Czym jest Pixhawk i jakie ma możliwości?

25 lutego 2021 Wyłącz przez Dawid

Bez wątpienia można powiedzieć, że Pixhawk jest wybitnym kontrolerem lotu który nie ma konkurencji w swojej klasie. Można powiedzieć, że jest to swojego rodzaju „kombajn” który może zostać użyty w wielu zastosowaniach, w wielu konfiguracjach gdzie typowe dla tak popularnych obecnie dronów FPV kontrolery lotu nie zdołają sobie poradzić.

Pixhawk

Pixhawk jest projektem opensource czyli takim, który daje możliwość użytkownikowi na dokonywanie dowolnych zmian w oprogramowaniu. Takie podejście do zastosowanego oprogramowania tak naprawdę daje użytkownikowi nieskończone możliwości, ograniczone jedynie mocą obliczeniową zastosowanego procesora oraz dostępną pamięcią.
Po otrzymaniu naszej płytki możemy korzystać z oprogramowania proponowanego (domyślnie zainstalowanego), jakim jest PX4 lub zainstalować popularne oprogramowanie, jakim jest Ardupilot które również jest w pełni otwartym oprogramowaniem.

Konstrukcja

Sama płytka w odróżnieniu od typowych kontrolerów lotu jest zamknięta w estetycznej obudowie wykonanej z plastiku lub z aluminium jak jest to w przypadku pixhawka 4 Mini. Aluminiowa obudowa pełni zarówno funkcję ochroną dla elektroniki jak i jej chłodzenia. 
W Pixhawku nie znajdziemy pól lutowniczych jak to jest w innych kontrolerach lotu, tu tak naprawdę wszystko opiera się na wtyczkach, co może być zarówno wadą jak i zaletą. Wtyczki oferują prostotę i wygodę jednak utrudniają podłączenie akcesoriów, które nie są konkretnie dedykowane do pixhawaka. Akcesoria takie jak ESC czy serwa są podpinane za pomocą standardowych wtyczek.

Pixhawk 4 mini w metalowej złącza
Pixhawk 4 mini w metalowej złącza

Zastosowania

Zastosowania dla pixhawka tak naprawdę jest nieograniczone. Prawie każdy pojazd mobilny może zostać w niego wyposażony przy nie tak dużym nakładzie finansowym. Możliwość planowania tzw. misji sprawia, że nasz pojazd może autonomicznie poruszać się po danej przestrzeni bez naszej kontroli również na dalekie dystanse. Dostępne czujniki sprawiają, że nie typowe zastosowania są bardziej osiągalne dla użytkowników. Pixhawka wykorzystuje się w takich konstrukcjach jak drony, samoloty, łodzie, łodzie podwodne a nawet kosiarki czy też ciągniki rolnicze! 
Takie konstrukcje dronów nie ograniczają się tylko do podstawowych zastosowań takich jak fotografia, pixhawk po wyposażeniu go w odpowiednie oprzyrządowanie może służyć do tworzenia map 3D które mają szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach lub nawet może pełnić funkcję opryskiwacza. 

W jaki sposób możemy kontrolować maszynę?

Kontrola może odbywać się na kilka różnych sposób, nie jesteśmy ograniczeni jedynie do sterowania przy pomocy aparatury, jak jest to w wypadku zwyczajnych dronów oczywiście należy zastosować aparaturę, ponieważ jest to jedyny sposób, w jaki możemy kontrolować maszynę w nagłych wypadkach kiedy jest potrzebna szybka reakcja np. kiedy podczas planowania misji nie przewidzimy odpowiedniego dystansu nad drzewem oczywiście możemy zastosować czujniki w które w razie takiego incydentu wprowadzą odpowiednią korektę, ale w niektórych konstrukcjach nie znajdziemy miejsca na zamontowanie takiego czujnika. 
Jednym ze sposobów na kontrolę drona jest użycie telemetrii, która pozwala tak naprawdę na zmianę ustawień na takim samym poziomie, gdybyśmy podłączyli nasz kontroler bezpośrednio za pomocą komputera oraz kabla usb. Do kontroli za pomocą telemetrii potrzebny jest laptop lub smartphone oraz zestaw składający się z odbiornika oraz nadajnika telemetrii. Takie zestawy kilka mocy, im większa moc, tym większy zasięg oraz lepsza penetracja przeszkód. 

