Квадрокоптер своими руками stm32

Летать! – дрон на компонентах STMicroelectronics

Разработчикам беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) приходится использовать широкий спектр электронных компонентов – от силовых транзисторов и МЭМС-датчиков до микроконтроллеров и беспроводных трансиверов. Выбор элементной базы осложняется тем, что в большинстве случаев инженеры вынуждены применять продукцию разных производителей: мало кто производит все необходимое для создания такого непростого приложения. Однако есть и исключения, например, компания STMicroelectronics.

Н едавно в информационных лентах появилась новость о том, что в России может появиться новая профессия – оператор беспилотного летательного аппарата (БПЛА) [1]. С точки зрения электронной отрасли это известие является еще одним подтверждение высокого интереса к рынку БПЛА.

Сейчас на рынке дронов присутствует огромное количество моделей, которые условно можно поделить на три группы: простейшие дроны-игрушки, дроны общего назначения и профессиональные БПЛА (рисунок 1). Они отличаются не только по функциональности и цене, но и по технической реализации. Дроны-игрушки в большинстве случаев оказываются маломощными и служат для развлечения. При их создании ориентируются на невысокую цену и простоту сборки, а вся электроника умещается на одной печатной плате. Дроны общего назначения и, тем более, профессиональные БПЛА чаще всего строятся по модульному принципу и оказываются на несколько порядков сложнее, мощнее и дороже.

Рис. 1. Три группы беспилотных аппаратов

Чтобы создать профессиональный дрон, потребуется широчайший спектр электронных компонентов: транзисторы и диоды для питания двигателей, микроконтроллеры для управления отдельными драйверами и всем БПЛА в целом, МЭМС-датчики для стабилизации полета, радиотрансиверы для связи с оператором, микросхемы питания для работы с аккумуляторами и так далее. Таким образом, схемотехникам придется потратить огромное количество времени на выбор элементной базы. Это осложняется тем, что найти весь спектр электронных компонентов у одного производителя практически нереально. Тем не менее, есть и исключения. В частности, компания STMicroelectronics предлагает практически весь спектр необходимых элементов.

Сделаем небольшой обзор рынка дронов и его потенциала, а также рассмотрим основные нормативные акты по использованию БПЛА в России. Основная часть статьи посвящена особенностям построения дронов на элементной базе компонентов из номенклатуры STMicroelectronics:

• микроконтроллеры семейства STM32;
• транзисторы StipFET F7 и драйверы силовых ключей;
• МЭМС-датчики и инерционные модули;
• датчики параметров окружающей среды;
• датчики приближения VL6180;
• беспроводные приемопередатчики субгигагерцевого диапазона, модули Bluetooth и Wi-Fi;
• микросхемы семейства Teseo II и Teseo III для систем глобального позиционирования (GPS/Galileo/Glonass/Beidou2/QZSS).

Отдельно рассмотрим анонсированные ST демонстрационные наборы, которые должны выйти в течение 2017 года.

Для любого коммерческого продукта этап разработки следует только после исследования рынка и изучения законодательной базы.

Рынок дронов: все выше, и выше, и выше!

Прежде чем начать разработку какого-либо устройства, следует внимательно изучить его потенциальные рынки сбыта. БПЛА не являются исключением. Не секрет, что ниша самых простых и маленьких игровых дронов достаточно плотно «заселена» азиатской продукцией. Конкурировать в этом сегменте тяжело. Гораздо более привлекательными выглядят сегменты дронов общего назначения и профессиональных БПЛА.

В начале 2010 гг. преобладали прогнозы, что к 2015 г. рынок дронов не будет превышать $1 млрд. В реальности, по данным J’son & Partners Consulting, в 2016 он достиг $7,3 млрд, а в 2020 составит около $9,5 млрд [1]. Российский рынок в 2016 году оценивается в $147 млн, прогнозируемые объемы к 2020 году могут превысить $224 млн.

Здесь нужно отметить, что прогнозы по быстро развивающемуся рынку дронов почти всегда оказываются неточными. По этой причине аналитическая компания PricewaterhouseCoopers (PwC) подошла к этому вопросу с другой стороны [2]. Она оценила потребности в БПЛА в восьми ключевых областях (таблица 1). Оказалось, что потенциал рынка даже без учета военной отрасли превышает $127 млрд! Большая часть из этой суммы приходится на дроны общего назначения и профессиональные БПЛА. Впрочем, стоит отметить, что в данном случае под БПЛА понимаются не только мультикоптеры, но и БПЛА самолетного типа. Особенно это касается отраслей инфраструктуры и сельского хозяйства, в которых требуется обеспечение значительной дальности полета.

Таблица 1. Мировой потенциал рынка дронов

Область	Потенциальный объем рынка, $ США, млрд
Инфраструктура	45,2
Сельское хозяйство	32,4
Транспорт	13
Безопасность	10
СМИ и индустрия развлечений	8,8
Страхование	6,8
Телекоммуникационные услуги	6,3
Горнодобывающая промышленность	4,4

Таким образом, мы имеем две цифры: прогнозируемый рост до $9,5 млрд к 2020 году и существующий уже сейчас потенциал в $127 млрд. Очевидно, что при стечении ряда обстоятельств прогнозы вновь могут не оправдаться. Для этого есть свои предпосылки. Дело в том, что на рынке электроники наблюдается появление компонентов, «заточенных» именно под создание дронов. Их внедрение может как снизить стоимость конечных устройств, так и перенести БПЛА на качественно новый уровень развития. Это неизбежно приведет к скачкообразному росту рынка.

