DIY автономный дрон с управлением через интернет

image

Сначала я написал длинное предисловие откуда взялась такая задача, а потом оно мне показалось скучным и я его удалил.

Итак, задача: создание автономного БПЛА для мониторинга состояния линий электропередач (ЛЭП).

Так как:

  1. это хобби-проект и я могу сильно ошибаться в расчетах
  2. летающие предметы представляют опасность для живых существ и их имущества,

то эту статью следует воспринимать только как расширяющую кругозор, а не руководство к действию.


Список дефектов для обнаружения на ЛЭП.

Требования к БПЛА


  • Вертикальный взлет и посадка (без катапульт и парашютов), то есть коптер
  • Умеет взлетать, лететь по заданным точкам, возвращаться обратно и садиться в автоматическом режиме
  • Редактировать полетное задание, давать команду на взлет и на посадку можно из любой точки мира
  • Трансляция телеметрии и видео в реальном времени через интернет
  • Загрузка на сервер фото и видео с бортовой камеры в процессе или после полета
  • Зарядка или механизированная замена аккумулятора без участия человека.

А также два противоречащих друг другу требования:

  • Надежная электроника (если где-то упадет, считай потерял)
  • Относительно низкая стоимость эксперимента (если где-то упадет, считай потерял)

Степень автономности в идеале хочется фантастическую: дрон сам летает по заранее спланированному маршруту, загружает фото на сервер, ПО на сервере выявляет дефекты по фото и формирует заявку ремонтной бригаде с координатами мест проведения работ. Сам дрон не должен требовать к себе внимания человека до окончания рабочего ресурса какой-нибудь детали, например, аккумулятора или подшипников.

Понятно, что эта задача не на один год, но я начну, а кто-нибудь, может быть, подхватит и продолжит.

Для примера, готовые промышленные варианты автономных комплексов: раз, два, три, четыре, пять, шесть, семь, восемь, девять, десять, одиннадцать, двенадцать, тринадцать, четырнадцать. Я всем написал запросы как потенциальный покупатель, чтобы узнать цены. Из них готовых к продаже: 2; готовых к продаже в Россию: 0.

Выбор полетного контроллера


Так как мне нужно транслировать видео и телеметрию через интернет, то сразу приходит на ум поставить на дрон микрокомпьютер с 4G модемом и камерой, и сделать из этого комплекта web-трансляцию. Нашлись вот такие решения: раз, два, три. Это обычные одноплатники с внешним USB 4G модемом и камерой. Для кодирования и трансляции видео используется gstreamer. Но эти штуки сами по себе дроном управлять не умеют, их нужно использовать совместно с полетным контроллером.

Полетный контроллер — это мозг дрона. Он следит за состоянием датчиков положения (гироскоп, акселерометр, компас), GPS-координатами, положением ручек на пульте управления и, исходя из этих данных, управляет моторами, чтобы висеть в одной точке или куда-то лететь. Полетный контроллер нужно будет как-то связать с бортовым компьютером, чтобы можно было загрузить полетное задание или указать произвольную точку куда лететь и когда включать камеру.
В продаже можно найти много разных контроллеров сильно отличающихся друг от друга по цене и функционалу. Какие-то из них работают на своем родном ПО, а какие-то используют open-source ПО, такое как Ardupilot и его форк PX4.

С Ardupilot я игрался еще на 8-битных атмегах, в которых не было USB-bootloader’а, а прошивались они на программаторе. С тех пор с ним не сталкивался и был приятно удивлен, когда узнал, что сейчас он может работать на 64-битных компьютерах с Linux, у него огромное сообщество пользователей как хобби, так и профи, длинный список поддерживаемых “из коробки” датчиков и расписанные планы на 2018-2019 годы. За это время он успел перерасти в проект DroneCode, а потом и отсоединиться от него.

На первый взгляд в нем как раз реализованы все необходимые функции: автоматический взлет и посадка, загрузка полетных заданий, есть desktop и мобильные приложения под все основные семейства ОС. Программы управления (GCS — Ground Control Station) общаются с бортовым контроллером короткими сообщениями по открытому протоколу MAVLink через комплект радиомодемов (дрон шлет телеметрию, GCS шлет команды управления). Подозреваю, что эти сообщения получится пустить через интернет.

Взглянем на список поддерживаемых контроллеров и что-нибудь подберем. Вариантов там полтора десятка от мала до велика и с разными характеристиками.

Из всего того многообразия контроллеров мне понравилось несколько вариантов:

Полетный контроллер Erle PXFMini Emlid Edge Navio 2 Erle Brain 3 PixHawk 2 Cube
Доп компьютер Raspberry Pi Zero W нет Raspberry Pi 3 нет Raspberry Pi 3
Вес комплекта, г 84 97 98 145 150
Процессоры, общее кол-во 1 2 2 1 3
ОС, одновременно работающих 1 1 1 1 2
IMU датчики, комплектов 1 2 2 1 3
Датчик воздушного давления 1 2 1 1 1
Резервирование питания нет нет
GPS, Глонасс внешний модуль
с доп магнитометром
внешний модуль
с доп магнитометром
встроенный приемник, внешняя антенна внешний модуль
с доп магнитометром
внешний модуль
Видеовход CSI на Raspberry HDMI CSI на Raspberry CSI CSI на Raspberry
WiFi есть есть
Long Range 2км
+52 г
есть есть есть
Стоимость комплекта, $ 212 700 215 341 331

Самый легкий комплект (84 г) получается из микрокомпьютера Raspberry Pi Zero W (9 г), контроллера Erle PXFMini (15 г), родного внешнего GNSS модуля (46 г) и дополнительного USB-концентратора (14 г).


Рабочий процессор в этом комплекте один — на Raspberry Pi. На нем висит управление ШИМ регуляторов моторов, считывание показаний датчиков, ОС Linux со всеми потрохами и декодирование видео с камеры. Так как в Pi Zero не предусмотрены USB порты, то в этом варианте приходится использовать внешний концентратор. IMU датчики и вход питания без резервирования.

