1.1.07. Упражнение 1.1ТП: переключение режимов в полёте — приоритет пилота #

• Запустить модель ArduCopter (порядок — статья 0.2 и курс «Mission Planner» на настоящем сайте). Подключить аппаратуру как joystick; проверить отклик каналов (вкладка CONFIG, раздел Radio).
• Назначить режимы на переключатели (вкладка CONFIG, раздел Flight Modes): первое положение переключателя A — Stabilize, среднее — AltHold, третье — Loiter; переключатель B: Stabilize, PosHold, RTL, Auto. Составить карту режимов и записать её в задание на тренировку.
• Проверить карту до взлёта: последовательно щёлкнуть каждое положение и сверить показанный наземной станцией режим с картой.
• Задать параметры переходных процессов и отказных реакций: PILOT_ACCEL_Z = 250 (см/с²), WPNAV_ACCEL = 250 (см/с²), RTL_ALT = 3000 (см, то есть 30 м), FS_THR_ENABLE = 1, FS_THR_VALUE = 975 (мкс).
• Для элемента 4 использовать параметр SIM_RC_FAIL: значение 1 — имитация потери сигнала управления, значение 0 — восстановление. Параметр изменяется на вкладке CONFIG, раздел Parameters, либо командой MAVProxy.
• Подготовить полётное задание из статьи 1.1.03; для задачи 2 — отметить на карте препятствие высотой 20 м на середине линии возврата (в упражнении — условное, по устному описанию).

• В Liftoff и Uncrashed переключение режимов ограничено настройками модели (стабилизация включена или выключена); полноценная карта режимов ArduPilot в них не воспроизводится, поэтому зачётные элементы выполняются в SITL.
• FPV-тренажёры применяются для поддержания моторики между циклами SITL и для отработки правила «переключение — только в спокойном состоянии аппарата»: пилот выполняет посадку и взлёт в стабилизации, затем без стабилизации, ощущая разницу объёма ручного управления.

• Выполнить взлёт в Stabilize на высоту 10 м и зависание.
• Выровнять вертикальную скорость до нуля, переключиться в AltHold; зафиксировать изменение высоты (допуск 0,5 м).
• В AltHold выполнить набор и снижение по 2 м, затем в середине снижения (вертикальная скорость 1–2 м/с) переключиться обратно в Stabilize и парировать снижение тягой.
• Отдельно отработать опасный случай: в Stabilize выполнить снижение 2 м/с и на высоте не менее 10 м включить AltHold — наблюдать просадку переходного процесса и записать её по журналу (сравнение с расчётом — задача 1).
• Повторить цикл переключений три раза подряд.

Критерий: переключение из спокойного состояния — изменение высоты не более 0,5 м; переключение в снижении выполняется осознанно, пилот заранее назвал ожидаемую просадку; высота выполнения не менее 10 м.

• В AltHold выполнить горизонтальное перемещение со скоростью около 5 м/с и на высоте 10 м переключиться в PosHold: зафиксировать путь гашения скорости по журналу.
• Повторить переключение, предварительно уменьшив скорость до 1–2 м/с: смещение за переходный процесс должно уложиться в 2 м.
• Переключения из PosHold в Loiter и обратно: убедиться, что аппарат не смещается при включении (органы в нейтрали) и что управление возвращается без рывка.
• В PosHold сместить аппарат на 10 м от точки зависания и включить Loiter: новая точка удержания принимается немедленно, возврат к прежней точке не выполняется.
• Сделать вывод: какое состояние аппарата обеспечивает переключение без заметного переходного процесса.

Критерий: смещение за переходный процесс не более 2 м при скорости до 2 м/с; пилот объясняет разницу пути гашения при 5 м/с и при 2 м/с; переключения выполнены без потери высоты более 1 м.

• Запустить полётное задание (Auto). На второй стороне маршрута выполнить паузу: переключить Loiter, дождаться остановки.
• Переключить AltHold и вручную отвести аппарат на 25–30 м от линии маршрута в сторону.
• Вернуть аппарат вручную к линии маршрута (не далее 10–15 м) и возобновить задание переключением Auto: зафиксировать по журналу время и путь захвата линии.
• Повторить возобновление задания издалека (с 30 м) и сравнить переходный процесс с расчётом задачи 3: скорость захвата, путь, время.
• Сделать вывод о правиле возобновления задания.

Критерий: пауза выполняется за 3 секунды; захват линии при возобновлении с 10–15 м — не более 5 секунд и без превышения скорости маршрута; пилот до переключения назвал ожидаемый переходный процесс и подтвердил его журналом.

• До взлёта назвать вслух: какое действие выполнит аппарат при потере управления (FS_THR_ENABLE = 1 — возврат), на какой высоте и по какой траектории.
• Выполнить взлёт и отлёт на 80–100 м в режиме PosHold на высоте 10 м.
• Инструктор (или пилот по команде) устанавливает SIM_RC_FAIL = 1: аппарат выполняет отказное переключение — набор высоты возврата и RTL. Пилот наблюдает и ведёт контроль вслух.
• Через 10–15 секунд восстановить связь (SIM_RC_FAIL = 0): аппарат продолжает RTL — приоритет пилота возвращается только явным переключением режима. Переключить Loiter, остановить аппарат, оценить положение.
• Завершить полёт вручную: посадка в точке взлёта или возобновление RTL по решению пилота; обосновать решение вслух.

Критерий: отказное переключение не стало для пилота неожиданностью: он назвал действие, высоту возврата и траекторию до имитации; после восстановления связи пилот осознанно выбрал режим и выполнил посадку в пределах допусков статьи 1.1.04.

