Демонстрация полета flix на проектной школе в Гимназии им. Примакова

🎉 Репозиторий с исходным кодом квадрокоптера опубликован: https://github.com/okalachev/flix.

О чем будет этот канал

Я собираюсь сделать блог по теории и практике создания полетного контроллера квадрокоптера. В процессе создания своего дрона на ESP32 я открыл для себя кучу интересного по теории автоматического управления, инженерии, и собираюсь этим поделиться.

Я буду разбирать решения конкретных задач автопилотирования, например, фильтрация данных с датчиков, регулирование, запись и анализ логов, выполнение акробатических маневров (например, флипов), автономный полет по точкам, взаимодействие с наземной станцией по MAVLink и т. д.

Моя итоговая цель: создание учебника (или даже учебного курса) по теме создания автопилотов БПЛА, который будет использовать мой дрон в качестве учебного пособия. Возможно, все это выльется в какой-нибудь коммерческий продукт. А, возможно, и не выльется, время покажет :)

Introduction-видео моего квадрокоптера https://youtu.be/8GzzIQ3C6DQ

А вот как выглядит мой квадрокоптер-прототип под «капотом». Виден используемый десятиосный модуль IMU GY-91 (MPU9250) и месиво из проводов. Знаю, что MPU9250 устарел, но тем не менее решил использовать именно его, как проверенную классику. Но не исключено, что стоит его и поменять: он обладает достаточно высоким уровнем шума.

FAQ #1

Получил довольно много вопросов по проекту, большое спасибо вам за интерес! Напишу ответы на некоторые из вопросов, которые задавали больше одного раза.

Где и когда можно купить? Сейчас этот проект на стадии прототипа. Но вы можете купить такой же набор компонентов, которые указаны в таблице, и попробовать собрать этот квадрокоптер самим (на свой страх и риск). Мне будет крайне интересно получить такой фидбэк!
А вот потенциальное создание продукта — это одна из целей этого блога: посмотрим, что из этого получится.

Почему Arduino? Мне очень понравилось, как разработчики Arduino реализовали свою консольную утилиту для работы с Arduino-проектом: arduino-cli. Среди прочего там реализован файл метаданных проекта и зависимостей — sketch.yaml, который позволяет делать воспроизводимые сборки.
Кроме того, мне нравится идея, что прошивку STEM-квадрокоптера можно открыть в стандартной Arduino IDE, модифицировать в ней что угодно и практически одной кнопкой загрузить в квадрокоптер.
Да, Arduino обвиняют в незрелости и игрушечности, но мне кажется, что это куда более актуально для ее древней реализации для AVR, чем для относительно новых для ESP32 и STM.

Где полная схема? Пока еще не готова, но будет. Есть общая структурная схема соединения компонентов, а конкретные номера пинов пока можно найти в исходнике.

Симулятор — это один из наиболее интересных компонентов этого проекта. Кстати, далеко не у всех полетных контроллеров есть симуляция, так что это еще и его отличие от других. Проект использует Gazebo Classic в качестве платформы для симуляции. Это универсальная платформа, которая моделирует физическую среду. Она используется для разных типов роботов: роверов, самолетов, мультикоптеров, роботов-манипуляторов.

Изначально моя идея была в том, чтобы симуляция запускала оригинальный Arduino'вский полетный код, не требуя никакой его модификации. И вот как мне удалось это реализовать.

1. Модель. Я разработал физическую модель своего дрона для Gazebo.
2. Плагин для Gazebo. Я написал плагин для Gazebo, который получает инпут с обычного USB-пульта, считывает данные с виртуальных датчиков, передает эту информацию в код для Arduino, а затем рассчитывает силы, которые создают пропеллеры. Исходный код этого плагина находится в файле simulator.cpp.
3. Имитация Arduino. В файле Arduino.h находится частичная реализация API Arduino, которая работает в контексте запущенной в Gazebo симуляции.

