Construa um sistema de recuperação de pára-quedas balístico para seu drone

A partir de 21 de dezembro de 2015, a Federal Aviation Administration (FAA) começou a exigir que os amadores registrassem seus Sistemas Aéreos Não Tripulados - geralmente chamados de drones. Após dois dias de registro, o banco de dados continha 45.000 aeronaves dedicadas e projetadas para uso pessoal. Este mandato foi estabelecido pela Federal Aviation Administration (FAA) para aumentar a responsabilidade pelas operações de drones e reduzir acidentes envolvendo pequenos drones. Falha ao registrar um drone pessoal pesando entre 0,55 libras. e 55 libras. pode resultar em uma multa de até $ 27.000. Um juiz federal decidiu em maio de 2017 contra a exigência de registro, mas a questão pode ser objeto de recurso (“Tribunal Federal de Recursos anula a regra de registro da FAA para modelos de aeronaves”, John Goglia, Forbes, 19 de maio de 2017).

Drones estão por toda parte; na verdade, a FAA estima que até o ano 2020 haverá aproximadamente 7 milhões de drones no céu. À medida que mais e mais pessoas usam drones, tornou-se missão da FAA garantir que os entusiastas dos drones operem de maneira pacífica e segura. Você pode visitar o site deles para ver as restrições que você deve cumprir como proprietário de drones, incluindo restrições de peso, restrições de linha de visão visual (LoS) e restrições de aeroporto, entre outras. Todos estes são colocados em prática para garantir um ambiente seguro para aqueles que estão, e aqueles que não estão, envolvidos no voo.

Todos nós vimos um quadricóptero no céu - voando tão majestosamente em um local - até cair como uma rocha. Ao contrário das aeronaves de asa fixa, os quadricópteros perdem a força de sustentação quando a bateria se esgota ou mesmo quando a nave está danificada além de sua capacidade de recuperação. Como continua a haver mais e mais drones no céu, todos devem ter a segurança de suas aeronaves em suas mãos. Este projeto explorará o projeto e a construção de um sistema de recuperação de pára-quedas balístico para pequenas aeronaves não tripuladas. O sistema de recuperação, baseado em um microcontrolador Arduino, usa sensores para determinar as coordenadas do GPS, a tensão restante da bateria e a aceleração. Se o sistema determinar que a bateria do drone está esgotada, ou que está operando fora dos limites prescritos do GPS, ou que a unidade está em queda livre, o sistema de recuperação corta a energia dos motores e dispara o pára-quedas, baixando a aeronave para o solo a uma velocidade segura.

Vamos construir um sistema de recuperação para nosso drone!

Nota: Haverá vários lugares onde você poderá encontrar a maioria desses materiais. Leve em consideração o custo e a simplicidade ao fazer o pedido de suas peças. Uma visão geral simples dos circuitos elétricos será abordada neste tutorial. Por favor, faça da segurança sua prioridade.

Design

O sistema de recuperação é controlado independentemente do computador de vôo do drone através do uso de um microcontrolador Arduino Nano alimentado por uma bateria LiPo de 7,4 V separada, para garantir a operação adequada do sistema de recuperação no caso de uma bateria principal esgotada. Este microcontrolador fornece 14 pinos de entrada / saída digital, 8 pinos analógicos, uma fonte de alimentação de 5 V regulada com um relógio de 16 MHz e 2 KB de SRAM. Por meio dessa unidade, todos os processos de monitoramento e tomada de decisão são concluídos. Cada componente de hardware é conectado ao microcontrolador por meio dos pinos de E / S digitais ou analógicos.

Acelerômetro - O acelerômetro é conectado por meio de pinos de entrada analógica no microcontrolador. Os componentes de aceleração nas direções x, y e z são lidos de acordo com os valores de tensão gerados pelo acelerômetro. Como o módulo do acelerômetro não requer muita corrente, os pinos de saída analógica eram uma fonte de energia suficiente para o acelerômetro.

GPS - O módulo GPS é alimentado pela bateria do sistema de recuperação dedicado e se comunica por meio de uma conexão serial ("Serial do Software") nos pinos de E / S digital do microcontrolador. A unidade GPS transmite dados NMEA por meio de uma conexão serial RS232 para o Arduino.

Sensor de Tensão - O sensor de tensão se conecta a um pino analógico no microcontrolador. A unidade do sensor de tensão atua como um divisor de tensão 4:1, fornecendo uma faixa de tensão dentro dos limites do circuito de conversão analógico para digital nos pinos de entrada analógica do Arduino.

Módulo de Relé 5V e - O módulo de relé é ativado por um sinal digital de 5 V do microcontrolador e corta a energia dos motores do drone quando ativado. Este relé em particular era “Active HIGH”, fornecendo um sinal de 5 V ao módulo que ativa a chave interna.

Servo motor - O servo motor que dispara o paraquedas é controlado por meio de um sinal de modulação por largura de pulso (PWM) dos pinos digitais do microcontrolador. Para economizar energia para o sistema de recuperação, o servo motor é configurado para fechar inicialmente e então virtualmente desconectado do sistema. Isso economiza bateria e energia de processamento do Arduino, pois a pressão da porta de liberação do paraquedas mantém a porta fechada.

