. Щоб зрозуміти, як дрон літає, потрібно розібрати його на три рівні: фізична платформа, «мозок» і сенсори.

1. Фізична платформа

Це все, що можна «помацати»: корпус, мотори, батарея. Вона визначає базові характеристики — швидкість, маневровість, дальність і вантажопідйомність.

Планер і конструкція

Планер — це каркас дрона, його форма і структура. Є два основних типи:

• Мультикоптери (квадрокоптери, гексакоптери). Вони вміють вертикально злітати й заходити на посадку і зависати в повітрі. Характеризуються високою маневровістю, але мають меншу дальність і час польоту.
• Літаки (fixed-wing). Потребують розгону або катапульти для запуску, але й значно ефективніші в польоті. Здатні летіти набагато далі та довше.

Аеродинаміка тут критична: навіть дрібні зміни форми впливають на опір повітря, стабільність і енергоефективність.

Силова установка

Це система, яка фактично створює рух.

Вона складається з трьох ключових елементів:

1. Двигуни

Зазвичай це безщіткові (brushless) електродвигуни. Вони довговічні, ефективні та можуть дуже швидко змінювати оберти.

2. ESC (Electronic Speed Controller)

Електронний регулятор швидкості — це «перекладач» між мозком і мотором. Він отримує команду від польотного контролера, перетворює її в електричні імпульси та керує швидкістю обертання двигуна.

3. Пропелери

Перетворюють обертання в тягу. Їхній діаметр впливає на тягу, а крок (pitch) — на те, наскільки «агресивно» пропелер захоплює повітря.

Енергетична система

Без енергії дрон — просто каркас. Тож для роботи використовують:

• Акумулятори. Найчастіше застосовуються LiPo (літій-полімерні) батареї. В них висока щільність енергії, вони мають здатність віддавати багато струму, але чутливі до пошкоджень.
• BMS (Battery Management System). Використовується в складніших системах і контролює заряд/розряд, захищає від перегріву та балансує елементи батареї.
• Розподіл живлення (power distribution). Енергія з батареї має піти в різні компоненти — мотори (через ESC), польотний контролер, камери, передавачі, сенсори. Для цього використовують PDB (Power Distribution Board). 

курси на тему:

DevOps Engineer

Папідоха Владислав

Platform Team Lead у TENTENS Tech

Про курс

Engineering manager

Кугот Костянтин

Senior Software Engineering Manager в Oracle

Про курс

2. «Мозок» дрона: польотний контролер

Якщо фізична платформа — це тіло, то flight controller — це нервова система і мозок одночасно. Польотний контролер — це невелика плата з мікропроцесором. Вона читає дані з сенсорів, отримує команди від оператора або автопілота і розраховує, як змінити оберти моторів. І робить це сотні разів на секунду. Без нього дрон просто не зможе стабілізуватися.

Джерело: Dark Wolf

Архітектура

Типовий польотний контролер містить:

• Процесор (MCU). Він виконує всі обчислення та запускає прошивку (firmware).
• IMU (Inertial Measurement Unit). Відповідає за гіроскоп + акселерометр і дає дані про рух та орієнтацію.

Серед інших датчиків є ще барометр (висота), магнітометр (напрямок) та GPS-модуль (позиція). Про них — далі.

3. Сенсорний комплекс

Без сенсорів дрон не розуміє, де знаходиться та що з ним відбувається. І ось що містить сенсорний комплекс:

Орієнтація в просторі

• Гіроскоп. Вимірює кутову швидкість і показує, як швидко дрон обертається.
• Акселерометр. Вимірює прискорення і допомагає зрозуміти нахил та рух.
• Магнітометр. Працює як компас і визначає напрямок відносно півночі

Навігація

Щоб дрон міг орієнтуватися, потрібні також інші сенсори:

• GPS/ГЛОНАСС. Вони визначають координати й дають глобальну позицію.
• Барометр. Вимірює тиск і дозволяє оцінити висоту.
• Оптичні сенсори. Аналізують поверхню під дроном і допомагають утримувати позицію без GPS.

Сирі дані сенсорів — шумні та нестабільні. Якби дрон реагував на них напряму — він би просто трусився і падав. Для стабілізації використовують sensor fusion. Так, польотний контролер:

• об’єднує дані з різних сенсорів
• фільтрує шум
• створює єдину «картину стану» дрона

Простими словами, коли гіроскоп каже: «я обертаюсь», акселерометр каже: «я нахилений», а GPS каже: «я змістився» — контролер об’єднує все це та ухвалює рішення про те, які мотори прискорити, а які сповільнити.

