APM – Nie taki diabeł straszny – Wstęp

Celem niniejszego materiału jest przybliżenie budowy użytkowania oraz możliwości kontrolera ARDUPILOT , które nie jest doceniane głównie ze względu na opinię urządzenia „skomplikowanego”. Rynek kontrolerów Autopilotów od początku był praktycznie zdominowany przez urządzenia DJI typu NAZA, które oferowały bardzo dobrą stabilność lotu oraz co najważniejsze łatwość konfiguracji. Zdecydowana większość użytkowników wybiera te urządzenia głównie ze względu na łatwość konfiguracji. Przejrzyste i nieskomplikowane MENU GUI tych produktów oraz niewielka ilość parametrów które możemy zmieniać w ustawieniach decydowała o tym że użytkownik miał poczucie bezpieczeństwa że zbyt mocno „nie namiesza” w ustawieniach i jego model będzie przez to latał długo i szczęśliwie.

Jest w tym trochę prawdy jednak musimy sobie uświadomić że na im więcej parametrów mamy wpływ – tym jesteśmy w stanie lepiej dostosować model do własnych potrzeb. Nie jest moim celem zniechęcanie Was do produktów DJI , a jedynie przybliżenie możliwości jakie oferują kontrolery serii APM , które są przynajmniej o połowę tańsze, oferują dużo większe możliwości i co najważniejsze oferują całą gamę akcesoriów które możemy do nich podłączyć przy niewielkim nakładzie finansowym.

APM –Co to jest w ogóle jest ?

A P M to projekt rozpoczęty przez firmę 3DRobotics zajmującą się elektroniką oraz robotyką.

W tej chwili jest to projekt OPEN SOURCE czyli posiada tzw „ oprogramowanie otwarte”. Sam skrót pochodzi od zwrotu ArduPilot Multiplatform, co oznacza że jest to autonomiczny kontroler z przeznaczeniem do wielu typów modeli takich jak samochody, łodzie, samoloty, multiwirnikowce, helikoptery. Główna strona projektu z której możemy pobrać niezbędne oprogramowanie i dowiedzieć się czegoś więcej na ten temat to http://ardupilot.com/

Najważniejsze cechy dotyczące kontrolera:

• ArduPilot APM 2.X to wysokiej klasy i doskonale wyposażony kontroler lotu o bardzo dużych możliwościach.
• ArduPilot Mega bazuje na platformie Arduino Mega wersja 2.6 oparta jest o mikrokontroler Atmel ATMega 2560.
• Projekt zarówno hardware-u jak i software-u jest w pełni OpenSource, dzięki czemu posiada bardzo aktywną społeczność.
• ArduPilotMega jest kontrolerem uniwersalnym.  W zależności od załadowanego kodu pozwala na sterowanie wielowirnikowcami i tradycyjnym śmigłowcem , pojazdami i łodziami , samolotami i szybowcami.
• Po podłączeniu GPSa  z kompasem mamy możliwość planowania trasy lotu na komputerze i ustawienia lotu autonomicznego. 
• Kontroler wraz z oprogramowaniem oferuje pełne wsparcie dla gimbala.
• Pozwala tez na podłączenie takich czujników jak na przykład czujnik prędkości wiatru czy czujnik zbliżeniowy, kamery i całą masę innych.
• Dzięki modułowi napięcia pozwala na monitorowanie obciążenia i napięcia baterii i ewentualną reakcję modelu przed całkowitym rozładowaniem akumulaotra.
• Po podłączeniu modułu OSD wszystkie te informacje jak i kierunki lotu czy powrotu pokazywane są w czasie rzeczywistym na ekranie monitora.

Do obsługi i zarządzania tymi urządzeniami służą trzy darmowe wersje oprogramowania zależne od typu modelu do jakiego będziemy go używać :

– Ardu Plane – oprogramowanie wykorzystywane do zarządzania samolotami np. platformy FPV. http://plane.ardupilot.com/

– Ardu Copter – przeznaczone dla platform multirotorowych zwanych popularnie dronami oraz helikopterów jednowirnikowych . http://copter.ardupilot.com/

– Ardu Rover – przeznaczone dla pojazdów naziemnych czyli samochodów, łazików oraz łodzi. http://rover.ardupilot.com/

Elementem wspólnym dla wszystkich typów są dwie wersje oprogramowania GUI dla PC do zarządzania urządzeniami i konfiguracją:

1. APM Planner http://planner2.ardupilot.com/
2. MISSION Planner http://planner.ardupilot.com/

W materiale jednak chciałbym się skupić na tym co nas chyba najbardziej interesuje w tym momencie czyli multiritorach, do których najlepszym moim zdaniem oprogramowaniem jest jednak Mission Planner.

