604 подписчика

Радиоуправляемые самолеты. Модуль GPS.

6 августа 20216 авг 2021

294

6 мин

Данная статья является продолжением темы повышения безопасности полетов радиоуправляемых самолетов путем установки на борт полетного контроллера.

GPS приемник и магнитный компас являются одними из важнейших модулей, обеспечивающих возможность определения и отслеживания местонахождения модели, полета по заданным точкам и её возврат на место взлета.

На сегодняшний день в мире существуют следующие спутниковые навигационные системы: GPS, GLONASS, GALILEO и QZSS.

GPS - спутниковая система, разработанная в США. GLONASS - русская спутниковая система является альтернативной по отношению к GPS. QZSS (Quasi-Zenith Satellite System) - система навигационного покрытия спутниками Тихоокеанского региона, обслуживающего Японию и Австралию. GALILEO - совместный проект спутниковой системы навигации Европейского союза и Европейского космического агентства.

Для полетных контроллеров радиоуправляемых моделей выпускается целый ряд GPS модулей, отличающихся между собой производителем, конструкцией, корпусом (есть и бескорпусные), наличием или отсутствием интегрированного магнитометра (магнитного компаса), зашитыми конфигурационными настройками и типом соединительного разъема.

Как правило, все модули состоят из керамической антенны и платы, на которой расположен GPS-чип, модуль памяти, стабилизатор напряжения и резервная батарея (аккумулятор). Если в модуль интегрирован магнитный компас, то его микросхема так же расположена на общей плате. Антенна может быть либо впаяна в плату с противоположной стороны, либо быть выполнена в виде отдельного элемента и соединяться с платой высокочастотным проводом.

Встроенная память и небольшой аккумулятор служат для быстрого, холодного старта. В памяти хранятся данные часов, последние данные о местоположении (данные об орбите) и конфигурация модуля. Аккумулятор автоматически заряжается при включении модуля и позволяет сохраняет данные до двух недель. Если аккумулятор разрядится, то данные обнулятся и при первом включении может происходить долгий поиск спутников, произойдет задержка по времени выхода модуля в рабочий режим.

Контакты GPS модуля с встроенным магнитным компасом

В целом, по подключению, все модули GPS универсальны, поскольку работают по стандартному протоколу UART (Universal asynchronous receiver/transmitter) с последовательной передачей и приемом данных по двум проводам - RxD (прием) и TxD (передача). Еще два контакта, это питание, как правило, 5 Вольт. Специально для контроллеров на базе APM и Pixhawk продаются модули с 5-ти или 6-ти контактными разъемами DF-13 соответственно. Если в модуль GPS интегрирован магнитный компас, то для его подключения к контроллеру используется отдельный универсальный разъем, подсоединяемый к шине I2C.

Принципиальные различия между модулями GPS заключаются в используемом чипе, вернее его возможностях. В данной статье далее я буду рассматривать GPS модули от производителя компании U-Blox. Конечно это не единственный производитель, есть и другие, просто на его примере покажу этапы развития модулей. Первая, выпускаемая ими линейка GPS модулей, была реализована на базе чипа NEO-6 и многие радиомоделисты начинали знакомство с навигацией именно с нее. Сейчас этих модулей практически нет в продаже. NEO-6 умеет работать только с сигналами GPS. Другие системы ему не известны.

На смену NEO-6 пришел следующий чип NEO-7. Модули с данным чипом уже умеют принимать сигналы систем GPS, GLONASS, GALILEO и QZSS. Но, этот чип не умеет работать сразу с несколькими системами. С какой именно ему работать надо определять в конфигурационных настройках, а для этого надо знать какая группировка спутников более доступна в Вашей местности полетов. Модули с этим чипом до сих пор есть в продаже.

