СРАВНЕНИЕ АППАРАТНЫХ ПЛАТФОРМ АВТОПИЛОТА МАЛОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА САМОЛЁТНОГО ТИПА

COMPARISON OF HARDWARE PLATFORMS FOR A SMALL UNMANNED AIRCRAFT

S. V. Zhernakov

Doctor of Technical Sciences, professor, Ufa State Aviation Technical University,

Russia, Ufa

A. A. Ozhegov

student, Ufa State Aviation Technical University,

Russia, Ufa

АННОТАЦИЯ

В статье приведён обзор аппаратных платформ для автопилота беспилотного летательного аппарата самолётного типа (авиамодели). Выделены отличия аппаратных платформ на основе микроконтроллеров и микрокомпьютера.

ABSTRACT

The article presents an overview of the hardware platforms for the autopilot of an aircraft-type unmanned aerial vehicle. Differences in hardware platforms based on microcontrollers and microcomputers are highlighted.

Ключевые слова: БПЛА, Raspberry Pi, микроконтроллер, микрокомпьютер.

Keywords: UAV, Raspberry Pi, microcontroller, microcomputer.

Интерес к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) связан с относительной дешевизной их применения по сравнению с пилотируемыми средствами. Часто беспилотные летательные аппараты применяются для наблюдения с воздуха за наземными объектами, для этого на борту располагается целевое оборудование — фото-видеоаппаратура с массой порядка 100 г - 1 кг. Рассмотрим беспилотный летательный аппарат, подобный по массогабаритным параметрам радиоуправляемой авиамодели класса F5 FAI [1]. Основные характеристики авиамоделей этого класса:

• тип электродвигателя — электрический;
• наибольшая площадь крыла: 150 дм²;
• наибольшая масса: 5 кг;
• нагрузка на крыло от 12 до 75 г/дм².

Для простоты будем называть БПЛА авиамоделью.

Автопилот на авиамодели принимает команды оператора и выдаёт сигналы для каналов управления: двигателей, рулевых машинок, реле и прочей аппаратуры.

Можно выделить два больших класса аппаратных платформ для автопилота:

• микроконтроллеры;
• микрокомпьютеры.

Микроконтроллеры, которые часто применяются на малых БПЛА, бывают 8-разрядные и 32-разрядные. Современные одноплатные микрокомпьютеры обычно выпускаются 32-разрядными. Возьмём типичных представителей каждой группы и представим их в таблице 1. В таблице даны не конкретные значения, важен порядок значений.

Таблица 1.

Сравнение аппаратных платформ для автопилотов

В таблице 1 показаны платы готового автопилота и микрокомпьютер Raspberry Pi 3B. Платы автопилота (первые два рисунка в таблице) содержат в своём составе датчики: гироскоп, акселерометр, барометр; ШИМ-преобразователь. Для микрокомпьютера эти компоненты подключаются отдельно. Однако существует готовая коммерческая плата «Emlid Navio2» (рисунок 1), которая присоединяется непосредственно к штырькам микрокомпьютера «Raspberry Pi» и несёт на себе все необходимые компоненты, которые нужны для создания готового автопилота.

Рисунок 1. Плата расширения «Emlid Navio2» для микрокомпьютера

Плата «Emlid Navio2» позволяет не собирать систему из отдельных датчиков, а использовать единый блок.

Рассмотрим более подробно указанные в таблице 1 платформы.

Плата APM 2.6 была выпущена в 2012 году. Последняя сборка программы «Ardupilot» под эту плату датируется 2015 годом. Из-за малой производительности плата больше не поддерживается сообществом программистов и считается устаревшей.

Плата «Pixhawk» спроектирована в 2013 году на основе современного микроконтроллера STM32 с ядром ARM Cortex-M4. Сам микроконтроллер имеет 2 МБ памяти программ. Новая сборка программы «Arduplane» летом 2019 года занимала около 55 % памяти. Данная платформа имеет свободное пространство для роста размера программ.

В 2018 году проект «Ardupilot» перешёл на операционную систему реального времени (ОСРВ) «ChibiOS». Это упростило структуру автопилота и позволило дальше абстрагироваться от аппаратной части.

В 2014 году энтузиасты собрали плату «Navio» для использования её совместно с микрокомпьютером «Raspberry Pi». В том же году они её успешно испытали на модели квадрокоптера. Для этого программа «Ardupilot» была собрана для ОС «Linux», написаны драйверы для подключаемых датчиков. Ядро операционной системы (ОС) было изменено для работы в режиме реального времени. Однако даже изменённое ядро имеет недостаток: режим реального времени не всегда соблюдается. С другой стороны, ОС «Linux» имеет огромные возможности для программирования, а сама аппаратная платформа на основе микрокомпьютеров позволяет производить больше вычислений, чем микроконтроллер.

Если сравнивать современный 32-разрядный микроконтроллер и микрокомпьютер для задач управления БПЛА, то можно выделить следующие особенности (таблица 2).

Таблица 2.

Сравнение микроконтроллера и микрокомпьютера

Жирным шрифтом выделен превосходящий уровень.

Главным фактором, который не позволяет использовать микрокомпьютер для ответственных задач, является надёжность. Микрокомпьютер потребляет больше электроэнергии, более требователен к стабильности питания. При сбое операционной системы микрокомпьютер перезагружается дольше микроконтроллера (8-22 с против  1-12 с).

Основные превосходные качества микрокомпьютера — высокое быстродействие и отличное удобство программирования. Наиболее распространённые языки — Си, Си++, Питон. Интерпретируемый язык Питон является простым в изучении, а в совокупности со множеством библиотек — очень мощным. При достаточной надёжности микрокомпьютер представляется отличным решением при выборе платформы для системы управления БПЛА.

В качестве вывода можно сказать следующее: в современных условиях при повышенных требованиях к быстродействию платформы и скорости разработки и отладки программ аппаратная платформа на основе микрокомпьютера представляется наилучшим решением.

Список литературы:

1. Selecting a Flight Controller for you Drone URL: https://dojofordrones.com/drone-flight-controller/  (дата обращения 27.05.2020).
2. Справочная таблица по ATmega. Сайт о микроконтроллерах AVR.RU URL: http://avr.ru/docs/d-sheet/atmega (дата обращения 01.06.2016).
3. Список архитектур ARM — Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Список_архитектур_ARM (дата обращения 16.01.2020).
4. Navio2 — Emlid. URL: https://emlid.com/navio/ (дата обращения 16.01.2020).
5. Хамзатов М. Особенности развития беспилотной авиации в современных условиях. URL: http://www.uav.ru/articles/hmm.pdf (дата обращения 31.05.2016).