Создайте систему восстановления баллистического парашюта для вашего дрона

Начиная с 21 декабря 2015 года Федеральное управление гражданской авиации (FAA) начало требовать от любителей регистрировать свои беспилотные воздушные системы, часто называемые дронами. После двухдневной регистрации в базе данных содержалось 45 000 самолетов, предназначенных для личного пользования. Этот мандат был сформулирован Федеральным авиационным управлением (FAA) для повышения ответственности за операции с дронами и уменьшения количества аварий с участием небольших дронов. Неспособность зарегистрировать личный дрон весом от 0,55 фунта. и 55 фунтов. может приговорить вас к штрафу в размере до 27000 долларов. В мае 2017 г. федеральный судья вынес решение против требования о регистрации, но этот вопрос может быть обжалован («Федеральный апелляционный суд аннулирует правило FAA о регистрации модельных самолетов», Джон Гоглиа, Forbes, 19 мая 2017 г.).

Дроны повсюду; Фактически, по оценкам FAA, к 2020 году в небе будет около 7 миллионов дронов. Поскольку все больше и больше людей используют дроны, задачей FAA стало обеспечение мирной и безопасной работы любителей дронов. Вы можете посетить их веб-сайт, чтобы увидеть ограничения, которые вы должны соблюдать как владелец дрона, включая ограничения по весу, ограничения прямой видимости (LoS) и ограничения аэропорта, среди прочего. Все это создано для обеспечения безопасных условий для тех, кто и не участвует в полете.

Все мы видели в небе квадрокоптер, который так величественно летал в одном месте, пока не упал, как камень. В отличие от самолетов с неподвижным крылом, квадрокоптеры теряют подъемную силу, когда батарея разряжена, или даже когда самолет выходит из строя, и его невозможно восстановить. Поскольку в небе продолжает появляться все больше и больше дронов, каждый должен взять на себя безопасность своего самолета. В рамках этого проекта будет изучена конструкция и конструкция системы восстановления баллистических парашютов для небольших беспилотных летательных аппаратов. Система восстановления, основанная на микроконтроллере Arduino, использует датчики для определения координат GPS, оставшегося напряжения батареи и ускорения. Если система определяет, что батарея дрона разряжена, или что он работает за пределами установленных границ GPS, или что устройство находится в свободном падении, система восстановления отключает питание двигателей и развертывает парашют, опуская самолет на высоту. земля на безопасной скорости.

Давайте создадим систему восстановления для нашего дрона!

Примечание. Большинство этих материалов можно найти в нескольких местах. При заказе запчастей учитывайте их стоимость и простоту. В этом руководстве будет рассмотрен простой обзор электрических цепей. Пожалуйста, сделайте безопасность своим главным приоритетом.

Дизайн

Система восстановления управляется независимо от бортового компьютера дрона с помощью микроконтроллера Arduino Nano, питаемого от отдельной литий-полимерной батареи 7,4 В, для обеспечения надлежащей работы системы восстановления в случае разряда основной батареи. Этот микроконтроллер имеет 14 цифровых входов / выходов, 8 аналоговых контактов, регулируемый источник питания 5 В с тактовой частотой 16 МГц и 2 КБ SRAM. Через этот блок завершаются все процессы мониторинга и принятия решений. Каждый аппаратный компонент подключается к микроконтроллеру через цифровые или аналоговые контакты ввода / вывода.

Акселерометр - Акселерометр подключается через аналоговые входные контакты микроконтроллера. Компоненты ускорения в направлениях x, y и z считываются в соответствии со значениями напряжения, генерируемыми акселерометром. Поскольку модуль акселерометра не требует большого тока, выводы аналогового выхода были достаточным источником питания для акселерометра.

GPS - Модуль GPS питается от специальной батареи системы восстановления и обменивается данными через последовательное («Software Serial») соединение на цифровых выводах ввода / вывода микроконтроллера. Устройство GPS передает данные NMEA через последовательное соединение RS232 на Arduino.

Датчик напряжения - Датчик напряжения подключается к аналоговому выводу микроконтроллера. Блок датчика напряжения действует как делитель напряжения 4:1, обеспечивая диапазон напряжения в пределах схемы аналого-цифрового преобразования на аналоговых входных контактах Arduino.

Модуль реле 5 В e - Модуль реле активируется цифровым сигналом 5 В от микроконтроллера и отключает питание двигателей дрона при активации. Это конкретное реле было «Active HIGH», подавая сигнал 5 В на модуль, который активирует внутренний переключатель.

Серводвигатель - Серводвигатель, который раскрывает парашют, управляется с помощью сигнала широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с цифровых контактов микроконтроллера. Для экономии энергии системы рекуперации серводвигатель сначала устанавливается на закрытие, а затем фактически отсоединяется от системы. Это экономит батарею и вычислительную мощность Arduino, поскольку давление на спускную дверцу парашюта удерживает дверцу закрытой.

