فلایت کنترل پهپاد که به سیستم کنترل پرواز پرنده‌های بدون سرنشین اطلاق می‌شود، یکی از مهمترین اجزای پهپاد FPV است. این زیرسیستم مسئول تثبیت هواپیما، اطمینان از مانورهای دقیق پرواز و ارائه اطلاعات به خلبان است. در این مقاله، به طور مفصل توضیح داده می‌شود که سیستم کنترل پرواز چیست، چگونه کار می‌کند و چرا بخش مهمی از هر پهپاد است.
فلایت کنترل پهپاد یا FC مانند مغز یک پهپاد عمل می‌کند. سیستم کنترل، یک برد مدار مجهز به حسگرهایی است که حرکات پهپاد و دستورات کاربر را تشخیص می‌دهد. FC سرعت موتورها را تنظیم می‌کند تا پهپاد در جهت دلخواه حرکت کند. همه کنترل‌کننده‌های پرواز دارای حسگرهای پایه مانند ژیروسکوپ و شتاب‌سنج هستند، در حالی که سایر کنترل‌کننده‌ها ممکن است شامل سنسورهای دیگری مانند سنسور فشار سنج و قطب‌نما باشند.
فلایت کنترل همچنین می تواند به عنوان یک هاب برای اتصال سایر تجهیزات جانبی پهپاد مانند ESC، GPS، LED، سرووها، دوربین، گیرنده و فرستنده رادیویی عمل کند. با پیشرفت فناوری، کنترل‌کننده‌های پرواز کوچک‌تر می‌شوند، ویژگی‌های بیشتری دارند و از پردازنده‌ها و سخت‌افزار بهتری استفاده می‌کنند.
سیستم عامل فلایت کنترل پهپاد
علاوه بر سخت‌افزار فلایت کنترل پهپاد در نرم‌افزار نیز با هم متفاوتند. هر یک از نرم‌افزارها و یا سیستم عامل‌ها، ویژگی‌ها مختلفی را برای برنامه‌های مختلف ارائه می‌دهند. به عنوان مثال، iNav با در نظر گرفتن استفاده از GPS طراحی شده است، در حالی که Betaflight بیشتر بر عملکرد پرواز متمرکز است. لیستی از گزینه‌های محبوب سیستم عامل کنترل پرواز برای پهپادها آمده است:
Betaflight: این سیستم عامل کد باز دارای بزرگترین پایگاه کاربر است و در صورت مواجه شدن با مشکل کمک‌گیری را آسان می‌کند. همچنین دارای گسترده‌ترین کنترل‌های پروازی موجود است. این سیستم عامل یکی از همه کاره ترین و محبوب ترین سیستم عامل‌هاست.
KISS: این یک سیستم عامل کد بسته است که سخت افزار و سیستم عامل آن توسط یک شرکت خصوصی کنترل می شود. این بدان معنی است که شما محدود به استفاده از کنترلرهای پرواز خود سیستم هستید.
iNav: اگر بیشتر به پرواز خودکار و ماموریت ایستگاه بین راه GPS نیازمند هستید، iNav بهترین گزینه است.
پیکربندی و تنظیم
سیستم عامل فلایت کنترل پهپاد را می‌توان با استفاده از رایانه، تلفن هوشمند یا کنترلر رادیویی پیکربندی کرد. هر سیستم عامل دارای رابط کاربری (UI) و پارامترهایی است که می‌توان آنها را تغییر داد. با این حال، حتی رابط‌های کاربری مشابه هم می‌توانند بسته به سیستم، ویژگی‌های پرواز متفاوتی را تولید کنند.
بنابراین یادگیری و تطبیق با یک پیکربندی جدید زمان می‌برد. “تیونینگ” اصطلاحی است که توصیف فرآیند تنظیمات PID، نرخ های RC و موارد دیگر برای دستیابی به ویژگی‌های پرواز مورد نظر استفاده می‌کنیم. این تنظیم، یک گام مهم در بهینه‌سازی عملکرد هواپیمای بدون سرنشین و استفاده حداکثری از کنترلر پرواز است.
