Drons, kas nekustīgi karājas virs lauka, no malas izskatās pēc mierīgākā priekšmeta debesīs. Iekšā nekas nav mierīgs. Neliels procesors simtiem reižu sekundē nolasa sensoru rādījumus, salīdzina tos ar pilota doto komandu un mikroskopiski koriģē katra motora apgriezienus. Izņem šo procesoru no ķēdes, un aparāts nesāks lēni planēt lejup — tas apgāzīsies vienas vai divu sekunžu laikā. Tieši šeit slēpjas patiesā revolūcija dronu vēsturē: tā notika nevis rāmī vai propelleru skaitā, bet elektronikā. Un tas izskaidro, kāpēc kvadrokopters, lai cik vienkārša izskatītos tā mehānika, par masveida ierīci kļuva desmitiem gadu vēlāk, nekā varētu domāt.
Kāpēc multirotors pēc būtības negrib noturēties gaisā
Lidmašīnai vai helikopteram aerodinamiskā stabilitāte ir iebūvēta pašā konstrukcijā — kila spura, stabilizators, autorotācija —, kaut kas rāmī pašā, kas aparātu velk atpakaļ uz līdzsvara stāvokli. Multirotoram tā nav nekā. Četri, seši vai astoņi propelleri, kas griežas ar nedaudz atšķirīgu ātrumu, veido sistēmu, kas pēc definīcijas ir nestabila. Pietiek vienam motoram sākt griezties par pāris procentiem ātrāk nekā pārējiem, un aparāts sāk noliekties. Bez korekcijas noliece pati sevi baro — jo lielāks slīpums, jo asimetriskāks vilces sadalījums, un pēc vienas vai divām sekundēm drons vai nu apgāžas, vai krīt.
Tas, ko mēs saucam par "drons karājas vietā", nav rāmja īpašība. Tas ir lidojuma kontroliera darba rezultāts. Desmitiem vai simtiem reižu sekundē tas no jauna aprēķina katra motora ātrumu tā, lai jebkuru novirzi kompensētu, pirms tā paspēj pārtapt kritienā. Planieris ir tikai platforma propelleriem. Stabilitāte pilnībā dzīvo elektronikā.
Inženierziņā tas nav trūkums, bet apzināta izvēle. Tieši nestabilitāte dod multirotoram to asumu un manevrētspēju, kādas nav lidmašīnai ar tās iebūvēto stabilitāti — aparāts var acumirklī noliekties jebkurā virzienā un tur paātrināties, jo konstrukcijā nav nekā, kas noliecei pretotos. Cena par to ir nepārtraukti aprēķini. Bez pietiekami ātra un uzticama kontroliera šī shēma vienkārši nestrādā — modelis lidotu sekundes, nevis minūtes. Pirms parādījās lēti un ātri mikrokontrolieri, multirotors kā masveida produkts nemaz nebija iespējams.
Kas patiesībā atrodas lidojuma kontrolierī
Lidojuma kontrolieris ir neliela plate ar procesoru un sensoru komplektu, parasti apvienotu vienā korpusā, ne lielākā par sērkociņu kastīti:
- žiroskops — mēra leņķisko ātrumu, tas ir, cik ātri aparāts griežas ap katru asi;
- akselerometrs — mēra paātrinājumu un palīdz novērtēt nolieci;
- magnetometrs — elektroniskais kompass, kas rāda kursu attiecībā pret Zemes magnētisko lauku;
- barometrs — novērtē augstumu pēc atmosfēras spiediena;
- GNSS uztvērējs — GPS, Galileo un citas satelītu sistēmas, kas dod pozīciju telpā un ir nepieciešamas automātiskajiem režīmiem un atgriešanās funkcijai.
Sarežģītākiem modeļiem klāt nāk kameras, lidāri vai attāluma sensori šķēršļu apbraukšanai. Atvērtā koda autopilota platforma PX4, uz kuras balstīta liela daļa nozares, precīzi formulē minimumu: pamata stabilizācijai vajadzīgs vismaz žiroskops, akselerometrs, magnetometrs un barometrs, bet automātiskajiem režīmiem un lidojumam pēc globālajām koordinātām papildus vajadzīgs pozīcijas avots — parasti GNSS. Tas nav opciju saraksts reklāmas bukletam, bet inženierijas minimums, bez kura aparāts fiziski nespēj noturēt sevi gaisā.