Парашют - Парашют, используемый для восстановления, представляет собой MARS Mini, который также может быть сконструирован и спроектирован как отдельный компонент. Парашют MARS Mini раскрывается дверью, управляемой серводвигателем, которая сдерживает давление. Ткань парашюта выпускается наружу с помощью внутреннего пружинно-плунжерного механизма. Сброс устройства возможен для быстрого тестирования и внедрения. Этот парашют может быть сконструирован из трубки из ПВХ, большой пружины, опорной плиты, двери, напечатанной на 3D-принтере, и держателя серводвигателя, а также серводвигателя. Пожалуйста, смотрите изображения для получения дополнительной информации. На рисунке ниже представлена ​​общая схема системы восстановления:

Программное обеспечение

Программное обеспечение постоянно отслеживает три условия, чтобы определить, произошла ли неисправность самолета:истощение напряжения основной батареи, свободное падение самолета и расстояние за пределами прямой видимости (LOS) от пилота в соответствии с GPS. С помощью аппаратных компонентов, описанных ранее, можно получать значения в реальном времени от этих компонентов для мониторинга.

При мониторинге значений требуется специальная калибровка для правильного использования в качестве системы восстановления. Значения акселерометра необходимо настроить для определения свободного падения. Датчик напряжения должен быть откалиброван для надлежащего напряжения отключения двигателей. GPS должен получить текущее положение со спутников и сравнить его с ожидаемыми значениями, хранящимися в микроконтроллере. Как только эти компоненты будут установлены, БПЛА будет готов к полету. Процесс разработки программного обеспечения показан на рисунке ниже.

Блок-схема программного обеспечения системы восстановления

GPS

Устройство GPS постоянно передает информацию о местоположении (широта, долгота, высота и время) в текстовом формате Национальной ассоциации морской электроники (NMEA) 183,5 (ASCII). Устройство обменивается данными с Arduino Nano через последовательное соединение RS232 со скоростью 38400 бод.

Чтобы соответствовать действующим правилам FAA, оператор и / или помощник по полету должны иметь полный обзор самолета в режиме прямой видимости во время полета. Если летательный аппарат превысит заданную дальность от точки взлета, система спасения возьмет на себя управление и отключит питание основной системы. После отключения питания система восстановления развернет парашют и благополучно приземлится.

Датчик напряжения

Программное обеспечение датчика напряжения непрерывно запрашивает значение от основного источника питания. Бесщеточные двигатели постоянного тока, часто используемые на БЛА, зависят от напряжения:то есть напряжение источника питания в первую очередь определяет, могут ли двигатели продолжать работать. Литий-полимерные батареи (LiPo) обычно используются в самолетах-любителях БЛА. Эти батареи имеют постоянное напряжение до тех пор, пока батарея не достигнет конца заряда. В этот момент напряжение батареи быстро падает. После опроса напряжения аккумуляторной батареи двигателя система восстановления определяет, подходит ли состояние самолета для безопасного полета. Если это так, система продолжает наблюдение. Если напряжение основной батареи недостаточное, система восстановления отключает питание самолета через реле и раскрывает парашют для безопасной посадки. Определение напряжения батареи в реальном времени наиболее применимо к многороторным системам. Самолеты имеют возможность планировать, когда они выключены в середине полета. В отличие от системы с неподвижным крылом, для стабильного полета мультикоптеры должны приводить в действие все двигатели. Контролируя напряжение батареи, можно определить потенциально опасные условия полета.

Акселерометр

Трехосевой акселерометр, прикрепленный к системе восстановления, постоянно отслеживает силы, действующие на самолет. Цель акселерометра - контролировать БПЛА для обнаружения свободного падения. В то время как другие силы, действующие на БПЛА, могут быть полезны для определения ориентации и движения, акселерометр должен отслеживать случай, когда БПЛА может находиться в небезопасном состоянии. В случае, если оператор теряет контроль над летательным аппаратом, когда многие БПЛА не могут восстановиться после ускорений свободного падения, система восстановления развертывает парашют и отключает питание основных органов управления через реле. Акселерометр определяет свободное падение, когда самолет испытывает нулевое ускорение по осям x, y и z (из-за особенностей работы акселерометра).

Как собрать:

Электроника:

1. Соберите все детали, перечисленные в таблице, представленной ранее в этой статье. Вы также можете приобрести паяльник, если вы не будете использовать перемычки от разъемов. В этом руководстве мы будем предполагать, что все платы поставляются со штырями заголовка. В противном случае их покупка и установка очень дешевы. Вам также необходимо будет загрузить и установить новейшую IDE Arduino в вашу систему. Код документирован на каждом этапе. Если вы никогда раньше не использовали Arduino, это будет отличный проект для начала! Пожалуйста, подумайте о редактировании кода в соответствии с вашими настройками. Калибровка акселерометра и калибровка GPS потребуются для каждой отдельной единицы восстановления. Сначала мы настроим электронику для системы.

2. Выберите тройник с отводом аккумулятора из ваших деталей. Отрежьте заземляющий кабель (или черный кабель) от основной батареи дрона. Это реле будет последовательно вставлено между обрезанными концами черного провода питания и будет использоваться для отключения питания основной системы. Зачистите оба конца обрезанного черного кабеля и вставьте один конец в NO, а другой - в COM-порт реле 5 В.