Pára-quedas - O pára-quedas utilizado para a recuperação é um MARS Mini, que também pode ser construído e projetado como seu próprio componente. Este pára-quedas MARS Mini é acionado por uma porta controlada por servo motor que retém a pressão. O tecido do pára-quedas é lançado para fora por uma mola interna e mecanismo de êmbolo. Reinicializar a unidade é possível para testes e implementação rápidos. Este pára-quedas pode ser construído com um tubo de PVC, uma grande mola, uma placa de base, uma porta impressa em 3D e um suporte do servo motor, além de um servo motor. Por favor, veja as fotos para detalhes adicionais. A figura abaixo apresenta o esquema geral do projeto do sistema de recuperação:

Software

O software monitora constantemente três condições para determinar se ocorreu falha da aeronave:esgotamento da tensão da bateria principal, queda livre da aeronave e distância além da linha de visão (LOS) do piloto de acordo com o GPS. Por meio dos componentes de hardware descritos anteriormente, é possível obter valores em tempo real desses componentes a serem monitorados.

Ao monitorar valores, uma calibração específica é necessária para o uso adequado como um sistema de recuperação. Os valores do acelerômetro precisam ser ajustados para detectar queda livre. O sensor de tensão deve ser calibrado para a tensão de corte adequada dos motores. O GPS deve obter a posição atual dos satélites e comparar com os valores esperados armazenados no microcontrolador. Assim que esses componentes forem configurados, o UAV estará disponível para vôo. O fluxo de design do software é descrito na figura abaixo.

Fluxograma de software do sistema de recuperação

GPS

A unidade GPS transmite constantemente informações de posição (latitude, longitude, altitude e hora) no formato de texto 183,5 da National Marine Electronics Association (NMEA) (ASCII). A unidade se comunica via conexão serial RS232 com o Arduino Nano a uma taxa de transmissão de 38400 baud.

Para cumprir os regulamentos atuais da FAA, o operador e / ou um assistente de vôo deve ter uma visão LOS completa da aeronave durante o vôo. Se a aeronave exceder o intervalo predeterminado de seu ponto de decolagem, o sistema de recuperação assumirá e cortará a energia do sistema principal. Depois de cortar a energia, o sistema de recuperação irá lançar o pára-quedas e pousar com segurança.

Sensor de tensão

O software do sensor de tensão pesquisa um valor continuamente da fonte principal da bateria. Os motores CC sem escova frequentemente usados ​​em UAVs dependem da voltagem:isto é, a voltagem da fonte de alimentação determina principalmente se os motores são capazes de continuar funcionando. A tecnologia de bateria de polímero de lítio (LiPo) é normalmente usada em aeronaves UAV baseadas em hobby. Essas baterias têm tensão constante até que a bateria chegue ao fim da carga. Nesse ponto, a tensão da bateria cai rapidamente. Depois de consultar a tensão da bateria do motor, o sistema de recuperação determina se o estado da aeronave é adequado para um vôo seguro. Se estiver, o sistema continuará monitorando. Se a tensão da bateria principal for inadequada, o sistema de recuperação corta a energia da aeronave por meio do relé e ativa o paraquedas para uma aterrissagem segura. Lidar com a tensão da bateria em tempo real é mais aplicável a sistemas com vários rotores. As unidades de asa fixa têm a capacidade de planar quando desligadas no meio do voo. Ao contrário do sistema de asa fixa, os multi-rotores precisam acionar todos os motores para um vôo estável. Ao monitorar a tensão da bateria, é possível determinar uma condição de vôo potencialmente insegura.

Acelerômetro

Um acelerômetro de 3 eixos acoplado ao sistema de recuperação monitora constantemente as forças exercidas na aeronave. O objetivo do acelerômetro é monitorar o UAV para detectar queda livre. Enquanto outras forças agindo sobre o UAV podem ser úteis para determinar a orientação e o movimento, o acelerômetro precisa monitorar a instância em que um UAV pode estar em um estado inseguro. No caso de o operador perder o controle da aeronave, onde muitos UAVs não podem se recuperar das acelerações de queda livre, o sistema de recuperação lança um paraquedas e corta a energia dos controles principais por meio do relé. O acelerômetro detecta queda livre quando a aeronave está experimentando 0 de aceleração nas direções x, y e z (devido à forma como o acelerômetro funciona).

Como montar:

Eletrônicos:

1. Reúna todas as peças listadas na tabela apresentada anteriormente neste artigo. Você também pode obter um ferro de solda se não for usar jumpers dos conectores. Para este tutorial, presumiremos que todas as placas vieram instaladas com pinos de cabeçalho. Caso contrário, eles são muito baratos para comprar e instalar. Você também precisará baixar e instalar o mais recente IDE do Arduino em seu sistema. O código foi documentado para cada etapa do caminho. Se você nunca usou um Arduino antes, este seria um ótimo projeto para começar! Considere editar o código de acordo com sua configuração. A calibração do acelerômetro e a calibração do GPS serão necessárias para cada unidade de recuperação individual. Primeiro, configuraremos os componentes eletrônicos do sistema.