Следующий комплект (97 г) от гонконгской компании с русскими фамилиями в команде разработчиков — контроллер Emlid Edge (59 г) с GNSS модулем (38 г). GNSS модуль работает по протоколу UAVCAN и дополнительно оснащен магнитометром и датчиком воздушного давления. За ШИМ здесь отвечает отдельный процессор ARM Cortex-M3, ОС Linux крутится на основном ARM Cortex-A53 quad-core.



В контроллере имеется HDMI видеовход, что позволяет подключить к нему напрямую любую камеру с таким выходом, например GoPro 4 или 5. Относительно высокая стоимость объясняется дальнобойными wifi-приемопередатчиками в комплекте (до 2 км с трансляцией HD-видео). Вес бортового модуля (52 г) в общей таблице не включен, так как мне нужна связь по 4G, однако такой вариант можно иметь в виду: из дальнобойного wifi можно сделать запасной канал связи через стационарный роутер с проводным интернетом.

Следующий вариант (98 г) состоит из знаменитого микрокомпьютера Raspberry Pi 3 (45 г) с контроллером-шилдом Navio 2 (23 г) от той же Emlid и внешней GNSS-антенны (30 г). На контроллере стоит отдельный процессор Cortex-M3 для управления ШИМ на 14 каналах и расшифровки входящих SBUS и PPM сигналов от приемника. Он, в свою очередь, управляется через драйвер в ядре ОС Linux, которая крутится на Raspberry.



Контроллер оснащен парой раздельных IMU датчиков (акселерометр, гироскоп, магнитометр) MPU9250 и LSM9DS1, одним датчиком воздушного давления и GNSS-модулем U-blox NEO-M8N, который видит GPS, Глонасс и BeiDou с внешней антенной через разъем MCX.

Запитывать этот “пирог” от 5 вольт можно одновременно с трех сторон, которые работают как дублирующие друг друга независимые источники: основной разъем питания на шилде, PWM серво выходы, micro-USB на Raspberry.

Контроллер Erle Brain 3 (100 г) с внешним GPS модулем (45 г) по своим весу, цене и набору датчиков смотрится в таблице так, что даже фото сюда вставлять не буду.

Далее у нас самый надежный и самый тяжелый комплект (150 г), который состоит из популярного полетного контроллера PixHawk 2 Cube (80 г) с открытой архитектурой и компьютера Raspberry Pi 3. Вместо Raspberry в этом случае можно использовать любой легкий одноплатник, например, Odroid XU4, NVIDIA Jetson или любой другой с нужными интерфейсами и подходящим весом.

В самом PixHawk установлено 2 процессора: первый 32-битный STM32F427 Cortex M4 — основной, на котором работает ОС реального времени (RTOS) NuttX и второй резервный (failsafe) 32-битный STM32F103. Контроллер сделан в виде модулей: в кубе установлены процессоры и датчики IMU (на антивибрационном креплении, да еще и с подогревом), а на основу выведены питание и разъемы на всю периферию. Предполагается, что основы могут быть разными и все желающие могут разработать свою собственную под специфические требования, на которую можно потом поставить готовый куб. Есть, кстати, готовый вариант с разъемом под установку микрокомпьютера Intel Edison. Но, так как, Intel больше эти компьютеры не выпускает, то и в этом комплекте в качестве бортового компьютера будет Raspberry.

Raspberry используется как дополнительный компьютер для связи с интернетом и на нем можно запускать любые ресурсоемкие задачи (например, распознавание образов в OpenCV), не боясь, что сбои в таком процессе “повесят” критичные функции, такие как управление моторами.

Итак, учитывая вес, характеристики и цену на первое место для меня выходит комплект Navio 2 + Raspberry, а на второе Pixhawk 2 Cube + Raspberry (+52 г). Вот, если бы под Pixhawk была основа в разъемом для маленького Raspberry Zero, да еще и выводом USB, то было бы интересней. Но такую еще купить нельзя, а изготавливать ее пока не интересно.
Запишу в заметки, что повышенная надежность стоит дополнительные 52 грамма и $110. По общему итогу расчетов эти цифры могут оказаться незначительными.

Автономная зарядка


Как можно видеть в готовых вариантах выше, существует несколько подходов к подготовке автономного дрона к следующему полету: зарядка аккумулятора через контактные площадки, бесконтактная индукционная зарядка и механизированная замена аккумулятора с последующей его зарядкой на станции.


У каждого метода есть свои плюсы и минусы, о них я напишу отдельно, но в любом случае, для их функционирования дрон должен уметь приземляться в нужную точку практически с сантиметровой точностью.

Посадка “в точку”


Для точной посадки можно использовать стандартную камеру бортового компьютера, визуальные маркеры и OpenCV для их распознавания. Вот один из вариантов решения, который можно нагуглить. Еще один свежий появился, когда я писал эту статью. Но распознавание образов достаточно трудоемкий процесс для Raspberry, и без особой необходимости загружать его не хочется. Также качество распознавания будет сильно зависеть от материала из чего сделан маркер и условий освещенности. Желательно, чтобы это был отдельный датчик и отдавал готовые координаты нужной визуальной точки, независимо от наличия и угла падения света. И такой есть в списке поддерживаемого оборудования Ardupilot, называется IR-Lock.



Airobotics из списка выше также использует это решение. Он сделан на основе модуля камеры с открытым кодом Pixy CMUcam5. Этот модуль снабжен камерой и процессором, и его можно “научить” распознавать определенные образы объектов, а, затем, на выходе получать готовые координаты этих объектов на изображении.




Зная координаты распознанного образа на изображении и расстояние до него, полетный контроллер вычисляет на какое расстояние и в какую сторону нужно переместить дрон.
Модификация IR-Lock состоит в том, что в качестве маркера, который нужно распознать используется ИК фонарь из светодиодов, а на камере обычные линзы заменены на те, что пропускают только ИК свет. В итоге, при любом освещении, камера видит свечение фонаря белым цветом на черном фоне (и больше ничего), что сильно повышает точность распознавания.