Oprogramowanie w najnowszej wersji możemy pobrać tutaj: http://ardupilot.com/downloads/?did=82

Program instalujemy na komputerze PC standardowo zgadzając się na warunki użytkowania.

Porównanie dostępnych wersji kontrolerów serii APM.

Kontrolery serii APM występują w kilku wariantach i wersjach. Ja jednak skupię na wersjach dostępnych w naszym sklepie http://abc-rc.pl/

1. Najmniejsza z wersji dostępnych na rynku v3.1 z GPS http://abc-rc.pl/ardupilot-mini-apm-v31-arducopter
2. Starsza ale najpopularniejsza wersja 2.6 z GPS http://abc-rc.pl/ArduCopter-APM-2-6-GPS
3. Najnowsza wersja 2.8 również z GPS http://abc-rc.pl/ardupilot-apm-28-z-gps-ublox-6m

Zajmy się tzw „hardwarem” czyli elektroniką APM.

Wersja 3.1

To najmniejsza dostępna wersja tego kontrolera. Konstrukcja i wyposażenie jest dokładnie takie samo jak „większych” braci z rodziny 2.X. Kontroler dzięki swym rozmiarom z powodzeniem stosowany w helikopterach , samolotach oraz małych dronach klasy „250”.

Kontroler wyposażony w żyroskop (INVENSE MPU-6000) , oraz barometr (685853) pomocny do utrzymania wysokości. Ze względu na zakłócenia nie posiada wbudowanego magnetometru (puste gniazdo nad barometrem)

Wersja 2.6

W wersji 2.6 użyte zostały te same komponenty co w mniejszej wersji 3.1

Mamy ten sam żyroskop, barometr. Tutaj również nie znajdziemy wbudowanego magnetometru ponieważ producent po wersji 2.5 wycofał go z płyty głównej ze względu na zakłócenia. Jedyne co go odróżnia to więcej złącz dodatkowych , które przy standardowym użyciu w modelu raczej nie będą nam potrzebne. Płytka jest zdecydowanie większa i cięższa od wcześniej wspomnianej.

Wersja 2.8

Jak widać na załączonym poniżej rysunku producent nie dokonał wielkich zmian w konstrukcji płytki głównej. Zastosowano ten sam żyroskop oraz barometr. Zostawiono również puste miejsce na wewnętrzny magnetometr. Płytka została okrojona z dolnych gniazd UART. Najistotniejszą zmianą jest dodatkowy port magnetometru który został wstawiony w miejsce starego typu złącza GPS.

Najistotniejsze zmiany w stosunku do wersji 2.6

• poprawiono układ LDO 3.3V do 500mA 
• zmieniono diody do PIX PMEG2005
• dodany kondensator 22uF / 16V do modułu 5V, aby zapewnić stabilne zasilanie procesora głównego (2560)
• zlikwidowano gniazdo OLD GPS PORT i w jego miejsce wstawiono gniazdo kompasu.

Uwaga – w tej wersji zewnętrzny kompas podłączamy pod gniazdem GPS a nie do I2C jak to miało miejsce w wersji 2.6

Opis i podstawy interfejsu GUI

Ekran główny interfejsu podzielony jest na 5 podstawowych sekcji:

1 – Komunikacja z kontrolerem – Tutaj ustawiamy parametry połączenia pomiędzy kontrolerem a aplikacją GUI.

2 – Menu główne – Znajdziemy tu najważniejsze zakładki konfiguracyjne.

3 – Podgląd statusu kontrolera wraz z jego pozycją i aktualnym stanem

4 – Menu wskaźników – szczegółowe parametry kontrolera

5 – Mapa pozycji GPS –aktualna pozycja odczytana z GPS

Ad. 1 Komunikacja z kontrolerem

Menu konfiguracji komunikacji posiada 3 składniki:

1. Wybór portu COM czyli kanał komunikacyjny komputera z kontrolerem. Naciśnięcie strzałki w dół przy tym polu spowoduje rozwinięcie listy aktualnie używanych portów COM. Wybieramy oczywiście Aduino Mega 2560. W oknie obok mamy prędkość połączenia. Domyślnie 115200.

Jeśli chcemy się połączyć wybieramy CONNECT.

Ad.2 Menu główne

Menu podzielone na :

FLIGHT DATA – czyli dane lotu. To główne okno programu (patrz ekran główny interfejsu)

FLIGHT PLAN– czyli trasa lotu. Mamy tutaj mapę GPS na której możemy ustalić trasę lotu wstawiając tzw. WAY POINT-y czyli punkty trasy po których nasz model ma wykonać misję. Dotyczy to trybu lotu AUTO, czyli tryb autonomiczny, którym na razie nie będziemy się zajmować

INITIAL SETUP – Najważniejsze Menu konfiguracyjne.

