FC 1S MATRIX BETAFPV
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la scheda perfetta per i Tinywhoop digitaliIn questo articolo vi parleremo della nuova scheda controllo volo (FC) che BetaFpv ha studiato per ridefinire le prestazioni dei piccoli droni Whoop. Parliamo del modello Matrix 1S. Questa scheda, dalla classica forma a croce (air fc) realizzata su un pannello PCB (printed circuit board) di colore nero e spessore 1 mm, ha una migliore resistenza meccanica agli urti, rispetto ad altre schede dello stesso segmento, e la sua versatilità deriva dalla differente configurazione hardware. Viene infatti prodotta in due versioni: la versione 3 in 1 per droni digitali e la versione 4 in 1 per droni analogici. La differenza tra le due versioni riguarda la presenza o meno dei pad per poter saldare la VTX analogica esterna. Quella che abbiamo avuto modo di provare è la versione 3 in 1 che abbiamo utilizzato anche per creare delle varianti del drone Toothpick Verbena 1S e sperimentare il suo comportamento con alcune nuove canopy, studiate appunto per l’alloggiamento della cam fpv DJI O4 lite, e stampate in 3D dal nostro caro Roberto.
Unboxing
Il Flight Controller viene spedito racchiuso nella classica scatolina quadrata di BetaFPV che, già dalle piccole dimensioni dell’imballaggio, svela quanto sia compatta e leggere questa scheda. All’interno della scatola troviamo la scheda FC, l’adattatore esterno da USB Type C a connettore SH 1.0, il cavo con i connettori SH, già cablati correttamente per il collegamento dell’unità DJI al flight controller, le viti di fissaggio di due dimensioni e i supporti in gomma per lo smorzamento inerziale. Prendendo in mano la scheda del peso di appena 3,8 grammi si ha l’impressione di avere in mano una piuma ma allo stesso modo si può notare come la struttura sia solida e i componenti ben posizionati. Controllando i componenti stessi ci si rende subito conto delle due principali novità che differenziano questo flight controller Matrix 1S dal suo predecessore BetaFpv F4 AIO 1S, che potete vedere a questo link.
La nuova scheda ha un processore di ultima generazione del tipo STM32G473CEU6 che si differenzia dal vecchio processore STM32F411CEU6 per una maggiore velocità di aggiornamento del bus (168 MHz contro i precedenti 108MHz). Sono cambiati anche l’accelerometro e il giroscopio che ora sono del tipo ICM42688P e non più del modello BMI 270. Questa implementazione migliora di molto le caratteristiche della scheda potendo utilizzare appieno la frequenza di aggiornamento del PID Loop a 8KHz, invece che a 3,2 KHz, garantendo quindi una migliore risposta dei filtri ai disturbi che possono affliggere l’accelerometro e il giroscopio.
Viene aggiornato anche il chip di memoria della scatola nera (black box) che ora presenta una memoria flash da 16 Mb contro la versione precedente da 8Mb. Questo consente di memorizzare più dati della telemetria di volo in modo da rendere più precisa l’attività di PID Tuning.
Un altro miglioramento importante riguarda la parte dell’elettronica di potenza. I regolatori ESC dei motori ora sono in grado di sopportare spunti fino a 18A e un assorbimento costante fino a 12A. Il BEC da 5V è stato migliorato per erogare una corrente fino a 3A. Come alcuni piloti di Whoop avranno sperimentato, nella precedente versione del flight controller, o in flight controller di altre marche, l’abbassamento della carica della batteria ad una cella (1S) sotto la soglia dei 3,3V causa un crollo anche della soglia di corrente erogata e questo, a sua volta, causa lo spegnimento dell’unità video con conseguente perdita del segnale da parte dei visori Goggles FPV.
Come già scritto, il nuovo BEC è in grado di erogare 3A di corrente in maniera costante fino al raggiungimento di una tensione della batteria inferiore ai 2,85V. Questo fa sì che l’unità video, sia essa digitale o analogica, non si spenga quando viene segnalata batteria scarica sui visori, tramite il sistema informativo di volo OSD.
Tutti questi accorgimenti adottati da Betafpv nello sviluppo della nuova scheda FC Matrix 1S ci hanno portato a valutare positivamente il prodotto e soprattutto il marchio Betafpv che, ancora una volta, si dimostra attenta alle segnalazioni pervenute dalla community dei piloti di droni e volenterosa di crescere migliorando la qualità dei propri prodotti.