Для нормальной работы этого датчика необходим еще и дальномер, который будет измерять высоту над землей. Разработчики рекомендуют использовать лазерный дальномер, например LightWare LW20 (20 грамм и $299, меряет до 100 м), или дешевый и короткий VL53L0X (менее 1 грамма и $10, меряет до 2 м), который стал поддерживаться в последних версиях Ardupilot. Почему-то ультразвуковой датчик для целей посадки не заслуживает доверия разработчиков IR-Lock.
Кстати, дроны DJI автоматически садятся, используя ультразвук и стереокамеры.

Висеть, как вкопанный


Чтобы дрон умел висеть на одном месте и не “плавать”, одного только GPS не достаточно. К сожалению, из-за состояния атмосферы координаты с приемников GPS могут плавать в пределах десятков метров и для сантиметровой точности нужно использовать корректирующие системы GPS RTK. Эта система использует наземную неподвижную станцию, как эталон отклонений координат, и радиосвязь с бортом, чтобы отправить туда значения этих отклонений. Такая штука обязательно нужна для съемки фотопланов с последующей склейкой в большие карты, а для целей висения на месте я пока ограничусь оптическим датчиком PX4Flow.


Работает он по такому же принципу, как и оптическая мышь. В отличие от IR-Lock, он не распознает конкретный образ и в Ardupilot они работают в разных полетных режимах. Изображение с камеры анализируется на смещение 400 раз в секунду, а вычисленные значения смещения могут быть прочитаны контроллером по протоколу I2C. Датчик (open-hardware) весит 15 грамм и имеет все необходимое у себя на плате: процессор 168 MHz Cortex M4F CPU (128 + 64 KB RAM), оптический сенсор 752×480 MT9V034 и 3-х осевой гироскоп L3GD20. Для его нормальной работы также рекомендуется использовать лазерный дальномер, вместо ультразвукового. Хотя на самом модуле предусмотрен разъем как раз для УЗ датчика.

Минимальный комплект электроники


Вот, что собралось:



Общий вес получается 199 г. Все компоненты работают от 5 Вольт и потребляют в режиме трансляции видео почти 2 Ампера (10 Ватт).

В наборе присутствует ультразвуковой датчик расстояния, который будет смотреть вперед на предмет препятствий. Стереозрение и круговые лидары я оставил на потом, если в них возникнет реальная необходимость.

Полезная нагрузка


Так как родная камера от Raspberry делает средние по качеству фото, а также не умеет захватывать фото одновременно с видео, то она будет использоваться только для web-трансляции, а в качестве основной камеры нужна подходящая для выявления дефектов на ЛЭП. Для большей части позиций из списка выявляемых дефектов подойдут GoPro Hero 5 Session, мультиспектральная Parrot Sequoia, двойная Sentera Double 4K и инфракрасная FLIR Vue Pro. Каждая из них весит около 100 г.

Для стабилизации камеры с целью улучшения качества снимков в нагрузку с ней полетит 2х или 3х осевой подвес.



Простые 3-х осевые подвесы весят около 160 г и питаются от 12 Вольт, имеют рабочий ток при таком напряжении около 50 мА и максимальный ток 700 мА при заклинивании моторов.

Питание


Для питания всей электроники необходимы источники на 5 Вольт (минимум 2,2 Ампера) и 12 Вольт (минимум 1 Ампер). С учетом резервного питания полетного контроллера, нужно два независимых источника на 5 Вольт. Сделать систему питания можно из отдельных модулей подходящего номинала или найти готовый “3 в 1”, например такой (24 г, макс входное напряжение до 28 Вольт, выходы по 3А). К нему будет подключен датчик тока (22 г), чтобы была возможность измерять расход мАч на аккумуляторе.

Комплект электроники + камера + подвес + система питания весят 505 г.

Моторы и пропеллеры


На многих профессиональных дронах я видел моторы и пропеллеры компании T-Motor. Видимо, не спроста. В документации Ardupilot они также рекомендованы как силовая установка для профессиональных дронов. Поэтому, поищем подходящие моторы у них.

Чтобы дрон летал долго, нужны моторы с максимальным КПД. Эффективность связки мотора и пропеллера измеряется количеством тяги в граммах на 1 Ватт затраченной электроэнергии.
Чтобы узнать какой мотор самый подходящий, нужно знать общий вес полностью собранного дрона с учетом рамы, аккумулятора и самих моторов с винтами. Аккумулятор нужен такой, чтобы его хватило минут на 30 полета. Рама нужна такая, чтобы на нее все поместилось и винты ничего не задевали.

Слишком много неизвестных, поэтому воспользуюсь онлайн калькулятором для квадрокоптеров E-calc.

Поигравшись в калькулятор, я выбрал моторы Antigravity 4004 KV300 (53 г) с винтами 15х5 (27 г). В оптимальном режиме при напряжении питания 24 Вольта такой комплект тянет 474 грамма при токе 1,4 А. Эффективность получается 14.11 г/Ватт, отношение тяги к собственному весу = 5.9:1. На полном ходу тяга составляет 1311 грамм при токе 7,5 А. Коптер будет с четырьмя моторами, то есть квадро. Оптимальный взлетный вес = (474 г * 4 мотора) = 1896 г, максимальный (с учетом тяговооруженности 2:1) = (1311 г * 4 мотора) / 2 = 2622 г.

Моторы управляются регуляторами оборотов. Напряжение питания моторов = 24 Вольта, максимальный рабочий ток = 7,5 А, поэтому нужен регулятор под такое напряжение и с рабочим током, с учетом запаса, минимум 10А. У T-Motor самый легкий регулятор (7 г без проводов) под такое напряжение — это FPV 35A-32bit 3-6S. Он сделан на основе популярной прошивки BLHeli-32, с закрытым кодом, но с широкими возможностями настроек и большим числом аналогов.

Подитог:

ВМГ (винто-моторная группа), состоящая из моторов, пропеллеров и регуляторов (по 4 шт каждого) весит 346 г.

