Как выбрать лучший полетный контроллер для FPV-дрона

Полетный контроллер (Flight controller/FC) – это один из самых важных компонентов FPV-дрона. Он отвечает за устойчивость летательного аппарата, обеспечивая точные маневры дрона и передавая данные пилоту. В этой статье мы в деталях объясним, что представляет собой полетный контроллер, как он работает и почему он имеет важное значение для любого дрона. Независимо от того, являетесь ли вы новичком или опытным пилотом, наличие базовых знаний о полетных контроллерах поможет вам извлечь максимальную пользу из вашего хобби.

Если вы только вступаете в мир FPV-дронов, ознакомьтесь с нашим пошаговым руководством для начинающих.

Лучшие полетные контроллеры FPV на рынке

Speedybee F405 V4

В настоящее время Speedybee F405 V4 является одним из лучших FC в своей ценовой категории, предлагая достойное качество и производительность. Плата включает в себя почти все современные функции, которые требуются полетному контроллеру. Модель поддерживает аналоговую FPV-систему со встроенным чипом экранного меню Betaflight и совместима с цифровыми FPV-системами по принципу Plug’n’Play («Включи и работай»).

Мы рекомендуем Speedybee F405 V4 для 5- и 7-дюймовых дронов, поскольку он доступен по цене и подходит для фристайла, гонок, полетов на большие расстояния и кинематографических съемок. Хотя на рынке существуют и другие бюджетные платы FC, они обычно используют процессор F722, который имеет лишь половину памяти чипа F405, установленного в Speedybee. Меньший объем памяти ограничивает количество функций, которые вы можете использовать в Betaflight, и делает систему менее перспективной.

Speedybee F405 Mini

Если вам нужна плата размером 20 х 20 мм, данная модель станет отличным выбором для сверхлегких дронов для дальних полетов (4-х и 5-дюймовых), 3-дюймовых дронов Cinewhoop и более компактных сборок. Номинальный ток 35 А достаточен даже для большинства 5-дюймовых моделей при условии, что вы не планируете использовать большие и мощные двигатели; в этом случае вам, вероятно, следует рассмотреть версию 30 х 30 мм.

При цене ниже 60 долларов этот продукт имеет отличные характеристики. Если вы хотите приобрести многофункциональный FC с регулятором скорости, но без ущерба для бюджета, плата SpeedyBee F4 Mini определенно заслуживает вашего внимания.

iFlight Beast F7 AIO 55A

Для компактных сборок с низким профилем, таких как сверхлегкие 5-, 4-х и 3,5-дюймовые дроны, надежным вариантом является iFlight Beast с креплением 25,5 х 25,5 мм. Этот полетный контроллер особенно подходит для гоночных моделей, поскольку он имеет легкий вес и компактную конструкцию.

Хотя номинальный ток 55 А для электронного регулятора скорости (ESC) говорит об отказоустойчивости, важно помнить, что это все-таки плата AIO, она не столь надежна, отдельный модуль ESC. Тем не менее, iFlight Beast F7 вполне подойдет для любого дрона, чей размер менее 5 дюймов. Эта модель предлагает все виды соединений и функции, которые могут понадобиться в полетном контроллере на базе Betaflight.

Flywoo GOKU GN745

Модель GOKU GN745 будет хорошей альтернативой плате iFlight Beast. Этот FC также имеет форм-фактор 25,5 х 25,5 мм, что делает его идеальным вариантом для легких 3-х, 4-х и 5-дюймовых сборок FPV-дронов. GOKU GN745 включает в себя процессор F7 и регулятор скорости BLHeli32. Модель поддерживает «из коробки» двунаправленную фильтрацию DSHOT и RPM, а также предлагает другие продвинутые функции BLHeli32.

Это, вероятно, один из самых многофункциональных полетных контроллеров для дронов типа Whoop и «зубочистка». По краям платы расположено множество пластин для пайки, но они довольно маленькие, поэтому при пайке могут возникнуть сложности. Однако плата предлагает 7 полноценных UART-портов, а набор функций не имеет себе равных. Он включает в себя барометр и регулятор напряжения на 5 В и 9 В. Кроме того, имеется «черный ящик» с 8 МБ встроенной памяти.

