Данная статья является продолжением темы повышения безопасности полетов радиоуправляемых самолетов путем установки на борт полетного контроллера.
В общем понимании, телеметрия - комплекс автоматизированных средств, обеспечивающих получение, преобразование, передачу по каналу связи, приём, обработку и регистрацию измерительной (телеметрической) информации и информации о различных событиях с целью контроля на расстоянии контролируемых объектов и процессов.
В случае дистанционного радиоуправления моделью с полетным контроллером - это отдельный двухсторонний канал связи между наземным пунктом управления (компьютером, смартфоном, планшетом) и контроллером летательного аппарата (ЛА). Через телеметрию контроллер передает на Землю все параметры полета (высоту, дальность, скорость, направление), а так же состояние бортового оборудования (напряжение питания и ток разряда, наличие сигнала GPS, исправность датчиков давления, гироскопа, магнитного компаса). В свою очередь, с наземной станции через телеметрию контроллеру можно подавать различные команды, минуя пульт управления (переключение режима полета, координаты точек перемещения). Телеметрия так же используется на земле при настройке параметров летательного аппарата, заменяя собой кабель подключения по USB.
Для организации такого двухстороннего канала связи понадобится отдельный приемник и передатчик (приемопередатчик), как на земле (подключается к компьютеру, смартфону или планшету через USB-порт), так и на самом летательном аппарате (подключается к контроллеру через специальный порт телеметрии).
Чтобы наземный и бортовой приемопередатчики смогли "увидеть" друг друга они должны работать на одной частоте, с одинаковым идентификатором сети и по одному и тому же протоколу связи.
Специально для работы с полетными контроллерами APM и Pixhawk разработаны и выпускаются готовые радиомодули телеметрии - 3DR Radio. В комплект входят два радиомодуля - наземный ("земля") с USB разъемом и бортовой ("воздух") с разъемом для подключения к контроллеру. Это очень компактные, легкие устройства (порядка 4 грамм без антенны),которые легко установить на борт ЛА.
С недавних пор появился еще один вариант реализации телеметрии, когда в приемник радиоупраления моделью встроен передатчик для организации канала обратной связи с пультом управления. В этом случае данные с полетного контроллера передаются на пульт управления и отображаются на его дисплеи не требуя дополнительных устройств в виде отдельных радиомодулей, подключенных к компьютеру или смартфону с установленным специализированным программным обеспечением. В этой статье я не планирую подробно рассматривать данный вариант телеметрии, т.к. возможности пульта сильно ограничены по сравнению с программой Mission Planner и ей подобных. Например, прошивку и настройку контроллера и других компонентов летательного аппарата через пульт сделать не получится. И собрать все необходимые логи полета будет непросто.
Радиомодули телеметрии различаются между собой по частоте и мощности сигнала. Есть два варианта радиомодулей различающиеся по частоте - 915 МГц и 433 МГц (правда есть еще и третий вариант на 868 МГц, но я такой в продаже не встречал). У каждого варианта есть как свои плюсы, так и свои минусы, поэтому, перед принятием решения, какую частоту и мощность использовать, нужно учесть следующие параметры:
- Частота 433 МГц разрешена для свободного использования в России, но это означает, что эфир на данной частоте может быть "забит" другими сигналами в вашей местности. Частота 915 МГц официально в России не разрешена для использования в телеметрии. Казалось бы она должна быть меньше "забита", но она используется в сотовой связи GSM900. Поэтому, если поблизости есть вышки сотовой связи, то их передатчики могут сильно мешать работе телеметрии.
- Сигнал с частотой 433 МГц из-за длины волны имеет меньшее отражение и большую проникающую способность, чем сигнал 915 МГц (чем больше частота, тем короче длина волны и меньше проникающая и больше отражающая способность). Это значит, что антенну на 433 МГц можно убрать во внутрь корпуса, если есть металлические составляющие (например провода и прочие детали), а антенну на 915 МГц возможно придется выносить за приделы корпуса.
- Опять же из-за длины волны размер антенны для 433 МГц в два раза больше, чем антенны на 915 МГц. Уменьшение размера антенны ведет к потери чувствительности приема и мощности передачи, а следовательно дальности действия канала.
- При дальних полетах (за приделы видимости горизонта) или в местности, имеющие препятствия для прямой видимости (здания, деревья, холмы), частота 433 МГц предпочтительнее, т.к. волны этой частоты более длинные, а значит лучше огибают препятствия и радиус Земли, т.е. "заворачивают" за горизонт.