Zasadniczo opcje podzielone zostały na cztery główne składniki :

– Install Firmware – czyli instalacja lub aktualizacja oprogramowania naszego kontrolera. Aktualizacji dokonujemy zawsze na rozłączonym kontrolerze, ale podpiętym do gniazda (DISCONNECT)

– Wizard – Opcja bardzo pomocna początkującym. Służy do podstawowej konfiguracji kontrolera wraz z niezbędnym osprzętem na modelu krok po kroku.

– Mandatory Hardware– znajdziemy tutaj pojedyncze ustawienia niezbędnych ustawień. To samo co Wizard ale nie musimy robić wszystkiego po kolei.

– Optional Hardware – ustawienia osprzętu dodatkowego który nie jest niezbędny do uruchomienia modelu, ale znacznie rozszerza jego możliwości.

CONFIG/TUNING – Bardzo pomocne ale i niebezpieczne menu. Służy do konfiguracji szczegółowych parametrów kontrolera i modelu. Podzielone zostało wg. stopnia trudności poszczególnych opcji.

Bardzo sprytnie zrobione. Złożone z kilku opcji ułożonych wg. skali znajomości modelu od podstawowych do bardzo szczegółowych. Dostępne opcje:

– Flight modes – Opcja pozwala na skonfigurowanie odpowiednich trybów lotu naszego modelu. Przełączając w radiu przełącznik w odpowiednią pozycję ustalamy dla niej odpowiedni tryb lotu.

– Geo Fence – Geo bariera, czyli ustalamy na jakim obszarze nasz model ma się poruszać a za jaki nie powinien wylatywać.

– Basic Tuning – Podstawowy tunig – głównie możemy zmienać tu czułość modelu.

– Extended Tuning – Szczególowe parametry dotyczące tzw. PID-owania modelu.

– Standard Params – wyszukiwarka standardowych parametrów kontrolera

– Advanced Params – To samo dla rozszerzonych parametrów

– Full Parameters list – Pełna alfabetyczna lista wszystkich szczegółowych parametrów kontrolera

– Full parameter Tree- To samo co wyżej tylko w formie drzewa wraz z powiązaniami.

W tym miejscu ostrzeżenie. Jako że już ustaliliśmy że APM nie należy do najłatwiejszych w obsłudze ZAWSZE jeśli cośkolwiek zmieniacie w powyższych parametrach zróbcie najpierw backup, czyli zapiszcie poprzednie ustawienia z jasnym i czytelnym opisem zmian.

Jeśli tego nie będziecie robić ciężko będzie wrócić do prawidłowych ustawień. Czasem zdarzy się że zmiana tylko jednego lub kilku drobnych parametrów ma wpływ na cały pracę całego modelu i wtedy ciężko sobie przypomnieć co i gdzie zmieniliśmy. Najczęściej kończy się to ponowną konfiguracją modelu od początku.

SIMULATION – Możlwiość przeprowadzenia symulacji lotu.

TERMINAL – Konsola tekstowa CLI dla zawansowanych.

HELP – podstawowa pomoc.

DONATE – wsparcie projektu.Jeśli masz ochotę wesprzeć finansowo to właśnie tutaj.

Ad.3 Podgląd statusu kontrolera

Okno statusu z „sztucznym horyzontem” . pokazujące nam aktualny status kontrolera wraz z aktualną pozycją, ostrzeżeniami o błędach i innymi cennymi informacjami. Podwójne kliknięcie rozwija go na pełny ekran, co jest przydatne szczególnie przy lotach FPV.

Ad.4 Menu wskaźników

Menu podzielone na kilka modułów, gdzie możemy przełączać się pomiędzy grupami wskazań by uzyskać szczegółowe informacje na temat interesującego nas parametru i jego zmian. W zakładce buick mamy 9 podstawowych parametrów które możemy dostosować przez podwójne kliknięcie na daną pozycję.

Ad.5 Mapa pozycji GPS

Na tej mapie po odpowiednim powiększeniu i oczywiście kiedy nasza antena złapała tzw „FIX-a” czyli odpowiednią ilość satelit, uzyskamy zdjęcie satelitarne miejsca w którym znajduje się nasz kontroler.

Dodatkowo klikając na opcję „STROJENIE” obraz podzieli się na dwie części jednej z nich uzyskamy odczyt parametrów z kontrolera (akcelerometr) co jest szczególnie przydatne podczas np. pomiaru drgań emitowanych przez zespoły napędowe modelu.

Tryby lotu

Na koniec chciałbym opisać w skrócie dostępne tryby lotu kontrolera APM.