HappyModel X12 AIO

Для сверхлегких сборок, например 2-х и 3-дюймовых дронов типа «зубочистка» с батареей 1S/2S отличным выбором является HappyModel X12 AIO. Устройство предлагает встроенный приемник ExpressLRS и видеопередатчик мощностью 400 мВт.

Flywoo Goku GN 405S AIO

Для более мощных мини-дронов «зубочистка» подойдет модель Flywoo Goku GN405S, которая может питаться от батарей 2S-6S. Этот полетный контроллер поддерживает функцию «черный ящик», что упрощает настройку и устранение неполадок.

Что такое полетный контроллер и как он работает

Полетный контроллер (FC/flight controller) – это мозг FPV-дрона. Это печатная плата, оборудованная сенсорами, которые отслеживают движения дрона и команды пользователя. Используя информацию этих датчиков, полетный контроллер регулирует скорость моторов, чтобы дрон двигался в нужном направлении.

Все полетные контроллеры имеют в составе базовые сенсоры, такие как гироскоп и акселерометр, но некоторые модели также включают в себя дополнительные датчики, например, датчик атмосферного давления (барометр) или компас (магнитометр), которые помогают в автономном полете дрона (например, при использовании функции «возвращение домой»).

Полетный контроллер может также служить в качестве хаба (концентратора) для других периферийных устройств дрона (внешних компонентов), таких как регуляторы скорости (ESC), GPS-модули, светодиодные индикаторы, сервоприводы, радиоприемники, FPV-камеры и видеопередатчики (VTX).

Типы полетных контроллеров

Существует два основных типа FC. Первый ориентирован на дроны самолетного типа, второй – на мультикоптеры. Это не означает, что вы не можете использовать самолетный полетный контроллер на мультикоптере (или наоборот), но в этом случае управлять полетом будет сложнее. Поэтому лучше всего для более плавного полета лучше использовать правильный тип FC.

Полетные контроллерs для мультикоптеров делятся на два вида: обычные и AIO (All-in-One/«Все в одном»).

 

На плате AIO, кроме самого полетного контроллера, установлен также электронный регулятор скорости (ESC). В итоге вся система становится более компактной, но она не настолько надежна, как вариант с ESC и FC на отдельной плате. В сдвоенной плате используются полевые транзисторы меньшего размера, и хуже рассеивается тепло из-за ограниченного пространства.

Окончательный выбор зависит от ваших потребностей. Если у вас в приоритете снижение веса и габаритов, то, возможно, вы предпочтете использовать плату «Все в одном». С другой стороны, желательно использовать раздельные платы полетного контроллера и регулятора скорости, поскольку они более стабильны в работе.

Подключение полетного контроллера

Вот пример электрической схемы подключения компонентов FPV-дрона к полетному контроллеру. В разных моделях FC используется собственная схема подключения, поскольку пластины для пайки расположены по-разному. Но подход в целом общий: вы просто должны правильно определить соответствующие пластины на вашей плате.

Прошивка полетного контроллера

Когда речь идет о полетных контроллерах, вы можете выбирать не только аппаратное оборудование, но также программное обеспечение. Различные типы прошивок предлагают функции и специализированные профили для разных областей применения. К примеру, в прошивке iNav акцент сделан на использовании GPS и автономных функциях дрона, в то время как Betaflight больше фокусируется на летных характеристиках и производительности.

Прошивок существует множество, но для FPV-дрона выбор можно ограничить двумя:

• Betaflight. Эта прошивка с открытым кодом фокусируется на производительности и летных качествах. Она имеет самую крупную базу пользователей, что облегчает начало работы благодаря обилию обучающих материалов. Это также означает, что вы всегда можете получить поддержку, если у вас возникнут проблемы. Кроме того, Betaflight поддерживает самый широкий спектр. (Как настроить прошивку Betaflight, читайте в данном руководстве)
• iNav. Если вы больше интересуетесь полетами в режиме автопилота и миссиями на основе маршрутных точек GPS, прошивка iNav – это то, что вам нужно.

После того, как вы выбрали прошивку, вы можете найти совместимую модель полетного контроллера.

Конфигурация и настройка

Прошивку полетного контроллера можно настроить с помощью компьютера, смартфона или пульта радиоуправления. Каждая прошивка имеет собственный пользовательский интерфейс (UI) и параметры, которые можно изменить. Однако даже схожие пользовательские интерфейсы могут предложить различные летные характеристики в зависимости от прошивки. Поэтому требуется время, чтобы изучить новую версию и настроить ее под себя.