Таким образом, я могу модифицировать свой полетный код, используя любые функции Arduino, и сразу проверять его в симуляторе. Если понадобятся какие-либо функции Arduino, которые еще не реализованы в симуляторе, то их можно будет добавить. То есть эта штука потенциально расширяема, и в ней можно будет тестировать и других роботов на основе Arduino, например, роверов.

Сейчас любой желающий может запустить симулятор flix у себя на машине с Linux и macOS (Windows, к сожалению, толком поддерживается Gazebo). Для этого нужно склонировать репозиторий, установить зависимости и запустить симуляцию согласно инструкции. А если возникнут вопросы или проблемы при запуске, смело пишите мне или создавайте Issue на Github — все это очень сильно помогает мне дорабатывать проект!

🎄 Всех с наступившим 2024-м годом! 🎉 В этом году мое начинание с образовательным дроном и этим каналом приобретет поистине грандиозные масштабы :)

Из новостей: реализован общий для симуляции и реального дрона механизм калибровки пульта управления. Теперь можно запускать симулятор (или реальный дрон), калибровать ваш пульт и летать (до этого можно было «откалибровать» пульт только вручную).

Моим проектом заинтересовались люди из МГУ, Государственного университета «Дубна» и Московского авиационного института. Спасибо за ваш интерес!

Как минимум один читатель уже заказал комплектующие для сборки и тестирования моего квадрокоптера. И про нескольких я знаю, что они собирались. Будет очень интересно узнать, что получится!

У канала теперь есть официальный чат, и там уже идет довольно много интересных и детальных обсуждений, вступайте, кто хочет поучаствовать: @opensourcequadcopterchat.

Новости

Подписчик @peter_ukhov создал свою версию подробной принципиальной схемы квадрокоптера, по которой он сам собирается его собрать. Там пока есть кое-какие неточности, но тем не менее я добавил ссылку на нее в README, потому что до этого принципиальной схемы вообще не было.

Этот же подписчик задал справедливый вопрос об отсутствии хэндлинга зависимости проекта от MAVLink: эту библиотеку можно было скачать только вручную. Мне не нравится использовать git-сабмодули (почему-то любой сложный репозиторий, в котором есть сабмодули, в конечном итоге приходит в какое-то полусломанное состояние, такова уж моя статистика). Поэтому я просто решил создать новую библиотеку: MAVLink для Arduino. Это обычный C MAVLink (v2), но который вы легко можете добавить в свой Arduino-проект стандартными средствами Arduino. Его можно поставить из Library Manager в Arduino IDE либо установить при помощи Arduino-CLI. При этом, благодаря GitHub Actions, сама версия протокола MAVLink будет автоматически обновляться (раз в месяц) и при обновлении будет автоматически выпускаться новая версия MAVLink-Arduino. Удивительно, но до этого такой штуки не было, а теперь, вот, будет.

Поскольку решена проблема с зависимостью от MAVLink, а также другая проблема со сломанным релизом необходимой мне версии библиотеки для IMU MPU9250, теперь есть полная инструкция по сборке прошивки в Arduino IDE. Не требуется использование консоли и какой-либо магии, прошивка собирается в обычной Arduino IDE с библиотеками, доступными в Library Manager.

Буду признателен за любой фидбэк от тех, кто собирается собрать такой квадрокоптер. Будь то отметка в комментариях или в личных сообщениях. Хочется понимать, сколько вас, первых рисковых пользователей :)

Мы уже рассмотрели общую архитектуру cимулятора, теперь рассмотрим архитектуру прошивки, которая непосредственно обеспечивает полет. Тем более что я как раз добавил в репозиторий документ с ее кратким обзором.

Прошивка квадрокоптера является обычным Arduino-скетчем, и может быть скомпилирована в Arduino IDE. Для передачи данных между подсистемами используются глобальные переменные.

