Полет на самолете по телеметрии INAV

Полет на самолете по телеметрии INAV

Практика для студентов. Мясищев А.А.

На страничке Настройка INAV ver.2.5 для полета по точкам на самолете рассматривался полет по заданной на карте траектории по путевым точкам. Представляет интерес отслеживания полета самолета по карте в реальном времени, отображаемого на экране компьютера с использованием программного обеспечения INAV. При устойчивой работе оборудования и программного обеспечения можно также рассмотреть возможность управления самолетом на основании отображения его полета на экране монитора компьютера по данным телеметрии. Для решения этих задач с использованием программного обеспечения INAV вначале рассмотрим материалы, представленные разработчиками INAV.

!--------------------!

iNav поддерживает автономный полет с использованием путевых точек. Чтобы использовать эту возможность, также необходимо использовать и настроить некоторые поддерживающие технологии, в том числе:

--GCS (наземная станция управления). GCS обычно предоставляет функции для создания миссий путевых точек (WP), загрузки миссий WP в полетный контроллер (ПК), проверки миссии, выполнения миссии и регистрации миссии;

--Оборудование телеметрии. Для того, чтобы передать миссию в ПК и контролировать ее в реальном времени во время выполнения миссии, необходимо установить и настроить систему телеметрии между GCS и самолетом.

В настоящее время существует ряд приложений GCS, широко используемых для управления миссиями iNav, в том числе Mission Planner для INAV (Android), MobileFlight (IOS) и mwp (Linux). Инструменты на основе протокола MAVLink обеспечивают только мониторинг.

Mission Planner для INAV и mwp поддерживают планирование миссий (они имеют общий формат файла определения миссии, поэтому миссии можно использовать в любом инструменте), загрузку/выгрузку миссий, мониторинг миссии и ведение журнала миссии.

Начиная с версии 1.9.2, конфигуратор iNav предоставляет элементарные возможности планирования миссии. А версия 2.2 может сохранять и восстанавливать миссии в файловой системе. Поэтому конфигуратор, как в этой работе может использоваться в качестве наземной станции управления.

Droid Planner 2 (можно загрузить с GitHub) поддерживает только односторонний протокол MAVLink iNav. Отображаются следующие данные телеметрии:

Положение самолета на карте, активный режим полета, курс, высота, скорость.

Разорванное соединение восстанавливается через любой промежуток времени. Маршрут полета остается на экране даже при разрыве канала передачи данных. Файлы журнала можно открыть в программе Mission Planner.

Оборудование для телеметрии

Чтобы передавать задания от GCS к контроллеру полета и отслеживать/регистрировать данные полета, необходимо установить канал передачи данных между GCS и самолетом. Некоторые популярные технологии включают:

Bluetooth

3DR (433 МГц/915 МГц)

Wi-Fi (ESP8266)

HC-12 (433 МГц, аналог 3DR)

Устройства Openlrs/Openlrsng (например, orangerx 433 tx/rx combo)

LoRA (варианты 868/433 МГц)

Наиболее интересные технологии:

Радиостанции 3DR - работают в диапазонах 433 МГц и 900 МГц. Широко доступны в интернет-магазинах. Документация доступна на сайте Ardupilot.org . Стандартная прошивка 3DR разработана для протокола MAVLink. Текущая рекомендация INAV- использование стандартной прошивки с отключенными параметрами MAVLink. 3DR - это технология средней дальности, не менее 1 км.

HC-12 - радиотехнология, сравнимая с 3DR, с аналогичными диапазоном передачи и характеристиками. Конфигурация и использование с iNav документированы в работах https://quadmeup.com/diy-wireless-telemetry-link-for-uav/ и https://quadmeup.com/hc-12-433mhz-wireless-serial-communication- модуль-конфигурация / . Предпочтительно работать в режиме FU3/9600 бод. Модули отличаются низкой стоимостью и хорошим качеством работы при использовании антенн типа "диполь")

Openlrsng - система полного радиоуправления, в основном используемая для LRS (систем дальнего действия). Поддерживает радиомаяк для потерянных моделей, отказоустойчивость и другие характеристики. Для данных телеметрии технология предлагает двунаправленный канал. Диапазон телеметрии зависит от мощности, антенн и скорости передачи. Снижение скорости передачи и хорошие антенны позволяют достигать очень больших расстояний с полной телеметрией на наземной станции. Openlrsng можно комбинировать с устройствами bluetooth на GCS, чтобы можно было подключаться к модели в полете с помощью телефона, планшета или персонального компьютера.

Протоколы телеметрии

Данные передаются между GCS и полетным контроллером с использованием «протокола телеметрии». В настоящее время iNav предлагает два протокола (MSP и LTM), оба из которых поддерживаются ezgui и mwp . Существует также минимальная реализация MAVLink (mwp в настоящее время поддерживает это подмножество MAVLink). Реализация MAVLink поддерживает только push-телеметрию (т.е. мониторинг миссии, а не планирование миссии).

MSP - последовательный протокол MultiWii является «собственным» протоколом обмена сообщениями для iNav. Он хорошо поддерживается конфигуратором, ezgui, mwp и многими OSD. В протоколе есть все для загрузки миссий и отслеживания полетов. Недостаток в том что это протокол опроса и для мониторинга миссии GCS должен запрашивать данные, а полетный контроллер отвечает на запросы. На самом деле это не проблема для полнодуплексных каналов передачи данных(Bluetooth и WiFi), однако полудуплексный характер 3DR, когда переключение между режимами приема и передачи требует значительных временных затрат, протокол ограничивает производительность при мониторинге миссии.

mwp может уменьшить это снижение производительности, используя протокол MSP для настройки, загрузки/проверки задания и мониторинга до Arming, и переключаясь автоматически в протокол LTM при Arming, когда во время полета выполняется мониторинг миссии.

