От игрушки до инструмента: Мультикоптеры – серьезные решения для серьезных дел

В настоящее время мультикоптеры представляют собой самостоятельный быстроразвивающийся сегмент рынка. Массовое внедрение мультикоптеров в различные отрасли приводит к ужесточению предъявляемых к ним требований. В частности, профессиональные мультикоптеры должны обеспечивать высокую безопасность и надежное управление полетом. Компания Infineon предлагает решение для управления мультикоптером на основе собственной элементной базы.
3459
В избранное

Авиаконструкторы традиционных летательных аппаратов уделяют большое внимание аэродинамике и механике. Вместе с этим при создании мультикоптеров основные усилия сконцентрированы на разработке электронной части устройства, что вызвано быстрым прогрессом МЭМС-технологий. Электронное управление позволяет уменьшить аэродинамическую нестабильность, что приводит к повышению эффективности полета и маневренности.

Мультикоптеры расширили возможности беспилотных летательных аппаратов. В гражданском сегменте их чаще всего используют в качестве летающей платформы для камеры, с поддержкой функций слежения.

Вместе с совершенствованием данной технологии наблюдается и развитие соответствующего законодательства. Многие страны, включая США, Германию и Великобританию (и Россию), разрабатывают нормативные документы и руководства, описывающие, где и как могут быть задействованы мультикоптеры. В них также определены различные запреты и требования к лицензированию пилотов. Эти законы в первую очередь коснуться сферы доставки грузов.

Законодательство в значительной степени управляет развитием технологий. При этом оно в первую очередь влияет на развитие систем электропитания, управления двигателем и машинного зрения, так как именно эти блоки определяют безопасность, устойчивость и контролируемость полетов. Абсолютно недопустимо, чтобы мультикоптеры падали или сталкивались с другими объектами – зданиями, силовыми кабелями или, что хуже всего, с самолетами.

Быстрое создание готового решения

На рисунке 1 показана сложная структурная схема профессионального мультикоптера. Основное отличие профессионального мультикоптера от игрушечного дрона заключается именно в сложности системы управления. Для игрушечных моделей будет достаточно, чтобы дрон летал и развлекал пользователя. Профессиональный мультикоптер обязан не только обеспечивать устойчивый полет, но и выполнять множество дополнительных функций. Чаще всего он должен иметь систему машинного зрения, систему позиционирования камеры (gimbal control) и целый ряд других функций и возможностей.

Структурная схема профессионального мультикоптера

Рис. 1. Структурная схема профессионального мультикоптера

Самый простой, быстрый и надежный способ построения мультикоптера с векторным управлением двигателей (Field Oriented Control, FOC) - использовать готовые платформы. Одной из таких платформ является демонстрационная плата Larix производства компании Infineon (рисунок 2). На борту платы находится управляющий контроллер XMC4500 и контроллер двигателя iMOTION. Внешние контроллеры бесколлекторных двигателей подключаются к демонстрационной плате и могут быть легко заменены, что позволяет быстро сравнивать их возможности.

Оценочная плата Larix для мультикоптеров от Infineon

Рис. 2. Оценочная плата Larix для мультикоптеров от Infineon

В основе Larix лежит контролер управления полетом XMC4500 с 32-битным процессорным ядром Infineon ARM® Cortex™-M4. Все предлагающиеся демонстрационные проекты используют программную платформу Cleanflight, которая имеет открытый код и максимально упрощает процесс разработки ПО.

Платформа Larix позволяет контролировать 6 из 9 осей. Кроме того, пользователь может подключать привычные ему инерционные модули с помощью дополнительных разъемов. Благодаря использованию демонстрационной платы и бесплатной программной среды DAVE™ удается сократить время и стоимость разработки на 30%. Кроме того, надежность полета обеспечивает система аутентификации OPTIGA™ Trust B или OPTIGA™ Trust X с двунаправленной аутентификацией.

Контроль высоты обеспечивается датчиком давления DPS310. Радиолокационный датчик 24 ГГц позволяет обнаруживать препятствия, измерять расстояния до объектов и определять их скорость. Для выполнения полетов по сложному маршруту к системе может подключаться дополнительный модуль GPS-навигации.

Микроконтроллер XMC1400 является основой системы управления положением камеры. Он производит обсчет показаний угловых датчиков и управляет работой электроприводов, что позволяет легко разрабатывать системы видеонаблюдения профессионального уровня.

