Количество полётных контроллеров, имеющихся в продаже, может смутить новичка. Цель этой статьи — показать каким образом можно выбрать подходящий для вашего коптера.

Оригинал: How to Choose Flight Controller for Quadcopter

Если вы только начинаете летать, тогда не забудьте прочесть руководство для начинающих пилотов гоночных коптеров.

 

Я собрал все характеристики всех полетных контроллеров в одну таблицу, так что вы легко их сможете сравнить.

Содержание

• Что такое полетный контроллер?
• Подключение
• Прошивки
• Процессор (микроконтроллер)
• UART (последовательные порты)
• Гироскопы (Gyro)
• Расположение элементов
• Полетные контроллеры «всё-в-одном» и их функционал
• Регуляторы скорости «4-в-1» и ПК «всё-в-одном»
• Формат крепежа
• Прочие функции
• Демпфирование (антивибрационное крепление)
• Выбор полетного контроллера

Что такое полетный контроллер?

Полетный контроллер (ПК, flight controller, FC) — это мозг летательного аппарата. По сути, это плата с кучей датчиков, которая отслеживает движение дрона и команды от пользователя. Используя полученные данные, она управляет скоростью вращения моторов для того, чтобы коптер двигался так, как задумал пилот.

У всех ПК имеется базовый набор датчиков: гироскопы (Gyro) и акселерометры (acc); некоторые продвинутые конфигурации имеют также барометр (измеряет давление воздуха, а значит и высоту полета) и магнитометр (компас).

ПК — это также точка подключения всей прочей периферии типа GPS, светодиодов, сонаров и т.д.

Контроллеры для гоночных дронов очень быстро эволюционируют: становятся меньше, имеют всё более быстрые процессоры, более современные датчики и всё больше встроенных функций.

Подключение

Вот пример подключения всех основных компонентов коптера к полетному контроллеру.

Прошивки для ПК

Помимо различий в железе, имеются различия и в прошивках, которые работают на этих ПК и у которых разный функционал и разные области применения. Например, iNAV разработан для использования с GPS, а KISS — больше предназначен для гонок.

Вот список прошивок для мини-коптеров. Если вы совсем в этом не разбираетесь, то мой вам совет, используйте Betaflight.

Betaflight — это прошивка с открытым исходным кодом, разрабатывается и поддерживается сообществом хоббийщиков. У нее самая большая пользовательская база, так что в случае каких-то вопросов вам быстро помогут. К тому же она поддерживает максимальное число полетных контроллеров.

Другие популярные прошивки для FPV дронов — это FlightOne и KISS. Их исходный код закрыт, а железо и сами прошивки поддерживаются только производителями, так что с ними работает очень небольшое число полетных контроллеров.

После того, как вы выберите прошивку, ищите совместимый с ней полетный контроллер.

Интерфейс и настройка

Современные прошивки для ПК можно настраивать, используя специальные программы, установленные на компьютер или смартфон; или даже прямо с пульта управления. У каждой прошивки свой пользовательский интерфейс управления, при помощи которого меняются настройки. Некоторые программы очень похожи друг на друга, но установка одних и тех же параметров в разных прошивках может дать совершенно разный результат, так что не торопитесь, а основательно изучите выбранную прошивку.

«Тюнинг» — этот термин мы используем, когда меняем ПИД коэффициенты (PID), рейты (rates) и некоторые другие настройки. При помощи тюнинга мы можем настроить коптер «под себя».

Процессор (микроконтроллер)

Процессоры в полетных контроллерах на самом деле должны называться не процессорами, а микроконтроллерами; в них хранится прошивка и они же её исполняют.

В настоящее время есть 5 основных типов процессоров: F1, F3, F4, F7 и H7. В основном они отличаются размером памяти и вычислительными мощностями.

	F1	F3	F4	F7	H7
Частота	72 МГц	72 МГц	168 МГц	216 МГц	480 МГц
Память	128 кБ	256 кБ	1 МБ	1 МБ	128 кБ

Подробнее про различия между сериями процессоров F1, F3, F4 и F7

Мы рекомендуем брать F4 или F7, новые прошивки уже не поддерживают серии F1 и F3, т.к. в них недостаточно места.