پردازنده فلایت کنترل پهپاد
یک فلایت کنترل پهپاد از واحدهای میکروکنترلر (MCU) برای ذخیره کدهای سیستم عامل و انجام محاسبات پیچیده استفاده می‌کند. چند نوع میکروکنترلر برای FC ها استفاده می شود، از جمله F1، F3، F4، F7 و H7. تفاوت اصلی بین این پردازنده‌ها سرعت محاسبه و میزان حافظه است. F4، F7 و H7 همه پردازنده‌های عالی هستند، در حالی که F1 و F3 به دلیل فضای ذخیره‌سازی ناکافی برای سیستم عامل‌های در حال گسترش پشتیبانی نمی‌شوند.
UART در فلایت کنترل پهپاد
UART یا گیرنده/فرستنده ناهم‌زمان جهانی، یک رابط سخت‌افزاری است که به دستگاه‌های بیرونی اجازه اتصال به کنترلر پرواز را می‌دهد. به عنوان مثال می توان به گیرنده های رادیویی، تله‌متری، فرستنده‌های کنترلی و کنترل VTX اشاره کرد. هر UART دو پایه دارد، یکی برای ارسال داده (TX) و دیگری برای دریافت داده (RX). TX در دستگاه جانبی به RX در فلایت کنترل پهپاد متصل می‌شود و بالعکس.
درک ارتباطات UART و پین‌های آن در راه‌اندازی پهپاد برای کاربردهای مختلف بسیار مهم است. کنترل‌کننده‌های پرواز ممکن است تعداد UARTهای متفاوتی داشته باشند، فلذا قبل از استفاده باید مطمئن شد که به اندازه کافی برای ساخت مناسب هستند یا خیر.
نرم‌افزار Betaflight دارای ویژگی خاصی به نام SoftSerial است که امکان می‌دهد تا جفت پورت UART اضافی از طریق نرم‌افزار ایجاد شود. SoftSerial بار CPU را افزایش می‌دهد، در نتیجه برای پردازنده‌های کندتر مناسب نیست و ممکن است کاهش فرکانس حلقه PID را منجر شود. همچنین softserial نرخ به‌روزرسانی بسیار پایین‌تری دارد، به این معنی که برای برنامه‌های حساس زمانی مانند سیگنال گیرنده و GPS مناسب نیست.
سنسور IMU
وظیفه یک سنسور IMU اندازه گیری حرکت و جهت‌گیری پهپاد است. فلایت کنترل پهپاد از طیف وسیعی از حسگرها برای تشخیص حرکت و جهت گیری استفاده می‌کند. سنسور اصلی مورد استفاده واحد اندازه‌گیری اینرسی (IMU) نامیده می‌شود. یک سنسور IMU شامل یک شتاب سنج (ACC) و یک ژیروسکوپ است.
ژیروسکوپ برای اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای و شتاب سنج برای اندازه‌گیری شتاب خطی را استفاده می‌شود. محبوب‌ترین حالت پرواز در Betaflight، حالت Acro است که فقط از ژیروسکوپ استفاده می‌کند، در حالی که بسیاری از حالت‌های پرواز دیگر مانند حالت زاویه، حالت افق و حالت نجات، همگی برای کار کردن به ژیروسکوپ و شتاب سنج نیاز دارند.
اینجا لیستی از مدل‌های متداول ژیروسکوپ، همراه با پروتکل‌های ارتباطی که از آنها پشتیبانی می‌کنند و حداکثر فرکانس نمونه‌برداری مؤثر آنها آمده است:
انتخاب ژیروسکوپ به حداکثر سرعت نمونه‌برداری و حساسیت آن به نویز الکتریکی و مکانیکی بستگی دارد. قبل از سال 2022، پرکاربردترین ژیروسکوپ MPU6000 بود، زیرا در برابر نویز مقاوم بود. از زمان Betaflight 4.1 (اکتبر 2019)، نرخ نمونه‌برداری ژیروسکوپ 32 کیلوهرتز از Betaflight حذف شده است، بنابراین استفاده از ژیروسکوپ با نرخ نمونه‌برداری 32 کیلوهرتز هیچ مزیتی ندارد.
