Drono skrydžio stabilizavimo giroskopai

Kodėl dronas nenukrenta iš dangaus

Kai pirmą kartą paleidžiate droną, greičiausiai nustembate, kaip tas skraidantis įrenginys tiesiog „pakimba” ore ir išlieka stabilus net vėjuotą dieną. Nėra jokių matomų valdymo mechanizmų, niekas nelaiko jo už virvelės, o jis vis tiek žino, kur yra viršus ir apačia. Visa šios magijos paslaptis slypi mažuose jutikliuose, vadinamuose giroskopais, kurie dirba kartu su kitais sensoriais, kad dronas išliktų stabilios padėties ore.

Giroskopai – tai tarsi drono vidinė ausų sistema. Žmonės pusiausvyrą jaučia dėl vestibulinės sistemos ausyse, o dronas naudoja elektroninius giroskopus. Šie mikroskopiniai komponentai nuolat stebi, kaip dronas juda erdvėje, ir perduoda šią informaciją skrydžio valdymo sistemai. Be jų beveik neįmanoma sukurti stabiliai skraidančio drono – jis tiesiog apsisuktų ir nukristų kaip akmuo.

Kas tie giroskopai ir kaip jie veikia

Šiuolaikiniuose dronuose naudojami MEMS (mikro-elektromechaniniai sistemos) giroskopai – tai tokie maži, kad tilptų ant vieno mikroschemos plotelio kartu su kitais jutikliais. Jie veikia pagal Koriolio jėgos principą, kuris skamba sudėtingai, bet iš tikrųjų yra gana paprastas.

Įsivaizduokite mažytę vibruojančią struktūrą mikroschemos viduje. Kai dronas pasisuka bet kuria kryptimi, ši vibruojanti struktūra patiria papildomą jėgą – Koriolio jėgą. Ši jėga priklauso nuo sukimosi greičio ir krypties. Jutikliai mikroschemos viduje matuoja, kaip pasikeičia vibracijos, ir iš to apskaičiuoja, kaip greitai ir kuria kryptimi dronas sukasi.

Tipiniame drone yra trijų ašių giroskopas, kuris stebi sukimąsi aplink tris skirtingas ašis: pitch (pakilimas/nusileidimas), roll (pasvirimas į šonus) ir yaw (sukimasis horizontaliai). Kiekviena ašis matuojama atskirai, o skrydžio valdymo kompiuteris gauna visą trijų matavimų paketą daug kartų per sekundę – paprastai nuo 1000 iki 8000 kartų!

Giroskopų ir akselerometrų duetas

Vienas giroskopas nėra pakankamas stabiliam skrydžiui. Jis puikiai jaučia sukimosi greitį, bet neturi supratimo apie gravitaciją ar pagreitį. Čia į pagalbą ateina akselerometras – kitas jutiklis, kuris matuoja pagreitį visomis trimis kryptimis.

Akselerometras parodo, ar dronas juda į priekį, atgal, aukštyn ar žemyn, ir kiek stipriai veikia gravitacija. Kai dronas stovi ant žemės, akselerometras jaučia 1G gravitacijos pagreitį žemyn. Kai dronas pradeda kilti, akselerometras užfiksuoja papildomą pagreitį aukštyn.

Problema ta, kad akselerometras negali atskirti, ar dronas tiesiog pasvirę, ar juda į šoną. Čia ir prasideda tikroji magija – skrydžio valdymo sistema naudoja vadinamą „jutiklių sintezę” arba „Kalmano filtrą”, kuris sujungia giroskopo ir akselerometro duomenis. Giroskopas puikiai veikia trumpalaikėje perspektyvoje, bet ilgainiui gali „dreifuoti” (kaupti klaidą). Akselerometras patikimas ilgalaikėje perspektyvoje, bet jautrus vibracijoms ir staigiam judėjimui. Kartu jie sukuria patikimą ir tikslią orientacijos sistemą.

Magnetometras – skaitmeninis kompasas

Trečias svarbus komponentas stabilizavimo sistemoje yra magnetometras – elektroninis kompasas. Jis matuoja Žemės magnetinį lauką ir nustato, kur yra šiaurė. Kodėl tai svarbu? Giroskopas gali pasakyti, kad dronas apsisuko 90 laipsnių, bet negali pasakyti, ar tai buvo į šiaurę, pietus, rytus ar vakarus.

Magnetometras padeda išvengti yaw ašies dreifavimo – giroskopas gali pamažu kaupti klaidą ir po kurio laiko dronas nebežinos, kur tiksliai yra nukreiptas. Magnetometras nuolat koreguoja šią informaciją pagal magnetinį lauką.

Tiesa, magnetometras turi savo silpnybių – jis labai jautrus metaliniams objektams ir elektromagnetiniam triukšmui. Jei skraidinate droną šalia elektros linijų ar metalinių konstrukcijų, magnetometras gali suklaidinti. Todėl geri dronai naudoja visų trijų jutiklių duomenis kartu ir gali automatiškai sumažinti magnetometro įtaką, kai aptinka neįprastus magnetinio lauko svyravimus.

Kaip visa tai dirba kartu skrydžio metu

Įsivaizduokite, kad skraidinate droną ir staiga užpučia vėjo gūsis iš šono. Štai kas vyksta per kelias milisekundes:

Vėjas stumia droną į šoną, ir jis pradeda pasvirti. Giroskopas akimirksniu užfiksuoja sukimosi greitį aplink roll ašį. Akselerometras pajunta, kad gravitacijos vektorius pasikeitė kampu. Abi šios informacijos keliauja į skrydžio valdiklį.