Для достижения оптимальных летных характеристик, улучшения производительности вашего FPV-дрона требуется выполнить настройку полетного контроллера. На нашем сайте вы найдете руководство по начальной настройке вашего FPV-дрона.

Процессор

Для хранения кодов прошивки и выполнения сложных вычислений полетный контроллер использует микроконтроллеры (MCU), или микросхемы/чипы.

В настоящее время Betaflight поддерживает микросхемы STM32, такие как F4, F7 и H7. Однако микроконтроллеры F1 и F3 больше не поддерживаются, поскольку им не хватает памяти для актуальной прошивки из-за повышенных требований. Поэтому важно обращать внимание на объем доступной памяти конкретного процессора. Этот показатель не менее важен, чем скорость, если не более. Последняя версия Betaflight позволяет вам выбирать функции для использования и предоставляет небольшой размер кода для процессоров с меньшим объемом памяти. Тем не менее, в долгосрочной перспективе более медленный процессор F405 может иметь преимущество перед более быстрым F722, если в нем будет больше памяти.

	F1	F3	F4	F7	H7
Частота	72 МГц	72 МГц	168 МГц	216 МГц	480 МГц
Объем памяти	128 КБ	256 КБ	512 КБ/1 МБ	512 КБ /1 МБ	1 МБ /2 МБ

 

Исторически чипы STM32 доминируют на рынке полетных контроллеров для FPV-дронов. Однако в последние годы микроконтроллеры AT32 все чаще выступают как конкурентно способная альтернатива чипам STM32 из-за широкой распространенности и более низкой стоимости.

Гироскоп

Полетный контроллер, установленный на FPV-дроне, оснащен несколькими датчиками, чтобы отслеживать движения и положение беспилотника в пространстве. Главный сенсор, используемый для этой цели, называется блок инерциальных измерений (IMU/Inertial Measurement Unit). IMU включает в себя акселерометр и гироскоп, в FPV-сообществе термин «гироскоп» часто употребляется по отношении к блоку инерциальных измерений в целом.

Гироскоп измеряет угловую скорость, а акселерометр измеряет линейное ускорение. При полете FPV-дрона в полностью ручном режиме управления (также известном как режим Акро) используется только гироскоп, а в режимах самовыравнивания, таких как угловой режим и режим горизонта, для работы требуются оба датчика, то есть гироскоп и акселерометр.

Обзор гироскопов

Большинство популярных гироскопов для полетных контроллеров выпускаются двумя производителями: InvenSense (сейчас входит в состав компании TDK) и Bosch Sensortec.

Ниже приведен список самых распространенных моделей с указанием поддерживаемого протокола связи и их максимальной эффективной частоты дискретизации:

Модель	Поддерживаемый протокол связи (шина)	Максимальная эффективная частота дискретизации
MPU6000	SPI, I2C	8 КГц
MPU6050	I2C	4 КГц
MPU6500	SPI, I2C	32 КГц
MPU9150 *	I2C	4 КГц
MPU9250 *	SPI, I2C	32 КГц
ICM20602	SPI, I2C	32 КГц
ICM20608	SPI, I2C	32 КГц
ICM20689	SPI, I2C	32 КГц
ICM42688P	SPI, I2C	32 КГц
BMI270	SPI, I2C	6,4 КГц

* MPU9150 – это фактически копия MPU6050 с интегрированным магнитометром AK8975. А MPU9250 – это копия MPU6500 с таким же магнитометром.

Существует два типа связи/обмена данными между гироскопом и процессором: SPI и I2C. Более предпочтительным протоколом связи является SPI, поскольку он поддерживает более высокую частоту обновления гироскопа, чем I2C (здесь частота ограничена значением 4 КГц). Почти все современные полетные контроллеры используют для гироскопа протокол SPI. Мы не советуем использование MPU6050 и MPU9150, поскольку эти модели поддерживают только I2C и не поддерживают SPI.

Как определить, какой гироскоп используется в вашем полетном контроллере

Чтобы определить, какой гироскоп установлен в вашем полетном контроллере, найдите номер модели IMU, напечатанный на чипе. Для примера приводим изображение популярного Invensense MPU-6000, где используется гироскоп MPU6000.