Вместе с электроникой и полезной нагрузкой (346 + 505) получается 851 г. С учетом крепежа, проводов и разъемов (прикинем +100 г) = 951 г.

При оптимальном весе, на раму и аккумулятор остается (1896 — 951) = 945 г. При максимальном (2622 — 951) = 1671 г.

Рама


Рассчитаем минимальный размер рамы, чтобы выбранные 15-дюймовые пропеллеры не мешали друг другу создавать тягу. Размеры рамы производители указывают в расстоянии между осями моторов, расположенных по диагонали друг от друга.



По картинке можно узнать гипотенузу, которая вычисляется из катета, равного сумме диаметра винта и расстояния между пропеллерами. Соседние лопасти 15-дюймового винта будут крутиться в 1 миллиметре друг от друга при диагонали рамы 540 мм. Добавим немного пространства и размер подходящей рамы будет равен примерно 600-700 мм.

В продаже найти таких можно много, например, раз: 600мм и 750г, два: 650мм и 450г, три: 690 и 675г, четыре: 650мм и 750г. Все они отличаются исполнением и наличием складных элементов (шасси, лучи) для удобства транспортировки.

Выбор конкретного экземпляра для своих нужд пока отложу, для дальнейшего расчета буду иметь в виду вес рамы равный 450 г.

Остается аккумулятор весом 495 г для оптимального веса и 1221 г для максимального.

Аккумулятор


Для выбора аккумулятора нужно знать какой он должен отдавать ток.

На полном ходу двигатели будут “есть” 30А (7,5А * 4 мотора), а электроника примерно 0,45А (10 Ватт). С учетом небольшого запаса округлим минимальный рабочий ток аккумулятора в 35А. Для Li-Po батарей с высокой токоотдачей в 30С минимальная емкость будет равна 1,2 Ач (35/30), а для более легких Li-Po и Li-Ion с токоотдачей в 10С минимальная емкость 3,5 Ач (35/10).

Как вариант, сборка 6S2P из Li-Ion Sony VTC6 с BMS весит примерно 630 г (при емкости 6 Ач). С этим аккумулятором дрон будет весить 2031 г, что больше оптимального на 135 г, но в пределах максимального. Теперь посчитаем на какое время коптер сможет зависнуть при идеальных условиях. При общем весе в 2031 г на каждый мотор приходится 508 г. Взглянем на характеристики мотора и найдем потребляемый ток при такой тяге. Он примерно будет равен 1,6А. 4 мотора и электроника дадут в сумме 6,85A (1,6 * 4 + 0,45). С учетом разрядки аккумулятора до 20% получится (6 Ач * 80% / (6,85 A)) = 0,7 часа или 42 минуты.

Компоновка




Пока я выбирал подходящую раму и думал как все это на ней размещать и чем крепить, пришел к выводу, что проще будет нарисовать несколько деталей и заказать 3D-печать из пластика и фрезеровку из карбона. Пару готовых железок и крепеж можно заказать на Алиэкспрессе.



Немного поэкспериментировав с компоновкой и центром тяжести, получилась вот такая рама:



Она состоит из карбоновых трубок и пластин, деталей из алюминия и крепежа из титана. Расчетный вес рамы получился 350 г при диагонали 700 мм. 3D-модель рамы и список деталей.

Полностью собранная модель (без проводов):



Общий вес коптера с электроникой, аккумулятором Li-Ion 6S2P и проводами должен получится 1931 г.

Да, мне тоже показалось, что дрон получился слишком голым для автономного варианта и мелкий дождик легко намочит бортовую электронику. Поэтому добавил немного пластика:



3D-модель рамы. Список деталей рамы.
3D-модель в сборе. Список компонентов.

Вес пустой рамы с корпусом 384 г, общий вес 2020 г, расчетное время висения на одной зарядке (разряд аккумулятора до 20%): 44 минуты.

Бокс для зарядки






Бокс для зарядки будет сделан из алюминиевого профиля, крепежной фурнитуры и алюминиевых сендвич-панелей. В нем будут установлены роутер, компьютер, погодные датчики и камера с видом на посадочную зону. Я решил сделать покатую крышу из двух створок, чтобы зимой на ней не скапливался снег и не мешал открыванию. Механизм открывания створок до конца еще не продуман, а также не определена система зарядки (нуждаюсь в подсказках).



В следующей статье я расскажу как настроить и запустить дрон через интернет с помощью GUI или командной строки, про варианты систем зарядки из которых я сейчас выбираю, ПО для управления коптером и анализа снимков и почему мой первый полет через интернет продлился так недолго:





Продолжение следует...

Часть 2 про ПО.
Поделиться публикацией
Комментарии 56
    0
    Посмотри DJI Matrice 200 — возможности расширения безграничны )
      0
      Рассматривал и 100 и 200е. Отличные платформы для навески оборудования от того же DJI. Но в моем случае велик риск крушений в процессе отладки и я смотрю на раму, как на расходник. К сожалению, пока не могу себе позволить расходники по такой цене.
        0
        Там не только DJI оборудование, там есть интерфейсы которые выдают готовый стрим с камер, датчиков, можно управлять полетом и.т.д — подключил внешний комп хоть на расбери хоть от интела помощнее, распарсил данные… что надо отправил по модему ) и все ) Из плюшек — есть RTK, из совсем плюшек автономности — AIS и автоматическое уклонение от самолетов чей курс по транспондеру пересекается с дроном.

        Пс — у гопро слишком широкий обзор, ИМХО для изучения структурных повреждений чего либо она не очень подходит.
          0
          Да, DJI Onboard SDK хорош. Только я в нем не нашел готового решения для точной посадки (может и плохо искал). Можно вытащить поток со стереокамер и использовать его для распознавания маркера, но с моими знаниями, я бы на полгода в этом увяз. RTK можно реализовать практически на любом контроллере (в виде отдельного модуля). AIS есть также и в Ardupilot (приемник ADS-B).
      0
      Да, DJI Onboard SDK хорош. Только я в нем не нашел готового решения для точной посадки (может и плохо искал). Можно вытащить поток со стереокамер и использовать его для распознавания маркера, но с моими знаниями, я бы на полгода в этом увяз. RTK можно реализовать практически на любом контроллере (в виде отдельного модуля). AIS есть также и в Ardupilot (приемник ADS-B).
      +1

      Хммм.
      Посадка чутка жестковата.
      Кстати gps с ртк дает очень хорошую точность в пару см.
      Но их должно быть несколько.
      Вообще конечно в идеале, управление подобным дроном, должно быть в виде задания ему плана полета, либо только конечной точки. А он уже будет сам маршрут строить.

