Особливості реалізації прошивки Inav на польотному контролері Omnibus F4v3 для БПЛА роторного типу

ОСОБЛИВОСТІ РЕАЛІЗАЦІЇ ПРОШИВКИ INAV НА ПОЛЬОТНОМУ КОНТРОЛЕРІ OMNIBUS F4V3 ДЛЯ БПЛА РОТОРНОГО ТИПУ

FEATURES OF INAV FIRMWARE IMPLEMENTATION ON OMNIBUSF4V3 FLIGHT CONTROLLER FOR UAV

Сторінки: 126-134. Номер: №2, 2020 (283)
Автори:
О.А. МЯСІЩЕВ
Хмельницький національний університет
A.A. MYASISCHEV
Khmelnytsky National University
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2020-283-2-126-134
Рецензія/Peer review : 09.05.2020 р.
Надрукована/Printed : 16.06.2020 р.

Анотація мовою оригіналу

В роботі розглядається практична можливість налаштування параметрів PID регулятора для прошивки INAV (сімейство прошивок Cleanflight) безпілотних літальних апаратів (БПЛА) роторного типу і з нерухомим крилом під час польоту. Показано, що для цього необхідно використання апаратури радіоуправління з мінімальною кількістю каналів, рівною восьми. Розроблено безпілотний літальний апарат (БПЛА) на базі польотного контролера OMNIBUSF4V3 з вбудованим гіроскопом і акселерометром, барометром/висотоміром BMP280. Розроблено схему підключення 3-осьового компаса HMC5883L по шині I2C і GPS приймача u-blox NEO-6M до порту контролера UART6. Як прошивки використана INAV ver.2.2.1, що підтримує навігаційні функції. Спроектований квадрокоптер (БПЛА) здатний виконувати наступні польотні режими: ANGLE – автоматичне вирівнювання крену і тангажу з контролем кута горизонту, задане значення якого не може перевищуватися, чим досягається стійкий політ. Тут задіяні гіроскоп і акселерометр для утримання горизонту. NAV ALTHOLD – утримання висоти. Тут використано барометр, який сприяє утриманню висоти по тиску повітря. NAV POSHOLD – виконується утримання позиції. Використовує GPS. NAV RTH (Return To Home) – повернення додому, в точку зльоту. NAV WP – політ по заданій траєкторії, яка апроксимована точками. В цьому випадку в конфігураторі накладаються на обрану карту місцевості шляхові точки з такими параметрами, як висота, швидкість її прольоту. Для малих оборотів моторів показана можливість використання режиму AIR MODE для збільшення ефективності роботи PID регулятора. Показана можливість використання програми STM32 Flash loader demonstrator як програматора для прошивки польотного контролера OMNIBUSF4V3 будь-якою прошивкою сімейства Cleanflight. Встановлено, що для налаштування параметрів P, I, D, а також параметрів навігаційного регулятора можливе використання трипозиційного перемикача на одному з каналів управління і змінного резистора на іншому каналі. Розглянуто питання настройки стійкості польоту коптера. При різкому збільшенні дросельної заслінки можливий завал коптера в одну зі сторін і його падіння. Встановлено, що для запобігання цьому необхідно використання однаково підібраних ESC регуляторів, моторів і правильна настоянка PID параметрів зокрема по YAW. Встановлено неможливість настройки магнітометра HMC5883L для забезпечення прямолінійного польоту коптера в режимі Cruise через його похибки. Так, під час установки на північ з кутом 0 градусів і подальшим його розворотом на 180 градусів, програмне забезпечення INAV інтерпретує поворот не на 180, а на 191 градус. Це призводить до відведенню коптера від прямолінійного руху незважаючи на правильну установку магнітного відхилення.
Ключові слова: OMNIBUSF4V3, PID-регулятор, INAV, GPS приймач, AIR MODE, STM32F4, HMC5883L, NEO6MV2, MPU6000.