Впрочем, нужно отметить и негативные факторы, препятствующие росту [2]:

• отсутствие правил безопасности;
• отсутствие инструментов обеспечения конфиденциальности данных;
• слабое развитие системы страхования.

По сути, все перечисленные факторы являются следствием невнятной законодательной базы. Сейчас в большинстве стран она находится в зачаточном состоянии.

Особенности законодательства в области использования БПЛА

Дроны являются источником повышенной опасности. При этом их количество растет, а используются они зачастую в непосредственной близости от людей. Государственные органы, понимая это, начали построение соответствующей законодательной базы. Перед тем, как запустить дрон собственной разработки, необходимо ознакомиться с существующими нормативными актами.

Стоит отметить, что нормативное законодательство в РФ не устоялось, и производителям необходимо внимательно следить за вносимыми в него изменениями и нововведениями. На настоящий момент наиболее важными являются три документа:

• Постановление Правительства РФ от 11.03.2010 N 138 (ред. от 12.07.2016) «Об утверждении Федеральных правил использования воздушного пространства Российской Федерации» [3]
• Закон «О внесении изменений в Воздушный кодекс Российской Федерации в части использования беспилотных воздушных судов» [4].Согласно этому закону, государственной регистрации подлежат беспилотные воздушные суда, за исключением беспилотных гражданских воздушных судов с максимальной взлетной массой 0,25 килограмма и менее
• Порядок регистрации БПЛА будет определяться дополнительным постановлением правительства «Об утверждении порядка учета беспилотных воздушных судов, ввезенных в Российскую Федерацию или произведенных в Российской Федерации» [5]. В настоящий момент этот закон пока не действует и находится в состоянии обсуждения и согласования, но именно на этот документ следует ориентироваться производителям БПЛА

Последнее постановление устанавливает правила регистрации БПЛА в ФСБ. Юридическое или физическое лицо, изготовившее или ввезшее БПВС в Российскую Федерацию, подает в Федеральную службу безопасности заявление, в котором содержится полный список сведений как о БПЛА (государство изготовитель, тип, серийный номер, год изготовления, назначение, наименование производителя или имя изготовителя, максимальная взлетная масса, тип и количество двигателей, взлетная масса), так и о самом владельце (наименование юридического лица или имя владельца, паспортные данные, адрес, номер телефона, номер налогоплательщика или ИНН и так далее).

Очевидно, что практически любой дрон, за исключением детских игрушек, весит более 250 г, и значит, должен быть зарегистрирован. Столь жесткие нормы действуют не только в России, но и в США и других развитых странах [1]. Это объясняется тем, что даже небольшой БПЛА потенциально может стать источником террористической угрозы. С этим сложно не согласиться.

Таким образом, перед тем как начать разработку дрона, следует тщательно взвесить все «за» и «против». Это касается как коммерческой составляющей, так и возможности обеспечения требуемой безопасности. Если же решение о разработке и производстве принято, то следует определиться со структурой дрона и используемой элементной базой.

Функциональная структура мультикоптера

Дрон представляет собой сложное устройство. При его создании потребуется решить множество задач (рисунок 2).

Рис. 2. Функции электроники в составе мультикоптеров

Эффективное управление двигателями. Как правило, в состав дрона входят не менее четырех электромоторов. Для управления их работой потребуются силовые транзисторы, микроконтроллер, драйверы.

Стабилизация полета. При решении этой задачи необходимо определять положение дрона в трех плоскостях (крен, тангаж, рыскание). В настоящее время для этой цели используются различные МЭМС-датчики: акселерометры, гироскопы, магнитометры.

Общее управление полетом включает в себя подзадачи: прием сигналов управления от оператора, формирование задающих сигналов для контроллеров двигателей, стабилизацию полета, управление питанием и так далее. Все эти функции обычно возлагают на мощный центральный процессор.

Координация в пространстве и защита от столкновений. Для обеспечения требуемого уровня безопасности необходимо контролировать параметры полета (высоту, температуру) и вовремя определять препятствия. Для этого применяется целый спектр различных датчиков: датчиков высоты, приближения и прочих.

Связь с оператором. Для управления дроном чаще всего используются радиоинтерфейсы (субгигагерцевые, Bluetooth, Wi-Fi и так далее).

Управление питанием. Эта задача включает в себя контроль за уровнем заряда аккумуляторов, обеспечение процесса заряда и функций защиты при возникновении аварийных ситуаций (например, перегрева батарей, коротких замыканий и прочего).

Навигация. Функция чрезвычайно важная для профессиональных дронов, которые работают на значительных удалениях от оператора или совершают автономные полеты. Для отслеживания положения чаще всего применяют GPS или ГЛОНАСС, но существуют также системы ГАЛИЛЕО (Европа), BeiDou2 (Китай), QZSS (Япония).

Очевидно, что решение перечисленных задач сильно зависит от типа дрона. Если речь идет об игрушке, то все функции значительно упрощаются, например, навигация вряд ли вообще понадобится. К тому же, мощность моторов является невысокой. По этой причине все функциональные блоки могут уместиться на одной единственной плате. Мощность двигателей в дронах общего назначения обычно оказывается достаточно высокой, и для их управления требуются мощные и габаритные дискретные транзисторы и драйверы. В таких случаях контроллеры электродвигателей (контроллеры скорости, Electronic Speed Control, ESC) выделяют в отдельные модули. Если речь идет о профессиональных дронах, то в них почти всегда используется модульная система. Каждый электронный блок выполняет одну из перечисленных выше функций – драйверы двигателей (FSC), плата управления (Flight Control Unit, FCU), инерционный модуль IMU, радиопередатчик, модуль питания, модуль навигации (рисунок 3).