        0
        Для RTK нужен еще наземный модуль, который корректирует данные. Мне показалось, визуальный метод надежнее для целей посадки. Само собой, при управлении через интернет есть заметный лаг в реакции на команды, поэтому управление сводится к предварительной загрузке точек пролета и простых команд «взлет» и «посадка». Об это подробнее будет в следующей статье.
        Вот здесь любой желающий может поуправлять дроном целых три минуты над кусочком Мексики и Тихого океана. Управление простое, дрон летает в пределах ограниченного периметра и высоты. Если повернуть камеру на место взлета, то можно увидеть дежурного сотрудника на авто. Я хочу сделать примерно также, только с зарядным доком и без сотрудника.
          0

          У меня знакомый похожий проект, пробовал реализовывать. Сейчас он танцы дронов уже реализовал. Тут уже статья была.

        0
        Вот тут на видео демонстрируется полётное время большого квадрокоптера на литий-ионных сборках, а также в описании подписано из чего собран.
        17" пропеллеры более эффективные.
          0
          Спасибо, полезное видео. 17е винты более эффективные на более подходящем для них моторе. А еще более эффективные 25е. Но чем больше винты и их эффективность, тем ниже скорость воздушного потока, тем меньше скорость горизонтального полета (и стойкость к ветру), тем больше дрон, тем больше аккумулятор для него нужен.
          В моем первом черновом варианте (который грохнулся на видео в конце статьи) как раз 17е винты и точно такие же моторы, как и у этого парня. И висит он тоже больше часа. Только вот получился тяжелым, чуть более 5 кг. Поэкспериментировать с автономностью многовато.
          0
          Интересно: моторы управляются регулятором скорости (ESC, которые, как я себе представляю, и есть микроконтроллер + силовая электроника). Если у вас на борту и так уже есть Cortex-M микроконтроллер «для управления ШИМ», нельзя ли взвалить на него микроконтроллерные функции регулятора скорости моторов? Ведь ШИМ-то вроде нужен для управления ESC, и это вроде как «лишнее звено» при условии, что высокоуровневые функции управления берёт на себя Raspberry Pi или какой-то его аналог.
            0
            В принципе, если очень захотеть, для управления моторами можно обойтись одним только Raspberry (или аналогом) и силовыми транзисторами. Тогда на каждый мотор нужно задействовать 3 пина (мотор крутится переключением трех обмоток), а на 4 мотора = 12 пинов. Плюс нужно ставить датчики оборотов (еще по 1-2 пину на мотор) или отслеживать вращение по изменению напряжения в обмотках (это внешний АЦП). И скорее всего, Linux справится с вращением моторов, если на нем больше ничего не запускать. Вопрос будет только в наличии свободных пинов.
            Исторически так сложилось, что сначала появились регуляторы оборотов (для авиамоделей без автопилотов), а потом появились дроны с гироскопами, акселерометрами и прошивками. Много лет прошло, а регуляторы оборотов до сих пор существуют как отдельные устройства со своим контроллером. Но это, видимо, не определяющий фактор. Наверное, так сделано потому, что проще и дешевле занять контроллер одним конкретным делом и на каждую функцию поставить отдельный (как в Макдональдсе). На вход этот контроллер получает ШИМ (PWM), который задает необходимую скорость вращения мотора от 0 до 100%, а дальше сам решает когда и с какой силой включить следующую обмотку. Вот в тех же автопилотах как PixHawk и Navio генерацией ШИМ для регуляторов занимается тоже отдельный контроллер.
              0
              Проблема в том, что в регуляторах должен быть очень жесткий realtime-режим. Я не уверен, что та же Raspberry нормально справится с четырьмя моторами в дополнение к основным полетным функциям. А если ставить ее только на моторы, то четыре регулятора на мелких STM32 будут элементарно дешевле и легче :)
            0
            А вам не кажется что задача, которую вы хотите решить (мониторинг состояния ЛЭП) с помощью дрона, на самом деле не решается с помощью таких винтокрылых машин?
            Что будет, если пойдет снег и GPS не будет нормально работать или начнется сильный ветер или дождь?
            Почему нельзя поставить на каждую опору по видеокамере (или даже несколько) и отправлять периодически данные в центр обработки?
            Сколько опор ваш дрон может исследовать за полетное время и сколько он стоит — может дешевле, проще и надежней поставить камеры и решить проблему?
              +2
              Задача сформулирована специалистами электросетевой компании. Сейчас они ездят на УАЗиках и поднимаются на опоры по лестнице. Линию предварительно отключают.
              Камеру на каждую опору, думаю, ставить нет смысла потому, что смотреть в нее будут пару раз в год. Также нужно как-то передавать с нее изображение, а это новые километры проводов, так как 4G есть не везде.
              За один полет дрон сможет снять 20-25 км ЛЭП и прилегающей территории, а кол-во обследуемых опор будет зависеть от необходимых ракурсов съемки. Преимущество дрона в том, что для фотографирования ЛЭП ее не нужно отключать.
              Конечно же, такое решение не лишено недостатков. В непогоду дрон летать не сможет, а на GPS надежды нет (думаю над применением визуального ориентирования).
                0
                Опоры на воздушной линии от 1 кв ставятся на расстоянии 100-250 метров друг от друга.
                Давайте возьмем по максимуму — 250 метров — это 4 опоры на километр.
                20 км — это 80 опор.
                Чтобы за один полет обследовать 20 км или 80 опор сколько времени потребуется дрону?
                даже если возьмем по 3 минуты на опору (до которой надо долететь, а потом проделать еще путь обратно) — это 240 минут или 4 часа.
                Да даже по 1 минуты на опору (что вообще нереально) — 80 минут — у вас дрон столько не сможет работать без подзарядки.
                Теперь возьмем камеры.
                Камера с 3-4Г будет стоить 25$ одна штука, итого 2000$.
                Я думаю что ваш дрон будет стоить не меньше, а ему же еще оператор нужен.
                Но камеры будут четко работать, а вот дрон будет зависеть от множества факторов.
                Поэтому, имхо, все красиво конечно, но это не решение поставленной задачи…
                  0
                  А куда ставить камеру? Нужно же в разных ракурсах рассмотреть узлы крепления на самой опоре. Камеру еще нужно как-то запитать от 1КВ и больше, а это еще и трансформатор. Далее, одной камерой за $25 не обойтись, желательно посмотреть на конструкцию в ИК спектре. Ну и 4G есть не везде, значит нужно организовывать систему связи. Предполагается, что дрону оператор не нужен. Зарядную станцию можно поставить где-нибудь на крыше, а человек будет менять аккумулятор на дроне, когда он отлетает ресурс. Если таких станций несколько вдоль протяженности ЛЭП, то дроны могут летать от одной к другой и заряжаться на них по очереди.
                  Согласен, это пока фантастика и много ограничений. И потому, что я не физик и не инженер, мне видится только одно реальное — это время полета на одной зарядке, то есть энергоемкость аккумуляторов.
                  Над этим работают много людей в мире, я верю, что это ограничение они победят ). Вот, например, последователи Николы Тесла


