Введение
С развитием технологий беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) растёт популярность гоночных соревнований FPV-дронов. Для эффективного тренировочного процесса необходимы системы точного хронометража, позволяющие фиксировать время прохождения трассы. Существующие коммерческие решения (например, RotorHazard) отличаются высокой стоимостью (от 15 до 50 тыс. рублей), что делает их недоступными для большинства учебных заведений и любительских кружков [1]. Альтернативные системы на основе компьютерного зрения имеют значительную погрешность (0,2–0,5 с) и чувствительны к условиям освещения [2].
Целью работы является создание портативной системы хронометража с себестоимостью не более 3000 рублей, обеспечивающей точность измерения не хуже 0,1 с. В качестве метода детектирования выбран анализ мощности радиосигнала (RSSI) как компромисс между точностью, стоимостью и устойчивостью к внешним условиям.
1. Анализ существующих решений и выбор технологий
1.1. Сравнительный анализ систем хронометража
Проведён анализ трёх типов систем:
1. Профессиональные многозоновые системы (RotorHazard) — высокая точность (±1 мс), но сложность настройки и высокая стоимость.
2. Системы на основе компьютерного зрения — умеренная стоимость, но зависимость от освещения и погрешность 0,2–0,5 с.
3. Системы на основе RSSI — низкая стоимость, погрешность порядка 0,1 с, устойчивость к погодным условиям.
Для любительского использования наиболее предпочтительной является RSSI-технология [3].
1.2. Выбор аппаратной платформы
Рассмотрены микроконтроллерные платформы ESP32, STM32 и Raspberry Pi Pico. ESP32 выбран благодаря:
— встроенным модулям Wi-Fi и Bluetooth;
— тактовой частоте 240 МГц;
— объёму ОЗУ 520 КБ;
— развитой экосистеме и низкой стоимости [4].
В качестве приёмника сигнала использован модуль RX5808, работающий в диапазоне 5,8 ГГц (частота FPV-видеопередатчиков).
1.3. Физические основы метода RSSI
Мощность принимаемого сигнала уменьшается с расстоянием по закону обратных квадратов (уравнение Фрииса). Параметр RSSI представляет собой аналоговое напряжение, пропорциональное логарифму мощности. Для подавления шумов применяется фильтр Калмана с параметрами: дисперсия шума измерения — 20,0, дисперсия шума процесса — 0,004 [5].
2. Разработка аппаратно-программного комплекса
2.1. Аппаратная часть
Схема устройства построена на базе платы LilyGo T-ENERGY с интегрированным контроллером заряда для аккумулятора 18650. Основные соединения:
— выход RSSI RX5808 → GPIO33 (АЦП);
— управление RX5808 (DATA, SEL, CLK) → GPIO19, 22, 23 (SPI);
— светодиодная индикация → GPIO21;
— зуммер → GPIO27.
Питание RX5808 снижено до 3,3 В для уменьшения потребления с 120 до 72 мА без потери чувствительности. Для стабилизации сигнала RSSI установлен RC-фильтр (постоянная времени 10 мс).
2.2. Программное обеспечение
Программа написана на C++ в среде PlatformIO (фреймворк Arduino). Структура ПО:
— модуль обработки RSSI (laptimer.cpp) — детектирование пика сигнала;
— модуль конфигурации — хранение параметров в EEPROM;
— веб-сервер — управление через браузер.
Алгоритм детектирования использует два порога:
— enterRssi = 120 — начало отслеживания;
— exitRssi = 100 — фиксация пролёта.
Временная метка записывается в момент достижения максимума RSSI. Для исключения ложных срабатываний установлено минимальное время круга 100 мс.
Веб-интерфейс реализован как одностраничное приложение (SPA) с поддержкой WebSocket для обновления графика RSSI в реальном времени (20 Гц). Интерфейс русифицирован, кодировка UTF-8.
3. Экспериментальные исследования
3.1. Методика испытаний
Проведено 50 тестовых пролётов с варьированием:
— высоты (0,5–3 м);
— скорости дрона;
— количества одновременно работающих передатчиков (1–3).
Контроль точности осуществлялся с помощью электронного секундомера (±0,01 с) и высокоскоростной видеозаписи (240 кадр/с).
3.2. Результаты
Средняя погрешность системы составила 0,08 с (стандартное отклонение 0,12 с). Наилучшая точность (≤0,05 с) достигнута на высотах 0,5–1,5 м. При увеличении высоты до 3 м погрешность возрастает до 0,15 с из-за уменьшения крутизны фронта RSSI. При одновременной работе трёх дронов на соседних каналах наблюдалось увеличение погрешности до 0,15 с из-за взаимных помех. Дрейф показаний за 4 часа непрерывной работы составил менее 0,1 с.
Заключение
Разработан прототип портативной системы хронометража для гоночных дронов на базе ESP32 и RX5808. Система обеспечивает точность измерения времени пролёта не хуже 0,1 с при себестоимости менее 3000 рублей. Аппаратно-программный комплекс включает веб-интерфейс на русском языке, что упрощает использование в образовательных учреждениях.
Работа демонстрирует возможность создания доступных технических решений силами школьников, что способствует развитию инженерного образования в регионах.
Литература:
1. RotorHazard: Open Source Drone Racing Timing System. URL: https://github.com/RotorHazard
2. Chen, X., Zhang, L. Design of Low‑Cost Timing System for Drone Racing // Proc. of ICUAS. — 2023. — P. 234–241.
3. Freescale Semiconductor. Using the Received Signal Strength Indicator (RSSI) // AN5121. — 2020.
4. Espressif Systems. ESP32 Technical Reference Manual. — Version 4.7. — 2023.
5. Huang, H., Li, P. Kalman Filtering for RSSI Estimation in Wireless Sensor Networks // Journal of Communications and Networks. — 2022. — Vol. 24, No. 3. — P. 345–354.