Вы также можете использовать интерфейс командной строки в конфигураторе Betaflight (вкладка CLI). Введите команду «status» и увидите название IMU в строке со значениями Gyro/ACC. Некоторые полетные контроллеры имеют более одного гироскопа на борту, поэтому вы можете переключаться между ними через командную строку, используя команду «set gyro_to_use=0» или «set gyro_to_use=1».

Какой гироскоп самый лучший?

Полетные контроллеры не предлагают опции выбора гироскопа. Однако если вы выбрали продукт авторитетного бренда, который включает в себя высококлассный гироскоп, то у вас не должно возникнуть никаких проблем. Вот краткая история гироскопов, используемых в полетных контроллерах.

Выбор гироскопа зависит от его максимальной частоты дискретизации и восприимчивости к электрическим и механическим шумам. До 2022 года наиболее широко используемым гироскопом был MPU6000, поскольку он показывал хорошую устойчивость к помехам.

По общему мнению, следует избегать использования MPU6500 и MPU9250, несмотря на их более высокую скорость дискретизации. ICM20689 также является достойным гироскопом с точки зрения производительности, но, как утверждают эксперты, у него более высокий процент отказов. ICM20602 –еще один популярный вариант, однако он более восприимчив к помехам, и его сложнее настраивать.

Начиная с версии Betaflight 4.1 (октябрь 2019 года), частота дискретизации 32 кГц была удалена из прошивки, поэтому использование гироскопа с частотой дискретизации 32 кГц не дает никаких преимуществ.

В 2022 году производители FC перешли с MPU6000 на BMI270, который более привлекателен по цене и доступности. Его максимальная частота дискретизации составляет всего 6,4 кГц, но Betaflight переводит его в режим OSR4 (с частотой среза 300 Гц), а это приводит к еще более низкой частоте дискретизации – 3,2 кГц. Это кажется недостаточным, но по результатам тестирования реальная производительность BMI270 сопоставима с MPU6000 (в Betaflight версий 4.3/4.4). Основной недостаток заключается в том, что иногда требуется дополнительная фильтрация из-за повышенной частоты среза встроенного фильтра нижних частот.

В 2023 году все больше и больше производителей переходят с BMI270 на ICM42688P. Этот гироскоп стал предметом споров из-за восприимчивости к помехам и проблем с настройкой. Однако исследования показывают, что проблема не в самом гироскопе, а скорее в конструкции полетных контроллеров, в которые он интегрирован. В частности, для оптимальной производительности гироскопу требуется источник чистого электропитания, что упускалось из виду в некоторых ранних разработках FC в 2022 году и начале 2023 года. Поэтому мы рекомендуем перед приобретением полетного контроллера на базе ICM42688P тщательно изучить обзоры продуктов, обращая особое внимание на параметры, связанные с помехами.

Компоновка

Компоновка полетного контроллера относится к расположению контактов и пластин для пайки на плате. Правильная компоновка значительно упрощает подключение различных компонентов. Многие пользователи интересуются лишь характеристиками FC и часто упускают из виду важность компоновки.

При сравнении следующих двух полетных контроллеров вы увидите, что первый имеет отличную компоновку: контактные пластины сгруппированы по функциям и все расположены по краям.

Совместимость с электронным регулятором скорости (ESC)

В наши дни платы ESC 4-в-1 часто продаются вместе с полетными контроллерами как единый стек (расположены штабелем) и подключаются по принципу «Plug and play» («Включи и работай»).

Но когда вы используете регулятор скорости и полетный контроллер от разных брендов, вы должны иметь в виду следующее. Даже если эти компоненты совместимы, расположение контактов может отличаться, а это потребует весьма сложной перегруппировки проводов в системе. Если вы решись на такую операцию, дважды проверьте схему расположения выводов, прежде чем соединять вместе FC и ESC. Неправильная проводка может сжечь ваш полетный контроллер при включении.

Пластины (контакты) для пайки

В этом разделе мы перечислим некоторые важные контакты для пайки, которые часто используются на полетных контроллерах, и объясним, что они значат.

Контакты напряжения

Обозначение: VBAT, 3.3V, 5V, 9V.