                  До сих пор эта работа делается практически в ручном режиме, для чего ЛЭП отключают на несколько часов.
              0
              Насчет зарядки лично у меня самая первая мысль была следующая: делим посадочный стол на 4 зоны (по одной на опорную ногу дрона), делаем их электропроводными и подводим на них напряжение. На дроне делаем металлические ноги и с них напряжение снимаем. Рама карбоновая — ничего не замкнет.
              Из фантазий на предмет беспроводной зарядки: каким-то образом определяем, что борт успешно произвел посадку, после чего из посадочного стола поднимается на лифте передающая катушка. Приемную катушку, соответственно, расположить на «брюхе» дрона.
              А вообще, раз он инспектирует ЛЭП, так вот пусть от них и подзаряжается прямо в воздухе)
                0
                То есть, углепластик у нас, внезапно, стал диэлектриком?
                  0
                  Ууупс, виноват. Почему-то я был уверен, что карбон является диэлектриком. Каюсь.
                  Ну тогда ноги изолировать от рамы.
                  0
                  Или у дрона под корпусом разместить 2 контактные площадки, а база будет сама манипуляторами в них целиться. так сложная логика и дорогая часть оборудования будут на базе, которая не «упадёт и потеряется»
                    0

                    Можно сделать 9 контактных ног у дрона, и в шахматном порядке плюсы и минусы на контактной площадке, тогда каким бы образом дрона не приземлился бы, как минимум 2 ноги будут на площадках с противоположной полярностью, а от ног уже как-нибудь диодными мостами получить правильную полярность. Если ещё подумать, то можно наверное обойтись меньшим числом ног, но мне лень.

                    0
                    Идея заряжаться от ЛЭП приходит сама собой. Вопрос только в устройстве, которое сможет преобразовать электрическое поле высоковольтных проводов в подходящее состояние для зарядки аккумулятора. Оно должно быть легким и уместиться на дроне.
                      0
                      Боюсь что без использования троллея (по понятным причинам) такое устройство будет иметь единственно возможный конструктив в виде катушки, коя по примерным прикидкам должна быть метра 4 в поперечнике, что не очень согласуется с исходными условиями
                      0
                      Я ещё где-то давно читал про проект, в котором дроны используются в качестве ветряных электростанций: дрон цепляется тросом к земле, взлетает, а затем висит в воздухе как воздушный змей, при этом пропеллеры превращаются в генераторы, и по тросу возвращают энергию на землю.
                      0

                      Emlid это не гонконгская компания, главный офис у нас в Питере.
                      Хотя нет, уже не "у нас", я там уже не работаю.

                        0
                        Ну, видимо переехали. Так как на сайте про СПб ни слова, и в списке дилеров нет никого из России. Посылки шлют из Гонконга.
                          0

                          Не переезжали, изначально она и была основана здесь. В Китае завод и склад.
                          А дилер в РФ есть, но на другой продукт.

