Розроблення та дослідження системи керування fpv-дроном на основі відкритого програмного забезпечення
Автор: Пільків Святослав Олегович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Комп'ютерно-інтегровані системи керування виробництвами
Інститут: Інститут енергетики та систем керування
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2025-2026 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Пільків С.О., Ділай І. В. (керівник). Розроблення та дослідження системи керування FPV-дроном на основі відкритого програмного забезпечення. Магістерська кваліфікаційна робота. – Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2025. Розширена анотація Дослідження та розроблення системи керування FPV-дроном спеціального виконання спрямовані на забезпечення високої маневровості, точності керування та стабільності польоту в режимі реального часу з мінімальною затримкою. Безпілотні літальні апарати FPV-класу є критично важливими інструментами у військовій, розвідувальній та промисловій сферах, де навіть незначні відхилення параметрів стабілізації або затримки в каналі зв’язку можуть призвести до втрати керованості та неможливості виконання поставленого завдання [1]. Сучасні тенденції розвитку галузі вимагають переходу до високоефективних систем керування з використанням цифрових протоколів зв’язку, відкритого програмного забезпечення та адаптивних алгоритмів стабілізації, що потребує впровадження надійних комп’ютерно-інтегрованих систем [2]. Актуальність роботи полягає у необхідності створення високошвидкісної системи автоматизації, яка дозволить забезпечити точне регулювання кутових швидкостей, мінімізувати вплив зовнішніх збурень та забезпечити гнучкість налаштування при зміні режимів польоту [3]. Метою дослідження є розроблення та впровадження комп’ютерно- інтегрованої системи керування FPV-дроном з використанням сучасного відкритого програмного забезпечення Betaflight, цифрових інтерфейсів та протоколів керування [4]. У роботі проведено аналіз існуючих програмних платформ, обґрунтовано вибір апаратних компонентів та розроблено алгоритмічне забезпечення для стабілізації та керування дроном. Об’єктом дослідження магістерської кваліфікаційної роботи є система керування FPV-дроном, реалізована на основі мікропроцесорного польотного контролера, цифрових інтерфейсів зв’язку та сучасних протоколів керування. Предметом дослідження є: алгоритми стабілізації, обробки даних сенсорів, протоколи керування і телеметрії, а також структурно-функціональні рішення апаратної частини FPV-дрона [5]. У першому розділі проведено аналіз існуючих видів безпілотних літальних апаратів та визначено місце FPV-дронів серед них. Наведено огляд сфер застосування FPV-платформ, їх переваг та актуальних тенденцій розвитку, а також розглянуто сучасні системи керування та відкриті програмні середовища — Betaflight, ArduPilot та INAV. Другий розділ присвячений розробленню структурної та функціональної схем системи керування FPV-дроном. Виконано обґрунтування вибору основних координат контролю, регулювання, вимірювання та захисту, а також визначено вимоги до взаємодії апаратних модулів у межах загальної архітектури. У третьому розділі розглянуто загальну структуру апаратної частини дрона та виконано порівняння можливих компонентів. Обґрунтовано вибір польотного контролера, ESC, двигунів, GPS-модуля, відеосистеми та радіоприймача. Надано опис інтерфейсів UART, SPI, I2C, DShot, CRSF та особливостей їх узгодження. Четвертий розділ присвячений процесу складання FPV-дрона, підключенню компонентів та налаштуванню системи у програмному середовищі Betaflight. Викладено процедури калібрування IMU, ESC, радіосистеми, налаштування PID- регуляторів та режимів польоту. У п’ятому розділі подано розроблені алгоритми та наведено приклади програмної частини роботи FPV-дрона. Розглянуто обробку даних сенсорів, реалізацію PID-регулювання, взаємодію з ESC через DShot, приймання команд за протоколом CRSF (ExpressLRS), логіку Failsafe та GPS Rescue, а також формування телеметрії для відображення у відеопотоці. Шостий розділ містить електричну принципову схему FPV-дрона, схеми підключення всіх модулів та схеми взаємодії інтерфейсів. Наведено детальні креслення з’єднань польотного контролера, ESC, GPS, відеосистеми, приймача та інших компонентів. У сьомому розділі розглянуто моделювання динаміки руху дрона, принципи роботи PID-регуляторів та визначення їх параметрів у середовищі MATLAB/Simulink. Виконано аналіз стійкості, поведінки дрона під час перехідних процесів та ефективності регулювання. У восьмому розділі наведено опис розгорнутої функціональної схеми автоматизації та структурної схеми системи керування FPV-дроном. Детально проаналізовано взаємодію між сенсорами, виконавчими механізмами, каналами зв’язку та обчислювальними модулями, а також пояснено логіку обміну сигналами та реалізацію контурів керування. У дев’ятому розділі сформовано специфікацію технічних засобів системи керування FPV-дроном. Наведено перелік апаратних компонентів із зазначенням їх основних технічних характеристик та призначення що дає можливість оцінити склад і конфігурацію розробленої системи керування. Ключові слова: FPV-дрон, система керування, Betaflight, DShot, CRSF, стабілізація польоту, цифрові інтерфейси, польотний контролер Перелік джерел посилання: 1. Quan, Q. Introduction to Multicopter Design and Control. Springer Singapore, 2017. 464 p. 2. Bhardwaj, A., & Gupta, K. Analysis of Communication Protocols for Small Unmanned Aerial Vehicles. Journal of Robotics and Automation, 2022. Vol. 6, No. 1. P. 112-125. 3. Ang, K. H., Chong, G., & Li, Y. PID control system analysis, design, and technology. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2005. Vol. 13, No. 4. P. 559-576. 4. Betaflight Documentation. Betaflight Open Source Flight Controller Firmware Architecture. [Електронний ресурс]. URL: https://betaflight.com/docs/ 5. Beard, R. W., & McLain, T. W. Small Unmanned Aircraft: Theory and Practice. Princeton University Press, 2012. 320 p.