Эти контакты используются для питания дополнительных устройств. VBAT – это постоянное напряжение от литий-полимерного аккумулятора, а все другие напряжения идут от регулятора напряжения (BEC/Battery Eliminating Circuit). Почти все полетные контроллеры имеют контакты VBAT, 3,3 В и 5 В. Более крупные платы предлагают еще контакты более высокого напряжения, например, 9 В и 12 В, чтобы обеспечить питание видеопередатчика.

Внимание! Все регуляторы напряжения (BEC) имеют номинальный ток, поэтому остерегайтесь перегрузки во избежание повреждения.

UART

UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter – «универсальный асинхронный приемопередатчик») является самым важным соединением на полетном контроллере. Это аппаратный последовательный порт, который используется для подключения дополнительных компонентов, таких как радиоприемники, видеопередатчики, GPS и т.д.

Каждый UART имеет два контакта: один для передачи данных (вывод TX) и один для приема данных (вывод RX). Важно помнить, что TX на периферийном устройстве подключается к RX на полетном контроллере и наоборот. Вам необходимо соединить контакты TX и RX под одним и тем же номером. Некоторым устройствам требуется подключение только либо TX, либо RX, если двусторонняя связь не требуется.

Как показано в следующем примере, UART3 (контакты R3 и T3) и UART6 (контакты R6 и T6) на полетном контроллере могут быть назначены для различных задач на вкладке портов конфигуратора Betaflight.

Полетные контроллеры имеют ограниченное количество UART. У некоторых FC их может быть до шести, а у плат меньшего размера может быть только два. Это зависит от процессора и доступного места. Перед покупкой убедитесь, что для устройств, которые вы планируете использовать, достаточно UART-портов.

Если вам нужно больше портов UART, у Betaflight есть функция SoftSerial, которая преобразует определенные пластины для пайки в «цифровые последовательные порты». Они похожи на UART, но имеют гораздо более медленную скорость обновления, что делает их непригодными для приложений, критичных по времени исполнения, таких как приемники и GPS. Их можно использовать для управления аналоговым видеопередатчиком, но при этом также возрастет нагрузка на центральный процессор. По этой причине не рекомендуется использовать их для медленных процессоров, иначе вам может потребоваться снизить частоту контура обратной связи с PID-регулятором.

Контакты камеры

Если вы работаете с аналоговой FPV-системой, то это место для подключения FPV-камеры. В этом случае полетный контроллер наложит экранное меню на видеопоток перед его выводом на видеопередатчик.

Пластина для видеопередатчика

Обозначение: Vout или VTX.

Это контакты для подключения видеопередатчика, если вы используете аналоговую FPV-систему.

Контакты i2C

Обозначение: SDA и SCL.

Для подключения таких устройств, как GPS-компас и барометр.

Контакты зуммера

Обозначение: BZ+ и BZ-.

Для бипера (зуммера/встроенного динамика).

Контакты LED

Предназначены для подключения светодиодных RGB-полос.

Стандартные крепления

Стандартная схема крепления определяется расстоянием между соседними монтажными отверстиями на полетном контроллере. Наиболее распространенными размерами являются: 30,5 х 30,5 мм, 25,5 х 25,5 мм, 20 х 20 мм и 16 х 16 мм.

Для 5-дюймовых и более крупных FPV-дронов часто используется FC с креплением 30,5 х 30,5 мм. А для более компактных дронов обычно используются шаблоны 25,5 х 25,5 мм или 20 х 20 мм.

Другие функции

Полетные контроллеры предлагают ряд функций, которые могут улучшить ваши впечатления от полета. Давайте рассмотрим некоторые из них.

«Черный ящик»

«Черный ящик» полезен для настройки и устранения неполадок. Вы можете записывать данные о полете двумя способами – используя встроенную флэш-память или сохраняя их на SD-карте, если на борту имеется встроенный регистратор со слотом для SD-карт.

Встроенный флэш-накопитель дешевле, но имеет ограниченную емкость, обычно 16 МБ, что позволяет хранить данные полета в период от 5 до 10 минут. Загрузка данных с него также может быть медленной. При использовании SD-карты на полетном контроллере вы можете вести запись данных в течение всего года, не очищая накопитель. Кроме того, вы получаете мгновенный доступ к журналам, вставив SD-карту в карт-ридер.