Przykładowy zestaw telemetrii Holybro o mocy 100mW pracujący na częstotliwości 433MHz

Przykładowy zestaw telemetrii Holybro o mocy 100mW pracujący na częstotliwości 433MHz

Innym ze sposobów jest ustawienie trasy dla naszego modelu jest, odbywa się to za pomocą oprogramowania. Aby wyznaczyć trasę należy wybrać punkt startu, punkty po których ma się poruszać nasz dron, następnie punkt lądowania lub zakończenia misji w przypadku modeli poruszających się po lądzie lub wodzie, otrzymujemy możliwość ustawienia prędkości, z jaką może się poruszać model a w wypadku modeli latających wysokość na jakiej się ma poruszać model. Trasy są wgrywane na kartę pamięci do pixhawka, aby uniknąć sytuacji kiedy telemetria oraz zasięg aparatury zanikają a maszyna nie wie co ma zrobić. Bardzo ważnym aspektem podczas wyznaczania trasy jest wiedza, na ile akumulator wystarcza naszemu modelowi. 

Przykładowa trasa wyznaczona dla modelu latającego opartego na Pixhawk

Narzędzie do wyznaczania trasy posiada kilka dodatkowych opcji, które mogą być przydatne dla osób które planują np. Tworzenie map danych obszarów lub używać drona w zastosowaniach gdzie jest potrzeba, aby dron przeleciał dokładnie nad danym obszarem w danych odstępach np. podczas wcześniej przytoczonego przykładu podczas oprysków. Oczywiście taka trasa może być dowolnie modyfikowana pod nasze potrzeby. 

Automatyczne generowanie trasy na podstawie zaznaczonego obszaru
Zaawansowana trasa

Teoretycznie tylko za pomocą oprogramowana i telemetrii możemy wykonać w pełni funkcjonalny lot wraz z lądowaniem oraz startem za pomocą niej, jednak zawsze dla bezpieczeństwa lepiej mieć pod ręką aparaturę, która umożliwia nam przejęcie kontroli nad maszyną 😉
W oprogramowaniu znajdziemy również opcje pozwalające wywołać inne funkcje podczas lotu np. krążenie nad celem, śledzenie obiektu. Są to dość zaawansowane opcje, ponieważ np. takie krążenie nad celem nie jest chaotyczne, tylko przód modelu zawsze jest skierowany do środka co pozwala na uzyskanie np. ciekawych ujęć z użyciem kamery. 

Jakich akcesoriów mogę użyć z pixhawkiem?

GPS

Pixhawk bez systemu GPS bardzo traci na swoich możliwościach, bez GPSu nie mamy między innymi możliwości tworzenia swoich własnych misji oraz korzystania z funkcji powrotu drona do miejsca startu, również kiedy nastąpi lądowanie awaryjne lub kolizja z jakimś obiektem nie będziemy znali lokalizacji naszego drona, jeśli posiadamy telemetrię. Podłączenie dedykowanego modułu GPS jest bajecznie proste dzięki użyciu przez producenta wtyczki. Jednak jeśli chcemy możemy podłączyć inny moduł np. BN-880 jednak będzie to wymagało więcej wysiłku, ale istnieje taka możliwość.