Самым актуальным на сегодняшний день является модуль с чипом NEO-8. Он стоит несколько дороже, чем NEO-7, зато умеет работать сразу с несколькими системами, например GLONASS и GPS. Рекомендую приобретать модуль GPS именно с этим чипом или аналогичном, умеющим работать с несколькими системами одновременно. Наилучшим вариантом будет дополнительное наличие встроенного в модуль магнитного компаса, о котором мы поговорим позже.

Подключение к полетным контроллерам APM или Pixhawk не составляет особого труда. На обоих устройствах есть подписанный разъем - GPS. На первоначальном этапе никаких дополнительных настроек производить не требуется. Проверить работоспособность модуля достаточно легко. Подключаем его к контроллеру, а контроллер соединяем по USB кабелю с компьютером. На GPS приемнике должен загореться светодиод, показывающий наличие питания. В зависимости от конкретной конструкции модуля, на нем присутствуют дополнительные светодиодные индикаторы, показывающие наличие или отсутствие сигналов со спутника.

Необходимо помнить, что для качественного приема сигнала должны отсутствовать препятствия между антенной и спутниками в виде металлической или бетонной крыши и прочих предметов, закрывающих прохождение радиоволн. Из-за высокой частоты сигнала GPS (порядка 1,5 ГГц) эти волны не умеют огибать препятствия и "заглядывать "за них. Даже плотные облака могут значительно ухудшить качество приема. Если модуль давно не включался, то данные в памяти о спутниках могут быть потеряны и при первом включении, даже при идеально чистом небе над антенной, придется какое то время подождать (иногда до 10 мин.), пока обнаружатся спутники. Для относительно нормального позиционирования требуется фиксация минимум трех спутников. Чем больше пойманных спутников, тем четче будет вычислено позиционирование на местности.

Для визуальной проверки работоспособности модуля запускаем программу Mission Planner и жмем кнопку CONNECT. На данном этапе прошивка контроллера и его настройки нас не интересуют, они могут быть любыми. В верхнем левом окне HUD (Heads-up Display) главного экрана программы смотрим информацию в нижнем правом углу. Здесь может быть три варианта.

GPS: No GPS — ваш модуль не работает (неправильное подключение, неправильная прошивка, не работает сам модуль, нет контакта и т.д.).
GPS: No Fix – модуль работает, пытается захватить спутники.
GPS: 3D Fix – спутники пойманы!

При наличии индикатора GPS: 3D Fix в окне навигационной карты должно отобразиться местоположение Вашего GPS модуля.

Отображение месторасположения модели при работающем модуле GPS.

Если время поиска спутников каждый раз происходит слишком долго, то можно сделать дополнительные настройки модуля GPS. Возможно он пытается поймать сигналы от всех навигационных систем и тратит на их поиск много времени. Зная, что в нашей местности и принимаются только сигналы GPS и GLONASS, поиск несуществующих надо отключить. Для этого запускаем Mission Planner, подключаем через USB контроллер с подсоединенным модулем GPS и переходим в главном верхнем меню на закладку CONFIG. В левой колонке выбираем пункт Full Parameter List и в правой части ищем строку со значением GPS_GNSS_MODE. Задавая параметры этого значения можно настроить работу только с системой GPS (значение 1) или только с системой GLONASS (значение 66). А можно настроить совместное использование GPS+GLONASS+SBAS, выставив значение 67. SBAS - геосинхронные спутниковые системы, которые обеспечивают повышение точности, целостности и доступности основных сигналов навигационных систем. В своих настройках я использую значение 67. После изменения настроек не забываем нажать кнопку Write Params для сохранения изменений.

Еще одна настройка, связанная с модулями GPS, необходима для контроллера Pixhawk. По умолчанию, он настрпоен для работы с двумя модулями GPS, выбирая лучшие данные. Если у Вас подключен только один модуль, то настройку надо изменить. В том же пункте Full Parameter List ищем строку со значением GPS_AUTO_SWITCH и изменяем значение на 0. Не забываем записать изменения.