Протоколы управления FPV

Протоколы - язык, на котором общаются, устройства между собой. Разные компоненты используют разные протоколы.

Ввиду большого количества существующих систем приёма передачи, управления и протоколов, на которых они работают, рассмотрим широко применяемых на данный момент именно FPV дронах камикадзе.

• TBS Crossfire
• ELRS

TBS Crossfire

TBS Crossfire (GRSF) - патентованный протокол дальней связи на 915Mhz/868MHz, созданный TBS. Он прост в плане установки и конфигурации, кроме того, предназначает отличную дальность действия благодаря низкой частоте.

ELRS

ELRS (он же ExpressLRS – Express Long Range System) - система с открытым исходным кодом. Есть версии на 900 МГц и на 2,4 ГГц. Бывают как внешние передачки (устанавливаются во внешний JR-модуль аппаратуры), так и внутренние. Работает на протоколе CRSF.

TBS Crossfire

TBS Crossfire – дальнобойная (свыше 20 км), двусторонняя система радиосвязи от компании Team Black Sheep. Её приемники обладают чувствительностью до -130дБ и миниатюрные размеры. Среди прочих система выделяется наивысшей скоростью передачи пакетов данных и одной из самых низких задержек по отклику поведения радиомодели.
Линейка от ТБС имеет полноценную радиоаппаратуру TBS Tango II и внешние модули для других аппаратур – JR модули Standart(Lite) TX, Micro, а также модуль Tracer Nano.
Каждый из них способен обеспечить полёт свыше 25 км в соответствующих условиях. Старшая модель Standart(Lite) имеет динамическую мощность до 2 Вт с дальностью свыше 40 км, модуль Micro до 1 Вт.
Главные особенности TBS в том, что они создали открытый универсальный проводной протокол связи, и проприетарное ПО управления связью.
Частотный диапазон технологии Crossfire - 868 и 915 МГц, Tracer - 2.4ГГц

Бинд TBS Crossfire

Binding – процедура сопряжения (привязки) передатчика и приёмника для совместной работы.
Перед процедурой «бинд» убедиться, что версии пульта, скрипта и передатчика актуальны. Обновить ПО передатчика TBS возможно через специальный конфигуратор:
https://www.team-blacksheep.com/products/prod:agentx

Через меню TBS Agent Lite

1. Пульт--Menu (SYS)-->TOOLS-->TBS Agent Lite.
2. Для радиоаппаратуры Tango выбираем Tango II XF
3. Нажимаем -- > BIND
4. На приёмнике нажимаем единственную кнопку, приёмник переходит в режим Bind, начинает медленно мигать зеленым (если не начинает мигать зелёным -> выключаем, зажимаем кнопку, подаём питание, появляется быстрое мигание зелёным светодиодом, выключаем, повторяем с начала п.4
5. Происходит сопряжение – binding
6. Пульт может предложить обновить приёмник – соглашаемся.
7. После обновления зелёный светодиод на приёмнике и логотипе передатчика будет гореть постоянно. Перезагрузить питание приёмника.

Через кнопку на модуле Micro TX

1. На модуле Micro TX c обратно стороны нажимаем круглую кнопку.
2. На приёмнике нажимаем единственную кнопку, приёмник переходит в режим Bind, начинает медленно мигать зеленым (если не начинает мигать зелёным -> выключаем, зажимаем кнопку, подаём питание, появляется быстрое мигание зелёным светодиодом, выключаем, повторяем с начала п.2
3. Происходит сопряжение – binding
4. Если приёмник начал медленно мигать красным – приёмник просит обновления – нажимаем на кнопку на Micro TX
5. После обновления зелёный светодиод на приёмнике и логотипе передатчика будет гореть постоянно. Перезагрузить питание приёмника.

ELRS

ELRS (ExpressLRS) — это вид дальнобойной радиосвязи, программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий передачу сигнала с пульта на приёмник для управления дроном.
Разрабатывается и поддерживается как open-source проект, исходный код которого открыт и может быть изучен и модифицирован всеми желающими.
Отличается высокой частотой обновления пакетов, обеспечивая внушительную дальность радиосвязи. Официально существует в двух вариантах частотного диапазона: 2,4ГГц и 900МГц. Неофициально от 150 до 2700МГц.