Управление двигателем и управление питанием

Управление двигателями и питанием – самые важные и самые сложные функции мультикоптера. Точное управление каждым винтом в мультикоптерах с четырьмя, шестью и большим числом двигателей абсолютно необходимо для задания крена, тангажа, рыскания и контроля с их помощью высоты, направления и скорости движения дрона. Это в первую очередь касается мультикоптеров с малым числом двигателей, для которых именно качество управления становится залогом устойчивого полета.

Для управления двигателями постоянного тока (DC-двигателями) могут использоваться различные методы коммутации - трапецеидальная, синусоидальная и векторное управление (FOC). FOC – метод математического векторного управления, применяемый для двигателей переменного тока и бесколлекторных двигателей постоянного тока. Переход крупных производителей к FOC-управлению можно считать важнейшей вехой в сегменте мультикоптеров. Конечно, реализация бездатчикового векторного управления оказывается чрезвычайно сложной, особенно для высокоскоростных двигателей. Тем не менее, FOC обеспечивает повышение эффективности и уменьшение уровня вибрации, что имеет решающее значение для выполнения фото- и видеосъемки. Компания Infineon предлагает три концепции реализации векторного управления FOC (рисунок 3).

 Обзор различных решений Infineon для управления электродвигателями

Рис. 3. Обзор различных решений Infineon для управления электродвигателями

Предлагаемые решения, отличающиеся гибкостью программирования:

  • решение общего назначения на базе микроконтроллера;
  • решение на базе ASIC с дискретными драйверами и транзисторными полумостами (или силовым модулем, интегрирующим силовые транзисторы и драйверы);
  • решение на базе микросхем семейства TLE987x со встроенными драйверами и тремя силовыми полумостами.

По сравнению с решением на базе XMC1302, решения на базе IRMCK и TLE имеют как программные, так и специализированные аппаратные блоки, позволяющие осуществлять высокоэффективное векторное управление. Рассмотренные демо-платы подходят для совместной работы с платой мультикоптера Larix производства Infineon.

На рисунке 4 показана блок-схема, реализующая высокоэффективное векторное FOC-управление на базе IRMCK099. Ее применяют ведущие производители мультикоптеров. ASIC IRMCK099 включает гибкий контроллер Miny Motion Control Engine (TinyMCE), который обеспечивает высокодинамичное и бессенсорное управление крутящим моментом двигателя во всем диапазоне скоростей за счет использования возможностей аппаратных блоков и программных решений от Infneon. Простой в использовании контроллер iMOTION™ позволяет начинающим разработчикам быстро освоиться с управлением двигателей.

Блок-схема, реализующая высокоэффективное векторное управление

Рис. 4. Блок-схема, реализующая высокоэффективное векторное управление

Большим преимуществом микросхем IRMCK099 и TLE987x является наличие встроенных драйверов силовых ключей.

Такие ключевые составляющие алгоритмов управления, как блок вычисления угла поворота, представлены в виде аппаратных модулей. Создание специализированной ASIC-микросхемы призвано минимизировать число внешних компонентов, упростить принципиальную схему, уменьшить массу и габариты конечного решения. В состав ASIC входят аналого-цифровой преобразователь, аналоговые усилители, компаратор для защиты от токовых перегрузок, сторожевой таймер и внутренний генератор. Скорость вращения двигателя может быть запрограммирована с помощью UART, частотного или ШИМ-входа.

Если требуется более высокая степень гибкости и интеграции, то следует рассмотреть возможность использования микросхем TLE987x (рисунок 5). Семейство TLE987x предлагает модели, отличающиеся размером Flash-памяти и тактовой частотой. Они поддерживают широкий спектр сенсорных и бессенсорных алгоритмов управления двигателями.

TLE987x объединяет LDO-стабилизатор, микроконтроллер и драйвер в автомобильном исполнении

Рис. 5. TLE987x объединяет LDO-стабилизатор, микроконтроллер и драйвер в автомобильном исполнении

Для создания устройств на базе новой микросхемы Embedded Power Infineon могут использоваться как инструменты разработки от сторонних компаний, так и фирменные инструменты от Infineon. Инструментарий Infineon включает в себя компилятор, отладчик, оценочную плату, драйвер низкого уровня LIN и инструмент настройки, а также пример программного кода для Motor Control. При совместном использовании новой ИС и модуля Halfbridge OptiMOS™, объединяющего два силовых транзистора в одном корпусе, например, BSC0925, можно без проблем реализовать высокоэффективное электронное управление скоростью (ESC). Интегрированные силовые модули, объединяющие в одном корпусе транзисторы и драйверы, позволяют получать компактные и эффективные решения с минимальным количеством внешних компонентов.

