Як обрати GPS-модуль для дрона: типи, точність, RTK

GPS модуль – це один з важливих компонентів сучасного дрона. У його функції входить прив'язка до координат на локації, можливість реалізації функції повернення додому, навігації по маршруту, телеметрії, стабілізації польоту та інших функцій. Якість GPS-модуля впливає на точність і безпеку польоту, від нього залежить можливість збереження і повернення літального апарату, а у військових умовах – успішність місії. 

Різні типи військових дронів потребують GPS-модулів з різними характеристиками.

Що таке GPS-модуль для дрона і яка його роль

Модуль GPS є компонентом, що використовується для навігації в просторі. Він отримує сигнали від супутників і таким чином визначає своє положення та відомості про рух – координати, висоту, швидкість, напрямок. Сучасні модулі навігації працюють не тільки з GPS, але і з різними видами супутників одночасно, наприклад, GLONASS, Galileo, BeiDou та іншими. Це підвищує точність їх результатів, швидкість обробки та обчислень, а також стійкість перед перешкодами.

Отримані дані про локацію, висоту і швидкість переміщення GPS-модуль передає в контролер польоту. Він, виходячи з цих відомостей, приймає рішення про стабілізацію, виконання автоматичних маневрів або будь-яких інших автоматичних режимів, наприклад, повернення додому, слідування маршруту та інших. 

Типи GPS-модулів для дронів

Залежно від конструкції, складу та особливостей GPS-модулі можна розділити на кілька типів. Кожен з них підходить для виконання будь-якого завдання та встановлення на БПЛА певного типу. 

FPV-GPS – до такого модуля висуваються вимоги легкості, компактності, хорошої швидкості обробки сигналів. Немає потреби у великій точності. Ще однією важливою функцією, якою наділяються такі компоненти, є підтримка функції failsafe – при втраті сигналу від пульта, модель подасть сигнал контролеру здійснити безпечний маневр, наприклад, повільно приземлитися або зависнути в повітрі. Він встановлюється на гоночні або фрістайл БПЛА. У військових умовах модулі FPV-GPS встановлюються на дрони-камікадзе, ударні та інші БПЛА, від яких потрібна велика швидкість і маневреність. 

Професійні GPS-модулі забезпечують високу швидкість обробки сигналу, підтримують кілька супутникових систем і завдяки цьому дають максимально точне позиціонування. Вони можуть бути різними за розміром і вагою – за цими параметрами до них не висуваються вимоги. Вони часто оснащуються додатковими датчиками, наприклад, компасами. Також наділяються автоматичними функціями на зразок повернення додому або аварійної посадки. Такі GPS часто встановлюються на БПЛА для інспекцій, моніторингу, зйомки. У військових умовах вони застосовуються на дронах для розвідки, логістики.

Універсальні GPS-модулі багатофункціональні. Вони можуть використовуватися в різних типах дронів, залежно від своїх характеристик. Відрізняються точністю, швидкою обробкою даних. Випускаються в різних форматах, розмірах, масах. Застосовуються для самозбірних дронів різного призначення. 

Крім цього, GPS module може бути з компасом або без. Варіанти з компасом використовуються у великих БПЛА, в яких є велика кількість металевих деталей або електронних компонентів, що створюють перешкоди. Вони заважають акселерометру, гіроскопу та іншим датчикам визначити точне положення літального апарату. Компас в GPS модулі нівелює ці неточності. Однак він створює додаткову вагу, вимагає простору, потребує електроживлення. А також в деяких випадках збільшує час на обробку сигналу.

GPS-модулі без компаса легші та менші за розміром. У них визначення напрямку і положення дрона відбувається за допомогою датчиків гіроскопа та акселерометра. Вони можуть коректно працювати в присутності невеликої, нормальної кількості металів і електроніки за умови правильного монтажу на палубу. Такі GPS встановлюються в невеликих і маневрених дронах. Відсутність додаткового датчика, компаса, прискорює обробку сигналів, знижує енерговитрати. 

За точністю визначення координат GPS-модулі поділяються на звичайні та RTK. Звичайні мають точність 1-3 метри. Цього достатньо для виконання завдань зі спостереження, розвідки, виконання багатьох автоматичних режимів, таких як повернення додому або аварійна посадка. 