Некоторые преимущества ELRS:

• Бурное развитие. Разработчики постоянно дорабатывают протокол, что делает ELRS всё более стабильным и функциональным.
• Дешевизна. Производителям ELRS-оборудования не нужно платить лицензионные отчисления, что позволяет удерживать цены на конечную продукцию на минимально возможном уровне.
• Дальнобойность. ELRS продолжает улучшать стабильность и дальнобойность связи.
• Скорость и низкая задержка. При выборе частоты обмена данными 1000 Гц (передатчик отправляет команды на приёмник 1000 раз в секунду) на ELRS 2,4 ГГц задержка в передаче сигнала составляет 2 миллисекунды.

Используя особенности открытой архитектуры, противник модифицировал ELRS в MILELRS, что при полном использовании штатного функционала ELRS дополнительно даёт ему следующие возможности:

1. Работа в двух диапазонах одновременно (на одном приемнике).
   Пример: половина пакетов 750-760 МГц, вторая половина 950-960 МГц
2. Изменение частот с пульта (в lua скрипте).
3. Нет заданных диапазонов, в настройках нужно указывать самому начало и конец диапазона.
4. Дублирование связи в нескольких параллельных диапазонах – 433/900/2400 МГц.
5. Подключение нескольких приемников к полетному контролеру и нескольких передатчиков к пульту.
   *возможно нужен отдельный LUA-скрипт для пульта.
6. Режим FailSafe – автоматическое переключение между несколькими параллельными диапазонами, при глушении одного из них. Например, между 900 и 2400 МГц.
7. Технология ELRS backback.Переключение видео каналов на видеоприемнике и видеопередатчике через пульт.
   *должно поддерживаться оборудованием (видеоприемник с ELRS-модулем).
8. Отдельный канал для телеметрии.
9. Добавлены новые частоты обмена пакетами на управление (84 Гц, 42 Гц, 24 Гц, 14 Гц).
   * стандартные 25 Гц, 50 Гц, 100 Гц, 200 Гц.
10. Есть сканер частот приемников в дроне и передача на пульт.
11. Убрана бинд фраза – заменено уникальным RX_KEY/TX_KEY, создается под каждую прошивку отдельно.
12. Апробирована технология поиска источников сигналов от станций РЭБ

Бинд (связь) приемника и передатчика ELRS

Проверить правильность подсоединения приемника к полетнику.
Приемник — это крохотная плата с антенной, которая установлена в дрон. От этого приемника к полетному контроллеру идут провода, всего их должно быть четыре. Они должны быть припаяны в правильном порядке, не перепутаны. На полетнике каждая площадка имеет цифро-буквенное обозначение. На приемнике ELRS иногда тоже, но из-за микроскопических размеров бывает и так, что площадки не подписаны. В таком случае, нужно отыскать инструкцию (wiring diagram) на приемник в описании к товару.

RX-пин от приемника должен идти к TX-пину полетника. TX-пин от приемника должен идти к RX-пину полетника. Нумерация TX и RX должна совпадать, то есть нельзя припаять TX приемника к RX1, а RX приемника к TX3.

От этого приемника к полетному контроллеру идут провода, всего их должно быть четыре. Они должны быть припаяны в правильном порядке, не перепутаны. На полетнике каждая площадка имеет цифро-буквенное обозначение. На приемнике ELRS иногда тоже, но из-за микроскопических размеров бывает и так, что площадки не подписаны. В таком случае, нужно отыскать инструкцию (wiring diagram) на приемник в описании к товару на Aliexpress.
Провод, припаянный на RX-пин от приемника должен идти к TX-пину полетника. TX-пин от приемника должен идти к RX-пину полетника. Нумерация TX и RX должна совпадать, то есть нельзя припаять TX приемника к RX1, а RX приемника к TX3.