Рис. 3. Профессиональные дроны состоят из отдельных функциональных электронных модулей

На этапе проектирования важно правильно организовать структуру дрона, решить, из каких блоков он будет состоять. Следующим шагом будет определение коммуникационных связей. Выбор интерфейсов зависит от типа дрона и особенностей модуля. Например, миниатюрные игрушечные дроны вполне могут обойтись простыми интерфейсами I²C или UART, которые не требуют дополнительных приемопередатчиков и имеют малую стоимость реализации. Чтобы обеспечить высокую надежность и помехозащищенность, в профессиональных дронах используют более продвинутые протоколы: CAN или RS-422/485 (рисунок 4). Некоторые блоки могут иметь и особые интерфейсы. Например, драйверы двигателей поддерживают задание скорости вращения посредством ШИМ-сигнала, передаваемого от управляющего контроллера.

Рис. 4. Выбор коммуникационных интерфейсов для связи функциональных узлов в дронах

Несложно отметить, что для реализации практически каждой задачи необходим микроконтроллер. При этом требования к ним могут очень сильно отличаться. Если от процессора центрального блока управления (FCU) требуется максимальная производительность, то для драйвера электродвигателей важным преимуществом станет наличие специализированной периферии (об этом – ниже). Для модуля датчиков критичным является уровень потребления. Если же речь идет о недорогом дроне, то и выбирать контроллеры необходимо с оглядкой на их стоимость.

В случае использования микроконтроллеров STM32 производства компании STMicroelectronics проблем с выбором у разработчиков не будет.

Обзор микроконтроллеров STM32 от ST

Компания STMicroelectronics является одним из лидеров в области производства микроконтроллеров. Наибольшей популярностью пользуются семейства STM8 и STM32. Для создания дронов могут использоваться представители обоих семейств, но «смешивать» различные контроллеры в одном устройстве было бы нелогично из-за необходимости использования разных сред разработки. В то же время на базе STM32 без проблем можно создать любой функциональный блок для дрона. Рассмотрим это семейство более подробно.

В настоящий момент STM32 объединяет более семи сотен моделей из 10 семейств, отличающихся по четырем ключевым характеристикам: производительности, потреблению, стоимости, уровню интеграции (рисунок 5).

Рис. 5. Номенклатура микроконтроллеров STM32 от ST

Высокопроизводительные семейства STM32F2, STM32F4, STM32F7, STM32H7. Эта группа ориентирована на достижение максимального быстродействия и отличается наиболее развитой периферией.

• STM32F2. Данное семейство построено на базе «разогнанного» до 120 МГц ядра Cortex®-M3. Объем памяти для представителей семейства составляет 128 кбайт…1 Мбайт.
• STM32F4 – чрезвычайно богатое семейство, построенное на ядре Cortex®-M4 и объединяющее почти полторы сотни микроконтроллеров. Сейчас к услугам разработчиков предоставлены модели с рабочими частотами 168…180 МГц и объемом памяти до 2 Мбайт.
• STM32F7 – производительное семейство на базе ядра Cortex®-M7 с рабочей частотой до 216 МГц и объемом Flash до 2 МБайт. Отличается максимальным разнообразием периферии, например, USB, Ethernet, CAN, HDMI, DFSDM, ЕАЕ-контроллер, графический ускоритель, контроллер внешней памяти FMC и так далее. Семейство STM32F7 оставалось наиболее мощным в номенклатуре STMicroelectronics до появления STM32H7.
• STM32H7 – флагманское семейство STMicroelectronics, производительность которого имеет рекордное значение – 856 DMIPS при рабочей частоте до 400 МГц. По сравнению с STM32F7, новые контроллеры STM32H7 могут похвастаться увеличением ОЗУ до 1 Мбайт, появлением новой периферии, в частности – высокоточного таймера HR с максимальной рабочей частотой 400 МГц и разрешением 2,5 нс, расширением коммуникационных возможностей. Например, встроенный CAN-контроллер теперь поддерживает не только традиционные протоколы ISO 11898-1 (CAN 2.0 A, B), но и CAN FD 1.0 и TTCAN (ISO 11898-4).

Очевидно, что данные семейства станут идеальным выбором для создания центральных блоков управления дронами. Для относительно простых БПЛА подойдут младшие модели STM32F2, для дронов общего назначения следует в первую очередь рассматривать STM32F4, для самых сложных профессиональных аппаратов оптимальным выбором станут STM32F7 и STM32H7.

Базовые семейства STM32F0, STM32F1, STM32F3. Данная группа включает семейства со сбалансированными характеристиками и компромиссным значением производительности/потребления/цены.

• STM32F0 – семейство, построенное на базе ядра Cortex®-M0 с рабочей частотой «всего» 48 МГц, которое имеет объем памяти Flash 16…256 кбайт. Основными достоинствами этих микроконтроллеров является сверхнизкая цена при широком перечне периферии.
• STM32F1 – линейка 32-битных микроконтроллеров производства ST, построенных на ядре Cortex-M3 с рабочей частотой до 72 МГц. В настоящий момент семейство объединяет представителей с объемом Flash 16 кбайт…1 Мбайт.
• STM32F3 – семейство микроконтроллеров, нацеленное на работу с аналоговыми сигналами. Для этого к услугам разработчиков – ядро Cortex®-M4 с рабочей частотой до 72 МГц, блоком вычислений с плавающей запятой и поддержкой DSP-инструкций. Кроме того, STM32F3 обладают наиболее богатой аналоговой периферией, в том числе 16-битными ΣΔ-АЦП, сверхбыстродействующими АЦП последовательного приближения со скоростью преобразования до 5 млн. выборок в секунду.