Dedykowany moduł GPS do Pixhawk 4 mini

Dedykowany moduł GPS do Pixhawk 4 mini

Telemetria

Dzięki zamontowaniu modułu telemetrii otrzymamy możliwość bezprzewodowego łączenia się z modelem oraz zmiany jego ustawień. Dodatkowo będziemy mogli śledzić postęp zaplanowanego przez nas zadania oraz parametry takie jak napięcie baterii, jeśli wcześniej je skonfigurujemy i korzystamy z płytki dystrybucyjnej która oferuje takie dane. Podłączenie zostało uproszczone tak naprawdę maksymalnie, w zestawie otrzymujemy 2 moduły jeden z nich podłączamy dołączonym do zestawu przewodem do pixhawka, a drugi kablem micro-usb do komputera lub telefonu, nie jest nawet wymagana konfiguracja! Warto nadmienić, że moduły możemy zamieniać z sobą miejscami lub kilka mieć w modelach a tylko jeden jako odbiornik.

Moduły telemetrii do pixhawk

Cyfrowy czujnik prędkości

Pozwala na dokładny pomiar prędkości, doskonale sprawdzi się w konstrukcjach typu samolot czy też latające skrzydło. Wyróżnia go możliwość zastosowania długich przewodów, ponieważ na dokładność pomiarów nie wpływają zakłócenia, jego dodatkową zaletą jest możliwość użycia przy komponentach, które wytwarzają ciepło ponieważ nie wpływa to na dokładność pomiarów jak było to w analogowych czujnikach. Czujnik pozwala na pomiar prędkości aż do 360km/h!

Cyfrowy czujnik prędkości do pixhawka

Moduł PX4FLOW

Jest to moduł, który posiada wiele zastosowań, najbardziej popularnym jest wykrywanie odległości, od podłoża w dronach. Taka funkcjonalność umożliwia korekcję wysokości podczas wykonywania misji gdy np. wykonujemy lot na wcześniej zadanej wysokości w terenie gdzie występują wzniesienia i doliny. Również może być wykorzystywany do zaprogramowania w pełni autonomicznego lądowania, w miejscach gdzie występują jakieś przeszkody np. gdy dron będzie pochodził do lądowania w wyznaczonym miejscu będzie dokonywał małego „skanu” otoczenia, jeśli wykryje nagły wzrost wysokości wynikający np. wystającego konara drzewa miejsce lądowania zostanie skorygowane aby uniknąć przeszkody i wybrać optymalne miejsce lądowania. Moduł posiada dodatkowo zintegrowany sonar, co po odpowiednim zaprogramowaniu może być wykorzystane do badania zmian wysokości terenu na danym obszarze.

Moduł PX4FLOW do pojazdu zbudowanego w oparciu o kontroler lotu pixhawk

Moduł PX4FLOW​

Moduł Lidar

Jest to moduł pełniący podobną funkcję jak poprzedni moduł, jednak posiada on mniejszy rozmiar oraz zakres działania na poziomie od 5cm do nawet 40m. Takie moduły mogą zostać zamontowane np. z przodu drona, aby uniemożliwić kolizję z obiektem przed maszyną.

Lidar do drona z pixhawkiem

Moduł LIDAR-Lite v3

Składane podwozie do lądowania

Naszego drona lub inny pojazd latający, który planujemy zbudować w oparciu o pixhawka. Jest to szczególnie przydatna opcja, jeśli  planujemy nagrywać dronem i nie chcemy, aby nasze podwozie było widoczne na nagraniach czy ograniczały zakres ruchu jaki może wykonać gimbal. Składane podwozie możemy przypisać do dowolnego przełącznika na aparaturze lub sterować nim z poziomu programu. Istnieje również możliwość przypisania wysokości, na której podwozie ma się automatycznie składać/rozkładać.

Składane podwozie do lądowania do użycia w dronie z pixhawkiem

Składane podwozie Tarot

Gimbal

Gimbale są popularną opcją umożliwiającą stabilizację obrazu podczas nagrywania. Pixhawk oferuje możliwość podłączenia gimbala do samego kontrolera lotu i sterownie nim z poziomu aparatury. Jeśli nasz sprzęt wspiera odpowiednią konfigurację, możemy korzystać z opcji często kojarzonych z dronów dostępnych w sklepach. Pixhawk ma ogromne możliwości, możemy polecić dronowi, aby wykonywał orbitowanie wokół zadanego punktu, a nawet korzystał z trybu „Follow-me” gdzie to dron podąża za nami.