3. Отрежьте два небольших провода «сниффера», подключенных к Т-образному разъему аккумулятора, и зачистите каждый из них. Эти два провода обеспечивают возможность определения напряжения аккумуляторной батареи для основного источника питания БПЛА. Вставьте два провода в два порта на датчике напряжения, сохраняя черный провод как GND, а красный провод как VCC. Это обеспечит правильную полярность и оценку стоимости при реализации нашего дизайна.

4. Это шаг, который требуется для моей системы из-за конкретных компонентов, которые я заказал. Возможно, вам придется внести соответствующие изменения.

Создайте 5-контактный-5-контактный гнездовой разъем. Припаяйте провода от одного к другому по горизонтали, так что вход от одного вертикального набора разъемов соответствует соседнему входу следующего. См. Изображение на странице Female Header Pin Connection.jpg. Эта установка работает так же, как и 5-проводная перемычка «мама-мама», мне просто не нужен дополнительный набор проводов.

5. Теперь возьмите один ряд 8-ми контактных разъемов с гнездовой головкой и припаяйте провода друг к другу. Это создаст соединительный концентратор для питания 5 В. Сделайте это дважды, чтобы также построить одно соединение для GND.

6. Подключите контакт EN реле 5V к контакту D5 платы Arduino с помощью перемычки «мама-мама». Затем подключите VCC и GND к соответствующим концентраторам с помощью перемычки «мама-папа». Примечание. концентраторы пока не нужно подключать к соединениям Arduino 5V и GND.

7. Соедините контакт S датчика напряжения с контактом Arduino A7 с помощью перемычки «мама-мама». Подключите контакт «-» к концентратору GND. Этот датчик напряжения действует как делитель напряжения для обнаружения более высокого напряжения.

8. Подключите набор из 2 перемычек «мама-мама» к контактам VCC и GND на модуле GPS, а набор из 2 перемычек «мама-мама» к контактам RXD и TXD. Затем подключите VCC и GND к их соответствующим концентраторам. Кроме того, подключите конец TXD к контакту D2, а конец RXD - к контакту D3 на плате Arduino.

9. Наконец, нам нужно подключить акселерометр к нашей системе. Вставьте акселерометр в аналоговые контакты A1-A5 на Arduino Nano, используя систему разъемов 5pin-5pin, которую мы создали на шаге 4. Убедитесь, что вы выполнили следующие подключения:

A1:VCC
A2:X_OUT
A3:Y_OUT
A4:Z_OUT
A5:GND

Вы можете изменить эту конфигурацию, но если вы это сделаете, вы должны изменить код, чтобы использовать сделанное вами назначение контактов. Чтобы сделать акселерометр более стабильным, рекомендуется подключить вывод VCC к источнику 5V nano, а вывод GND - к GND nano. Это может быть шагом для вашей будущей итерации и калибровки.

10. Последний шаг - загрузить предоставленную программу Arduino (Ballistic_Parachute_System.ino) на ваш микроконтроллер Arduino. После загрузки в Arduino IDE выберите свою плату и COM-порт и просто нажмите "Загрузить".

Парашют:

Примечание. Я рекомендую вам взглянуть на этот дизайн парашюта и, если хотите, сделать свой собственный. Парашют - это не что иное, как кусок материала (нейлон отлично подходит) с веревкой, чтобы связать все вместе. Проверьте свой парашют, сбросив его с чего-нибудь высоко, чтобы убедиться в правильности регулировки.

1. Мини-парашют MARS будет очень легко подключить к системе. Поскольку код уже написан в нашей программе Arduino, нам просто нужно подключить его к нашей системе. Для этого у нас есть провод, который подключается к контакту D4 на Arduino Nano.

2. Подключите красный и черный провода от серводвигателя на парашюте к концентраторам 5V и GND, сделанным ранее в этом руководстве. Это должно завершить ваши подключения.

Калибровка и тестирование:

В коде Arduino найдите равновесие на акселерометре (все силы в x, y и z одинаковы), проверьте сигнал GPS и данные о местоположении и найдите напряжение батареи, при котором ваш LiPo начинает падать. Эта калибровка может занять некоторое время, но, в конце концов, она сделает ваш полет более безопасным для всех, кто непосредственно вовлечен, а кто нет.

Удачи!

Выводы и дальнейшая работа

В систему можно внести ряд улучшений. Во-первых, можно было бы выполнять более сложную обработку данных акселерометра, обнаруживая необычное положение, например, перевернутый винтокрылый аппарат, вместо того, чтобы просто обнаруживать свободное падение. В частности, для самолетов с неподвижным крылом, если планер аэродинамически устойчив и высота достаточна для выхода из сваливания, раскрытие парашюта может быть отложено на время, давая планеру возможность самостоятельно выйти из сваливания. или с помощью пилота. Во-вторых, можно определить более сложную геозону GPS, возможно, на основе сертификата подлинности FAA или других правил эксплуатации, а не просто определения дальности от точки взлета.

Подробнее…

Создайте систему восстановления баллистического парашюта для вашего дрона