Montaggio
Come abbiamo scritto all’inizio dell’articolo, ci siamo cimentati nel montaggio di questa nuova scheda FC su un frame VERBENA-C 75 di Rhobby FPV, che potete trovare a questo link.
La FC Matrix 1S di Betafpv, come le precedenti schede All in One, presenta tutti i connettori JST/SH necessari per poter costruire il drone senza effettuare alcuna saldatura. Questo accorgimento viene incontro ai neofiti che si accingono a costruire un toothpick per la prima volta e magari ancora non sono pratici di saldature a stagno. L’altra faccia della medaglia riguarda però il fatto che i connettori costituiscono dei punti deboli che possono essere soggetti a rottura o potrebbero aprirsi in caso di cadute, urti o forti vibrazioni. Contro questi problemi la soluzione rimane la saldatura dei fili di collegamento che però, in questo caso, risulta non essere semplice in quanto i pad sono molto ravvicinati e vicino ai componenti elettronici.
Per quanto ci riguarda abbiamo scelto di installare sul frame i motori BETAFPV 0802SE da 19500kv, che potete vedere a questo link, i quali presentano già i connettori JST adatti per il collegamento rapido alla scheda controllo volo.
Anche per quanto riguarda l’installazione dell’unità video DJI O4 lite la procedura è semplificata dalla possibilità di utilizzare il cavetto con i connettori SH già cablati.
Per montare il tutto quindi abbiamo impiegato meno di mezz’ora e l’unico aspetto a cui abbiamo dovuto porre attenzione è il punto in cui vi è l’antenna del modulo radio ELRS, che risulta essere un po’ delicato essendo l’antenna stessa un filo esile saldato alla scheda.
Per quanto ci riguarda non abbiamo installato null’altro sul Toothpick, essendo un quadricottero alimentato a batteria 1S che si usa prevalentemente per divertirsi volando in ambienti chiusi o in piccoli spazi all’aperto, ma è possibile eventualmente montare un GPS o altra periferica avendo a disposizione anche altre porte UART libere che sono la n.2 e la n.3.
In questo caso è necessario però procedere alla saldatura dei fili sugli appositi PAD ed è necessario dissaldare due resistori dalla scheda per poter usare anche la UART 3 quindi procedimenti non proprio adatti a tutti. Vicino al connettore dell’unità video digitale è possibile poi trovare anche i pad per installare i led per gli effetti visivi del drone se volete sbizzarrirvi con le luci.
Anche se non abbiamo avuto modo di vederla, facciamo un accenno sul montaggio della scheda Betafpv Matrix 1S Analogica. Per installare questa scheda FC sul drone dovrete procedere sicuramente con la saldatura dei fili di collegamento alla VTX analogica usando gli appositi PAD di alimentazione e Video In e Video Out. In questo caso viene usata la porta UART1 (TX1) come canale smartaudio o IRC. I pad, in questo caso, presentano piazzole un po’ più larghe ma comunque abbastanza vicine quindi dovrete usare punte per saldatura abbastanza sottili ed usare anche un po’ di attenzione al fine di evitare di creare falsi contatti o corto circuiti.
Configurazione
Per configurare la scheda è necessario effettuare il collegamento tramite porta USB-C al computer dove è installato il configuratore Betaflight. Non vi è invece la possibilità di usare altri configuratori come INAV. Anche in questo caso è possibile usare il comodo adattatore USB-C collegato alla scheda FC tramite il cavetto precablato con i connettori SH a 4 pin. Per quanto riguarda gli ESC è già installato e configurato il firmware Bluejay A_X_5_96_v0.19.2 e sinceramente vi sconsigliamo di andare a fare delle modifiche a queste impostazioni. Collegata la scheda FC al configuratore si può vedere che è già installato il firmware Betaflight 4.5.1 e, anche in questo caso, vi sconsigliamo di aggiornare la scheda o di effettuare un downgrade alle versioni di Betaflight precedenti. Lo stesso team di sviluppo di BetaFPV ha specificato che la scheda Betafpv Matrix 1S è stata ideata per funzionare con la versione di Betaflight 4.5 questo perchè, nelle precedenti versioni, vi erano alcuni problemi di gestione dell accelerometro e giroscopio ICM42688 che sono stati superati solo nelle ultime versioni. Se in un futuro dovrete aggiornare la scheda ricordatevi che i firmware sono distinti per la versione Matrix 1S 3 in 1 e per la versione Matrix 1S 4 in 1.