Семейства STM32F0 и STM32F3 являются идеальным выбором при создании драйверов электродвигателей для дронов. На базе STM32F0 можно реализовывать недорогие драйверы бесколлекторных электродвигателей с 6-шаговым управлением. Семейство STM32F3 подходит для создания точных драйверов двигателей с векторным управлением.

В этой же группе стоит отметить и наличие специализированного драйвера двигателя STSPIN32F0. Эта микросхема объединяет полноценный контроллер STM32F0, драйвер трехфазного поста, аналоговую периферию (компараторы, АЦП, ОУ) и микросхемы питания (LDO 12 В, DC/DC). STSPIN32F0 может работать с напряжениями до 45 В и является идеальным решением для создания сверхкомпактных драйверов электродвигателей. Более подробно об этом будет сказано в следующем разделе.

Малопотребляющие микроконтроллеры семейств STM32L. Данная группа объединяет семейства, ориентированные в первую очередь на достижение минимального уровня потребления. Для этого используют различные методы: динамическое управление напряжением питания, гибкую систему тактирования, специализированную периферию (LP-Timer, LP-UART), развитую систему режимов пониженного потребления и так далее.

• STM32L0 – семейство, построенное на базе ядра Cortex®-M0+ с рабочей частотой до 32 МГц и объемом Flash 8…192 кбайт.
• STM32L1 – семейство с ядром Cortex®-M3, обладающее рабочей частотой до 32 МГц и объемом Flash 32…521 кбайт.
• STM32L4 – микроконтроллеры со сверхпроизводительным ядром Cortex®-M4 и объемом Flash 128 кбайт…1 Мбайт. Производительность этого семейства достигает 177 ULPMark/273 CoreMark, что превосходит даже производительность контроллеров из базовых семейств STM32F.

Малопотребляющие линейки STM32 логично применять во всех блоках, кроме драйверов электродвигателей. STM32L0 идеально подойдут в качестве концентраторов на платах датчиков или в качестве управляющего микроконтроллера в модулях навигации и управления питанием.

Таким образом, при создании дронов разработчик всегда сможет подобрать себе оптимальный микроконтроллер из семейства STM32 для конкретного функционального модуля.

Особенности построения контроллеров электродвигателей на базе компонентов от ST

Электродвигатели – ключевые элементы любого дрона. В БПЛА используются высокооборотистые моторы для создания необходимой подъемной силы. Значительная скорость вращения лопастей вынуждает разработчиков использовать бесколлекторные двигатели вместо щеточных двигателей постоянного тока (DC-двигатели). DC-двигатели отличаются очень простой схемой управления, однако их ресурс оказывается недостаточным из-за наличия щеточных узлов, которые требуют периодического обслуживания.

Бесколлекторные двигатели (BLDC-двигатели) не используют щеточных узлов и при наличии хороших подшипников требуют минимального технического обслуживания. Ротор BLDC-двигателей изготавливается из постоянного магнита и не имеет обмоток. Статор содержит обмотки, переменное поле которых приводит к вращению ротора. Обычно используются три обмотки. Создание переменного поля требует особых алгоритмов коммутации. Рассмотрим особенности шестишагового и векторного способов управления BLDC.

В самом простом случае используют алгоритм из шести шагов (рисунок 6). На каждом из шагов активными являются только две обмотки: одна коммутируется на землю, вторая на шину питания, третья остается неподключенной. При этом для управления скоростью вращения необходимо формировать ШИМ-сигналы и точно определять моменты, когда вал двигателя провернулся и необходимо перейти к возбуждению следующей обмотки. Моменты перехода могут определяться с помощью датчиков либо бездатчиковым способом.

Рис. 6. Принцип работы бесколлекторных двигателей

Существует и более сложный алгоритм с векторным управлением. При этом переход между активными обмотками происходит не скачком, а постепенно. Таким образом, можно добиться плавного движения магнитного поля. Однако векторное управление потребует точного измерения положения вала и токов в обмотках.

C помощью компонентов производства ST можно реализовать оба метода управления. Если стоит задача создания максимально компактного решения, то идеальным вариантом станет использование микросхемы STSPIN32F0 с интегрированными драйверами транзисторов (рисунок 7).

Рис. 7. Построение привода бесколлекторного двигателя на базе STSPIN 32F0

STSPIN32F0 представляет собой «систему в корпусе» (SIP), которая создана специально для управления работой трехфазных бесколлекторных двигателей с питающим напряжением до 45 В. В состав STSPIN32F0 входят:

• микроконтроллер STM32F031x6x7 с 32-битным ядром ARM® Cortex®-M0, рабочей частотой до 48 МГц, 4 кбайт ОЗУ, 32 кбайт Flash и программированием по SWD;
• 16-битный таймер с тремя парами комплементарных выходов и программируемым мертвым временем для формирования ШИМ-сигналов для драйверов транзисторов;
• три полумостовых драйвера силовых транзисторов со встроенными бутстрепными диодами и выходным током до 600 мА для управления трехфазным транзисторным мостом;
• четыре операционных усилителя для нормирования сигналов ОС от датчиков Холла или от бездатчиковой схемы с измерением обратной ЭДС;
• сверхбыстрый программируемый компаратор для контроля тока электродвигателя;
• встроенный DC/DC-регулятор 3,3 В с защитой от перегрузки, КЗ и перегрева для питания низковольтных схем;
• встроенный LDO 12 В с защитой от перегрева для питания драйверов, компараторов и ОУ;
• широкий выбор дополнительной периферии: 16 каналов ввода-вывода, 5 таймеров, 12-битный 9-канальный АЦП;
• коммуникационные интерфейсы: I²C, USART и SPI.