Почему глобальные, если global variables considered harmful и все такое? В основном, для простоты. Рассматривайте эти переменные как упрощенную реализацию топиков. Многопоточности здесь нет, так что проблемы с синхронизацией доступа также не возникают.

Текущее состояние системы представлено следующими глобальными переменными:

1. t (float) — время текущего шага в секундах.
2. dt (float) — разница во времени между текущим и предыдущим шагами.
3. rates (Vector) — угловые скорости с гироскопа.
4. acc (Vector) — данные с акселерометра.
5. attitude (Quaternion) — текущая ориентация квадрокоптера, представленная в виде кватерниона.
6. control (float[6]) — положение управляющих стиков в диапазоне [-1, 1].
7. motors (float[4]) — команды на моторы в диапазоне [-1, 1] (отрицательные значения — реверс).

Алгоритм управления полетом реализован в файле control.ino, и его можно охарактеризовать так: двухуровневый трехмерный каскадный PID-регулятор (с low-pass фильтрацией d-членов). В следующих постах мы, конечно, разберем его подробнее. Сейчас можно сказать, что это типовой дизайн алгоритма управления квадрокоптерами. Что-то похожее, к примеру, реализовано и в полетном контроллере PX4.

Главный цикл системы работает с частотой ~1000 Гц. Общий dataflow выглядит следующим образом (см. диаграмму):

1. imu.ino считывает данные с IMU-датчика: гироскопа и акселерометра, учитывая калибровку. Записывает результаты в переменные rates и acc.
2. rc.ino считывает данные с RC-приемника, применяет калибровку, записывает результат в переменную controls.
3. estimate.ino рассчитывает текущую ориентацию квадрокоптера при помощи комплементарного фильтра, который объединяет данные с гироскопа и акселерометра. Результат записывается в переменную attitude.
4. control.ino используя команды со стиков (control), рассчитывает требуемую целевую ориентацию — attitudeTarget. Затем он применяет алгоритм регулирования со значениями rates и attitude в качестве обратной связи PID-регуляторов и рассчитывает выходные сигналы на моторы: motors.
5. motors.ino отправляет необходимые PWM-сигналы на регуляторы моторов.

Конечно, это только общий обзор дизайна прошивки, в дальнейшем я буду разбирать конкретные нюансы. Буду рад также и ответить на ваши вопросы в комментариях!

✅ Реализовано управление с телефона

Многие об этом спрашивали, и вот, наконец-то получилось реализовать парсинг MAVLink-сообщений и поддержку сообщения для управления дроном при помощи QGroundControl, с телефона (MAVLink-сообщение MANUAL_CONTROL).
Честно говоря, с самого начала разработки я не был уверен, что это вообще получится реализовать, так как с Wi-Fi на этом дроне есть определенные проблемы (подробности в комментариях ➡️).
Но фикс был найден и полет с телефона осуществлен!
Таким образом, этот квадрокоптер имеет смысл и без приемника/пульта управления, что в текущем прототипе составляло около половины его себестоимости.

Пост про SBUS

Интерфейс для подключения RC-приемника, SBUS, хоть и был выбран для этого проекта достаточно случайно, является удачным выбором. Во-первых, большое количество доступных приемников работают именно с ним. Во-вторых, этот интерфейс, как оказалось, фактически нативно поддерживается ESP32.

Физически SBUS представляет собой обычный односторонний UART (без пина RX), работающий с бодрейтом 100000 и с инвертированным пином TX. То есть в стандартном UART сигнал «1» передается низким напряжением на пине, а сигнал «0» — высоким, а в интерфейсе SBUS — наоборот.

Мне не удалось найти однозначное объяснение, зачем так было сделано. На форумах выдвигаются разнообразные версии: «исторические» причины, экономия энергии, сознательное усложнение reverse-инжиниринга интерфейса (см. одно из обсуждений).