Gimbal do drona z kamerą

Storm32 gimbal

Spadochron

Dla wielu osób może my to zaskoczeniem aby montować do swoich maszyn spadochron, ponieważ nie jest to zbyt popularna opcja wykorzystywana raczej w dronach niż w innych pojazdach ponieważ są one mniej podatne na utratę sterowania gdy nastąpi jakaś usterka np. jednego z silników tylko w przypadku drona typu hexacopter oraz octacopter nie wiąże się to z utratą możliwości lotu i małą katastrofą lotniczą. Konstrukcja oraz zasada działania takich systemów jest relatywnie prosta zazwyczaj opiera się na zastosowaniu jednego serwomechanizmu a procedura otwarcia spadochronu jest inicjowana podczas wcześniej ustalonych w oprogramowaniu parametrów np. jeżeli uzbrojony model powyżej zadanej wysokości przechyli się o maksymalny ustawiony kąt to nastąpi procedura otwierania spadochronu a silniki się zatrzymają.  

Spadochron do wykorzystania w dronie opartym na pixhawku

System ADS-B

Jest to system, który udostępnia pozycję naszego pojazdu latającego innym użytkownikom przestrzeni powietrznej oraz umożliwia nam zobaczenie ich lokalizacji na mapie w czasie nie wiele odbiegającego od rzeczywistego. Takie systemy są montowane w samolotach oraz helikopterach, aby osoba koordynująca trasę takiego lotu mogła zareagować na możliwe niebezpieczeństwo i np. zmienić wysokość lotu, aby jeden statek powietrzny przeleciał nad drugim lub obok w bezpiecznej odległości. W takie systemy zdecydowanie powinny się wyposażyć osoby, które zamierzą latać na duże wysokości aby nie doprowadzić do katastrofy lotniczej. Pixhawk z takim systemem może zostać skonfigurowany na kilka sposobów, że jeżeli nastąpi możliwość kolizji, nasz pixhawk zareaguje w ustawiony wcześniej sposób. Może nas ostrzec, przystąpić do procedury lądowania najszybciej jak to tylko możliwe lub powrócić do miejsca startu. 

System ads-b do pojazdów latających opartych na pixhawk

Odbiornik ADS-B PingRX 

Rotoye Batmon

Jest to system pozwalający na konwersję naszego typowego pakietu lipo czy też lion, które są najpopularniejszymi opcjami zasilania stosowanymi takich modelach na tak zwaną baterię „smart”. Dla osób które nie chcą same dokonywać konwersji istnieje również możliwość zakupu już gotowych baterii z modułem „smart”. Bateria taka jest wyposażona w dodatkową płytkę, która pozwala na dokładne monitorowanie parametrów baterii takich jak: stan naładowania baterii, szacowany czas lotu jaki nam pozostał, informacja na temat napięcia na danej celi (maksymalne oraz minimalne napięcie, obecne napięcie itd.), temperatura, pobierany prąd, informacje na temat możliwych uszkodzeń ogniw itp. Takie informacje pozwalają na lepsze rozplanowanie lotu oraz zmniejszają szansę na wstąpienie sytuacji, kiedy zabraknie mam napięcia na powrót do miejsca startu. W takich akumulatorach stosuje się specjalne złącze XT-90 z dwoma dodatkowymi pinami, które są odpowiedzialne za przesyłanie informacji do kontrolera lotu. 

Specjalne złącze xt90i do smart baterii

Złącze XT90I stosowane w smart bateriach

Bateria z kontrolerem podającym dane na temat jej parametrów

Pakiet lipo z dodatkowym modułem
Rotoye Batmon

FPV

Do drona opartego na pixhawku możemy podłączyć system FPV, niestety domyślnie nie jest wspierane OSD, które jest bardzo przydatne, jeśli latamy w goglach FPV lub na monitorze bez spoglądania na dane z telemetrii. Na OSD możemy wyświetlić między innymi takie informacje jak napięcie baterii. Aby uzyskać OSD musimy skorzystać z zewnętrznego modułu.  