Valdiklis per milisekundes apskaičiuoja, kiek dronas pasviro ir kaip greitai. Tada jis perskaičiuoja, kaip turi keistis kiekvieno variklio sukimosi greitis, kad kompensuotų šį pasvirimą. Varikliai, esantys priešingoje pusėje nuo vėjo, pradeda suktis greičiau, o kiti – lėčiau. Dronas grįžta į horizontalią padėtį.

Visas šis procesas vyksta taip greitai ir sklandžiai, kad jūs, valdydami droną, net nepastebite šių mikrokoregavimų. Jūs tiesiog matote, kad dronas išlieka stabilus. Tai tarsi automobilio stabilizavimo sistema – ji dirba fone, ir jūs pastebite tik rezultatą.

Skirtingų dronų stabilizavimo sistemos

Ne visi dronai naudoja vienodai sudėtingas stabilizavimo sistemas. Pigūs žaislai gali turėti tik paprasčiausius giroskopus ir akselerometrus, kurie teikia bazinį stabilumą. Tokie dronai gali dreifuoti vėjyje ir nėra tokie tikslūs.

Vidutinės klasės dronai, tokie kaip DJI Mini serija, turi pažangias IMU (Inertial Measurement Unit) sistemas su keliais giroskopais ir akselerometrais. Jie naudoja dubliavimą – jei vienas jutiklis suklystų ar sugenda, sistema gali naudoti kitus. Tai labai padidina patikimumą.

Profesionalūs dronai, naudojami filmavimui ar pramonėje, gali turėti net tris atskiras IMU sistemas, kurios dirba lygiagrečiai. Skrydžio kompiuteris nuolat lygina jų duomenis ir gali aptikti, jei viena sistema pradeda teikti neteisingus duomenis. Kai kurie dronai net turi kalibravimo algoritmus, kurie automatiškai koreguoja jutiklių paklaidą skrydžio metu.

Giroskopų kalibravimas ir priežiūra

Daugelis drono pilotų susiduria su situacija, kai dronas pradeda dreifuoti arba elgtis keistai. Dažnai problema slypi netinkamai sukalibruotuose giroskopuose ar akselerometruose. Kalibravimas – tai procesas, kai dronas „išmoksta” atpažinti, kas yra tikroji horizontali padėtis ir kur yra gravitacijos vektorius.

Giroskopų kalibravimas paprastai atliekamas prieš kiekvieną skrydį. Daugelis dronų tai daro automatiškai – jūs tiesiog pastatote droną ant lygaus paviršiaus, įjungiate jį ir palaukiate kelias sekundes. Dronas šiuo metu matuoja, kokie turėtų būti jutiklių rodmenys, kai jis nejuda.

Akselerometro kalibravimą reikia atlikti retkarčiais, ypač jei dronas patyrė stiprų smūgį ar nukrito. Šis procesas šiek tiek sudėtingesnis – paprastai reikia pastatyti droną įvairiose padėtyse (ant kiekvienos pusės, aukštyn kojom ir pan.), kad sistema galėtų išmatuoti gravitacijos poveikį visomis kryptimis.

Magnetometro kalibravimą reikia atlikti dažniausiai, ypač jei skraidinate skirtingose vietose. Paprastai reikia pasukti droną 360 laipsnių horizontaliai ir vertikaliai, kad jis galėtų „išmokti” vietinio magnetinio lauko charakteristikas.

Ateities technologijos ir kas laukia toliau

Giroskopų technologija nuolat tobulėja. Šiuolaikiniai MEMS giroskopai yra daug tikslesni ir mažiau jautrūs temperatūros pokyčiams nei prieš dešimtmetį. Naujausi jutikliai gali aptikti net mažiausius judėjimus ir turi mažesnį energijos suvartojimą.

Viena įdomiausių krypčių – optiniai giroskopai, kurie naudoja lazerio šviesos kelią uždarame kontūre. Kai sistema sukasi, šviesos kelias šiek tiek pasikeičia dėl reliatyvistinių efektų. Tokie giroskopai yra neįtikėtinai tikslūs, bet kol kas per brangūs masiniams dronams. Jie naudojami lėktuvuose ir kosminiuose aparatuose.

Kita svarbi tendencija – dirbtinio intelekto naudojimas jutiklių duomenų apdorojimui. Vietoj tradicinių matematinių filtrų, nauji dronai gali naudoti neuroninius tinklus, kurie „išmoksta” atpažinti skrydžio modelius ir tiksliau prognozuoti, kaip dronas turėtų elgtis. Tai leidžia geriau prisitaikyti prie sudėtingų oro sąlygų ir netikėtų situacijų.

Taip pat matome vis daugiau dronų, kurie integruoja papildomus jutiklius – ultragarsinius atstumo matuoklius, optinius srauto sensorius, kurie stebi žemės paviršių, ir net dirbtinio regėjimo sistemas. Visi šie duomenys sujungiami su giroskopų informacija, sukuriant vis tobulesnę orientacijos ir stabilizavimo sistemą.

Šiandien dronas be giroskopų yra kaip automobilis be vairo – teoriškai gali judėti, bet valdyti jį neįmanoma. Šie maži jutikliai, dirbantys tūkstančius kartų per sekundę, yra tikrasis skraidančios technologijos širdis. Jie leidžia mums filmuoti nuostabius vaizdus iš oro, pristatyti siuntas, tikrinti infrastruktūrą ir tiesiog mėgautis skrydžiu. Ir kas svarbiausia – visa ši sudėtinga technologija supakuota į tokius mažus ir prieinamus įrenginius, kad beveik bet kas gali tapti drono pilotu.