Журналы Blackbox – незаменимая вещь для опытных пилотов. Они позволяют выжать максимум из производительности дрона и детально диагностировать проблемы.

Если ваш FC не имеет слота для SD-карты или встроенного флэш-накопителя, вы можете подключить внешний карт-ридер через UART.

Типа разъемов

На полетных контроллерах используются три основных типа разъемов:

• пластиковые JST-разъемы;
• пластины для пайки;
• сквозные отверстия.

Пластиковые разъемы менее долговечны, но более удобны для использования, в то время как пластины для пайки более надежны, но требуют навыков в пайке. Сквозные отверстия позволяют использовать прямую пайку или штырьковое соединение.

Регулятор напряжения батареи (BEC/battery eliminator circuit)

Регулятор напряжения аккумулятора, или выпрямитель напряжения, позволяет регулировать напряжение на полетном контроллере.

Почти все полетные контроллеры имеют 5-вольтовый регулятор напряжения для питания радиоприемника, GPS и т. д., а некоторые также предлагают выпрямитель на 9 и 12 В, обеспечивающий питание видеопередатчика. Хотя вы можете питать FPV-оборудование непосредственно от литий-полимерной батареи, подача энергии от регулируемого источника питания обеспечивает лучшие результаты.

Важно выбрать правильный источник напряжения для устройства, которое вы используете. Некоторые устройства (например, видеопередатчик) могут питаться напрямую от литий-полимерной батареи. Однако такая схема питания больше подвержена влиянию помех, скачки напряжения могут даже повредить ваши устройства, если не будет обеспечена достаточная фильтрация. Выпрямитель действует как фильтр тока и обычно предлагает более устойчивое питание. Но необходимо проверить, соответствует ли он требованиям по напряжению и току для вашего устройства.

Барометр

Наличие барометра, встроенного в полетный контроллер, может сделать более точным полет с использованием GPS (например, в режиме GPS-спасения), но не обязательно.

Чип экранного меню (OSD)

Если вы используете аналоговую FPV-систему, убедитесь, что ваш полетный контроллер имеет чип OSD (AT7456E), в противном случае экранное меню Betaflight не будет работать. Но такой          чип не требуется, если на вашем дроне стоит цифровая FPV-система, например, DJI, HDZero и Walksnail. Для работы экранного меню этим системам требуется лишь запасной UART.

Мягкое крепление

Мягкое крепление полетного контроллера имеет решающее значение для оптимальной производительности, оно снижает шум/вибрации от рамы, которые попадают в гироскоп.

Почти все FC в наши дни имеют отверстия M4, которые позволяют вставлять резиновые втулки (уплотнения), чтобы вы могли использовать винты M3 для более надежного крепления платы к раме.

Существуют полетные контроллеры с мягким креплением гироскопа на куске поролона для снижения вибраций, попадающих на гироскоп. Такой подход не очень популярен, поскольку доказано, что он не имеет смысла, если сам полетный контроллер имеет достаточно мягкое крепление.

Немного истории

История полетных контроллеров для FPV-дронов начинает отсчет с 2009 года, когда один из умельцев использовал для управления дроном игровой контроллер Wii MotionPlus с платой Arduino. Это привело к развитию проекта Multiwii, в рамках которого в итоге была создана собственная плата полетного контроллера, работающая на 8-битном процессоре Atmel.

В 2013 году другой разработчик под ником Timecop создал FC-плату Naze32 с 32-битным ARM-процессором и портировал на нее исходный код Multiwii под названием Baseflight. Эта плата получила форм-фактор 35 х 35 мм (с креплением 30 х 30 мм) и остается актуальной по сей день.

В 2014 году разработчик Hydra модифицировал Baseflight и создал Cleanflight, что привело к бурному росту рынка 32-битных полетных контроллеров, когда разные производители стали развивать собственные модели FC.

Прошивка Betaflight была создана в 2015 году разработчиком под ником BorisB, который использовал исходный код Cleanflight, но значительно его модифицировал. Когда впервые вышла прошивка Betaflight, она главным образом была призвана улучшить производительность Cleanflight, но при этом в нее были добавлены новые функции и возможности.

Со временем отличия между Betaflight и Cleanflight становились более существенными, и сейчас Betaflight считается отдельной прошивкой. Она является самой популярной прошивкой полетных контроллеров для FPV-дронов и часто обновляется.