Процессоры для ПК (слева направо): STM32 F1, F3, F4

UART (последовательные порты)

UART расшифровывается как Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, что означает асинхронный последовательный порт.

UART — это, как правило, аппаратный последовательный интерфейс, который позволит вам подключить разные внешние устройства к полетному контроллеру. Например, приемник, телеметрию, транспондер для гонок, управление видеопередатчиком и т.д.

У каждого последовательного порта два контакта: TX — для передачи, RX — для приема. Запомните, TX на периферийном устройстве подключается к RX на полетном контроллере и наоборот!

Пример: на полётнике есть UART3 (контакты R3 и T3) и UART6 (контакты R6 и T6). Вы можете назначить им задачи на вкладке Ports в Betaflight конфигураторе.

Количество последовательных портов в полетном контроллере

Возможно, вам потребуются (а может и нет) дополнительные последовательные порты, чем больше свободных есть, тем проще будет в будущем.

Количество портов зависит от дизайна платы и используемого процессора. Например, на ПК с F1 обычно только 2 порта, у F3 и F4 может быть от 3 до 5, а у F7 — шесть или даже 7.

F1	F3	F4	F7
2 порта	3-5 портов	3-6 портов	6-7 портов

Инвертирование сигнала последовательного порта

Процессоры F3 и F7 могут инвертировать сигнал встроенным инвертором, а F1 и F4 — нет.

Сигналы Frsky SBUS и SmartPort являются инвертированными, поэтому владельцам ПК на F3 и F7 повезло, такие данные понимаются без проблем (F3 и F7 — более новые серии процессоров, подробнее тут).

Однако, более старые процессоры, типа F1 и F4 требуют наличия внешнего инвертора сигнала, который и подключается к соответствующему последовательному порту. Для удобства пользователей некоторые ПК на F4 уже имеют схемы для инверсии сигналов SBUS и SmartPort, так что приемник подключается напрямую к ПК. Если встроенного инвертора нет, то вам придется использовать одно обходных решений, например, программную эмуляцию последовательного порта (soft serial) или найти неинвертированный сигнал на приемнике.

Если портов не хватает, можно использовать программную эмуляцию (soft serial) чтобы «создать» ещё больше портов. К сожалению, эмулируемые порты работают медленнее аппаратных (нельзя выставить большую скорость) и не подходят для важных задач, где требуется быстрая реакция, например не подойдут для работы с приемниками. Ну и, конечно, программная эмуляция требует довольно много ресурсов процессора.

Гироскопы (Gyro), инерциальная навигация (IMU)

Цель датчиков на ПК определить ориентацию коптера в пространстве и отследить его движения. Микросхема с датчиками (IMU) содержит как гироскопы, так и акселерометры.

Самые часто используемые полетные режимы Betaflight — это, наверное, Acro (акро, или ручной режим) и Angle (самовыравнивание). В акро режиме используются только гироскопы, а в Angle и гироскопы, и акселерометры.

А т.к. большинство пилотов FPV дронов летают в Acro, то акселерометры часто просто отключаются в настройках Betaflight, это позволяет сэкономить вычислительные ресурсы. По этой же причине под инерциальной навигацией обычно подразумевают только гироскопы (gyro).

Наиболее популярные гироскопы, используемые в полётниках:

IMU	Способ подключения, шины	Макс. частота сэмплирования
MPU6000	SPI, i2c	8K
MPU6050	i2c	4K
MPU6500	SPI, i2c	32K
MPU9150*	i2c	4K
MPU9250*	SPI, i2c	32K
ICM20602	SPI, i2c	32K
ICM20608	SPI, i2c	32K
ICM20689	SPI, i2c	32K

* MPU9150 — это MPU6050 со встроенным магнитометром AK8975, а MPU9250 — это MPU6500 с тем же магнитометром.

Выяснить тип можно взглянув на маркировку микросхемы, вот для примера популярный вариант Invensense MPU-6000.

Выбор гироскопов: что лучше высокая частота опроса или шум?

У IMU есть две основные характеристики: максимальная частота сэмплирования и насколько полученные данные будут зашумлены (механическими вибрациями и электрическими помехами).