Системи зв'язку та керування

Дрон — це не автономний об’єкт (принаймні не завжди). У більшості випадків він є частиною зв’язки «оператор → канал зв’язку → безпілотник». Якість цього каналу прямо визначає, чи буде місія виконана.

Канали передачі даних

Тут є декілька речей, які варто виділити.

Перш за все, є радіоканал керування. Це основний канал, через який оператор передає команди. Він працює на певній частоті (найчастіше 2.4 ГГц або 900 МГц діапазон), має певну дальність, затримку (latency) та захист від завад.

З популярних протоколів часто використовують

• ELRS (ExpressLRS) — відкритий стандарт, висока дальність і низька затримка
• Crossfire — стабільний зв’язок на великі дистанції
• стандартні системи 2.4 ГГц — простіші, але менш завадостійкі

По-друге, є відеопотік. Він дає оператору «очі». Аналогове відео, наприклад, має мінімальну затримку. Зі збільшенням відстані його сигнал плавно деградує («сніг», шум). Але він стійкіший до різких втрат. Цифрове ж відео пропонує кращу якість зображення, але з більшою затримкою.

Олекса Коба, військовослужбовець ЗСУ, який спеціалізується на аеророзвідці. Випускник robot_dreams та розробник навчального симулятора Call of the Sky.

По-третє, є телеметрія. Це службові дані, які дрон передає назад оператору: рівень батареї, координати й швидкість, висота, стан систем. Вона відображається як OSD (on-screen display) або в наземному софті.

Наземна станція керування

Це все, чим користується оператор. У ній є:

• Пульт керування (transmitter), який передає команди
• Антени, які визначають дальність і якість сигналу
• FPV-окуляри або екран для передачі відео

В сучасних системах використовують кілька каналів зв’язку (наприклад, різні частоти), резервні антени та failsafe-режими (що робити при втраті сигналу).

курси на тему:

Кібербезпека для військової сфери

М. Петро

Керівник CISO в оборонній сфері

Про курс

Hardware Development

Ляна Пига

Hardware/Embedded Engineer в Ajax Systems

Про курс

Програмне забезпечення: від прошивки до місії

Прошивка і софт відповідають за логіку мислення дрона. Саме тут визначається, як дрон реагує на команди, стабілізується і виконує місії.

Firmware (прошивка польотного контролера)

Прошивка — це програмне забезпечення, яке працює прямо на контролері та керує всім у реальному часі. Найпоширенішими системами вважають ArduPilot, PX4 і Betaflight.

• ArduPilot і PX4 орієнтовані на автономію. Їх використовують для складних місій, навігації, роботи з GPS.
   

Джерело: ArduPilot

• Betaflight фокусується на ручному керуванні (FPV). У нього мінімальна затримка і максимальна чутливість. 

Джерело: Betaflight

Щоб дрон не падав, він постійно коригує своє положення. Для цього використовуються PID-регулятори. Ідея проста:

• P (proportional) — реагує на поточну помилку (нахилився — виправляє)
• I (integral) — накопичує помилки з часом (дрейф)
• D (derivative) — передбачає зміну (гасить різкі рухи)

Mission planning

Це рівень, де дрону задають, що робити, а не як рухатись. Так, оператор може створювати сценарії, задаючи маршрут, висоти, швидкість та дії в конкретних точках. Це робиться через наземний софт. Також оператор може задавати:

• Waypoints, або ж точки маршруту
• Геозони (geofencing), або ж обмеження: «сюди не заходити» або «тримайся в межах»
• Тригери подій: «в цій точці — увімкни камеру», «зміни висоту», «скинь міну»

На завершення

Те, на що перетворилася технологія, яку раніше використовували для зйомок весіль і спортивних івентів, стала нашим magnum opus. Україна задає тенденції ведення війни, ще й під час екзистенційної боротьби проти найбільш кровожерливої армії світу. Відтак робота з електронікою, дронами та паяльниками стала чи не найважливішою в країні.

Тож якщо ви дочитали до цього моменту — далі тільки більше. А починати є звідки — курс «Архітектура безпілотних систем» уже чекає на студентів. Альтернативно «Електроніка для розробників» або Hardware development теж дадуть чималу базу, якщо ви в темі та плануєте рухатись у цій сфері далі. А планувати варто!