1.1.06. Упражнение 1.1ТП: автоматические режимы — контроль, вмешательство и геозона #

• Запустить модель ArduCopter (вкладка CONFIG, раздел Simulation либо sim_vehicle.py; порядок — статья 0.2 и курс «Mission Planner» на настоящем сайте). Дождаться загрузки: спутники, HDOP, состояние фильтра — на главном экране вкладки FLIGHT DATA.
• Настроить переключатель режимов на аппаратуре (вкладка CONFIG, раздел Flight Modes): три положения первого переключателя назначить Stabilize, AltHold, Loiter; три положения второго — PosHold, RTL, Auto. Проверить соответствие: каждый щелчок переключателя меняет режим на экране.
• Задать параметры отказных реакций: FS_BATT_ENABLE = 1, FS_BATT_VOLTAGE = 21,0 (для батареи 6S — примерно 3,5 В на элемент), FS_BATT_MAH — по расчёту задачи 2; FS_THR_ENABLE = 1 (реакция на потерю управления отрабатывается в статье 1.1.07).
• Настроить геозону: GF_ENABLE = 1, GF_TYPE = 2 (максимальная высота) и 4 (минимальная высота) плюс 1 (максимальное удаление), GF_MAX_HOR_DIST = 150 (м), GF_MAX_ALT = 30 (м), GF_ACTION = 2 (возврат при нарушении).
• Подготовить полётное задание из статьи 1.1.03 (прямоугольник 150 × 80 м, высота 10 м) — оно используется в элементах 2 и 3.
• Включить ведение журнала (параметр LOG_BITMASK — по умолчанию) и после каждого вылета открывать журнал на вкладке DATA, раздел Log: оценка отклонений — обязательная часть упражнения.

• Liftoff и Uncrashed не моделируют полётный контроллер ArduPilot, поэтому автоматические режимы в них не отрабатываются; они применяются в этой статье только для поддержания моторики ручного пилотирования между циклами SITL (статьи 1.1.01–1.1.02).
• Режимы с автоматическим удержанием в FPV-тренажёрах (при их наличии в настройках модели) допускается использовать для демонстрации принципа «уровень иерархии — объём удержания», но зачётные элементы выполняются только в SITL, где поведение соответствует реальному полётному контроллеру.
• Рекомендуемое распределение занятия: 15 минут ручного полёта в FPV-тренажёре для разогрева, затем 45 минут элементов в SITL.

• Выполнить взлёт и зависание на высоте 10 м в режиме Stabilize; записать по журналу разброс высоты и позиции за 30 секунд — это уровень 0: автоматика удерживает только углы.
• Переключиться в AltHold: отпустить органы управления; записать разброс высоты (должен упасть до десятых долей метра) и позиции (останется прежним — позиция не удерживается).
• Переключиться в PosHold и Loiter: записать разброс позиции — теперь удерживается и она; сравнить два режима: в PosHold перемещение задаётся отклонением органов, в Loiter органы управления не влияют на позицию.
• Составить таблицу результатов: режим, разброс высоты, разброс позиции, действия пилота. Таблица прикладывается к журналу занятия.

Критерий: пилот без подсказки называет, что удерживает каждый режим и какие органы управления на него влияют; разброс высоты в AltHold и позиции в PosHold не превышает 1 м; переходы между режимами выполнены без изменения высоты более 1 м (техника переходов — статья 1.1.07).

• Загрузить полётное задание статьи 1.1.03 и выполнить проверку до взлёта: список точек, маршрут на карте, профиль высот.
• Запустить задание в режиме Auto. Вести контроль вслух по цепочке раздела 3.3 с периодом 5–10 секунд: траектория, параметры, ресурс, сообщения, обстановка. Инструктор отмечает пропущенные звенья цепочки.
• На втором круге инструктор называет параметр (например, «напряжение батареи»), пилот за время не более 5 секунд находит его на наземной станции и называет значение.
• После посадки открыть журнал и построить список отклонений фактической траектории от заданной по каждой стороне; сравнить с тем, что пилот назвал вслух в полёте.

Критерий: пилот сопровождает полёт непрерывным контролем по цепочке, не фиксируя взгляд на одном источнике более 10 секунд; находит любой названный параметр за 5 секунд; оценки отклонений в полёте расходятся с журналом не более чем на 1 м.

