Беспилотная авиационная система и место полётного контроллера в ней … ↩

1. Цели урока

Продолжительность урока — два часа: один час теории и один час практики. После урока слушатель:

• называет составные части беспилотной авиационной системы и объясняет назначение каждой;
• описывает цикл управления полётного контроллера от чтения датчиков до выдачи команд двигателям;
• различает четыре открытые прошивки по назначению, языку программирования и операционной системе;
• создаёт собственный репозиторий BeeFC и получает первый успешный результат автоматической проверки.

2. Термины и сокращения

3. Состав беспилотной авиационной системы

Беспилотная авиационная система состоит из пяти частей. Беспилотное воздушное судно несёт на борту полётный контроллер, датчики, регуляторы частоты вращения и двигатели. Аппаратура управления передаёт команды внешнего пилота. Канал связи доставляет эти команды на борт и возвращает телеметрию. Наземная станция управления позволяет настраивать аппарат и контролировать полёт. Внешний пилот принимает решения и отвечает за безопасность.

Полётный контроллер среди бортового оборудования

Полётный контроллер — это плата с микроконтроллером, к которой подключено остальное бортовое оборудование. На учебной плате курса установлены микроконтроллер STM32F405, инерциальный измерительный блок на шине SPI, микросхема флеш-памяти для журнала полёта, стабилизатор питания и разъёмы для приёмника, регуляторов и периферии.

4. Цикл управления

Главная работа полётного контроллера повторяется по кругу с постоянной частотой. Один проход цикла управления состоит из пяти шагов.

1. Прочитать показания гироскопа и акселерометра.
2. Отфильтровать показания от шума и вибраций.
3. Сравнить фактическую угловую скорость с заданной и рассчитать управляющее воздействие регулятором.
4. Распределить управляющее воздействие по двигателям в микшере.
5. Передать команды регуляторам частоты вращения.

Чем выше частота цикла, тем быстрее аппарат реагирует на возмущения. Частота определяется прошивкой и аппаратной частью. В ArduCopter основной цикл по умолчанию выполняется с частотой 400 Гц и задаётся параметром SCHED_LOOP_RATE. В PX4 регулятор угловой скорости запускается по каждому новому отсчёту гироскопа, частота ограничена параметром IMU_GYRO_RATEMAX со значением по умолчанию 400 Гц. В Betaflight частота цикла регулятора составляет несколько килогерц и задаётся параметрами частоты опроса гироскопа и делителем pid_process_denom.

5. Четыре открытые прошивки

В курсе для сравнения используются четыре прошивки с открытым исходным кодом. Чтобы ссылки не устаревали, все они зафиксированы на конкретных версиях.

Betaflight, INAV и ArduPilot распространяются по лицензии GPL версии 3, PX4 — по лицензии BSD. Прошивка BeeFC по устройству ближе всего к Betaflight: в ней тоже нет операционной системы, а задачи выполняет собственный планировщик. Это сознательное решение: без операционной системы слушатель видит каждый шаг работы микроконтроллера.

6. Проект BeeFC

BeeFC — учебная прошивка, которую слушатель пишет сам. Код разделён на слои, и каждый слой отвечает за свой уровень абстракции.

Ядро и драйверы не обращаются к регистрам микроконтроллера напрямую. Поэтому почти весь код BeeFC проверяется модульными тестами на компьютере, без платы. Это свойство курса будет подробно разобрано в уроке S4.

7. Автоматическая проверка

Каждое задание курса проверяется автоматически. При отправке изменений на GitHub служба непрерывной интеграции выполняет три шага.

1. Сборка модульных тестов компилятором gcc для компьютера и их запуск командой make test.
2. Проверка правил архитектуры командой make arch-check: ядро не должно включать заголовочные файлы микроконтроллера.
3. Сборка прошивки для платы компилятором arm-none-eabi-gcc с флагом -Werror, при котором любое предупреждение считается ошибкой.

8. Практика

git clone https://github.com/ВАШ_ЛОГИН/beefc.git
cd beefc
make test          # модульные тесты на компьютере
make arch-check    # правила зависимостей между слоями
make target        # сборка прошивки для платы

9. Как это сделано в больших прошивках

• В Betaflight таблица задач находится в файле src/main/fc/tasks.c. Задачи GYRO, FILTER и PID имеют приоритет TASK_PRIORITY_REALTIME и вызывают функции taskGyroSample, taskFiltering и taskMainPidLoop из файла core.c.
• В INAV функция цикла называется так же — taskMainPidLoop в файле fc_core.c: INAV и Betaflight происходят от общего предка Cleanflight.
• В ArduCopter в начале таблицы scheduler_tasks[] файла Copter.cpp перечислены задачи с макросом FAST_TASK, которые выполняются на каждом проходе основного цикла, в том числе run_rate_controller_main и motors_output_main.
• В PX4 модуль mc_rate_control подписывается на сообщение vehicle_angular_velocity и выполняет метод Run() при каждом новом сообщении: цикл запускается данными, а не таймером.

10. Проверьте себя

1. Из каких пяти частей состоит беспилотная авиационная система?
2. Перечислите пять шагов цикла управления полётного контроллера.
3. Почему частота цикла в Betaflight выше, чем в ArduCopter?
4. Чем запускается регулятор угловой скорости в PX4?
5. Почему ядро BeeFC можно проверять тестами на компьютере?

11. Чек-лист самопроверки

• Создан собственный репозиторий из шаблона курса
• Команда make test выполняется без ошибок
• Автоматическая проверка на GitHub завершена успешно
• Найдены функции цикла управления во всех четырёх прошивках
• Записан отчёт docs/s1_report.md

12. Источники

1. Документация Betaflight.
2. Руководство разработчика ArduPilot.
3. Руководство пользователя и разработчика PX4.
4. Документация INAV.
5. Книга Pro Git на русском языке.
6. Документация GitHub Actions.

13. Что дальше

• Следующий урок: S2. Инструменты разработки и первая прошивка.
• Полный перечень уроков приведён в статье «Курс BeeFC: содержание уровня „Старт“».

Проверено: 13.10.2026