Задача. Аппарат снижается в ручном режиме со скоростью 2 м/с; пилот включает AltHold. Режим захватывает текущую вертикальную скорость как целевую и гасит её с ускорением PILOT_ACCEL_Z = 2,5 м/с². Требуется определить время и величину просадки, а также минимальную высоту, на которой такое переключение безопасно при запасе 5 м до земли сверх просадки.

Заданные параметры:

Искомые параметры: время гашения t_пп (с); просадка Δh (м); минимальная безопасная высота переключения (м).

Решение.

1. Время гашения: \( t_{пп} = V_{нач} / a = 2 / 2{,}5 = 0{,}8\ \text{с} \).
2. Просадка: \( \Delta h = \dfrac{V_{нач}^{2}}{2a} = \dfrac{4}{5} = 0{,}8\ \text{м} \).
3. Минимальная высота: \( 0{,}8 + 5 = 5{,}8\ \text{м} \); с округлением до учебного ограничения — 10 м.
4. Сравнение: при снижении 4 м/с просадка \( 16 / 5 = 3{,}2\ \text{м} \) — вчетверо больше; отсюда требование выравнивать вертикальную скорость до переключения.

Ответ: просадка 0,8 м за 0,8 с; минимальная безопасная высота переключения — 5,8 м, учебное ограничение — 10 м.

Вывод. Просадка пропорциональна квадрату вертикальной скорости: переключение в быстром снижении опасно не «рывком», а расстоянием, которое аппарат проходит по инерции после включения автоматики. Правило: перед включением AltHold вертикальная скорость уменьшается до нуля или малых значений.

Задача. Аппарат находится на высоте 10 м на удалении 80 м от точки взлёта. На середине линии возврата (40 м от аппарата) расположено дерево высотой 20 м. Высота возврата RTL_ALT = 30 м, скорость набора 2,5 м/с, скорость перелёта 10 м/с, скорость снижения при посадке 0,5 м/с. Требуется проверить безопасность возврата и определить его полное время, а также оценить, что произошло бы при продолжении полёта по заданию на высоте 10 м.

Заданные параметры:

Искомые параметры: превышение над препятствием (м); время набора, перелёта, снижения (с); полное время возврата (с); вывод о безопасности альтернативы.

Решение.

1. Проверка превышения: \( 30 - 20 = 10\ \text{м} \) — соответствует требованию «не менее 10 м» (статья 1.1.04, раздел 4).
2. Время набора: \( (30 - 10) / 2{,}5 = 8\ \text{с} \); набор выполняется на месте, препятствие в это время не проходится.
3. Время перелёта: \( 80 / 10 = 8\ \text{с} \); дерево проходится на высоте 30 м с превышением 10 м.
4. Время снижения: \( 30 / 0{,}5 = 60\ \text{с} \).
5. Полное время возврата: \( 8 + 8 + 60 = 76\ \text{с} \).
6. Альтернатива: продолжение задания на высоте 10 м привело бы к столкновению с деревом высотой 20 м — высота маршрута ниже препятствия.

Ответ: возврат безопасен: превышение над деревом 10 м; полное время 76 с (набор 8 с, перелёт 8 с, снижение 60 с); полёт по заданию на высоте 10 м в данной точке небезопасен.

Вывод. Переходный процесс RTL — защита пилота, если высота возврата выбрана правильно: режим сначала набирает безопасную высоту и только затем летит к дому. Та же логика задаёт требование к высоте маршрута: она планируется не «по удобству съёмки», а с превышением над препятствиями всей линии полёта — иначе автоматический маршрут опаснее возврата.

Задача. Аппарат отведён вручную на 30 м от линии маршрута; пилот возобновляет задание переключением Auto. Скорость маршрута 10 м/с, ускорение WPNAV_ACCEL = 2,5 м/с². Требуется определить время и характер захвата линии из 30 м и из 15 м и сформулировать правило возобновления задания.

Заданные параметры:

Искомые параметры: путь и время разгона до скорости маршрута (м, с); время захвата для каждого удаления (с); максимальная скорость захвата из 15 м (м/с).

Решение.

1. Путь разгона до 10 м/с: \( \dfrac{V^{2}}{2a} = \dfrac{100}{5} = 20\ \text{м} \); время разгона: \( 10 / 2{,}5 = 4\ \text{с} \).
2. Захват из 30 м: 20 м разгона (4 с) и 10 м со скоростью 10 м/с (1 с); итог 5 с, пиковая скорость 10 м/с — аппарат летит к маршруту на полной скорости.
3. Захват из 15 м: разогнаться до 10 м/с не успевает; скорость в момент прихода \( V = \sqrt{2 \cdot 2{,}5 \cdot 15} = \sqrt{75} = 8{,}7\ \text{м/с} \); время \( 8{,}7 / 2{,}5 = 3{,}5\ \text{с} \).
4. Сравнение: оба захвата проходят на скоростях, близких к максимальной, по непредосмотренной прямой — линия захвата не проверяется на препятствия автоматикой.

Ответ: захват из 30 м занимает 5 с с выходом на 10 м/с; из 15 м — 3,5 с с выходом на 8,7 м/с; в обоих случаях аппарат выполняет быстрый перелёт к линии маршрута по кратчайшей прямой.

Вывод. Правило возобновления задания: сначала вручную подойти к линии маршрута на 10–15 м, убедиться, что линия захвата и сам маршрут свободны, затем включать Auto. Возобновление задания с большого удаления допустимо только в заведомо свободной обстановке — например, на большой высоте над открытым полем.