Современные датчики положения и ускорений представляют собой интегральные микросхемы размерами в несколько миллиметров. Внутри у них находится сложная электромеханическая структура из упругих подвесов, грузиков, пружин, конденсаторов и электронной части для усиления и обработки сигналов. Такие устройства принято обозначать аббревиатурой МЭМС (MEMS — MicroElectroMechanical System).
Принцип работы интегрального гироскопа
Чувствительным элементом интегрального гироскопа обычно являются два миниатюрных грузика, колеблющихся на упругом подвесе в противоположных направлениях (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Устройство интегрального гироскопа
Источником колебаний грузиков являются гребенчатые электростатические двигатели. Грузики, вместе с электродами, расположенными на подложке, образуют конденсаторы, входящие в состав дифференциальной схемы, вырабатывающей сигнал, пропорциональный разности емкостей конденсаторов. Линейное ускорение одинаково воздействует на оба грузика и подложку, поэтому сигнал на выходе дифференциальной схемы не появляется. Когда возникает вращательное ускорение по оси со, то на грузики начинает действовать сила Кориолиса FC, отклоняя грузики в противоположных направлениях. Соответственно, емкость одного конденсатора увеличивается, а другого уменьшается, что порождает разностный сигнал, пропорциональный величине углового ускорения. Изначально, при включении, разностный сигнал на выходе гироскопа не нулевой, поэтому требуется процедура стартовой калибровки, когда микроконтроллер опрашивает показания гироскопов в состоянии покоя и принимает их за нулевые. Во время прохождения калибровки нельзя двигать коптер.
Но почему в конструкции квадрокоптера нельзя обойтись простейшей системой стабилизации на основе гироскопов, по одному на каждую ось вращения? Зачем нужны другие датчики и микроконтроллер со сложной программой? В реальных условиях квадрокоптер не отклоняется идеально лишь по одной оси. В общем случае отклонение комбинированное, с неким соотношением между осями. По этой причине необходимо устройство, которое будет обрабатывать сигналы от всех гироскопов и формировать управляющие сигналы для регуляторов оборотов моторов.
Например, под влиянием случайного порыва ветра квадрокоптер отклонился по диагонали назад вправо. Значит, управляющая система должна увеличить обороты правого заднего мотора и уменьшить левого переднего, отклоняя раму вперед влево. Но моторы, регуляторы и пропеллеры не идеально одинаковые, и команду они отработают по-разному. Возникнет некомпенсированный реактивный крутящий момент. Следовательно, одновременно с выравниванием квадрокоптера в горизонт полетный контроллер должен оперативно внести коррективы в обороты другой пары моторов, чтобы скомпенсировать вращение по курсу. И это самый простой пример, в котором мы не учитываем, что в то же самое время с пульта могут поступать сигналы управления. Впрочем, с вычислительной задачей для системы с тремя гироскопами способен справиться недорогой микроконтроллер начального уровня. Сейчас по такому принципу устроены простые игрушечные квадрокоптеры-"НЛО". Такие игрушки неплохо летают в помещении, но для управления ими необходимо постоянно визуально контролировать, в каком положении находится квадрокоптер.
Напомним, что интегральный гироскоп — это всего лишь датчик углового ускорения. Для него нет понятия "верх" или "низ", и ему безразлично, в каком статическом положении относительно горизонта он находится. Он лишь показывает мгновенное угловое ускорение относительно начального положения. Как только внешнее воздействие начнет поворачивать раму квадрокоптера вокруг одной из осей, то от соответствующего гироскопа немедленно поступит сигнал на процессор полетного контроллера. В ответ контроллер скорректирует обороты моторов так, чтобы скомпенсировать ускорение. Но как только внешнее воздействие прекратится, угловое ускорение станет равным нулю, и на основании сигналов одних лишь гироскопов контроллер не узнает, вернулся ли квадрокоптер в исходное положение. Это задача оператора, которую он может решать только при визуальном контроле.
А теперь представьте, что вы командой с пульта отклонили квадрокоптер на пять градусов вправо, а затем вернули рукоятку пульта в нейтральное положение. В соответствии с сигналом пульта контроллер сделает обороты всех моторов одинаковыми, но это вовсе не означает, что квадрокоптер вернется в горизонтальное положение. Гироскопам имеющийся статический наклон будет безразличен. Нет углового ускорения — на выходе гироскопа нулевое значение. Кроме того, гироскоп имеет ограниченную чувствительность: медленное вращение он просто не заметит.