Podstawowo możemy skonfigurować następujące tryby lotu

Stabilize – Jest to podstawowy i najczęściej używany tryb lotu. W tym trybie model jest stabilizowany przez gyroskop w pozycji poziomej, by zapewnić równowagę. Stabilizacja działa jednak model nie utrzyma sam pozycji. Jest podatny na złe wyważenie modelu, spychający wiatr i inne czynniki. W tym trybie mamy cały czas kontrolę nad modelem za pomocą radia i cały czas jesteśmy zmuszeni do korygowania kierunku oraz wysokości lotu. Drążek gazu cały czas działa w trybie ręcznym czyli kontroler nie ma wpływu na wysokość modelu. Jedynym zadaniem kontrolera jest utrzymanie modelu w poziomie.

Wymaga od pilota ciągłej obserwacji modelu i korygowania wysokości oraz kierunków lotu modelu.

Alt Hold – skrót od Altitude HOLD czyli jak można się łatwo domyślić jest to blokada wysokości modelu. Włączenie tego trybu podczas lotu spowoduje zapamiętanie aktualnej wysokości na jakiej model się znajduje w oparciu o wskazania barometru , ale należy pamiętać o tym by drążek gazu znajdował się w pozycjo około 50%.Nadal jednak mamy manualną kontrolę nad modelem. Możemy zmieniać kierunki lotu, skręcać a nawet wznosić się czy opadać. Przy standardowych ustawieniach obniżenie drążka gazu spowoduje powolne opadanie, a podniesienie powolne wznoszenie się modelu. Należy jednak pamiętać ,żeby przy powrocie do trybu stabilize drążek znajdował się na wartościach wyższych od 60% ponieważ model wróci do całkowicie manualnego sterowania wysokością. Jeśli więc damy drążek zbyt nisko i przełączymy się na stibilize model może nagle opaść lub nawet wyłączyć silniki , i odwrotnie zbyt mocno podniesiony gaz spowoduje natychmiastowe i gwałtowne wznoszenie.

Loiter – Ten tryb ma za zadanie nie tylko utrzymanie wysokości modelu jak to miało miejsce w Alt Hold, ale także stara się na podstawie pozycji GPS zablokować jego pozycję. Jest to tryb można powiedzieć awaryjny dla pilota, kiedy przez chwilę musimy oderwać wzrok od modelu, lub przeprowadzamy np. obserwację przez kamerę modelu. W tym trybie nawet silny wiatr nie powinien wytrącić modelu z bieżącej pozycji. Do określenia swojej pozycji APM używa w tym trybie nie tylko GPS ,ale i kompasu. Przed użyciem tego trybu koniecznie trzeba mieć pewność że kompas jest prawidłowo skalibrowany a jego wskazania zgodne są z rzeczywistością. W trybie Loiter nadal mamy kontrolę nad modelem i możemy sterować w nim we wszystkich kierunkach jednak model reaguje stosunkowo powoli. Puszczenie drążków w tym trybie spowoduje zapamiętanie i utrzymanie bieżącej pozycji. Tryb można powiedzieć najbezpieczniejszy jednak pamiętajmy żeby zbytnio nie ufać elektronice bo często bywa zawodna 

RTL (Return-to-Launch) – Kolejne ułatwienie dla pilota czyli automatyczny powrót w miejsce startu.

Pozycja startowa zapisywana jest w momencie uzbrajania silników, dlatego pamiętajmy by nie startować modelem zbyt szybko od włączenia, żeby dać antenie GPS czas na znalezienie odpowiedniej liczby satelit. Tryb bardzo zautomatyzowany. Mamy w nim minimalną kontrolę nad modelem a w zasadzie w niewielkim stopniu możemy wpływać na wysokość lotu. Zanim zaczniemy używać tej funkcji dobrze jest zapoznać się z kilkoma parametrami niezbędnymi do prawidłowego działania RTL. Znajdziemy je w FULL PARAMETER TREE w zakładce RTL.

– RTL_ALT – wysokość od jakiej model zacznie autopowrót.

– RTL_ALT_FINAL – wysokość końcowa czyli ta na której ma się znaleźć model po dotarciu nad tzw „Home point” czyli punkt startowy.

– RTL_LOIT_TIME – czas zawisu nad „Home point”

– WP_YAW_BEHAVIOR – określa w jakiej pozycji model będzie wracał

– LAND_SPEED – prędkość lądowania podawana w cm/s.

Auto – tryb całkowicie autonomiczny. Wykonywany głownie na podstawie waypointów. Możemy zaplanować całą misję w komputerze i przesłać ją do modelu, który jest w stanie sam wystartować i wylądować po jej ukończeniu. Na razie nie będę się zagłębiał w ten temat bo to już troszkę wyższa szkoła jazdy i nie to jest głównym celem niniejszego artykułu.

Kolejna część już niebawem

Autor: Wojtek (Serwis ABC-RC)