• Во время выполнения задания по команде инструктора «пауза» переключить режим в Loiter: аппарат останавливается и удерживает позицию; время от команды до остановки — не более 3 секунд.
• После паузы возобновить задание переключением в Auto; оценить по журналу переходный процесс: перелёт к ближайшей путевой точке, отклонение от линии захвата.
• По команде «перехват» переключиться в AltHold и вручную отвести аппарат на 20–30 м от линии маршрута; затем вернуть его к маршруту вручную и возобновить задание.
• Выполнить полный возврат: на удалении 100–120 м переключить RTL, проконтролировать набор высоты возврата и посадку; пилот сопровождает возврат контролем и готов вмешаться.
• Разобрать по журналу: сколько метров прошёл аппарат между командой и остановкой в каждом случае; сравнить с расчётом задачи 1.

Критерий: пауза выполняется за время не более 3 секунд без потери высоты более 1 м; при возобновлении задания захват маршрута выполняется без выхода за пределы 10 м от линии; пилот до полёта назвал порядок вмешательства и выполнил его без напоминаний.

• Проверить параметры геозоны (GF_ENABLE, GF_MAX_HOR_DIST, GF_MAX_ALT, GF_ACTION) и объяснить вслух, какое действие выполнит аппарат при каждом типе нарушения.
• В режиме PosHold на высоте 10 м намеренно выйти за границу максимального удаления; наблюдать срабатывание: сообщение наземной станции и начало возврата (GF_ACTION = 2).
• Во время возврата, вызванного геозоной, выполнить вмешательство: переключиться в Loiter, остановить аппарат, оценить положение, вернуться в рабочую зону вручную.
• Повторить с нарушением максимальной высоты (набор выше GF_MAX_ALT) и с нарушением минимальной высоты при наличии настройки GF_MIN_ALT.
• По журналу зафиксировать: расстояние фактического выхода за границу до срабатывания и время реакции системы.

Критерий: пилот до взлёта назвал действия геозоны по каждому параметру; срабатывание не стало для пилота неожиданностью; вмешательство в автоматический возврат выполнено уверенно, аппарат остановлен и возвращён в рабочую зону без выхода за другие ограничения.

Задача. Из-за порыва ветра аппарат в режиме PosHold начал снос к границе рабочей зоны со скоростью 5 м/с. До границы 60 м. Пилот обнаруживает снос, переключает режим и парирует его с ускорением 2 м/с². Время от обнаружения до начала парирования — 2,5 с. Требуется определить смещение за время вмешательства и минимальное расстояние, на котором снос должен быть обнаружен, чтобы аппарат не достиг границы.

Заданные параметры:

Искомые параметры: смещение за время реакции (м); время и путь гашения сноса (с, м); полное смещение S_др (м); минимальное расстояние обнаружения (м); запас в сценарии с 60 м (м).

Решение.

1. Смещение за время реакции: \( S_{1} = V_{сн} \cdot t = 5 \cdot 2{,}5 = 12{,}5\ \text{м} \).
2. Время гашения скорости сноса: \( t_{2} = V_{сн} / a = 5 / 2 = 2{,}5\ \text{с} \).
3. Путь за время гашения: \( S_{2} = \dfrac{V_{сн}^{2}}{2a} = \dfrac{25}{4} = 6{,}25\ \text{м} \).
4. Полное смещение: \( S_{др} = 12{,}5 + 6{,}25 = 18{,}75 \approx 19\ \text{м} \).
5. Минимальное расстояние обнаружения — само смещение 19 м; для вмешательства с запасом, равным ещё одному смещению: \( 2 \cdot 19 = 38\ \text{м} \).
6. Проверка сценария: обнаружение на 60 м даёт запас \( 60 - 19 = 41\ \text{м} \) — граница не достигается.

Ответ: за время вмешательства аппарат смещается примерно на 19 м; снос должен обнаруживаться не позже 38 м до границы (с запасом); в сценарии с 60 м запас составляет 41 м.

Вывод. Время вмешательства определяется в основном временем реакции и переключения (12,5 м из 19 м), а не возможностями аппарата. Отсюда два следствия: положения переключателя режимов должны быть известны наизусть, а рабочая зона планируется с припуском не менее 20 м на снос — именно поэтому геозона ставится на 15–20 м дальше рабочей зоны (раздел 4).

