Урок 16 из 18 · Модуль 5. Беспроводные каналы: управление, телеметрия, видео

1. Цели урока

После изучения этого урока вы сможете:

• уверенно различать три радиоканала беспилотника — канал управления, канал телеметрии и канал передачи видео — по их рабочим частотам, по используемым протоколам и по направлению передачи данных;
• подробно объяснять логическую связку, по которой данные попадают от полётного контроллера к наземной станции: от полётного контроллера по шине UART к радиомодему с прошивкой SiK, а затем по радиоканалу к программе на земле (GCS);
• самостоятельно подключать и настраивать пару радиомодемов телеметрии для обеспечения устойчивой связи с автопилотом;
• понимать роль и устройство протокола MAVLink второй версии, а также существующие варианты получения телеметрии непосредственно на пульт управления;
• на практике различать внешне похожие разъёмы антенн SMA, RP-SMA и миниатюрные разъёмы u.FL, а также понимать последствия их неправильного соединения.

2. Три радиоканала дрона

У любого беспилотного летательного аппарата, от маленького гоночного квадрокоптера весом 250 грамм до большого промышленного гексакоптера с полезной нагрузкой в несколько килограмм, в идеале существует три независимых радиоканала. Каждый из этих каналов выполняет свою собственную задачу, настраивается в своём собственном программном обеспечении и, что особенно важно для техника, чаще отказывает по совершенно независящим друг от друга причинам.

Три радиоканала современного дрона на одной схеме: канал управления передаёт команды от пульта к борту, канал телеметрии обеспечивает двусторонний обмен между бортом и наземной станцией, а видеоканал передаёт изображение только в одну сторону — от борта к очкам или монитору оператора.
Внутри корпуса аппарата всё это по-прежнему остаётся привычными проводными протоколами: UART, SBUS или CRSF для управления, SmartAudio для видеопередатчика.

Ключевая мысль, которую необходимо запомнить технику для успешной диагностики, заключается в том, что сами по себе радиоканалы не создают новых протоколов, а лишь переносят по воздуху уже знакомые проводные данные. Для полётного контроллера телеметрия, которая уходит на наземную станцию, — это обычный последовательный порт UART с протоколом MAVLink внутри. А приёмник управления на борту просто принимает радиопакеты из эфира и раскладывает их обратно в уже изученные нами проводные протоколы SBUS или CRSF, которые затем по проводу уходят в полётный контроллер.

3. Телеметрия на наземную станцию: пара SiK

Беспроводное подключение телеметрии с помощью пары радиомодемов 915 МГц с открытой прошивкой SiK. Бортовой модем подключается четырьмя проводами к последовательному порту TELEM1 или TELEM2 на полётном контроллере, а наземный модем вставляется в USB-разъём ноутбука. С точки зрения полётного контроллера всё это выглядит как обычный проводной порт UART, по которому идёт протокол MAVLink.

Порядок подключения и настройки пары радиомодемов телеметрии выглядит следующим образом:

1. Подключение бортового модема. Бортовой радиомодем подключается к полётному контроллеру четырьмя проводами: линия TX модема к линии RX контроллера, линия RX модема к линии TX контроллера, питание 5 Вольт и общий провод GND. Для этого на полётных контроллерах семейства Pixhawk предусмотрены специальные порты TELEM1 и TELEM2 — 6-контактный разъём с линиями VCC, TX, RX, CTS, RTS и GND (на Pixhawk 4 это JST-GH, на более старых платах встречается DF13 — сверяйтесь с документацией платы).
2. Настройка порта в ArduPilot. В параметрах автопилота ArduPilot для выбранного последовательного порта необходимо установить протокол SERIALn_PROTOCOL = 2, что соответствует протоколу MAVLink второй версии, и скорость передачи данных SERIALn_BAUD = 57, то есть 57600 бод — типовое значение для радиомодемов SiK. Скорость самой радиолинии (Air Speed) и скорость UART-порта настраиваются отдельно и должны совпадать у бортового и наземного модемов.
3. Подключение наземного модема. Наземный радиомодем подключается к компьютеру наземной станции через USB-кабель. Операционная система определяет его как обычный COM-порт, а программа Mission Planner автоматически находит его и устанавливает соединение.
4. Настройка параметров радиолинии. Дополнительные параметры пары радиомодемов, такие как мощность передатчика, номер частотного канала и скорость передачи данных по эфиру (параметр Air Speed), настраиваются в программе Mission Planner в разделе Optional Hardware, во вкладке SiK Radio.

Рабочие частоты радиомодемов зависят от законодательства конкретного региона, в котором выполняется полёт. В разных странах разрешены разные диапазоны: 433 МГц, 868 МГц для Европы или 915 МГц для Соединённых Штатов Америки и ряда других регионов. Поэтому всегда необходимо использовать тот частотный диапазон, который разрешён в вашем регионе, чтобы не нарушать законодательство и не создавать помех другим службам. Дальность действия пары радиомодемов может составлять от нескольких сотен метров в городе до десятков километров на открытой местности, в зависимости от установленной мощности, типа используемых антенн и рельефа местности.