STSPIN32F0, благодаря наличию операционных усилителей и АЦП, может реализовать не только 6-шаговое, но и векторное управление.

Для создания силового трехфазного моста компания ST предлагает использовать низковольтные транзисторы семейства StripFET 7, которое объединяет около сотни моделей с различными характеристиками:

• с рейтингом напряжения 40/60/80/100 В;
• с максимальным током стока 4…260 А;
• с сопротивлением открытого канала 1,1…8 мОм;
• с зарядом затвора 8…193 нКл;
• с различными корпусными исполнениями: DPAK, D2PAK, ISOTOP, Max247, SOT-223, TO-220, TO-220FP, TO-247, PowerFLAT 5×6/3,3×3,3/2×2 мм, SO-8 and SOT23-6L.

В качестве примеров идеального компромисса тока/габаритов можно привести силовые ключи STL140N4F7AG и STL160NS3LLH7.

STL140N4F7AG – N-канальный полевой транзистор с рабочим напряжением до 40 В и постоянным током до 120 А. Несмотря на миниатюрный корпус PowerFLAT 5×6 WF 6×5 мм, значение типового сопротивления открытого канала этого ключа – всего 2,1 мОм (Uзи = 10 В).

Силовой N-канальный ключ STL160NS3LLH7 выпускается в том же корпусном исполнении PowerFLAT 5×6 WF, отличается большим допустимым током до 160 А, но меньшим напряжением 30 В. Увеличения тока удалось добиться за счет снижения сопротивления до типового значения 1,6 мОм (Uзи = 10 В).

По своим основным характеристикам семейство транзисторов StripFET 7 превосходит предыдущее семейство StripFET 6 почти в два раза. Такие показатели являются рекордными не только для самой компании STMicroelectronics, но и для ее основных конкурентов.

Если по каким-то причинам возможностей STSPIN32F0 не хватает, следует рассмотреть варианты реализации контроллера двигателя на базе микроконтроллеров STM32 и внешних драйверов силовых ключей. Например, мощный контроллер двигателя с 6-шаговым алгоритмом управления просто реализовать с помощью бюджетных моделей STM32F0 (рисунок 8).

Рис. 8. Построение мощного привода на базе STM32 и дискретных драйверов

Выбор микроконтроллеров STM32F0 достаточно логичен из-за таких очевидных преимуществ как:

• сверхнизкая цена;
• быстродействующее 32-битное ядро ARM® Cortex®-M0 с рабочей частотой до 48 МГц;
• наличие 16-битного таймера с тремя парами комплементарных выходов и программируемым «мертвым» временем для формирования ШИМ-сигналов для внешних драйверов транзисторов;
• наличие 12-битного АЦП для контроля параметров вращения;
• широкий выбор коммуникационных интерфейсов: I²C, SPI, UART, а также CAN и USB.

В данном случае на первое место поставлена цена, что не случайно. Дело в том, что приведенный набор периферийных блоков можно найти практически во всех семействах STM32 (кроме STM32L), но ни одно из них не сможет сравниться с STM32F0 по стоимости.

Если требуется получить прецизионное векторное управление мощным двигателем, то вместо STM32F0 следует воспользоваться микроконтроллерами STM32F3. Это наиболее «продвинутое» семейство для работы с аналоговыми сигналами. Преимуществами STM32F3 являются:

• повышенное быстродействие благодаря производительному ядру ARM® Cortex®-M4 с рабочей частотой до 72 МГц;
• 16-битные таймеры для формирования ШИМ-сигналов;
• до четырех быстродействующих АЦП последовательного приближения со скоростью преобразования от 200 нc и общим числом до 39 каналов;
• до двух 12-битных ЦАП;
• до семи быстродействующих аналоговых компараторов со временем срабатывания 25 нс;
• до четырех ОУ с программируемым усилением;
• 16-битный ΣΔ-АЦП;
• широкий выбор коммуникационных интерфейсов: I²C, SPI, UART, CAN, USB.

Для управления силовыми транзисторами можно воспользоваться драйверами производства STMicroelectronics. В настоящий момент номенклатура компании насчитывает полтора десятка драйверов полумостов:

• с максимальным током до 650 мА;
• со встроенным диодом;
• с рабочим напряжением шины до 600 В.

В качестве конкретного примера можно привести L6398 – драйвер полумоста со встроенным диодом, выходным током до 450 мА и напряжением шины 600 В.

Чтобы продемонстрировать преимущества своей продукции, компания STMicroelectronics предполагает начать выпуск специализированных отладочных плат STEVAL-ESC001V1.

Организация центрального блока управления на базе компонентов от ST

Проектирование центрального блока управления (FCU) следует начать с выбора микроконтроллера. В составе дрона он выполняет большую часть вычислительных функций: прием и обработку данных с датчиков положения, формирование управляющих сигналов для контроллеров двигателей, работу с датчиками приближения и предотвращение столкновений с объектами, взаимодействие с оператором с помощью одного из радиоинтерфейсов, сбор данных о состоянии окружающей среды.