Для місій, що вимагають більшої точності, використовуються модулі RTK (real time kinematic). Вони працюють, спираючись на базові станції та дають точність до декількох сантиметрів. Такі модулі навігації встановлюються на дрони для картографії, геології, геодезії, аграрних місій. 

У військових завданнях вони незамінні для цілевказівки, отримання координат противника і також можуть використовувати для візуальної розвідки. 

Залежно від того, з яких компонентів складається GPS-модуль, яку він забезпечує точність обробки сигналів, визначається його область застосування і вартість. Для наочності ми зібрали ці відомості в таблиці:

Основні характеристики

Вибираючи GPS модуль для дрона, важливо врахувати його характеристики, від них залежить функціональність, можливість використання в наявних умовах, а також вартість. Іноді немає потреби купувати варіант з хорошими параметрами та переплачувати, в інших випадках – потрібно не економити та встановити дійсно продуктивний модуль. Важливу роль відіграють такі характеристики: 

1. Частота передачі. Цей параметр визначає, як часто модуль проводить вимірювання і передає дані в контролер. Відповідно, він впливає на точність і стабільність позиціонування. Але від частоти також залежить енергоспоживання модуля. Наприклад, для FPV дрона оптимальною частотою буде 10 Гц. Для БПЛА, що вимагає більш точної орієнтації, частота повинна бути вищою.
2. Чутливість і точність. Якісні GPS-модулі можуть забезпечувати точність до 1-2 метрів. Цього достатньо для більшості завдань, в тому числі та багатьох військових місій. Якщо потрібна висока чутливість, то для цього слід використовувати RTK-модулі, які позиціонують з точністю до декількох сантиметрів. Такі застосовуються в цілевказівці, розвідці, картографії, агромоніторингу, інженерних вимірах та інших завданнях.
3. Час холодного старту. Цей параметр визначає час від подачі живлення на модуль до моменту, коли він готовий приймати сигнал супутника і почати працювати для позиціонування. У професійних модулів цей показник набагато швидший, ніж пара хвилин. Чим швидше модуль буде готовий працювати, тим раніше можна буде виконувати операції, пов'язані з координацією. У військових місіях короткий час холодного старту забезпечить тактичну перевагу.
4. Тип антени. GPS модуль для FPV дрона зазвичай вибирається з керамічною антеною. Вона легка, забезпечує достатню для таких завдань чутливість і точність. Встановлюється на невеликих маневрених БПЛА для швидких польотів. Якщо потрібна велика точність в координації, то необхідно використовувати модулі з активною антеною і підсилювачем. Також така антена підходить для польотів в місцевості з перешкодами – в лісі, місті, горах. Такий компонент займе більше місця, важчий, а також підсилювач потребує живлення. Встановлюється на дрони, для яких важлива точність позиціонування, що працюють в умовах перешкод.
5. Протокол передачі даних. GPS-модуль «спілкується» з контролером за певним протоколом. Важливо, щоб і контролер, і GPS підтримували один якийсь загальний протокол. Популярними є UART і I2C. Вони підтримуються багатьма GPS-модулями та такими поширеними польотними контролерами, як Pixhawk, Matek, iFlight, Betaflight, INAV, ArduPilot та іншими.
6. Підтримка додаткових систем. Для більшої стійкості до перешкод, точності, стабільності рекомендується підтримка декількох супутникових систем, таких як GLONASS, Galileo, BeiDou, QZSS та інших. Це також прискорює час холодного старту.
7. Наявність компаса. Компас необхідний для поліпшеної стабілізації курсу, він доповнює інші датчики та робить їх показання точнішими. Використовуються у випадках, коли акселерометр і гіроскоп можуть давати показання з похибками. Компас збільшує вагу, розмір модуля і витрачає акумулятор дрона.
8. Живлення та вага. Більшість GPS-модулів живляться від напруги 5 В, деякі від 3,3 В. Вага більшості з них становить 15-30 г, що робить їх придатними для встановлення на більшість дронів. Знімальні, інспекційні БПЛА оснащуються більш точними модулями, які мають більшу вагу. 