LTM - это протокол телеметрии типа «push». Здесь полетный контроллер отправляет незапрашиваемые данные в GCS. Это позволяет избежать «полудуплексного» временной задержки протокола MSP на радиостанциях 3DR. В отличие от MSP, LTM предоставляет только полетные данные. MSP используется до Arming - a, LTM при Arming - e. Программы ezgui, и mwp выполняют переключение автоматически.

LTM эффективно работает по каналам с низкой скоростью передачи данных. В настоящее время реализация iNav передает данные с максимальной скоростью 300 байт/сек, для этого достаточно иметь скорость канала передачи 4800 бод. iNav предоставляет варианты конфигурации для «средних» и «медленных» скоростей LTM, что может увеличить дальность действия радиосвязи.

MAVLink - это полнофункциональный протокол с широкими возможностями, используемый платформами PX4, PIXHAWK, APM. Реализация для iNav - это только «push-телеметрия», она используется только для мониторинга полета. Первоначальные реализация этого протокола в iNav должны поддерживается ezgui, Droid Planner 2, mwp.

Для iNav применяются следующие правила:

- Если протокол телеметрии определен для UART без MSP (вкладка ports конфигуратора INAV), то протокол телеметрии push будет отправлен без каких-либо условий.

- Если UART определяет и MSP, и протокол телеметрии, то MSP активен, когда нет Arming, а протокол push-телеметрии передается от FC когда он находится в Arming - e.

- Если для USART включен только MSP, он всегда доступен (при Arming и без Arming).

У MSP есть достоинства и недостатки:

- CGS может определить, какие данные запрашивает ПК(полетный контроллер) - это +

- CGS использует MSP для связи и настройки ПК (+)

- CGS должен поддерживать тайм-аут и повторять попытку, так как данные могут быть потеряны при передаче (-)

- Для каналов пакетной радиосвязи (3DR, HC-12) это происходит медленно (намного медленнее, чем установленная скорость передачи данных) из-за накладных расходов на создание и разрыв пакетов (-).

Пример настройки

Рис.1. Пример настройки

В приведенном примере MSP доступен на USART1, когда нет Arming и LTM, при Arming (в данном случае используется с телеметрическим радиомодулем 3DR или HC-12 и наземной станцией mwp). Скорость передачи данных устанавливается одинаковой для MSP и LTM.

!--------------------!

Изложение материала по практическому тестированию телеметрии INAV

В качестве оборудование для телеметрии выбран 3DR

Его характеристики:

Вес < 4-х грамм без антенны

Рабочая частота 433-434.79 МГц;

Дальность действия до 200м;

Чувствительность приемника -121 дБм;

Мощность передатчика 20 дБм (100 мВт);

Скорость передачи данных до 250 кбит/с(по умолчанию 56700 бит/с);

Поддержка протокола MAVLink ;

Встроенная корректировка ошибок (позволяет исправить до 25% ошибок при передаче);

Прошивка с открытым исходным кодом;

Рис.2. Доработанные антенной-диполем модули 3DR с частотой 433 МГц

На рисунке 2 показана фотография радио модулей 3DR с поставляемой с ними антенной. Практика показала, что дальность действия модулей с такой антенной не превышает 100-150м для просмотра полета с использованием конфигуратора INAV ver.2.5 в качестве наземной станции. Аналогичные результаты показала программа Mission Planner для INAV (Android). Модуль на самолете был подключен к порту UART1, как на рис.3. Для увеличения дальности действия вместо установки поставляемой антенны к антенному выходу были припаяны два отрезка провода с сетевого кабеля "витая пара" длиной по 165 мм. Таким образом была установлена антенна "классический полуволновой диполь". Такая антенна во время тестирования позволила установить устойчивую радиосвязь на расстоянии 900м. На большее расстояние тестирование не выполнялось.

Рис.3. Настройка порта UART1 для телеметрии

Переход на протокол телеметрии LTM не дал улучшения дальности связи. Даже после перехода в режим Arming передача данных велась по протоколу MSP. В связи с этим модули 3DR были настроены с помощью программы Mission Planner для APM с параметрами, как показано на рис.4

Рис.7. Полет с использованием GPS приемника, компаса и барометра

На рисунке 8 показана сформированная на INAV ver.2.5 конфигураторе миссия для показанных на рис.6 и 7 траекторий полетов.

Рис.9. Миссия полета, сформированная конфигуратором INAV для полета на расстояние ~900м

Выводы

1. Рассмотрены протоколы телеметрии, реализованные в программном обеспечении INAV. Установлено, что для наземных станций, реализованных программами - INAV конфигуратор ver.2.5 и Mission Planner для INAV (Android) работает только протокол MSP. Переключение на протокол LTM не обнаружено.

2. Установлено, что для увеличения радиуса действия телеметрии на модулях 3DR необходима замена поставляемой с ними антенн простейшей и более легкой антенной "полуволновой диполь". Недостатком ее является увеличенные размеры(длина диполя 330 мм).

3. Экспериментально показано, что для полета по миссии на самолете для обеспечения прямолинейного полета целесообразно для навигации использование только GPS приемника. Установка компаса искривляет прямолинейный полет полет самолета. Это показано как для прошивки INAV ver.2.5 на примере самолета и также это было отмечено при испытании квадрокоптера на прошивке INAV более ранней ver.2.2.

Написано 14.09.2020г.