Следующее отличие радиомодулей телеметрии - по мощности передаваемого сигнала. Казалось бы очевидная вещь, чем больше мощность передатчика, тем больше дальность, на практике сталкивается с рядом ограничений:
- В большинстве стран (включая Россию) разрешенная мощность передатчика составляет 10 мВт. При такой мощности радиус действия будет порядка 50 метров. Повышение мощности до 100 мВт увеличит радиус действия до 300-400 метров, но может привлечь к себе нежелательное внимание контролирующих органов, особенно, если своим сигналом вы забиваете чей то разрешенный эфир.
- Чем больше мы делаем мощность передатчика, тем больше потребляемая мощность электропитания, которой на борту ЛА не бывает лишней.
- Увеличение мощности передатчика ведет к выделению дополнительного тепла, а значит требует системы охлаждения в виде радиатора или кулера, что увеличивает вес оборудования и всего ЛА.
Не смотря на все перечисленные ограничения по мощности, в продаже есть приемопередатчики с мощностью 100, 500 и 1000 мВт, обеспечивающие радиус действия 300-400 м, 1-1,5 км и 2-3 км соответственно. По умолчанию, все они программно настроены так, чтобы выходная мощность составляла не больше 10 мВт. А уже при настройке, через тот же Mission Planner, можно выставить на свое усмотрение, необходимую мощность.
После того, как с частотой и мощностью определись и приобрели необходимый комплект радиотелеметрии, переходим к их настройкам для дальнейшего использования в полетах. При покупке комплекта двух модулей "земля" - "воздух" по умолчанию они имеют одинаковую прошивку и настроены для работы друг с другом.
В радиомодулях есть два светодиода - красный и зеленый. Состояние свечения этих диодов означает следующее:
- Зеленый светодиод мигает - поиск сопряженного радиомодуля. В это время приемник пытается получить сигнал от аналогичного радиомодуля, работающего на той же частоте, тем же идентификатором сети и с тем же протоколом передачи данных.
- Зеленый светодиод постоянно горит - связь установлена с другим модулем радио.
- Красный светодиод мигает - идет передача данных
- красный светодиод постоянно горит - модуль находиться в режиме обновления прошивки
Важная информация: подавать питание на радиомодуль с отключенной антенной запрещается! Это может вывести из строя выходной усилитель мощности. Предупреждение справедливо для всех передатчиков, а не только телеметрии.
Для проверки и настройки телеметрии наземный радиомодуль подключаем через разъем USB к компьютеру. При установленной на компьютере операционной системе Windows 7 и выше произойдет автоматическая установка необходимых драйверов и устройство определится как один из COM портов. В противном случае придется скачать драйвера и установить их вручную. Номер COM-порта радиомодуля можно посмотреть в диспетчере устройств. После успешного определения радиомодуля на компьютере запускаем программу Mission Planner и переходим в верхнем меню раздел SETUP, а в нем подраздел Optional Hardware - Sik Radio. В правом верхнем углу программы Mission Planner выбираем номер COM-порта подключенного радиомодуля и в соседнем окне выставляем скорость соединения 57600 (бит/с) - скорость по умолчанию, установленная в радиомодуле, которую потом можно будет изменить. Нажимаем кнопку Load Settings и в левой части окна (Local) должна будет появиться вся информация из радиомодуля.
Теперь необходимо включить бортовой радиомодуль "воздух". Сделать это можно двумя способами. В первом случае подключить радиомодуль непосредственно к контроллеру полета в соответствующий разъем телеметрии и подать на контроллер питание, например через USB-порт. Второй способ - через специальный USB-адаптер подключить этот модуль к свободному USB-порту компьютера. На данном этапе наша задача подать напряжение питания на этот радиомодуль. Напряжение подано, и между двумя модулями должно установиться соединение, о чем будет свидетельствовать постоянно светящийся зеленый светодиод на обоих модулях.
Если соединение установлено (на обоих модулях постоянно горит зеленый светодиод), то нажимаем в программе Mission Planner еще раз кнопку Load Settings. Теперь в левом (Local) и правом (Remote) окнах должны появиться одинаковые параметры.
Если питание на оба модуля поданы, но соединение не устанавливается (зеленые светодиоды моргают), то надо сверить на обоих модулях версии прошивки и все настройки, которые должны совпадать. Для этого придется приобрести FTDI адаптер и кабель, через которые можно будет подключить к USB-порту компьютера бортовой модуль. Схема подключении радиомодуля к FTDI показана на рисунке ниже. Разъем TX модуля надо подключать к разъему RX адаптера, а разъем TX адаптера к разъему RX модуля. Бывают бортовые модули с собственным micro-USB разъемом, тогда никаких дополнительных адаптеров не понадобиться. При покупке 3DR имеет смысл обратить внимание на такой вариант бортового модуля.