Per quanto riguarda la configurazione del nostro drone Verbena-C 75 abbiamo dovuto seguire i seguenti passaggi:
- Fatto una calibrazione dell’accelerometro e verificato i movimenti del drone. Alla fine abbiamo montato il flight controller rispettando il verso di orientamento indicato sulla scheda stessa quindi non abbiamo dovuto modificare i parametri del giroscopio;
- Nella sezione porte abbiamo configurato la ricevente radio ELRS sulla porta UART 3 e l’unità video DJI 04 lite sulla porta UART4;
- Sulla scheda configurazione abbiamo regolato la frequenza di aggiornamento del loop dei PID impostandolo a 4 MHz mentre rimane a 8 MHz la frequenza di aggiornamento del giroscopio. Abbiamo anche impostato l’angolo di Arming a 180° per poter usare la funzione di flip ed impostato il buzzer beacon DSHOT (suono tramite i motori) perchè funzionasse abbinato ad un comando radio (RX_SET);
- Dai preset abbiamo scaricato le configurazioni specifiche per ELRS a 500 Hz e per l’uso della OSD Digitale DJI;
- Nella pagina di configurazione del radiocomando abbiamo verificato che funzionasse il collegamento e che i canali impostati nel modello radio EdgeTX/OpenTX funzionassero tutti. Se non funziona controllate che sia selezionato il protocollo SERIAL (Via UART) – CRSF. Controllate anche che sia abilitato il flag telemetria;
- Nella schermata dedicata alle modalità di volo abbiamo impostato i vari comandi abbinati ai canali impostati sul radiocomando;
- Per quanto riguarda la configurazione dei motori abbiamo scelto di impostare la versione di marcia invertita quindi abbiamo modificato il protocollo motore su DSHOT300 e abilitato il BIDIRECTIONAL SHOT inserendo i dati dei nostri motori. Salvato questa configurazione abbiamo rifatto la mappatura dei motori e verificato il verso di rotazione.
- Nella pagina di configurazione della OSD abbiamo impostato la visualizzazione delle informazioni di volo come da nostre preferenze personali.
- Ultimo passaggio abbiamo configurato la registrazione della Blackbox in modo che registrasse i dati del Giroscopio (Gyro Scaled) alla frequenza di aggiornamento dei 4MHz.
Esperienza di volo e consigli per il tuning base
Il primo volo è stato fatto mantenendo le impostazioni di base per quanto riguarda i Rates, i filtri e il PID Tuning. Rispetto alle versioni di Verbena 75, che avevamo testato in passato e che erano frutto di conversioni di altri piccolini come il BetaFPV Air 75 oppure Happymodel Mobula 8 come avevamo descritto anche in questo articolo, con questa scheda FC otteniamo un volato ancora più pulito e stabile dato probabilmente dalla presenza del giroscopio e accelerometro ICM42688 settato a dovere per funzionare senza difetti con la nuova versione di Betaflight 4.5. Anche ad alti livelli di giri motore, throttle al 80/100%, le vibrazioni vengono filtrate bene e si notano poche oscillazioni durante il volo. Chiaramente, come per tutte le versioni piccole di droni Toothpick o Tinywhoop l’effetto propwash si sente abbastanza soprattutto quando si decelera bruscamente. Per quanto riguarda il controllo del drone, invece, durante il volo abbiamo notato una certa lentezza nella risposta ai comandi, aspetto che ci ha colpito in quanto, nelle precedenti versioni, il drone era fin troppo scattante. Tornando al banco di lavoro, da una analisi dei dati della blackbox, abbiamo notato che effettivamente i disturbi di vibrazione del telaio sono quasi nulli mentre sono più marcati i rumori dovuti alla risonanza dei motori dove si vedono bene le derivate di terza e di quinta armonica date dal volo con eliche a tre pale e alcuni disturbi ad alte frequenze che, purtroppo, l’accelerometro ICM42688 fa più fatica a controllare. Nel settare i filtri quindi abbiamo disattivato il filtro passa basso (low pass filter) primario ma abbiamo lasciato il secondario (low pass filter 2) mettendo una frequenza di cut off alta sui 600 Hz e un tipo PT2 leggermente più aggressivo del PT1. Il filtro RPM dei motori deve essere impostato per testare 3 armoniche (3/5/7) tenendo una frequenza minima intorno a 110/120Hz. Qui è importante poi settare il peso delle armoniche con il comando set rpm_filter_weights = 100, 0, 80 per eliche a tre pale. Se avessimo avuto solo eliche bipala avremmo dovuto usare il comando set rpm_filter_weights = 100, 80, 0. Questi comandi si danno direttamente