Як обрати GPS-модуль

Вибрати модуль для орієнтації в просторі необхідно залежно від типу БПЛА і завдань, які на нього покладаються. Ми склали рекомендації для підбору модуля на поширені типи дронів: 

1. Для FPV-дронів. Якщо БПЛА використовується для швидких маневрених польотів, наприклад в гонках або у військових ударних місіях, то GPS-модуль повинен бути легким і зі швидким холодним стартом. Також він повинен підтримувати роботу з прошивками Betaflight або INAV, які найчастіше використовуються в FPV польотних контролерах. Якщо плануються польоти в умовах фізичних перешкод, то рекомендується антена з підсилювачем – від цього збільшиться вага та енергоспоживання, але це забезпечить кращу навігацію.
2. Для дронів, які використовуються для фото-, відеозйомки, візуальної розвідки у військових місіях GPS-модуль повинен забезпечувати високу частоту оновлення. Це дасть можливість точно утримувати позицію і отримати плавне відео з  FPV-камери без ривків, які згладжуються навіть при русі дрона. Таке позиціонування дасть можливість отримати хороше зображення з камери. Також рекомендується підтримка декількох супутникових систем.
3. Для БПЛА, що використовуються в картографії, геодезії, агромоніторингу, розвідці для цілевказівки GPS-модуль повинен бути точним, щоб можна було правильно визначити координати на місцевості, що знімається. Рекомендується підтримка RTK, а також великої кількості супутникових систем. 

Для кожної місії та БПЛА буде свій оптимальний вид GPS-модуля. Вибираючи GPS модуль для квадрокоптера, зіставте характер польоту, параметри літального апарату з властивостями модуля координації. А також враховуйте вартість компонента.

Типові помилки при виборі GPS

Якщо GPS-модуль для БПЛА обраний неправильно, то він буде працювати некоректно або взагалі не зможе виконувати свої функції, навіть якщо є якісним. DroneState зібрали популярні помилки, які часто роблять в цьому новачки, це допоможе вам уникнути їх:

1. GPS-модуль не підтримує протокол польотного контролера. Якщо модуль і контролер «розмовляють» різними мовами, то вони один одного не зрозуміють. В результаті GPS або не буде працювати взагалі, або деякі його функції (наприклад, компас, зависання в точці, повернення додому) не будуть доступні. Для досягнення повного функціоналу важливо, щоб модуль і контролер працювали на одному протоколі передачі.
2. Встановлення GPS-модуля в неправильному місці на палубі дрона. Якщо модуль розміщується поруч з силовими проводами живлення компонентів, ESC-модулем, відеопередавачем, антеною, то на нього будуть впливати перешкоди, які погіршать швидкість, чутливість і точність позиціонування або навіть зроблять координацію неможливою. GPS слід встановлювати якомога далі від електроніки, вище палуби (щоб між модулем і супутником не було перешкод). Зазвичай він монтується на спеціальну стійку, щоглу і підноситься над БПЛА.
3. Неправильне калібрування компаса або його повне ігнорування. Якщо GPS-модуль оснащений компасом, то для його коректної роботи необхідне калібрування. В іншому випадку, він не забезпечить правильний курс руху. У польоті це призведе до відхилень від курсу і неправильної навігації. Частою помилкою є калібрування всередині приміщення або поруч з джерелами перешкод, такими як метал або електроніка. Калібрування компаса повинно виконуватися на відкритому просторі, на вулиці, на майданчику, де поруч немає джерел перешкод для компаса.
4. Підключення GPS-модуля до контролера через неекрановані дроти. Звичайні дроти без екранів «зловлять» перешкоди, які погіршать точність позиціонування дрона, оскільки контролер отримає невірні дані. Щоб цього уникнути, підключати потрібно через екранований дріт, кручену пару.
5. Ігнорування оновлення. Деякі користувачі не виконують оновлення прошивки GPS-модуля. Однак розробники покращують його. Це підвищує точність, зменшує час холодного старту і позитивно впливає на інші характеристики. Рекомендується не пропускати оновлення. 

Висновок

Інвестиція в правильно підібраний GPS-модуль – це гарантія безпечного, надійного, стабільного польоту і повернення дрона назад. Навіть якщо БПЛА дорогий, правильно налаштований і має хороші характеристики, без GPS-модуля його функціонал значно знижується і є ризик втрати дорогого апарату. Важливо також вибрати відповідний дрону GPS, виконати його правильне налаштування та установку.