4. MAVLink: язык наземной станции

Поверх радиоканала, который создают два модема SiK, всегда идёт протокол более высокого уровня, который называется MAVLink — это основной протокол обмена данными между автопилотом на борту и программой наземной станции на земле. Технику, который обслуживает аппарат, полезно знать о протоколе MAVLink несколько практических вещей:

• MAVLink второй версии является текущей актуальной версией протокола. По сравнению с первой версией, во второй версии появились цифровые подписи пакетов, которые защищают канал от подмены данных злоумышленником, а также были расширены типы сообщений, что позволило передавать больше информации.
• Потоки сообщений настраиваются отдельными параметрами. В автопилоте ArduPilot параметры с названиями SR1_*…SR4_* задают, с какой частотой на каждый из последовательных портов будут отправляться разные группы сообщений: телеметрия с датчиков, информация о местоположении аппарата, список параметров. Если телеметрия на наземной станции отображается рвано, с задержками, то часто это лечится простым увеличением значений этих параметров SRx.
• Окно MAVLink Inspector в программе Mission Planner является главным инструментом диагностики. В этом окне отображается каждый принятый пакет MAVLink в реальном времени. С его помощью удобно проверять, какие именно сообщения приходят с борта и с какой частотой они обновляются.

Структура кадра протокола MAVLink второй версии с подписями на русском языке. Именно такие пакеты с маркером начала STX 0xFD показывает окно MAVLink Inspector в программе Mission Planner при анализе телеметрии.

5. Видеоканал

Видеоканал — это третий независимый радиоканал беспилотника, который предназначен исключительно для передачи изображения с бортовой камеры на землю, к оператору. В отличие от канала управления и канала телеметрии, видеоканал всегда работает только в одну сторону, от дрона к земле, в режиме симплекса.

Сравнение четырёх основных систем передачи видео, которые используются на современных беспилотниках: аналоговое видео на частоте 5,8 ГГц и три цифровые системы — DJI, HDZero и Walksnail. Таблица показывает задержку и ключевые особенности каждой системы.

С точки зрения проводных протоколов, которые мы изучали в предыдущих модулях, управление аналоговым видеопередатчиком по таким параметрам, как номер канала и мощность излучения, осуществляется по обычному последовательному порту UART с использованием протоколов SmartAudio или Tramp. Эти протоколы мы уже подробно разбирали в разделе, посвящённом протоколу UART. Цифровые системы передачи видео также общаются с полётным контроллером через последовательный порт UART, но используют для этого протокол MSP или DisplayPort, который необходим для отображения OSD-меню поверх видеоизображения.

6. Антенны и разъёмы

Антенны и высокочастотные разъёмы — это та часть радиосистемы, которая чаще всего становится причиной потери связи в полёте, поэтому технику необходимо уверенно различать основные типы разъёмов и понимать правила размещения антенн на борту.

Подробно

7. Для программиста

from pymavlink import mavutil
# Создаём подключение, которое слушает UDP-порт 14550 на локальном компьютере
m = mavutil.mavlink_connection('udpin:127.0.0.1:14550')
# Ждём первого heartbeat-пакета от автопилота, чтобы убедиться, что связь установлена
m.wait_heartbeat()
# Получаем сообщение с глобальными координатами и выводим его на экран
print(m.recv_match(type='GLOBAL_POSITION_INT', blocking=True))

8. Чек-лист самопроверки

Урок считается полностью освоенным, если каждый пункт из списка ниже выполнен на практике своими руками, а не только прочитан в тексте:

• Самостоятельно подключил комплект телеметрии SiK к порту TELEM на полётном контроллере и увидел поток данных в программе Mission Planner на ноутбуке;
• Правильно настроил параметры последовательного порта SERIALn_PROTOCOL = 2 для протокола MAVLink второй версии и настроил частоту отправки потоков сообщений с помощью параметров SRx;
• На практике научился различать внешне похожие разъёмы SMA и RP-SMA по расположению центрального штыря внутри разъёма;
• Понимаю, почему поляризация антенны на передатчике и поляризация антенны на приёмнике должны обязательно совпадать, и могу объяснить, какая потеря сигнала происходит при несовпадении;
• Могу по памяти назвать, в каких частотных диапазонах работают канал управления, канал телеметрии и канал передачи видео на современном беспилотнике.

9. Что дальше

• Предыдущий урок: Урок 15. CRSF и ExpressLRS: современный стек управления
• Следующий урок: Урок 17. Практикум: инструменты, монтаж и таблица неисправностей
• Полный перечень тем — в статье «Содержание курса».