dalla schermata CLI del configuratore Betaflight. Dato che la registrazione della Black Box di Betaflight non ci mostrava particolari problematiche con la nostra piccola build abbiamo anche sistemato il filtro D-TERM disattivando il filtro secondario e lasciando solo il filtro primario in modalità Dinamico con frequenza minima 100 Hz e frequenza massima 125 Hz, impostando un esponente della curva a 7 e il tipo di filtro BIQUAD. Questo rende il filtro un po’ più aggressivo ma ci è sembrato opportuno impostarlo così proprio perché i droni Toothpick o Tinywhoop sono spesso soggetti a vibrazioni legate più alle loro dimensioni ridotte che ad altri difetti della build e che cerchiamo di eliminare, vedi le vibrazioni dovute al propwash. Sul bilanciamento dei PID non abbiamo effettuato alcun tuning in quanto non lo abbiamo ritenuto necessario per il tipo di utilizzo che si fa dei droni Toothpick o Tinywhoop. Chiaramente se siete piloti professionisti che usate questo tipo di droni per delle competizioni allora il discorso cambia radicalmente ma per quanto ci riguarda noi usiamo questi piccoli droni per esercitarci nel giardino di casa, al parchetto o anche dentro casa giusto per divertirsi un po’ quando non si può volare con i droni da 5 pollici per freestyle o per mountain surfing, ecc… Riguardo l’aspetto legato alla poca reattività del nostro Verbena C con la scheda matrix 1S, abbiamo verificato alcune impostazioni che influenzano i Rates. Abbiamo notato che, nelle impostazioni del radiocomando, era attivo RC Smoothing in automatico ma con un valore pari a 100 che è molto conservativo. Abbiamo quindi modificato il valore portandolo a 40. Anche per quanto riguarda il profilo Rates abbiamo voluto impostare dei valori che ci consentissero di avere un drone più scattante che compensasse in parte la mancanza di potenza data dall’alimentazione 1S e dai motori piccoli. Abbiamo quindi scelto un profilo Actual Rates con i seguenti valori per roll e pitch (200 / 800 / 0,50) mentre abbiamo tenuto i valori base per Yaw.Conclusioni
Abbiamo visto come il flight controller Matrix 1S di BetaFPV costituisca un buon passo avanti rispetto alle versioni delle schede precedenti grazie al miglioramento dell’elettronica. Con questa scheda è possibile realizzare piccoli droni Toothpick o Tinywhoop che volano in maniera stabile e precisa e con cui ci si può allenare e divertire in ambienti al chiuso o in piccoli spazi all’aperto come i parchi giochi o il giardino di casa. Il fatto poi che questa scheda controllo volo sia in grado di reggere l’assorbimento anche delle recenti unità video DJI O4 lite vi garantirà di poter avere anche belle riprese video.
Il fatto poi di poter usare i connettori JST o SH per poter collegare rapidamente i componenti rende questa scheda perfetta per aiutare i neofiti nella realizzazione dei loro primi droni da allenamento.
Come detto però i connettori costituiscono anche dei punti deboli che possono essere soggetti a facili rotture e, avendo dei pad per il collegamento dei motori e delle periferiche abbastanza piccoli, il rischio è di non riuscire ad usare la scheda senza i componenti precablati venduti da BetaFPV stessa almenochè non siate già abbastanza esperti nell’effettuare le saldature.
Anche il filamento dell’antenna del modulo ricevente radio ELRS ci è sembrata delicata e possibile causa di rottura. La ricevente però ha sempre funzionato bene e non abbiamo mai avuto problemi con il segnale radio.
Chiaramente, ci teniamo a sottolinearlo nuovamente, questa scheda FC può essere utilizzata solo con droni alimentati a batteria a singola cella 1S quindi adatta per droni da 2” o leggermente più grandi. Con questo tipo di droni non si può pensare di volare a distanze fino a 500 metri o altezze fino ai 100 metri di altezza (limiti di legge) ma sono adatti per volare vicino a noi in quanto molto leggeri ed inoffensivi qualora dovessero urtare contro persone o oggetti.
Se volete quindi realizzare il vostro primo drone Tinywhoop o Toothpick o se dovete sostituire la scheda al vostro piccolo quadricottero perchè volete semplicemente fare un upgrade all’elettronica, questo è il prodotto che fa per voi.
Articolo scritto da Marco Greco, caricato sul sito da Matteo Del Pino, foto di Marco Greco e Roberto Sassara.
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