ژیروسکوپ BMI270
در سال 2022، تولیدکنندگان فلایت کنترل پهپاد به دلیل هزینه و در دسترس بودن، استفاده خود را از MPU6000 به BMI270 تغییر دادند. در حالی که حداکثر فرکانس نمونه‌برداری آن تنها 6.4 کیلوهرتز است، Betaflight آن را مجبور می‌کند تا به حالت OSR4 (با فرکانس قطع 300 هرتز) برود و در نتیجه نرخ نمونه‌برداری حتی کمتر از 3.2 کیلوهرتز ایجاد می‌کند. این ممکن است کمتر از حد مطلوب به نظر برسد، اما عملکرد واقعی BMI270 با MPU6000 قابل مقایسه است. نقطه ضعف اصلی احتمالا فیلتر اضافی است که گاهی اوقات نیاز می‌شود زیرا فرکانس قطع در فیلتر پایین گذر داخلی ژیروسکوپ BMI270 بیشتر است.
ژیروسکوپ ICM42688P
در سال 2023، به دلیل در دسترس بودن و هزینه کمتر، تولیدکنندگان بیشتری دوباره از BMI270 به ICM42688P تغییر می‌دهند. ICM-42688P به دلیل وجود نویز و مشکلات تنظیم موضوع مورد بحث قرار گرفته است. با این حال، بررسی‌ها نشان می دهد که خود ژیروسکوپ مشکلی ندارد بلکه مشکل از طراحی کنترلرهای پرواز است که در آن ادغام شده است. به طور خاص، ژیروسکوپ برای عملکرد بهینه به یک منبع تغذیه تمیز نیاز دارد، که توسط برخی از طراحی‌های اولیه فلایت کنترل پهپاد در سال 2022 و اوایل سال 2023 نادیده گرفته شد و منجر به عملکرد ضعیف شد.
Gyro BUS
دو نوع ارتباط بین ژیروسکوپ و پردازنده وجود دارد: SPI و I2C . SPI پروتکل ارتباطی ترجیحی بین IMU و پردازنده است زیرا امکان به‌روزرسانی نرخ ژیروسکوپ بسیار بالاتر از I2C (که دارای محدودیت 4 کیلوهرتز است) را می‌دهد. تقریباً تمام فلایت کنترل‌های مدرن امروزی پهپاد از اتصال SPI برای ژیروسکوپ استفاده می‌کنند.
چیدمان فلایت کنترل پهپاد
چیدمان فلایت کنترل به چیدمان پین‌ها و پدهای لحیم‌کاری بر روی برد کنترلر پرواز اشاره دارد که می تواند تا حد زیادی بر سهولت اتصال اجزای مختلف تأثیر بگذارد. علیرغم اهمیت آن، بسیاری تمایل دارند که صرفاً بر روی قابلیت های کنترلر پرواز تمرکز کنند، بدون توجه به چیدمان. به عنوان مثال، CLRacing F7 و Kakute F7 هر دو کنترل‌کننده‌های پرواز عالی هستند، اما CLRacing F7 دارای طرح‌بندی عالی با تمام پدها بر اساس عملکرد گروه‌بندی شده است.
سازگاری اسپیدکنترل
اسپیدکنترل‌ها امروزه اغلب همراه با فلایت کنترلرها به صورت یکجا فروخته و به صورت پلاگین و پخش طراحی شده‌اند. با این حال، برای ESC و FC از مارک‌های مختلف، اتصالات بین این بردها ممکن است ناسازگار باشند، فلذا مهم است که قبل از اتصال دوباره بررسی شوند. اسپیدکنترل‌ها در صورت استفاده از به صورت مجزا، روی بازوها نصب می‌شوند.