                        0
                        Углепластик же! Хватит уже глупости в виде «карбона» писать, господа.
                          0
                          Я знаю, что по-русски правильнее «углепластик». Но углепластиков разных очень много, а «карбоном» обычно называют композитный материал из углеткани с характерной текстурой.
                          0
                          Если есть желание сэкономить 100-150г веса, поменяйте камеру на RunCam Split и 3Д-печатанный подвес для неё. Там можно объектив поменять для меньшего FOV. А в целом, очень недурно. Начинал читать со скепсисом, но вижу что с некоторыми компромиссами выполнимо.
                            0
                            А если не летать, а ездить по самому верхнему нулевому проводу?
                              0
                              Идея хорошая. Но опять же, возникает вопрос питания бортовой электроники, если устройство будет постоянно «жить» на проводе. Ниже в комментарии я написал про дрон-канатоход.
                              0
                              Любопытно, что я сам недавно размышлял на тему обследования ЛЭП дронами. И остановился на том, что самый оптимальный вариант использовать один провод ЛЭП как опорный рельс. При движении по нему, тратится энергия на поддержание равновесия и продвижение вперед. Взлетать дрон должен только для перепрыгивания через изоляторы. Если использовать индуктивный датчик, приземляться точно на провод должно быть не сложно. Есть еще вариант использовать связку из двух дронов. Перед изоляторами один один держится за провод, другой перелетает через изоляторы.
                                0
                                Уже есть такая разработка российских умельцев: дрон-канатоход. Мне удалось немного пообщаться с разработчиками на выставке в Сколково в апреле. Он пока не умеет садиться на провод в автоматическом режиме, но зато на него ставят ультразвуковые датчики для проверки провода на внутренние повреждения.
                                0
                                А ведь вблизи ЛЭП компас будет с ума сходить, поэтому без визуальной обработки не обойтись.
                                  +1
                                  Несколько советов от тех, кто уже прошел весь этот путь :)
                                  1. Квадрокоптер, как правило, висит хуже, чем 6 и 8 роторные схемы. Более того, 8 роторная схема выдерживает отказ одного мотора.
                                  2. Автопилоты из открытых проектов — это приятное времяпрепровождение, спорт, хобби… что угодно, кроме работы. Надо включить и лететь — здесь DJI без вариантов. Да, тоже не без возможных приключений, но их гораздо меньше — решение отлажено гораздо большим количеством пользователей и полётов.
                                  3. Полеты везде, кроме чистого поля — изрядная лотерей в плане работы GPS и подобного. Поэтому необходимы датчики препятствий. Здесь, увы, готовые работающие решения — это снова DJI. Считайте что до высоты 50 футов у вас GPS и компас просто отсутствуют — будет меньше разочарований в процессе работы :). В чистом поле возвращение в точку старта с точностью до 15 сантиметров — не редкость. В застройке при взлете рывок в стену — норма.
                                  4. Онлайн видеотрансляция на разрешенных мощностях и диапазонах — кладет канал управления, если только у вас канал управления не интегрирован а видеотрансляцию. DJI LightBridge — как вариант, или его клон если хочется. Когда передатчик включит полную мощность на предельной дальности — мобильные модемы могут сильно изумиться. ( благо никто не запаривается помехозащитой)
                                  5. Во всей этой задаче система посадки и перезарядки — это основа. Остальное — мелочь, покупаемая в магазине. Лучшее из дешевого, что могут повторить программисты квалификации выше среднего — разобраться Аруко маркерами (посмотрите коптер-экспресс проект). Вопрос в том, что при определенном невезении камера просто его не увидит (к примеру тень разрезала поле маркеров пополам). Хороших решений на рынке нет — в основном это действительно вертикальная посадка по GPS с коррекцией по маркерам.