Микросхема Embedded Power System-on-Chip стала первой интегральной схемой для автомобильных приложений, выполненной по технологии 130-нм Smart Power. Она предлагает непревзойденный уровень интеграции и эффективности.

Чувствительность и зрение

По мере расширения коммерческих перспектив использования мультикоптеров их стоимость возрастает.

Современные профессиональные мультикоптеры должны иметь возможность измерения высоты и обнаружения объектов. Обнаружение объектов становится все более важной функцией в самых различных приложениях. Так, например, радиолокаторы достаточно давно применяются в автомобилях для измерения дистанции до впереди идущей машины. Теперь разработчики надеются применять эту проверенную и стабильно работающую технологию в профессиональных мультикоптерах.

Хотя радиолокационные системы с частотой 24 ГГц имеют ограниченное пространственное разрешение, их, тем не менее, используют для обнаружения препятствий и регулирования скорости посадки.

Для быстрого ознакомления с радиолокационными технологиями стоит воспользоваться существующими демонстрационными наборами. Например, самый компактный набор для разработки радара с диапазоном ISM 24 ГГц имеет размер, сравнимый с монетой в 2 (рисунок 6). Он состоит из:

  • BGT24MTR11 – высокочастотной микроволновой монолитной интегральной микросхемы радара (MMIC) с центральной частотой 24 ГГц;
  • XMC4200 ARM® Cortex®-M4 – 32-разрядного промышленного микроконтроллера;
  • отладочного разъема Debug over Cortex® с 10 выводами;
  • встроенной патч-антенны.

Демонстрационная плата для разработки радара с диапазоном ISM 24 ГГц имеет размер сравнимый с монетой в 2 Евро

Рис. 6. Демонстрационная плата для разработки радара с диапазоном ISM 24 ГГц имеет размер сравнимый с монетой в 2 Евро

Как и в обычных летательных аппаратах, в мультикоптерах для реализации надежного контроллера высоты требуется совместная работа множества датчиков и продуманные алгоритмы фильтрации. Контроллер должен обсчитывать данные, получаемые от инерционного модуля IMU, датчика давления DPS310, радара и прочего. Благодаря совместимости программной платформы CleanfLight и демонстрационной платформы Larix Drone у разработчиков появляется инструмент для быстрого ознакомления с самыми современными технологиями.

Вопросы безопасности

Энергетическая безопасность – это относительно новая концепция. Не сертифицированные и/или «подсевшие» аккумуляторы могут поставить под угрозу как сам мультикоптер, так и оператора и других людей, а также объекты инфраструктуры. Профессиональные мультикоптеры требуют интеллектуальных систем управления питанием, которые позволят дрону подниматься в воздух только в том случае, если с аккумуляторами все в порядке. Широко применяемым решением для проверки подлинности батареи является семейство продуктов ORIGA производства Infineon.

Заключение

Мультикоптеры – это захватывающая новая технология со многими приложениями от FPV-гонок радиоуправляемых моделей до удаленной инспекции различных труднодоступных инженерных сооружений (мостов, опор линий электропередач и других). Компания Infineon поставляет более 50 компонентов, которые могут использоваться в составе мультикоптеров. Эти компоненты, поддерживаемые соответствующими отладочными наборами и программными инструментами, позволяют разработчикам быстро создавать, отлаживать и выпускать на рынок системы, которые отвечают всем современным требованиям.