Задача. Для аппарата с батареей 6S, 1300 мА·ч определить порог FS_BATT_MAH, при котором отказная реакция «возврат» сработает с запасом, и время полёта от взлёта до срабатывания. Расход заряда на полный возврат по сценарию статьи 1.1.04 (задача 3) — 340 мА·ч; требуемый запас — полуторакратный; средний ток полёта по заданию — 14 А; глубина разряда ограничена 80 % ёмкости.

Заданные параметры:

Искомые параметры: доступная ёмкость (мА·ч); порог FS_BATT_MAH (мА·ч); расход на задание до срабатывания (мА·ч); время полёта до срабатывания (с); доля задания, которую можно выполнить.

Решение.

1. Доступная ёмкость: \( 1300 \cdot 0{,}8 = 1040\ \text{мА·ч} \).
2. Порог отказной реакции: \( FS\_BATT\_MAH = 340 \cdot 1{,}5 = 510\ \text{мА·ч} \); округление выполняется в большую сторону (уменьшение порога сократило бы запас): принимается 520 мА·ч.
3. Расход на задание до срабатывания: \( 1040 - 520 = 520\ \text{мА·ч} \).
4. Время полёта до срабатывания: \( \dfrac{0{,}520\ \text{А·ч}}{14\ \text{А}} = 0{,}0371\ \text{ч} = 134\ \text{с} \).
5. Сравнение с заданием: обход схемы из статьи 1.1.03 занимает 41 с; до срабатывания порога выполняются 3 обхода (123 с), четвёртый завершиться не успеет.

Ответ: порог FS_BATT_MAH = 520 мА·ч; полёт по заданию до срабатывания длится 134 с, что соответствует трём полным обходам схемы из четырёх запланированных.

Вывод. Отказная реакция по батарее — не «последний рубеж», а элемент плана занятия: объём задания рассчитывается так, чтобы срабатывание порога в штатном полёте не наступало. Если расчёт показывает обратное (как здесь — четвёртый обход под угрозой), задание сокращают до взлёта, а не по факту срабатывания.

Задача. Оценить ошибку удержания позиции в режиме PosHold при разном качестве спутниковой навигации и определить максимальный HDOP, при котором удержание укладывается в допуск 2 м. Ошибку измерения псевдодальности принять 1,5 м; оценку позиции считать по формуле \( \sigma_{поз} \approx HDOP \cdot \sigma_{изм} \); фактическое отклонение удержания принять равным утроённой ошибке позиции.

Заданные параметры:

Искомые параметры: ошибка позиции для каждого HDOP (м); ожидаемое отклонение удержания (м); максимальный HDOP для допуска 2 м.

Решение.

1. HDOP 0,9: \( \sigma_{поз} = 0{,}9 \cdot 1{,}5 = 1{,}35\ \text{м} \); отклонение удержания \( 3 \cdot 1{,}35 = 4{,}05\ \text{м} \).
2. HDOP 1,5: \( \sigma_{поз} = 2{,}25\ \text{м} \); отклонение \( 6{,}75\ \text{м} \).
3. HDOP 2,5: \( \sigma_{поз} = 3{,}75\ \text{м} \); отклонение \( 11{,}25\ \text{м} \).
4. HDOP 4,0: \( \sigma_{поз} = 6\ \text{м} \); отклонение \( 18\ \text{м} \).
5. Обратная оценка: для отклонения не более 2 м требуется \( \sigma_{поз} \le 2 / 3 = 0{,}67\ \text{м} \), откуда \( HDOP \le 0{,}67 / 1{,}5 = 0{,}44 \) — практически недостижимое значение.
6. Уточнение: допуск 2 м реалистичен при удержании по оптическому потоку вблизи земли или при HDOP около 0,7–0,9 и спокойной атмосфере; в учебных целях принимается критерий «HDOP не более 1,5 и отклонение удержания не более 4–5 м».

Ответ: ожидаемое отклонение удержания составляет 4 м при HDOP 0,9; 6,8 м при 1,5; 11,3 м при 2,5; 18 м при 4,0. Двухметровый допуск спутниковым удержанием не обеспечивается — он достижим только вблизи земли при работе по оптическому потоку.

Вывод. Автоматическое удержание позиции — это удержание «в пределах нескольких метров», а не сантиметров. Планируя полёт над препятствиями и людьми, запас по расстоянию закладывают исходя из худшего случая: тройная ошибка позиции при текущем HDOP. HDOP проверяется до взлёта и включается в предвзлётный чек-лист (статья 0.1); при HDOP более 2,0 режимы позиции не применяются.