В данном случае логично использовать микроконтроллеры производительных семейств STM32F4, STM32F7 и STM32H7 (рисунок 9). Возможности семейств существенно отличаются, поэтому разработчики смогут подобрать подходящий вариант как для дронов общего назначения, так и для профессиональных БПЛА.

Рис. 9. Структура центрального блока управления с расширенным функцио

В предыдущем разделе уже была дана общая характеристика каждому из семейств, но следует отметить и те особенности, которые оказываются наиболее востребованными для построения центральных модулей управления дронов:

• высокую производительность: до 225 DMIPS при 180 МГц для STM32F4, до 462 DMIPS при 216 МГц для STM32F7, до 856 DMIPS при 400 МГц для STM32H7;
• поддержку операций с плавающей точкой и DSP-инструкций;
• ART-акселератор;
• широкий выбор стандартной периферии: таймеры, порты ввода-вывода, часы реального времени и так далее;
• наличие полного комплекта стандартных коммуникационных интерфейсов: USART, I²C, SPI;
• наличие расширенного набора коммуникационных интерфейсов: CAN, Ethernet, интерфейс для работы с камерой.

Использование МЭМС-сенсоров для обеспечения стабилизации полета

Любой дрон имеет погрешности в распределении веса и разброс в характеристиках двигателей. Это приводит к тому, что в процессе полета БПЛА будет отклоняться от положения равновесия. Компенсировать эти отклонения можно за счет изменения тяги двигателя, но такое решение требует точного определения крена, тангажа и рыскания. Для измерения перечисленных угловых координат необходимы инерционные сенсоры. STMicroelectronics предлагает использовать для этих целей комбинированные модули iNEMO [6].

Инерционные модули iNEMO представляют собой комбинацию из 3-осевого акселерометра и 3-осевого гироскопа (LSM6DSN имеет в своем составе и 3-осевой магнитометр). Такая комбинация является идеальным вариантом для дрона. С помощью iNeMO удается уменьшить габариты и потребление, сохранив при этом высокую точность. В настоящий момент ST предлагает 14 моделей iNEMO. Наиболее интересными представителями в данном семействе можно считать LSM6DS1 и LSM6DSM.

• LSM6DSM – 6-осевой инерционный модуль с широким диапазоном измерений (±2/±4/±8/±16g для акселерометра и ±125/±245/±500/±1000/±2000°/с для гироскопа) и минимальным потреблением: 0,65 мА в активном состоянии и всего 4,5 мкА в спящем режиме. Дополнительными преимуществами модуля являются компактные размеры LGA-14L 2,5x3x0,83 мм.
• LSM6DSN1 – 9-осевой сенсор, объединяющий акселерометр, гироскоп и магнитометр с диапазонами измерений 2/±4/±8/±16 g (акселерометр), ±125/±245/±500/±1000/±2000°/с (гироскоп), 2/±4/±8/±16° (магнитометр).

STMicroelectronics также предлагает дискретные магнитометры, которые используются для координации положения дрона в пространстве.

Координация мультикоптера в пространстве

На практике для координации положения дрона в пространстве необходима пара датчиков: датчик давления и электронный компас.

Датчик давления используется для определения текущей высоты полета. Это важно для поддержания стабильной высоты и для обеспечения безопасного приземления. Очевидно, что для БПЛА желательно иметь сенсор с высоким быстродействием и максимальной точностью, минимальным потреблением и малыми габаритами. Этим требованиям отвечают датчики из семейства LPS производства ST. Сейчас это семейство насчитывает 6 представителей, которые имеют одинаковый рабочий диапазон 260…1260 гПа, но отличаются по ряду основных параметров (потреблению, корпусному исполнению, частоте опроса и так далее). В настоящий момент наиболее интересным сенсором в данной линейке изделий ST является LPS22HD.

• LPS22HD – датчик, позволяющий измерять давление в диапазоне 260…1260 гПа с 24-битной точностью. Максимальная частота измерений у LPS22HD достигает 200 Гц, при этом потребление в активном режиме может составлять 12 мкА (частота 1 Гц), а в режиме пониженного потребления и вовсе падает до 3 мкА. Отдельно стоит отметить высокую точность данного сенсора: погрешность измерений после выполнения калибровки составляет 0,1 гПа. Габариты LPS22HD малы – всего 2x2x0,76 мм.

Электронный компас помогает определять положение дрона относительно сторон света. К магнитометрам предъявляются те же требования, что и к другим рассмотренным выше датчикам, это минимальное потребление, малые габариты, высокая точность. В номенклатуре ST имеются шесть моделей электронных компасов семейства LSM303, каждый из которых отвечает перечисленным требованиям. В качестве примера рассмотрим LSM303AGR.

• LSM303AGR – электронный компас, представляющий комбинацию 3-осевого акселерометра (±2/±4/±8/±16g) и 3-осевого магнитометра ±50°. Датчик выпускается в сверхкомпактном корпусе LGA 2х2х1 мм. Типовое потребление акселерометра при максимальной разрядности измерений и частоте 50 Гц составляет 12,7 мкА, магнитометр потребляет до 200 мкА при максимальном разрешении и той же частоте опроса.

Определение параметров окружающей среды

Информация о состоянии параметров окружающей среды имеет важное значение для обеспечения безопасности БПЛА. Кроме того, дрон может использоваться для непосредственного сбора таких данных. Решить эти задачи поможет очень удачный сенсор HTS221 от ST [7].