Журнал: https://www.infineon.com
Производитель: Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
IRMCK099M
IRMCK099M
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 1494382 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 1386 шт. от 1 шт. от 234,44
Выбрать
условия
поставки
MOTOR CONTROLLER, 3PH AC, QFN-32
IRMCK099M от 1 шт. от 234,44
1386 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
IRMCK099MTR
IRMCK099MTR
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 1494383 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 1565 шт. от 1 шт. от 207,52
Выбрать
условия
поставки
Digital Motor Controller (iMOTIONв„ў), Ready-to-use Motor Control IC for variable speed drives based on sensor less field oriented control (FOC) of permanent m…
IRMCK099MTR от 1 шт. от 207,52
1565 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
XMC4500F144K1024ACXQMA1
XMC4500F144K1024ACXQMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 1940869 ИНФО PDF AN RD RND DT
Доступно: 368 шт. 646,00
32-Bit XMC4000 Industrial Microcontroller ARMВ® CortexВ®-M4, XMC4500 combines Infineon's leading-edge peripheral set with an industry-standard ARM® Cortex®-M4 core resulting in a po…
XMC4500F144K1024ACXQMA1 646,00 от 4 шт. 646,00 от 8 шт. 646,00 от 17 шт. 646,00 от 43 шт. 646,00
33 шт.
(на складе)
335 шт.
(под заказ)
TLE9871QXA20XUMA1
TLE9871QXA20XUMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2117789 ИНФО PDF AN RD RND
Доступно: 1580 шт. от 2500 шт. от 205,64
Выбрать
условия
поставки
IC MOTOR DRIVER 48VQFN
TLE9871QXA20XUMA1 от 2500 шт. от 205,64
1580 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TLE9877QXA20XUMA1
TLE9877QXA20XUMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2117790 ИНФО PDF AN RD RND
Доступно: 529 шт. от 1 шт. от 613,64
Выбрать
условия
поставки
IC MOTOR DRIVER 48VQFN
TLE9877QXA20XUMA1 от 1 шт. от 613,64
529 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TLE9879QXA20XUMA1
TLE9879QXA20XUMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2117792 ИНФО PDF AN RD RND
Доступно: 1399 шт. от 2500 шт. от 232,14
Выбрать
условия
поставки
IC MOTOR DRIVER 48VQFN
TLE9879QXA20XUMA1 от 2500 шт. от 232,14
1399 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
XMC4200F64K256ABXQSA1
XMC4200F64K256ABXQSA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2118510 ИНФО PDF AN RD RND DT
Доступно: 353 шт. от 2 шт. от 919,08
Выбрать
условия
поставки
MCU, ARM CORTEX-M4, 80MHZ, LQFP-64
XMC4200F64K256ABXQSA1 от 2 шт. от 919,08
353 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
XMC4200Q48F256BAXUMA1
XMC4200Q48F256BAXUMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2118513 ИНФО PDF AN RD RND DT
Доступно: 1391 шт. от 44 шт. от 233,55
Выбрать
условия
поставки
ARM Microcontrollers - MCU XMC4000
XMC4200Q48F256BAXUMA1 от 44 шт. от 233,55
1391 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
XMC4200Q48K256BAXUMA1
XMC4200Q48K256BAXUMA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2118515 ИНФО PDF AN RD RND DT
Доступно: 555 шт. от 1 шт. от 585,01
Выбрать
условия
поставки
ARM Microcontrollers - MCU XMC4000
XMC4200Q48K256BAXUMA1 от 1 шт. от 585,01
555 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
XMC4500E144F1024ACXQSA1
XMC4500E144F1024ACXQSA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2118536 ИНФО PDF AN RD RND DT
Доступно: 219 шт. от 1 шт. от 1480,93
Выбрать
условия
поставки
32-Bit XMC4000 Industrial Microcontroller ARMВ® CortexВ®-M4, XMC4500 combines Infineon's leading-edge peripheral set with an industry-standard ARM® Cortex®-M4 core resulting in a po…
XMC4500E144F1024ACXQSA1 от 1 шт. от 1480,93
219 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
XMC4500E144X1024ACXQSA1
XMC4500E144X1024ACXQSA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2118537 ИНФО PDF AN RD RND DT
Доступно: 215 шт. от 1 шт. от 1505,21
Выбрать
условия
поставки
32-Bit XMC4000 Industrial Microcontroller ARMВ® CortexВ®-M4, XMC4500 combines Infineon's leading-edge peripheral set with an industry-standard ARM® Cortex®-M4 core resulting in a po…
XMC4500E144X1024ACXQSA1 от 1 шт. от 1505,21
215 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
XMC4500F100K1024ACXQSA1
XMC4500F100K1024ACXQSA1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2118540 ИНФО PDF AN RD RND DT
Доступно: 300 шт. 813,00
MCU, ARM CORTEX-M4, 120MHZ, LQFP-100
XMC4500F100K1024ACXQSA1 813,00 от 5 шт. 697,00 от 11 шт. 627,00 от 23 шт. 581,00 от 59 шт. 552,00
2 шт.
(на складе)
298 шт.
(под заказ)
DEMODISTANCE2GOTOBO1
DEMODISTANCE2GOTOBO1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2635492 ИНФО PDF RD
Доступно: 12 шт. от 1 шт. от 26776,40
Выбрать
условия
поставки
Infineon radar demo board based on the BGT24MTR11– FMCW & Doppler (distance, speed, and direction of movement detection)
DEMODISTANCE2GOTOBO1 от 1 шт. от 26776,40
12 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()