Розширена анотація англійською мовою

The paper considers the practical possibility of adjusting the PID controller parameters for INAV firmware (Cleanflight firmware family) of rotary-type unmanned aerial vehicles (UAVs) and with a fixed wing during flight. It is shown that this requires the use of radio control equipment with a minimum number of channels equal to eight. An unmanned aerial vehicle (UAV) has been developed based on the OMNIBUSF4V3 flight controller with a built-in gyroscope and accelerometer, BMP280 barometer / altimeter. The scheme of connecting the 3-axis compass HMC5883L via the I2C bus and the GPS receiver u-blox NEO-6M to the controller port UART6 is developed. The firmware used is INAV ver.2.2.1, which supports navigation functions. The designed quadrocopter (UAV) is capable of performing the following flight modes: ANGLE – automatic roll and pitch alignment with horizon angle control, the set value of which cannot be exceeded, which ensures a stable flight. A gyroscope and an accelerometer are used here to hold the horizon. NAV ALTHOLD – hold height. A barometer is used here, which helps to maintain altitude by air pressure. NAV POSHOLD – a position is being held. Uses GPS. NAV RTH (Return To Home) – return home to the take-off point. NAV WP – flight along a given path, which is approximated by waypoints. In this case, waypoints with such parameters as altitude and its flight speed are superimposed on the selected terrain map in the configurator. For low engine speeds, the possibility of using the AIR MODE to increase the efficiency of the PID controller is shown. The possibility of using the STM32 Flash loader demonstrator program as a programmer for flashing the OMNIBUSF4V3 flight controller with any Cleanflight family firmware is shown. It was found that to configure the parameters P, I, D, as well as the parameters of the navigation controller, it is possible to use a three-position switch on one of the control channels and a variable resistor on the other channel. The issue of tuning the flight stability of the copter is considered. With a sharp increase in the throttle, a crash of the copter in one of the sides and its fall is possible. It was established that in order to prevent this, it is necessary to use identically selected ESC controllers, motors and the correct setting of PID parameters, in particular according to YAW. The impossibility of adjusting the HMC5883L magnetometer to ensure straight-line flight of the copter in Cruise mode due to its error is established. So when installed to the north with an angle of 0 degrees and its subsequent rotation by 180 degrees, the INAV software interprets the rotation not of 180, but of 191 degrees. This leads to the drift away from the rectilinear movement despite the correct installation of magnetic declination.
Keywords: OMNIBUSF4V3, PID controller, INAV, GPS receiver, AIR MODE, STM32F4, HMC5883L, NEO6MV2, MPU6000.

References

1. Myasishev A.A. Vozmozhnosti poletnogo kontrollera SS3D s proshivkoj INAV / A.A. Myasishev // Herald of Khmelnytskyi National University. – Hmelnickij : HNU, 2019. – № 1. – S. 129–136.
2. Myasishev A.A. Ispolzovanie platy ROBOTDYN MEGA2560 PRO dlya postroeniya poletnogo kontrollera geksakoptera / A.A.Myasishev // Herald of Khmelnytskyi National University. – Hmelnickij : HNU, 2018. – № 3. – S. 171–179.
3. FLASHER-STM32 [Electronic resource]. – 2016. – Mode of access : https://www.st.com/en/development-tools/flasher-stm32.html.
4. Command Line Interface (CLI) [Electronic resource]. – 2019. – Mode of access : https://github.com/iNavFlight/inav/blob/master/docs/Cli.md.
5. INAV [Electronic resource]. – 2018. – Mode of access : https://github.com/iNavFlight/inav/wiki.
6. U-center Windows. GNSS evaluation software for Windows [Electronic resource]. – 2018. – Mode of access : https://www.u-blox.com/en/product/u-center-windows.
7. F1, F3, F4 AND F7 FLIGHT CONTROLLER DIFFERENCES EXPLAINED [Electronic resource]. – 2017. – Mode of access : https://oscarliang.com/f1-f3-f4-flight-controller
8. OMNIBUS F4V3 [Electronic resource]. – 2017. – Mode of access : http://nic.vajn.icu/PDF/radio-controlled/OMNIBUS_F4_V3.pdf
9. Myasishev A.A. Programmirovanie ESC regulyatorov SIMONK-30A i EMAX SIMON-12A cherez ARDUINO i poletnyj kontroller / A.A. Myasishev // Herald of Khmelnytskyi National University. – Hmelnickij : HNU, 2019. – № 2. – S. 228–237.
10. INAV Configurator 2.2.1 [Electronic resource]. – 2019. – Mode of access : https://github.com/iNavFlight/inav-configurator/releases/tag/2.2.1
11. Karpov V.E. PID-upravlenie v nestrogom izlozhenii [Electronic resource]. – Moskva, 2012. – Mode of access : http://robofob.ru/materials/articles/pages/Karpov_mobline1.pdf
12. QUADCOPTER PID EXPLAINED [Electronic resource]. – 2019. – Mode of access : https://oscarliang.com/quadcopter-pid-explained-tuning/
13. Open-Source flight controller software for modern flight boards [Electronic resource]. – 2018. – Mode of access : http://cleanflight.com/.
14. Myasishev A.A. Postroenie BPLA na baze poletnogo kontrollera APM 2.6 / A.A. Myasishev // Herald of Khmelnytskyi National University. – Hmelnickij : HNU, 2016. – № 5. – S. 225–230.
15. Myasishev A.A. Programmirovanie ESC regulyatorov proshivkami SIMONK i BLHELI cherez ARDUINO i poletnyj kontroller [Electronic resource]. – Mode of access : https://www.researchgate.net/publication/332381105_PROGRAMMIROVANIE_ESC_REGULATOROV_PROSIVKAMI_SIMONK_I_BLHELI_CEREZ_ARDUINO_I_POLETNYJ_KONTROLLER , 2019