• HTS221 – комбинированный датчик влажности и температуры. Его главными преимуществами являются высокая разрядность для обоих сенсоров (16 бит), малые габариты (2x2x0,9 мм), отличная точность и малое потребление. Питающий ток при частоте опроса 1 Гц составляет всего 2 мкА, а в режиме сна падает до 0,5 мкА.

Обеспечение защиты от столкновений с объектами

Угроза столкновения с объектами особенно высока в городской черте из-за наличия различных препятствий (провода, мачты, рекламные растяжки, здания и так далее). Конечно, можно уповать на мастерство оператора, но все-таки следует обеспечить БПЛА хотя бы простейшей системой машинного зрения.

Самые распространенные системы распознавания препятствий строятся на базе ультразвуковых или оптических датчиков. Каждое из решений имеет достоинства и недостатки. Например, классические оптические методы имеют множество слабых сторон (влияние коэффициента отражения объектов, зависимость точности от уровня освещения, чувствительность к внешним засветам и так далее). Однако компания STMicroelectronics смогла решить эти проблемы и предлагает законченный оптический датчик VL6180, построенный с применением технологии FlightSenseTM [8].

Традиционный оптический метод определения расстояния до объекта основан на сравнении интенсивности излучаемого и отраженного света: чем ближе приемник, тем выше амплитуда отраженной волны. Однако этот способ имеет перечисленные выше недостатки. Новая технология ST FlightSenseTM использует другой принцип измерения. Расстояние до объекта определяется по времени распространения светового потока от передатчика к приемнику. Чем ближе объект, тем меньше времени требуется свету, чтобы преодолеть расстояние. При этом его амплитуда не играет решающей роли.

• VL6180 – готовый модуль, включающий датчик приближения с технологией FlightSense™, датчик освещения и ИК-светодиод. ИК-приемник излучения имеет узкий спектр чувствительности, что позволяет минимизировать влияние засветов и переотражений. Встроенный датчик освещения используется для учета влияния фонового излучения. VL6180 позволяет определять расстояния до объектов вне зависимости от их коэффициентов отражения на расстоянии до 10 см и более.

Также стоит отметить и другие достоинства VL6180: минимальное потребление (около 1,5 мА для датчика приближения и 300 мкА для датчика освещения) и малые габариты (4,8х2,8х1 мм).

Таким образом, VL6180 представляет собой законченный модуль, а это значит, что разработчику не придется затрачивать значительных усилий для получения системы оптического зрения.

Обеспечение связи с оператором

Между оператором и дроном необходимо обеспечить канал связи для обмена информацией. От оператора поступают команды управления, а дрон передает на землю параметры полета (уровень заряда батарей, высоту, температуру, диагностическую информацию и так далее). ST предлагает на выбор три варианта реализации беспроводных радиоинтерфейсов, на базе различных модулей:

• модули субгигагерцевого диапазона;
• модули Bluetooth;
• модули Wi-Fi.

Микросхемы и модули субгигагерцевого диапазона представлены в портфолио ST двумя приемопередатчиками S2-LP и SPIRIT1, а также одним передатчиком STS1TX [9]. Кроме того, к услугам разработчиков – готовые модули SP1ML и SPSGRF.

Для дронов важно иметь ресивер, который бы объединял целый ряд качеств: значительную мощность передатчика, высокую чувствительность приемника, малое потребление, минимальные габариты и высокую скорость передачи. Всем этим требованиям отвечает SPIRIT1.

• SPIRIT1 – универсальный приемопередатчик, работающий с частотными диапазонами 169/315/433/868/915 МГц и обеспечивающий скорость передачи до 500 кбит/с. Мощность передатчика для SPIRIT1 достигает 16 дБм, а чувствительность приемника -118 дБм. Также SPIRI1T отличается малыми габаритами (2х2 мм) и низким потреблением.

Микросхемы и модули Bluetooth от ST представлены пятью моделями [10]:

• BlueNRG-MS – сетевой процессор Bluetooth Low Energy с поддержкой Bluetooth 4.1;
• BlueNRG-1 – система-на-кристалле (SOC) с поддержкой стека BLE, которая объединяет контроллер с ядром ARM Cortex-M0, микросхемы питания (LDO и DC/DC) и широкий выбор периферии;
• SPBT3.0DP1 – законченный модуль Bluetooth Class1 – iAP2;
• SPBT3.0DP2 – законченный модуль Bluetooth Class2 – iAP2;
• SPBTLE-RF – законченный малопотребляющий модуль Bluetooth Smart v4.1.

Модули Wi-Fi SPWF01S от ST представляют собой законченные системы для построения узлов беспроводных сетей с поддержкой стека TCP/IP, серверных функций и протоколов безопасности SSI/TLS [11]. При этом все протоколы являются встроенными и не требуют от разработчика дополнительных денежных вложений.

Мощность передатчиков в SPWF01S достигает 18,1 дБм, а чувствительность приемника до -90 дБм. Потребление модулей зависит от режима работы. При передаче уровень питающего тока составляет 243 мА, при приеме – 105 мА, в режиме сна потребление снижается до 15 мА, а в состоянии глубокого сна – до 43 мкА.

Сейчас ST предлагает две модели, отличающихся типом антенны:

• SPWF01SA – модуль Wi-Fi со встроенной модульной антенной;
• модуль SPWF01SC снабжен традиционным коннектором u.fl для подключения внешней антенны.