Я собирал дрон с уверенностью, что ESP32 не может работать с такой инвертированной логикой, поэтому использовал внешний инвертор (продается на Ali, стоит копейки, однако занимает немало места на моем миниатюрном дроне). Благодаря комментариям к моему ролику на YouTube я узнал, что ESP32 содержит в себе встроенный инвертор пинов, надо лишь активировать его, и тогда внешний инвертор будет не нужен.

В старой версии библиотеки для работы с SBUS, которую я использую, нет возможности передать флаг о необходимости инверсии пина в качестве параметра, поэтому я решил изучить возможность включения этой инверсии «вручную». Изучив API ESP32-Arduino я нашел такую возможность. Это делается при помощи нестандартной функции Serial.setRxInvert().

Недолго думая, я ✅ добавил включение этого внутреннего инвертора в код flix. Правда сейчас у меня под рукой нет сетапа, где SBUS-приемник был бы подключен к ESP32 напрямую, поэтому я не знаю, насколько он рабочий. Просьба к тем, у кого будет возможность проверить, прислать результаты проверки!

В итоге, удалось упростить схему квадрокоптера, убрав из нее инвертор. Кроме того, благодаря обсуждению, инициированному в чате, я обнаружил, что в плате ESP32 Mini, которую я использую, на входе 5В установлен тот же стабилизатор напряжения, что и на плате IMU (ME6211), то есть он сможет питаться от Li-Po батареи. Поэтому я убрал усложнявшее схему питание ESP32 через IMU. Смотрите сильно упрощенную схему, по которой я собираюсь собирать новый дрон, в комментариях. ▶️

По просьбе пользователя, полет с телефонного пульта в симуляторе также реализован. Для этого достаточно запустить приложение QGroundControl на телефоне в той же сети, и оно подключится к симуляции автоматически. Далее надо включить в настройках Virtual Joystick (чекбокс Auto-Center Throttle должен быть выключен), и можно летать в симуляторе!

Для этого я реализовал для симулятора функции из прошивки sendWiFi и receiveWiFi, которые отправляют и принимают широковещательные (broadcast) UDP-пакеты с MAVLink-сообщениями.

Если у вас есть в доступе машина с Linux или macOS, попробуйте запустить мой симулятор: для этого есть подробные инструкции. Будет очень интересно получить фидбэк, работает ли на вашей машине симулятор flix и управление с телефона.

Сделал видео, иллюстрирующее работу Low-pass-фильтров (LPF) в алгоритме управления Flix. См. патч функции interpretRC для этого видео.

LPF (фильтр нижних частот) оставляет в сигнале только низкие частоты, отсекая частоты выше определенного порога (cutoff frequency). Этот фильтр сглаживает сигнал, убирает из него вибрации и шум. Он является одним из ключевых звеньев в алгоритмах управления роботами.

LPF в алгоритме управления моим дроном применяется к:

1. Угловой скорости, полученной с гироскопа (Rates LPF).
2. D-члену PID-регуляторов по угловой скорости (Rates D LPF). В моей реализации PID есть встроенный LPF для этой цели.

Как видно из видео, первый фильтр не оказывает особенного влияния на полет. Но надо учитывать, что IMU MPU-9250 имеет встроенную фильтрацию (184 Гц по умолчанию).

Второй же фильтр оказывает критичное влияние, без него дрон летает нестабильно. Это происходит потому, что D-член PID-регулятора реагирует на скорость изменения ошибки управления и крайне чувствителен к любому входному шуму. Фильтрация D-члена PID-регулятора — это типовой паттерн, и он применяется в самых разных контроллерах, включая PX4 и Betaflight.

В симуляторе этот эффект также проявляется благодаря тому, что в нем есть имитация шума датчиков. Хотя модель в симуляторе не совсем идентична реальности. Например, в модели моторов не учтена задержка управления, поэтому эффект в симуляторе меньше.

Готовлю компоненты для второй версии квадрокоптера. Самое сложное — спроектировать и изготовить идеально подходящую 3D-печатную раму.