В настоящее время очень часто используют микросхему MPU6000, которая поддерживает частоту опроса до 8k, и обладает (неоднократно проверено) хорошей устойчивостью к разного рода шумам и помехам. Главное стараться избегать MPU6500 и MPU9250, хотя у них больше рабочая частота, но и уровень шумов тоже значительно выше.

Учтите, что разные серии гироскопов ICM имеют разные характеристики. ICM20689 — один из худших вариантов, легко восприимчив к шуму, да и с надежностью проблемы. Если приходится выбирать из ICM, то берите модель 20602.

В последнее время появляется всё больше и больше ПК с гироскопами на отдельной плате с антивибрационной развязкой (кусок поролона, чтобы снизить вибрации от моторов).

Обновление (окт 2019). Начиная с версии Betaflight 4.1 нет поддержки частоты 32кГц, так что если вы используете гироскопы ICM с Betaflight, то looptime будет не больше 8кГц.

Скорость работы гироскопов — это палка о двух концах: если питание чистое, и шумов нет, тогда серия ICM на 32k будет работать лучше, чем MPU6000. Однако, если регуляторы и моторы начнут генерировать помехи, а коптер вибрирует, тогда ICM хуже, чем MPU6000.

Несколько советов как крепить ПК с демпферами (антивибрационное крепление) и использовать конденсаторы для фильтрации помех по питанию.

i2c или SPI?

i2c и SPI — это названия шин для подключения гироскопов к процессору. Выбранная шина может ограничить частоты опроса гироскопов и ограничит looptime.

Лучше всего использовать SPI, т.к. она позволяет работать с бОльшими частотами, чем i2c, у которой лимит в 4k. Практически все современные ПК используют SPI.

Расположение элементов

Расположение контактов и разъемов влияет на простоту сборки.

Многие пилоты смотрят только на технические характеристики полетных контроллеров и упускают важность дизайна/компоновки элементов.

Хорошие пример — CLRacing F7 и Kakute F7. Два отличных полётника, с уверенностью могу их порекомендовать, но глядя только на компоновку скажу, что CLRacing F7 однозначно выигрывает, все контактные площадки расположены по краям платы и сгруппированы по выполняемым функциям. Контакты на Kakute скучкованы, в результате легко получить комок проводов.

Это дело вкуса, а он у всех разный.

Полетные контроллеры «всё-в-одном» и их функционал

Полетники «Всё-в-одном» («All In One») имеют встроенную плату распределения питания (PDB) и огромные контакты для толстых проводов, идущих от аккумулятора. Термин появился в те времена, когда обычно применялись отдельные PDB со стабилизаторами питания для полетных контроллеров, но сейчас в ПК встраивают очень много компонентов, так что термин теперь значит немного другое.

Одной из первых функций, которую встроили в ПК — это OSD (экранное меню) — Betaflight OSD.

Ещё одна бесценная фишка — датчик тока: с ним гораздо проще оценить степень разряда аккумулятора, и он же отличный инструмент для тестирования. Тут более подробно про его калибровку (англ).

Также часто в ПК встраивают барометр и магнитометр (компас).

Нет «правильного» полётника «все-в-одном», но при желании можно найти плату, в которой есть всё, даже приёмник, видеопередатчик и даже регуляторы.

Первым таким ПК у меня был RacerStar Tattoo F4S, он не очень надежный.

Регуляторы скорости «4-в-1» и ПК «всё-в-одном»

Сейчас регуляторами «4-в-1» никого не удивишь, и часто они разработаны для сборки в стек с конкретным полетным контроллером и в этом случае они играют роль PDB. Разъемы и схемы соединений не стандартизированы, так что перед покупкой убедитесь в совместимости ПК и таких регулей.

Можно ли использовать полетный контроллер типа «всё-в-одном» с регуляторами «4-в-1»? Да, можно, но мы не рекомендуем.

ПК «все-в-одном» лучше использовать с 4 отдельными регуляторами.

Обычный полетный контроллер лучше совмещать с PDB и отдельными регуляторами или с регуляторами «4-в-1».

Формат крепежа

В данном случае подразумевается расстояние между монтажными отверстиями в плате полетного контроллера. Обычно это 30,5 х 30,5 мм, 20 х 20 мм или 16 х 16 мм. Формат крепежа определяет как размеры платы, так и размеры модели. В коптерах с 5″ пропами обычно используются ПК с крепежом 30,5 х 30,5, в более мелких коптерах — 20 х 20 мм. Формат 16 х 16 мм набирает популярность в классе коптеров с диагональю до 100 мм.