                                  Ну и в целом — до первых приличных результатов готовьтесь миллионам к 10-15 расходов :)
                                  Удачи!!!
                                    0
                                    Спасибо за советы. Да, я уже в курсе, что на радиопередатчики и приемники надежды нет, особенно там, где не «чистое поле». Даже китайская микроволновка в придорожном кафе в полукилометре может «ослепить» дрон. Ну если решить все проблемы за 10-15 млн, то это уже будет не хобби, а промышленный образец ).
                                    Есть ли у Вас опыт организации связи с дроном по 4G?
                                      0
                                      Нет, промышленный образец тянет миллионов на 300-600, поскольку нужны испытания, стенды и прочее...10ка- это на скотче и хомутах летный макет, полученный через год забивания головой гвоздей шляпками в пол. Насчет связи — мы пошли простым путем — чистая автономность, все равно в полете менять задание смысла особого не имеет. Эксперимент с 4G — положите смартфон обычный на борт и застримьте с него что нибудь в youtube. Увидите, на какой высоте диаграммы направленности антенн перестают работать в высоту. Но это — мелочи на фоне посадки в автономном режиме :)
                                        0
                                        Ну ладно уж, не убивайте энтузиазм на корню, я же не коптер для Почты России делаю. По моим прикидкам на порядок дешевле должно получится с учетом нескольких крашей на мелкие кусочки.
                                    0
                                    делюсь опытом… Краши — это мелочи. Без крашей несколько бортов просто ушатаются во время полетов до состояния полной профилактической замены всего. Борт часов за 50 укатывается по механике и аккумуляторам.
                                    Далее, чтобы настроить полёты — надо летать. Летать много. Судя по вашим идеям — просто летать вы еще не умеете, т.е. вам надо отдельно еще освоить курс полётов вручную. После этого много неверных предположений и неверных идей отвалятся сами. Полетаете при ветре 8 м/c — столько узнаете о системах стабилизации… о висении под креном градусов 40… Там вообще много интересного. Разок борт обмерзнет в полёте — словите или вибрацию или камера покроется коркой льда. Идея о том, что можно научить борт летать не умея летать самостоятельно — это неверная идея. В практике отладка каждого элемента полета выглядит так — вручную зашли — записали телеметрию. Подумали… Снова вручную подошли к нужной точке, щелкнули включение автоматического режима… А далее, как повезет, успеете подхватить вручную или борт уйдет на 50 м вверх или просто выключит двигатели…
                                    Где и как- отдельный вопрос. ПОсле полета очень желательно иметь телеметрию, по которой понять как оно там отлетало. Надежда что вы получите трек своего полета по инерциалке без GPS — почти никакой. Следовательно вам придется осваивать цех или ангар и придумывать телеметрию. Кто побогаче — те сразу покупают Вайкон. Кто не может -застрянут на этапе скотча и хомутов. Вы туда тоже не будете ради 15 минутного теста ехать через полгорода и обратно. Вы там обоснуетесь, тем более не бросать же оборудование. И это — только полеты по вашей системе осмотрой опоры ЛЭП. С посадкой — там серьезнее. Не будете же вы свою хлебницу-скворечних хранить на улице и бегать к ней из дома с заряженным аккумулятором?
                                      0
                                      Ну это уже давно пройденный этап ). Я начинал «летать» еще на калильных и компрессионных ДВС. И застал 35 и 40МГц диапазон с кварцами, который сейчас почти полностью заменен цифрой на 2.4 ГГц. Через мои руки прошло несколько десятков самолетов, вертолетов, машин и лодок, как на ДВС, так и электро. Реактивных только не было. Когда дроны и FPV только начинали появляться, мы уже вовсю летали на вертолетах вниз винтом с одним только гироскопом на рысканье. Но это было давно, сейчас остался побаловаться только спорт-режим на паре коптеров от DJI.
                                      Бегать с аккумулятором к дрону конечно же не нужно, скворечник то и нужен, чтобы ЗУ там разместить. Сейчас пока приходится проводок на магнитике руками подводить к дрону.
                                        0
                                        Теплый ламповый пилотаж..600ка со спартаном. Кстати съемка с него была лучше, чем с FBL ных машин, трясет изображение меньше.
                                        Возвращаясь к скворечнику. Опыт показал что его надо сразу монтировать либо на автомобильном прицепе, либо предусмотреть его закатывание на автомобильный прицеп. Это, кстати, даёт и предельные габариты. После конструирования получаем генератор + два или 4 автомобильных аккумулятора+ конвертор. Это хорошо за центнер выходит. В нашем конкретном случае — еще солнечные панели.
                                        Насчет зарядки… проверено несколько схем. Первая ( там на виде выше, 2012 год) — это борт ножками точно попадает в контакты (автоматика обеспечила точность 3 см)… но 4 ножки (если жесткая рама) никогда не лежат в одной плоскости… Пришлось контактные площадки делать с индивидуальным пружинками… потом оказалось что полкиловатта плохо проходят через такие хилые контактики. Решения с магнитками — отказались, мешали взлету-раз, лишний вес — два. Окончательное решение — автомат заряжания. Тут кто во что горазд, рекомендую посмотреть как это в танках сделано — оттуда ряд идей можно взять. Двойная цепь на моторах — решение сильно более интересное, чем пневмо-гидротолкатель… Но тут кого найдете себе в механики.
                                        Кстати решение на тему открывания — закрывания. Тут тоже будете между пневматикой и электромеханикой мучаться… В нашем случае мы вообще осуществляем посадку через стенку и используем обычный роллет. Гораздо более изящная конструкция чем хлебницы… Получается «шаверма» :)
                                      0
                                      Делал такой проект года 3 назад, пришлось остановиться тк спроса на него в то время не нашел, а затраты на разработку порядочные.
                                      Карбоновая рама и работающая ЛЭП например на 110кв это искрящий факел. Напряженность поля там слишком большая и нужно прорабатывать изоляцию и материалы. Прежде чем проектировать под это дело коптер, лучше полетать около тех самых ЛЭП и попробовать снять вручную любым доступным девайсом который не жалко, сразу много вопросов появится, и не придется все переделывать, хотя все равно придется ))
                                      Ну а в целом, идея стоящая, но очень дорогая и ближайшие лет 5-10 все еще будет выгоднее делать осмотры вручную. Удачи если у вас получится.
                                        0
                                        Просто полетать вручную вдоль лэп само по себе спорная идея, которая быстро заинтересует правоохрантиельные органы
                                          0
                                          Не вручную, а в автоматическом режиме по согласованному маршруту (в том числе и с ОрВД РФ).
                                          Да просто летать вдоль ЛЭП и интереса никакого нет — для этого есть и более живописные места.
                                            0
                                            при наличии заинтересованного лица из сетей, это не представляет проблемы.
                                            0
                                            Само собой, вручную уже летал на DJI. В непосредственной близости ощущается влияние на компас и связь. Поэтому вижу два пути: хорошее экранирование (пока не представляю как это делается) и/или мощная оптика на камере, чтобы близко не подлетать (а это вес, размер и тд). Но так как это не промышленный образец, мне для начала достаточно реализовать задумку для применения в идеальных условиях, а потом уже заниматься проблемными участками.
                                              0
                                              экранирование от ЛЭП автоматически экранирует вас и от полезного сигнала, я думаю
                                                0
                                                тогда не нужно проектировать коптер сейчас, у вас все изменится и очень сильно когда дойдет до эксплуатационных условий, а коптер по сути расходник и в случае разработки вам не нужно полноразмерной дорогой модели, тк менять вы их будете часто.

                                                Про компас лучше сразу забыть и использовать 2-3 gps + imu, по разности определять склонение, ртк конечно лучше в этом плане. связь — низкочастотная, данные накапливать на борту и отдавать по посадке. Изоляция — тут простор для творчества, но после полета у рабочей линии не трогайте коптер сразу и не ловите в воздухе, может неслабо дернуть током, это же относится и к посадочному доку.

                                                мощной оптики не нужно, а вот управление оптикой очень нужно и тут придется городить кучу вариаций и согласований между полетом, подвесом и тем куда и как смотреть. малина такое не потянет, а любой jetson не только добавит стоимости, но и повысит потребление. и тд и тп.
                                                  0
                                                  Ну так сам коптер — это вершина айсберга. За ним еще куча ПО и технических решений, на которые не влияют помехи от провода. Выше в комментариях есть ссылка на дрон-канатоход, который успешно садится на провод под высоким напряжением. Поэтому, конкретно это проблема — не проблема. Самым сложным звеном мне видится автоматизированная организация разрешения на полет у ОрВД (так, чтобы диспетчер разрешал взлет нажатием кнопочки у себя на пульте). И это сложность не техническая, а организационная.
                                                    0
                                                    организационно с орвд все упростится относительно скоро, вам же не нужно выше 150 метров летать? технические сложности никуда не денутся.
                                              0
                                              В целом — все задачи, кроме обеспечения автономного полета при выполнении задания, решаются без особых умственных усилий. А вот автономный полёт — требует полнейшего перенапряжения…
                                                0
                                                Почему? Я использую такие приложения как DroneDeploy и MapsMadeEasy для создания карт местности и трехмерных моделей дронами DJI. Взлет, посадка и весь полет по маршруту проходит автоматически (от меня только нужно включить дрон и нажать Start на планшете). При этом периодически теряется связь в процессе, но, ничего, дрон возвращается с фотками и сам садится. Контроллеры с Ardupilot также имеют возможность летать без ручного управления по спланированному маршруту. В случае с ЛЭП поменяются только точки и ракурсы съемки.
                                                  0

                                                  верно. это мелочи из магазина готовых решений. веселье без gps с кривым компасом и странно освещении

                                              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                              Самое читаемое