Прошивка ELRS

На сегодняшний день одной из самых популярных и недорогих систем радиоуправления является ExpressLRS. Она имеет открытый исходный код, низкую задержку и возможность дальнего радиуса действия.
Настройка ExpressLRS может быть довольно сложной задачей для начинающих. Однако, если немного разобраться в прошивке аппаратуры ExpressLRS на FPV-дронах, перед нами открываются возможности, несопоставимо большие, нежели в том же TBS.

Сразу хочется отметить все передатчики, с поддержкой ELRS и приемники с прошивкой ExpressLRS совместимы независимо от марки. Для данного примера используется радиопередатчик Radiomaster TX12 для частоты 2.4 ГГц и внешний модуль Radiomaster Bandit Micro для частоты 915 МГц.
К ним подходят приемники ELRS разных производителей при условии совпадения версии прошивки с радиопередатчиком. Основными отличиями являются качество сборки, размер и поддержка Wi-Fi для обновлений прошивки и настройки

Прошивка приёмника RX через WiFi

1. Подключаем кабель Type-C к ПК или АКБ к дрону – приёмник запитывается;
2. Через 20-60с (в зав. от настроек) диод начнёт быстро мигать, значит активировался свой WiFi;
3. Подключаемся на телефоне компьютере к сети ExpressLRS RX с паролем expresslrs;
4. Открываем в браузере адрес 10.0.0.1;
5. Смотрим на версию прошивки: «Firmware Rev. X.Y.Z», где:
   X – мажорная
   Y – минорная
   Z – патч

Передатчик и приёмник можно забиндить только при совпадении мажорной версии, например:
- приёмник RX 3.2.1 забиндится с TX 3.0.2
- приёмник RX 3.1.0 не забиндится с TX 2.4.1

В поле Binding Phrase вы должны задать бинд-фразу (кодовое слово). Позднее вы установите такую же бинд-фразу в пульт и они соединятся автоматически. Нажать кнопку SAVE, перезагрузить приёмник (дрон);

Прошиваем передатчик TX через WiFi

1. На пульте -- > SYS -- > Tools -- > ExpressLRS -- > WiFi Connectivity -- > Enable WiFi;
2. Заходим в сеть ExpressLRS TX c паролем expresslrs;
3. Заходим на 10.0.0.1, проверяем версию прошивки, чтобы совпадала минорная версия;
4. Задаём такую же бинд-фразу как и у приёмника;
5. Нажимаем SAVE.

Состояние канала связи управления

RSSI dBm (received signal strength indicator) – индикатор уровня принятого сигнала. Единицы измерения равны дБм и начинаются с 0 и уменьшаются по мере снижения интенсивности сигнала (обрыв связи при - 130 дБм).
LQI - индикатор качества связи, это показывает соотношение полученных и потерянных пакетов. Единицы измерения – это проценты, где 100% означает, что получен каждый пакет, а 0% означает, что пакеты не получены.

Received Signal Strength Indicator - на принимающей стороне сила сигнала понимается как чувствительность сигнала на приемнике.

• Это всегда отрицательное число – мы говорим здесь не о количестве, а об отношении реального сигнала к идеальному. 0 дБм (1 мВт) означает 100% чувствительность – невозможный уровень. Реальные уровни сигналов всегда ниже 0 дБм.
• Чувствительность сигнала находится в диапазоне от 0 dBm до −130 dBm. Чем ближе число к нулю, тем сильнее сигнал. Так, например, −30 dBm сильнее, чем −60 dBm.
• Поскольку dB и, следовательно, dBm не масштабируются линейно, как большинство измерений (вес, длина и т.д.) – они нелинейны и постоянно возрастают, – разрыв между −30 dBm и −60 dBm является не таким значительным, как между −60 dBm и −65 dBm.

RSSI dBm

Проверка качества связи FPV дрона перед полетом

1. Выставить минимальную мощность на передатчике - 10мВт.
2. Отнести дрон на 1 метр от аппаратуры и убедимся что антенны приемники и передатчика находятся в одной поляризации.
3. Включить дрон и пульт и смотрим полученную телеметрию.