OSD do drona FPV opartego na pixhawk

Moduł MinimOSD dzięki któremu możemy uzyskać OSD

Przedstawione powyżej opcje nie są wszystkimi możliwościami, o które możemy rozszerzać możliwości pixhawka, możliwości jest tak naprawdę niezliczona ilość. Dodatkowo, jeśli chcemy użyć specyficznych sensorów możemy użyć zewnętrznego mikrokontrolera np. arduino które nijako będzie „tłumaczyć” dane a następnie je przesyłać dalej do pixhawka. Również wiele osób decyduje się na bardziej zaawansowane operacje typu przetwarzanie obrazu lub korzystanie z AI posiłkując się zewnętrznym wspieraniem Pixhawka poprzez raspberry pi lub innych małych lekkich komputerów. 

Programy umożliwiające konfigurację oraz użytkowanie pixhawka

QGroundControl

Jest to program dedykowany oraz polecany przez twórców do kontrolowania oraz konfigurowania. Posiada on miły dla oka interfejs graficzny, a ustawienia są podzielone nad kategorie dzięki którym odnalezienie szukanej przez nas opcji jest znacząco ułatwione. Jednocześnie parę opcji jest trudnych do odnalezienia przez podział na te kategorie ponieważ pomimo tego, że są ze sobą powiązane zostały rozbite. Jednak w wielu przypadkach to właśnie ten program sprawdzi się najlepiej. 

Wygląd programu Qgroundcontrol do sterowania pixhawkiem

Mission Planner

Jeśli zdecydujemy się na wgranie oprogramowania ardupilot do naszego kontrolera lotu to oprogramowanie będzie dla nas przydatne. Dla wielu osób może wydawać się bardzo chaotyczne, ale jeśli zaczniemy z niego korzystać okazuje się, że jest poukładane. Komunikaty jak i dane są wyświetlane w nieco inny sposób niż jest to w przypadku wcześniejszego oprogramowania. Dotarcie do niektórych opcji jest w tym programie łatwiejsze, ponieważ są one inaczej rozłożone w interfejsie. Program może kojarzyć się z programem z odległej epoki jednak takie są tylko pozory, ponieważ w oprogramowaniu są wprowadzane poprawki w nowych wersjach. 

Wygląd programu Mission Planner

APM Planner 2

Jest to program bardzo podobny pod względem wyglądu do Mission Plannera. Można powiedzieć, że jest to doskonałe rozwiązanie dla osób, które się wahają pomiędzy wyborem Mission Plannera a  QGroundControl, ponieważ łączy prosty interfejs koajrzony z Mission Plannera  z wieloplatformowością oferowaną przez oprogramowanie QGroundControl. Jednak warto pamiętać, że Mission Planner jest bardziej zaawansowanym programem oferującym więcej opcji. 

Oprogramowanie APM Planner 2 do kontrolowania Pixhawk

Pierwszy kontakt z pixhawkiem może być dla wielu dość zniechęcający, konfiguracja wielu rzeczy przebiega całkowicie inaczej niż jest to znane z popularnego oprogramowania betaflight. Jednak jak wiadomo mają one dość skrajnie różne przeznaczenie. Sam kontroler lotu jest bardzo przyjazny dla użytkownika i posiada wiele reguł które muszą być spełnione przed uzbrojeniem co czyni go również bardzo bezpiecznym. Opcje takie jak powrót do domu, oraz automatyczne lądowanie które zaskakuje swoją precyzją będą wielkim zaskoczeniem dla wielu osób które próbowały wcześniej tej funkcji w np. betaflight. Sam fakt możliwości oferowanych przez ten kontroler lotu zachęca do rozpoczęcia przygody z nim i spróbowania co potrafi. Rozmiar wersji mini pozwala na zamontowanie jej nawet w dronie 5″.

Comments

comments