Прочие функции

Blackbox (черный ящик): чип флэш-памяти или MicroSD карточка?

Данные черного ящика (англ.)

Есть два способа записать и сохранить данные черного ящика: на чип флэш-памяти, установленный на плате ПК или на MicroSD карточку, вставленную в слот.

Чип памяти дешевле, но как правило он имеет небольшую ёмкость и хранит относительно немного данных. Обычно 10 — 20 минут полетного времени (в зависимости от частоты запрашиваемых данных). Кроме того, загрузка данных с этого чипа идет довольно медленно, может уйти до 5 минут времени на загрузку лога длиной всего 1 минуту.

ПК со встроенным слотом для MicroSD карточек, позволяют хранить данные неделями, без необходимости очистки свободного места. Кроме того, чтение логов очень быстрое.

Логи черного ящика больше нужны опытным пилотам, для диагностики почти незаметных проблем с летными характеристиками; и для гонщиков, старающихся выжать всё возможное из своего коптера. Для обычных хоббийщиков он, возможно, и не нужен.

Кстати, есть еще третий вариант — можно купить внешний логгер (Open Logger) со слотом для microSD и подключить его через свободный UART к ПК.

Типы разъемов

Три основных типа разъемов на полетных контроллерах:

• Пластиковые разъемы типа JST
• Контактные площадки («пятаки») для пайки проводов
• Сквозные отверстия

Пластиковые разъемы менее надежны, но при этом позволяют быстро отключать/подключать кабели. Контактные площадки более крепкие, но есть риск их перегреть при пайке, и тогда они отслоятся от платы. Наиболее универсальный вариант — сквозные отверстия: можно припаять провода или штыревые разъемы.

• Совет: как выпаять штыревые разъемы (англ)
• Совет: как восстановить отслоившиеся контактные площадки (англ)

BEC (стабилизатор напряжения)

В большинстве полётников уже есть стаб на 5 вольт. В некоторых есть и на 9, и 12 вольт (или на какое-нибудь другое напряжение). Эти стабилизаторы часто называют BEC (battery eliminator circuit).

Несмотря на то, что значительную часть FPV оборудования (камеры, видеопередатчики) можно подключать напрямую к литиевому аккумулятору, я считаю, что изображение будет лучше, если питать их через стабилизатор.

Подробнее про подключение FPV оборудования для минимизации помех (англ).

Управление камерой

Позволяет настраивать курсовую камеру прямо с аппы и через Betaflight OSD.

Кнопка boot (активация загрузчика)

Нажатая кнопка boot при подаче питания переводит процессор полетного контроллера в режим загрузчика (bootloader mode). В этом режиме можно обновить прошивку, даже если стандартные программы этого сделать не могут.

Подробнее про кнопку загрузчика (boot button)

У многих ПК есть два контакта которые нужно закорачивать для этой цели. Но гораздо приятнее, когда стоит кнопка.

Демпфирование (софтмаунт, антивибрационное крепление)

Демпфирование позволяет снизить уровень вибраций, передаваемых от моторов к гироскопам. Два основных способа демпфирования полетного контроллера: резиновые стойки и шайбы. Подробнее тут.

Выбор полетного контроллера

Топ 5 лучших полетных контроллеров смотрите тут: https://blog.rcdetails.info/top-5-luchshih-poletnyh-kontrollerov-mart-2017/ (регулярно обновляется).

Список полетников со всеми характеристиками в одной таблице.

История изменений

• Декабрь 2014 — первая версия статьи
• Ноябрь 2016 — добавлена информация о прошивках, обновлен список фич в ПК
• Февраль 2017 — обновлена информация о процессорах и гироскопах
• Апрель 2017 — добавлена инфографика об эволюции полетных контроллеров, обновлен список процессоров
• Май 2018 — обновлена информация об интеграции функций в ПК
• Октябрь 2018 — добавлена информация о форматах крепежа
• Февраль 2020 — изменен адрес страницы, обновлены разделы о прошивках, гироскопах, добавлен схемы подключения и информация о платах «все-в-одном», компоновку разъемов и управление камерой