• Высокое значение LQ (близкое к 100%), высокое значение RSSI (близкое к -5 дБм) - это очень хороший показатель - связь отличная.
• Низкое значение LQ (ниже 20%), высокое значение RSSI (близкое к -5 дБм) - это значит что то глушит наши пакеты - возможно работает РЭБ.
• Высокое значение LQ (близкое к 100%), низкое значение RSSI (выше -70 дБм) - если дрон находится очень далеко это значит что скоро связь может отвалиться и пора бы подумать о возвращении обратно или найти цель. А если такие показатели возникают при запуске птички то нужно проверить исправность антенны.
• Низкое значение LQ (ниже 20%), низкое значение RSSI (выше -70 дБм) - требуется возврат домой, птичка далеко и возможно пропадание сигнала RXLOST.
  

Настройка и вывод телеметрии FPV дрона в OSD

1. Подключить провод USB Type-c к полетному контроллеру + FPV дрона и открыть Betaflight Configurator.
2. Открыть вкладку приемник.
3. Параметры RSSI_ADC и RSSI канал отключены.
4. Открыть вкладку OSD.
5. Поставить галочку напротив значения RSSI dBM и Качество связи.

Индикации состояния радиосвязи в OSD

Протокол MAVLink

MAVLink (Micro Air Vehicle Link) — это лёгкий двунаправленный протокол связи, разработанный для обмена данными между автопилотами, наземными станциями и другими устройствами. Он используется для телеметрии, управления, получения состояния дрона и передачи команд. Разработан Lorenz Meier в 2009 году и стал стандартом в области беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

Используется MAVLink

• В большинстве автопилотов: ArduPilot, PX4 и других.
• В наземных станциях управления: Mission Planner, QGroundControl, MAVProxy.
• В системах телеметрии (например, 3DR Radio, RFD модемы, ESP8266).
• При интеграции с Companion-компьютерами (Raspberry Pi, Jetson и др.).
• В FPV-дронах, исследовательских

Основные характеристики и принцип работы:

• MAVLink — это бинарный протокол: данные передаются в виде сжатых байтов, что делает его быстрым и эффективным для радиоканалов с ограниченной пропускной способностью.
  Протокол работает по схеме «вопрос-ответ» или «стриминг». Он может передавать состояние полёта, GPS-координаты, уровень заряда батареи, сообщения об ошибках, команды управления и прочее.
• MAVLink поддерживает маршрутизацию и адресацию: каждое устройство имеет свой идентификатор.
• Протокол легко интегрируется с внешними компьютерами и программным обеспечением, позволяя автоматически планировать миссии, управлять дроном в реальном времени и анализировать полетные данные.
• Существует две основные версии MAVLink: 1.0 и 2.0. Вторая версия поддерживает шифрование, подписи, расширенные команды и больше полей.
• MAVLink можно передавать по радиомодему, Wi-Fi, Bluetooth, USB, UART, CAN и даже LTE.
• Одно из ключевых преимуществ — открытая архитектура: разработчики могут добавлять собственные сообщения и команды.

Примечания:

• MAVLink не передаёт видео, но может использоваться для управления видеопотоками и синхронизации миссий.
• Протокол часто работает совместно с GCS (Ground Control Station), обеспечивая полный контроль над дроном в автоматическом и ручном режимах.

Протокол управления SBUS

SBUS (Serial Bus) — это проприетарный цифровой протокол от Futaba, позднее адаптированный другими производителями, такими как FrSky. Используется для передачи до 16 каналов управления по одному проводу в виде цифрового потока данных.

Основные характеристики SBUS:

• Количество каналов - 16 (обычно до 18)
• Тип сигнала - Цифровой (инверсный TTL, 100 000 бод)
• Задержка - ~10–20 мс
• Частота обновления - 7–9 мс
• Уровень сигнала - TTL (3.3V–5V), инверсный
• Failsafe - Поддерживается
• Подключение - Один сигнальный провод + питание

Протоколы управления, прошивки и конфигураторы