Использование глобальных навигационных систем

Функция глобального позиционирования не является востребованной для небольших игрушечных дронов и дронов общего назначения из-за малого радиуса действия. Зато для профессиональных БПЛА, выполняющих полеты на значительные расстояния, навигация имеет большое значение. В настоящий момент существует несколько глобальных систем позиционирования: ГЛОНАСС (Россия), GPS (США), ГАЛИЛЕО (Европа), BeiDou2 (Китай), QZSS (Япония).

Компания ST предлагает два семейства универсальных модулей навигации: STA8088 и STA8090. Модули STA8088 имеют поддержку GPS/Galileo/Glonass/QZSS, а STA8090 дополнительно работают с Beidou2 и отличаются оптимизированной системой питания.

Сейчас к услугам разработчиков предлагается семь типов модулей:

• STA8088CWG – законченный трансивер GPS/Galileo/Glonass/QZSS с интегрированным радиомодулем;
• STA8088EXG – законченный программируемый трансивер GPS/Galileo/Glonass/QZSS с мощным процессором ARM9;
• STA8088FG – законченный трансивер GPS/Galileo/Glonass/QZSS с интегрированным радиомодулем и встроенной Flash;
• STA8088GA – автомобильный ресивер GPS/Galileo/Glonass/QZSS;
• STA8088TG – треккер GPS/Galileo/Glonass/QZSS;
• STA8089FG – законченный трансивер GPS/Galileo/Glonass/Beidou2/QZSS с интегрированным радиомодулем и встроенной Flash;
• STA8090FG – законченный трансивер GPS/Galileo/Glonass/Beidou2/QZSS с интегрированным радиомодулем и встроенной Flash.

Управление положением камеры

Камера является важным элементом для дронов общего назначения и профессиональных БПЛА. Она востребована для профессиональной и любительской видео- и фотосъемки, для систем наблюдения и охраны, для выполнения мониторинга, например, за состоянием леса в лесном хозяйстве или за состоянием посевов в аграрном секторе. По этой причине блок управления положением камеры часто входит в состав дронов.

Структурная схема этого блока подразумевает наличие приводов электродвигателей для поворота камеры, инерционный модуль для обеспечения стабилизации изображения и управляющий процессор (рисунок 10). Для создания такой схемы можно использовать уже рассмотренные выше компоненты: контроллеры, инерционные сенсоры, транзисторы и драйверы.

Рис. 10. Структура блока управления положением камеры

Демонстрационные наборы от ST для построения дронов

Компания ST высоко оценивает потенциал рынка БПЛА и стремится расширить свое присутствие в данной отрасли. При этом ее деятельность не ограничивается только производством компонентов и модулей. ST проводит и активную маркетинговую компанию. Частью этой компании должны стать специализированные демонстрационные наборы, выпуск которых запланирован на 2017 год.

• STEVAL-ESC001V1 – законченный контроллер бесколлекторного двигателя, построенный на базе микроконтроллера STM32F303, драйверов LM6398 и новейших транзисторов STL160NS (рисунок 11).

Рис. 11. Демонстрационный набор STEVAL-ESC001V1 будет доступен в первом квартале 2017 года

• STEVAL-FCU001V1 – законченный центральный блок управления для небольших дронов (рисунок 12). Он построен на базе микроконтроллера STM32F401 с рекордными показателями динамического потребления. Кроме контроллера на плате располагается набор инерционных сенсоров, датчик давления и приемопередатчик Bluetooth.

Рис. 12. Демонстрационный набор STEVAL-FCU001V1 будет доступен в течение 2017 года

• STEVAL-FCU002V1 – демонстрационный набор в виде законченного центрального блока управления для дронов общего назначения и профессиональных БПЛА (рисунок 13). Данный блок имеет высокую вычислительную мощность за счет производительного микроконтроллера STM32F756VGT6 с ядром ARM Cortex-M7.

Рис. 13. Демонстрационный набор STEVAL-FCU002V1 будет доступен в течение 2017 года

Заключение

В настоящий момент на рынке дронов наблюдается устойчивый рост, который сохранится в течение ближайшего времени. Это делает его весьма привлекательным как для производителей БПЛА, так и для поставщиков электронных компонентов. Вместе с тем использование дронов имеет ряд законодательных ограничений.

Создание дронов – сложная задача. Однако значительное упрощение процесса разработки может наступить уже в ближайшее время, так как производители электронных компонентов наращивают объем продукции, ориентированной именно на рынок БПЛА. Одним из лидеров этого движения стала компания STMicroelectronics, уже сейчас предлагающая целый спектр компонентов, которые будут востребованы как в небольших дронах, так и в профессиональных БПЛА:

• микроконтроллеры семейства STM32 для центральных блоков управления, контроллеров двигателей и блоков управления положением камеры;
• транзисторы и драйверы силовых ключей для создания приводов электродвигателей;
• МЭМС-датчики и инерционные модули для обеспечения стабилизации полета;
• датчики параметров окружающей среды для мониторинга параметров полета;
• датчики приближения для систем предотвращения столкновений в воздухе;
• беспроводные приемопередатчики субгигагерцевого диапазона, модули Bluetooth и Wi-Fi;
• приемопередатчики Teseo II и Teseo III для систем глобального позиционирования (GPS/Galileo/Glonass/Beidou2/QZSS).

Для популяризации своей продукции компания STMicroelectronics предполагает начать выпуск специализированных демонстрационных наборов уже в начале 2017 года.

Источник