Во второй версии я собираюсь использовать более свежую ESP32 Mini с разъемом USB Type-C. И еще другие гораздо более дешевые регули для коллекторных моторов. Вообще, было бы неплохо использовать вместо регулей обычные транзисторы, но я пока не разобрался, какие лучше выбрать, плюс они требуют обвязку, которую навесным монтажом собирать будет очень неудобно.

Датчик IMU будет крепиться на винты M3 с пластиковыми демпферами. Также он повернут в более естественную для робототехники ориентацию Forward-Left-Up (в предыдущей версии — Forward-Right-Down).

Я еще до конца не определился, как расположить и закрепить ESP. На плате ESP32 Mini, к сожалению, нет никаких отверстий, чтобы ее можно было привинтить на стойки. Я напечатал десятки прототипов крепежей, все они не особенно работают из-за вариативности размеров ESP. В итоге пока что крепеж на двойной скотч.

Для моторов я спроектировал конусообразные «стаканы» с щелью сбоку, чтобы мотор жестко вставлялся в «стакан» и надежно в нем закреплялся, вне зависимости от погрешностей печати.

Рама проектируется таким образом, чтобы всю начинку можно было вытащить из нее в спаенном состоянии, без необходимости распайки или разрезания проводов.

В комментах еще пара фоток. ▶️

⭐️ Выполнение автоматического флипа

Флип на квадрокоптере — это маневр, при котором дрон делает полный оборот вокруг горизонтальной оси. Это сложный маневр, поскольку в процессе флипа дрон фактически находится в свободном падении, а в конце необходимо полностью восстановить управление и при этом умудриться не удариться об пол.

Реализовать флип на Flix оказалась намного сложнее, чем на «Клевере». Там используется управление угловыми скоростями в PX4, и флип выполняется всего несколькими командами. Качество управления по угловой скорости в Flix для такого резкого маневра пока оставляет желать лучшего, а оттюнить его — это отдельная история. Поэтому я реализовал исполнение флипа с прямым управлением моторами. Сначала я хотел реализовать математически обоснованный, образовательный алгоритм, но реальность внесла коррективы и код оброс подпорками и костылями. Поэтому сейчас это чистый proof-of-concept. В дальнейшем я переделаю алгоритм, чтобы убрать костыли и добавить математической обоснованности, а также применю какой-нибудь интересный метод оптимизации параметров для выполнения идеального флипа, например, генетический алгоритм.

А вот и код, при помощи которого мне удалось снять это видео с флипом: flip.ino. Полный разбор алгоритма и его этапов — в комментариях. ▶️

Поизучал D2 — новый интересный язык для создания диаграмм. Это как Mermaid, но с сильно более простым и очевидным синтаксисом. Такие диаграммы можно рендерить автоматически при сборке документации и очень легко менять.

Вот, попробовал составить более-менее полную диаграмму алгоритма управления моего дрона в стиле Simulink (см. файл). Сложно сказать, насколько это наглядно, но как минимум красиво. Как вам? Исходник смотрится очень хорошо: вот он на D2 Playground.

Еще выложил интерактивную SVG-версию со ссылками на конкретные места в коде: firmware.svg.

🎉 Второй экземпляр квадрокоптера Flix

Когда я начинал делать свой квадрокоптер в 2020 году, я не был уверен, что, даже если он полетит, он будет существовать в более чем одном экземпляре. Ведь реально кем-то используемых опенсорсных прошивок квадрокоптера не так много. Но теперь второй Flix существует!

После очень долгих попыток и обсуждений в чате проекта, @peter_ukhov все-таки смог сконфигурировать и заставить летать собственноручно собранный (по неполным инструкциям!) Flix. Теперь у проекта есть официальный пользователь. Кроме того, он собирается внедрить мой дрон в учебный курс по разработке полетных алгоритмов в МАИ. #user