ویژگی‌های دیگر فلایت کنترل
جعبه سیاه
Blackbox برای تنظیم مجدد و عیب‌یابی مفید است. داده‌های پرواز به دو روش ضبط می‌شوند. روش اول با استفاده از حافظه فلش یکپارچه و روش دوم ذخیره آن در کارت SD. حافظه فلش ارزان‌تر است، اما ظرفیت ذخیره‌سازی محدودی دارد، معمولاً 5 تا 10 دقیقه اطلاعات پروازی. دانلود داده‌ها از آن نیز می تواند کند باشد.
با استفاده از کارت SD در کنترلر پرواز، می‌توان در تمام طول سال بدون خالی کردن فضای ذخیره سازی به ضبط ادامه داد و فوراً به گزارش ها دسترسی پیدا کرد. جعبه سیاه برای خلبانان با تجربه ضروری است چون این توانایی را می‌دهد که ذره‌ای عملکرد نامطلوب و مشکلات را با جزئیات تشخیص دهند.
نوع اتصال‌دهنده‌ها
سه نوع اصلی کانکتور در فلایت کنترل پهپاد عبارتند از کانکتورهای JST پلاستیکی، پد لحیم کاری، اتصالات سوراخ‌کاری شده. اتصالات پلاستیکی دوام کمتری دارند اما استفاده از آنها راحت است، در حالی که لحیم‌کاری قوی‌تر اما دشوارتر است. از طریق سوراخ‌کاری، امکان لحیم کاری مستقیم را می‌دهد.
BEC
BEC (مدار حذف کننده باتری) همان چیزی است که تنظیم‌کننده ولتاژ در فلایت کنترل پهپاد نامیده می‌شود. تقریباً همه کنترلرهای پرواز دارای یک BEC 5 ولتی برای تأمین انرژی گیرنده رادیویی، GPS و غیره هستند، در حالی که برخی از آنها 9 ولت یا 12 ولت را برای تأمین انرژی فرستنده ویدیو ارائه می‌دهند. اگرچه می‌توانید دنده‌های پهپاد را مستقیماً از باتری LiPo تغذیه کنید، اما تأمین انرژی آنها از یک منبع تغذیه تنظیم‌شده می‌تواند نتایج بهتری ایجاد کند.
مهم است که منبع ولتاژ مناسب بر اساس دستگاهی انرژی را استفاده می‌کند، انتخاب شود. برخی از دستگاه‌ها را می‌توان مستقیماً از باتری LiPo تغذیه کرد، به عنوان مثال. فرستنده ویدئو با این که از منبع تغذیه LiPo بهره می‌برد، در صورتی که فیلتر مناسب ولتاژ وجود نداشته باشد، افزایش ولتاژ حتی می‌تواند به دستگاه شما آسیب برساند. BEC به عنوان فیلتر عمل می‌کند و معمولا منبع تغذیه بهتریست، اما باید بررسی شود که آیا ولتاژ و جریان مورد نیاز دستگاه را برآورده می کند یا خیر.
فشارسنج
وجود فشارسنج تعبیه شده در کنترلر پرواز می تواند پرواز با کمک GPS را دقیقتر کند (مانند حالت نجات GPS)، اما اجباری نیست.
تراشه OSD
برای سیستم آنالوگ، باید کنترلر پرواز شما یک تراشه OSD در دسترس داشته باشد، در غیر این صورت کار نخواهد کرد. با این حال، برای سیستم‌های دیجیتال مانند DJI، HDZero و Avatar ضروری نیست، تنها چیزی که برای کارکرد OSD نیاز دارند، فقط یک UART یدکی است.
نصب نرم
نصب نرم فلایت کنترل پهپاد برای عملکرد بهینه بسیار مهم است، این کار باعث کاهش نویز/ارتعاش از فریم به ژیروسکوپ می‌شود. این روزها تقریباً تمام FC ها دارای سوراخ‌های M4 هستند که این امکان را می‌دهد گرومت های لاستیکی وارد شده و از سخت افزار M3 برای محکم کردن برد در یک قاب استفاده کنند.