Neviens sensors viens pats nesaka patiesību
Lūk, kas reti tiek izskaidrots reklāmas materiālos: katrs no šiem sensoriem atsevišķi kļūdās. Žiroskops laika gaitā dreifē — uzkrātā integrēšanas kļūda pakāpeniski attālina leņķa novērtējumu no realitātes. Magnetometru maldina armatūra betonā, metāla jumts vai vads zem strāvas. Barometrs reaģē ne tikai uz augstumu, bet arī uz atmosfēras spiediena svārstībām un vēja brāzmām pie drona korpusa. GNSS uztvērēja precizitāte svārstās no centimetriem līdz vairākiem desmitiem metru atkarībā no tā, cik satelītu redzami un no kā signāls atstarojas.
Tāpēc neviens no šiem sensoriem netiek izmantots atsevišķi. Lidojuma kontrolieris pastāvīgi salīdzina to rādījumus savā starpā (to sauc par sensoru apvienošanu, angliski sensor fusion) un aprēķina novērtējumu, kuram uzticas vairāk nekā jebkuram atsevišķam sensoram. PX4 un līdzīgās platformās šo lomu pilda novērtēšanas filtri, piemēram, paplašinātais Kalmana filtrs. Tas paņem trokšņainus, daļēji pretrunīgus datus no žiroskopa, akselerometra, magnetometra, barometra un GNSS un izdod vienotu, pēc iespējas stabilāku drona novietojuma un orientācijas novērtējumu.
Tieši šeit sākas reālās problēmas, ar kurām sastopas piloti. Kad magnetometrs uztver traucējumus no pacelšanās vietas, nevis no paša drona, kontrolieris saņem nepareizu kursu — kā tas izpaužas praksē, sīkāk aprakstīts rakstā par kompasa un IMU kļūdām. Kad GNSS zaudē fiksāciju zem koku vainagiem vai starp augstām ēkām, sensoru apvienošanai pazūd viens no galvenajiem pozīcijas avotiem, un aparāts pāriet mazāk stabilā režīmā. Tam veltīts atsevišķs skaidrojums par vāju GPS signālu. Abos gadījumos runa nav par bojātu sensoru. Tā ir normāla sistēmas reakcija, kas godīgi paziņo: datu nepietiek, lai pozīcijai uzticētos pilnībā.
Pilots dod nodomu, lido dators
Kad tu virzi kloķi uz priekšu, tu nepavēli "motoram numur divi — palielini apgriezienus". Tu saki sistēmai cilvēka līmenī: "lido uz priekšu". Tālāk lēmums paliek lidojuma kontroliera ziņā. Tas nosaka, kurus motorus paātrināt, kurus palēnināt, par cik grādiem noliekt aparātu, lai sasniegtu vajadzīgo horizontālo ātrumu, vienlaikus noturot augstumu un neļaujot aparātam gāzties uz sāniem. Tas pats attiecas uz pagriezienu, kāpšanu un bremzēšanu. Pilots formulē mērķi, kontrolieris to pārvērš konkrētos četru, sešu vai astoņu motoru apgriezienos desmitiem reižu sekundē.
Pat nekustīgi karājoties, drons nav dīkstāvē. Tā iekšienē nepārtraukti griežas cikls: nolasīt sensorus → novērtēt pašreizējo novietojumu, izmantojot sensoru apvienošanu → salīdzināt ar mērķa stāvokli → aprēķināt korekciju → nosūtīt jaunas apgriezienu vērtības motoriem → atkārtot. No malas tas izskatās pēc pilnīga klusuma un nekustīguma. Iekšā tas ir augstfrekvences ciparu vadības kontūrs, kas nekad neapstājas, kamēr drons ir gaisā.
Apollo navigācijas dators pret plaukstas lieluma plati
Šīs elektronikas mērogu ir vērts redzēt skaitļos, jo intuīcija šeit parasti maldina abos virzienos. Apollo Guidance Computer bija bortdators, kas 1969. gadā vadīja komandmoduļa un mēness moduļa navigāciju un orientāciju. Tas darbojās ar 2,048 MHz frekvenci un tam bija 2048 vārdi operatīvās atmiņas uz magnētiskajiem serdeņiem, plus 36 864 vārdi pastāvīgās atmiņas, kas bija fiziski ieausta — stieple caur serdeņiem vai gar tiem. Katrs vārds bija 15 biti plus viens paritātes bits. Savam laikam tā bija viena no uzticamākajām jebkad būvētajām skaitļošanas sistēmām — tai bija jāstrādā bez neviena atteikuma vietā, kur datoru burtiski nebija kam pārstartēt.