Когда проблема подключения бортового модуля к компьютеру решена, то для начала делаем скриншот параметров наземного модуля в окне Local программы Mission Planner, а потом через FTDI адаптер подключаем к компьютеру бортовой модуль и сверяем параметры. Если прошивки одинаковые (строка Version в окне Local), то сравниваем остальные параметры, выставляем одинаковые в случае отличия и нажимаем кнопку Save Settings. Если прошивки разные, то на каждом модуле, подключая их по очереди к компьютеру, устанавливаем одинаковые, путем нажатия в Mission Planner кнопки Upload Firmware (последняя прошивка должна будет скачаться из интернета) или нажав кнопку Upload Firmware (local) и указав на расположение заранее скачанной прошивки. В случае установленных одинаковых прошивок и всех параметров соединение должно установиться. В противном случае это говорит о неисправности приемника, передатчика или антенны одного из модулей.
Когда оба модуля включены и видят друг друга, а в Mission Planner загрузились параметры настроек, остается только внести необходимые значения и сохранить их. Из всех параметров нас интересуют только два: мощность выходного сигнала (Tx Power) и идентификатор сети (Net ID). Остальные значения для начинающего пользователя можно пока оставить по умолчанию, без изменений.
Tx Power - параметр, задающий мощность выходного сигнала, задается в дБм (децибел-милливатт). Значение 20 соответствует максимальной выходной мощности радиомодуля. Соответственно, если вы приобрели модуль с максимальной выходной мощностью 100 мВт, то столько и будет на выходе, если модуль 500 или 1000 мВт, то на выходе будет соответствующая мощность сигнала. Соотношение дБм к мВт (для передатчика 100 мВт) следующее: 1=1.3 мВт, 2=1.5 мВт, 5=3.2 мВт, 8=6.3 мВт ,11=12.5 мВт, 14=25 мВт, 17=50 мВт, 20=100 мВт.
Net ID - идентификатор сети, отделяющий разные комплекты радиомодулей друг от друга. Он может быть любого значения, но одинаковый только для двух, совместно работающих радиомодулей. Это значение лучше изменить, не оставляя его по умолчанию, иначе может получиться так, что кто-то тоже будет рядом летать с аналогичными настройками.
Выставляем в левом окне Local нужные нам настройки и нажимаем кнопку Copy required to remote. в правом окне Remote должны появиться точно такие же настройки. Нажимаем кнопку Save Settings и записывем эти параметры в оба радиомодуля. Проверяем настройки отключив и снова подключив оба радиомодуля. Все измененные настройки должны сохраниться, а модули видеть друг друга. На этом настройку телеметрии можно считать законченной. Остается только все окончательно смонтировать в леталельном аппарате.
Для тех, кто хочет поиграться с остальными настройками, привожу ниже их описание:
Format: 26 — формат параметров в прошивке. Может быть другая цифра, зависит от версии прошивки. Менять не надо.
Baud: 57 — скорость работы порта, означает 57600 бод. Может иметь и другие значения. Для APM и Pixhawk по-умолчанию надо 57600.
Air Speed: 64 — скорость передачи данных по радиоканалу (для большинства случаев лучше всего оставить 64 кБит, что является средним значением). Уменьшение этой скорости увеличивает радиус действия, вместе с этим снижение этой скорости уменьшает и общий объем данных которые могут быть переданы по каналу.
ECC: включено — коррекция ошибок. Если вы используете ECC (рекомендуется) объем передаваемых данных по беспроводному каналу данных удваивается. Но это позволит обеспечить более надежную связь на больших расстояниях.
Mavlink: 1 — включение режима кадрирования пакета.
Op Resend: включено
Min Freq: 915000 — минимальная частота (кГц).
Max Freq: 928000 — максимальная частота (кГц). Лучше оставить как есть. Модули выбирают менее зашумленный канал. Прошивка модемов реализует скачкообразную перестройку частоты (FHSS) с синхронным адаптивным мультиплексированием с временным разделением каналов (TDM). Эти оба параметра можно варьировать, чтобы задать границы частоты вручную. Для обоих парных модулей указывать одинаковые значения.
# of Channels: 50 — количество используемых каналов.
Duty Cycle: 100 — процент времени на передачу.
LBT Rssi: выключено — функция LBR («Listen Before Talk», слушать эфир перед передачей).
RTS CTS: выключено — Request To Send / Clear To Send, Запрос на отправку/Разрешение отправки.
По мере написания материала ниже будут активироваться ссылки на новые статьи, рассматривающие следующие вопросы:
Первые полеты
Что еще можно добавить на борт
Камера
Видеопередатчик
OSD модуль
Видео шлем
Спонсор канала компания Stop-leaks