Mūsdienu lidojuma kontrolieris, ne lielāks par plaukstu, var balstīties uz STM32H7 saimes mikrokontrolieri. Piemērs — Cube Orange+, viens no populārākajiem kontrolieriem atvērtajās platformās, piemēram, PX4 un ArduPilot. Tas būvēts uz STM32H757 mikroshēmas (divkodolu ARM Cortex-M7 plus Cortex-M4), darbojas ar 400 MHz frekvenci un nes 1 MB operatīvās atmiņas un 2 MB zibatmiņas. Tas viss — vienā korpusā pastmarkas lielumā.
Salīdzināt abus tikai pēc megahercu skaita nebūtu godīgi: AGC un STM32H757 ir atšķirīga arhitektūra, atšķirīgi komandu kopumi, atšķirīgs atmiņas modelis. AGC turklāt bija projektēts ārkārtējai uzticamībai, nevis maksimālai veiktspējai. Bet vispārējais secinājums no tā nemainās: neliela plate, kas mūsdienās stāv hobija veikala dronā, pēc skaitļošanas resursiem tālu pārspēj datoru, kas palīdzēja nosēdināt cilvēkus uz Mēness. Un tā ietilpst jakas kabatā.
Kāpēc masveida drons parādījās tikai tagad
Mūsdienu drons nav viens izgudrojums, bet punkts, kurā sakrita piecas tehnoloģiju upes, un neviena no tām nevarēja nobriest agrāk par pārējām:
- Kompaktie mikrokontrolieri, kas spēj reāllaikā aprēķināt stabilizāciju desmitiem reižu sekundē, neatpaliekot no lidojuma fizikas.
- MEMS sensori — miniatūri mikroelektromehāniskie žiroskopi un akselerometri. Vēl 1990. gados šādas ierīces bija apjomīgas un dārgas; šodien tās ietilpst silīcija kristālā, kas maksā dažus dolārus.
- Vieglas LiPo baterijas, kas spēj dot pietiekami augstu strāvu, lai vienlaikus barotu vairākus jaudīgus motorus uz kompakta rāmja.
- Kompaktie bezsuku motori un ESC (elektroniskie ātruma regulatori), kas spēj mainīt apgriezienus acumirklī pēc kontroliera komandas.
- GNSS, ciparu radiosakari, miniatūras kameras un attēlu apstrādes algoritmi, kas dronam deva ne tikai stabilitāti, bet arī redzi un sakarus ar pilotu attālumā.
Neviena no šīm tehnoloģijām nebija izdomāta speciāli dronu vajadzībām. Mikrokontrolieri izauga no rūpnieciskās automatizācijas, MEMS sensori — no autorūpniecības un viedtālruņiem, LiPo baterijas — no pārnēsājamās elektronikas, GNSS — no satelītnavigācijas aviācijai un flotei. Drons ir punkts, kurā mikroelektronika, robotika, aviācija, sakari, navigācija un programmatūra beidzot satikās vienā kompaktā un pietiekami lētā ierīcē.
Kamēr kaut viena no šīm piecām upēm palika dārga, apjomīga vai neuzticama, masveida multirotors nevarēja rasties. Ne tāpēc, ka ideju nesaprata, bet tāpēc, ka ķēde ir tik stipra, cik stiprs tās vājākais posms. Tiklīdz visas piecas tehnoloģijas vienlaikus kļuva lētākas un mazākas — tas notika aptuveni uz 2000. un 2010. gadu robežas —, drons pārstāja būt laboratorijas demonstrācija un kļuva par ikdienas ierīci.
Kamera dronam dod redzi, motori — pacēlumu, bet lidot to liek tieši dators: bez nepārtrauktas sensoru apvienošanas un ciparu vadības kontūra multirotors ir tikai kopa nestabilu propelleru. Par to pašu, bet no otras puses — par to, kā bezpilota aviācija vispār nonāca pie sava pašreizējā stāvokļa —, stāsta dronu vēsture no gaisa baloniem līdz ES noteikumiem. Taču šai mašīnai, lai cik jaudīga tā skaitļošanas ziņā būtu, ir stingra robeža. Tā lido tikai ietvaros, kurus nosaka pilots, un atbildība par gaisa telpu, noteikumiem un veselo saprātu paliek cilvēka ziņā. Šos ietvarus iepazīt un tiesības lidot legāli iegūt var eksāmena sagatavošanas kursā.