2. Selecione o conector T com torneira de bateria de suas peças. Corte o cabo de aterramento (ou cabo preto) da bateria principal do drone. Este relé será inserido em série entre as pontas cortadas do fio preto de energia e usado para cortar a energia do sistema principal. Desencape as duas extremidades do cabo preto cortado e insira uma extremidade no NO e a outra na porta COM do relé de 5V.

3. Corte os dois pequenos fios “farejadores” conectados ao conector T da bateria e descasque cada um deles. Esses dois fios fornecem uma avenida para detectar a tensão da bateria para a alimentação principal do nosso UAS. Insira os dois fios nas duas portas do sensor de tensão, mantendo o fio preto como GND e o fio vermelho como VCC. Isso garantirá a polaridade adequada e a estimativa de valor ao implementar nosso projeto.

4. Esta é uma etapa necessária com meu sistema devido aos componentes específicos que encomendei. Você pode ter que se ajustar de acordo.

Construir um conector de pino fêmea de 5 pinos-5 pinos. A solda vai de um para o outro horizontalmente, de modo que a entrada de um conjunto vertical de conectores corresponda à entrada adjacente do próximo. Consulte Female Header Pin Connection.jpg para representação. Esta configuração funciona da mesma forma que uma unidade de jumper fêmea-fêmea de 5 fios, eu só não queria o conjunto extra de fios.

5. Agora, pegue uma única linha de conectores de pino fêmea de 8 pinos e solde os terminais um ao outro. Isso construirá um hub de conexão para alimentação de 5V. Faça isso duas vezes para também construir um para conexões GND.

6. Conecte o pino EN do relé de 5 V ao pino D5 da placa Arduino usando um fio de jumper fêmea-fêmea. Em seguida, conecte o VCC e o GND aos respectivos hubs usando um fio de jumper fêmea-macho. Nota: os hubs ainda não precisam ser conectados às conexões do Arduino 5V e GND.

7. Conecte o pino S no sensor de tensão ao pino A7 do Arduino usando um fio de jumper fêmea-fêmea. Conecte o pino '-' ao hub de conexão GND. Este sensor de tensão atua como uma unidade divisora ​​de tensão para detecção de tensão mais alta.

8. Conecte um conjunto de 2 fios de jumper fêmea-fêmea aos pinos VCC e GND em seu módulo GPS e um conjunto de 2 fios de jumper fêmea-macho aos pinos RXD e TXD. Em seguida, conecte o VCC e o GND a seus respectivos hubs. Além disso, conecte a extremidade TXD ao pino D2 e ​​a extremidade RXD ao pino D3 na placa Arduino.

9. Por último, precisamos conectar o acelerômetro ao nosso sistema. Insira o acelerômetro nos pinos analógicos A1-A5 no Arduino Nano usando o sistema de conector de 5 pinos-5 pinos que construímos na etapa 4. Certifique-se de seguir estas conexões:

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

Você pode alterar esta configuração, mas se o fizer, deve modificar o código para usar a atribuição de pin que você fez. Para tornar seu acelerômetro mais estável, é recomendado conectar o pino VCC à fonte do nano 5V e o pino GND ao GND do nano. Esta pode ser uma etapa para sua futura iteração e calibração.

10. A última etapa é carregar o programa Arduino fornecido (Ballistic_Parachute_System.ino) em seu microcontrolador Arduino. Ao carregar no IDE do Arduino, selecione sua placa e porta COM e simplesmente clique em upload.

Pára-quedas:

Nota: Eu encorajo você a olhar para este design de pára-quedas e fazer o seu próprio, se desejar. Um pára-quedas nada mais é do que um pedaço de material (náilon funciona muito bem) com um fio para amarrar tudo junto. Teste seu pára-quedas lançando-o de algo alto para garantir os ajustes adequados.

1. O mini pára-quedas MARS será muito fácil de conectar ao sistema. Como o código já está escrito em nosso programa Arduino, precisamos apenas conectá-lo ao nosso sistema. Para isso, temos um fio que se conectará ao pino D4 do Arduino Nano.

2. Conecte os fios vermelho e preto do servo motor no paraquedas aos hubs 5V e GND feitos anteriormente neste tutorial. Isso deve completar suas conexões.

Calibração e teste:

No código do Arduino, encontre o equilíbrio em seu acelerômetro (todas as forças em x, y e z são iguais), teste o sinal de GPS e os dados de localização e encontre a tensão da bateria na qual seu LiPo começa a cair. Essa calibração pode levar algum tempo, mas, no final, tornará seu voo mais seguro para todos os que estão, ou não, diretamente envolvidos.

Feliz fabricação!

Conclusões e trabalhos futuros

Uma série de melhorias podem ser feitas no sistema. Em primeiro lugar, um manuseio mais sofisticado dos dados do acelerômetro poderia ser feito, detectando atitudes incomuns, como um helicóptero virado de cabeça para baixo, em vez de simplesmente detectar uma queda livre. Em particular, para aeronaves de asa fixa, se a fuselagem for aerodinamicamente estável e a altitude for suficiente para a recuperação de um estol, o lançamento do pára-quedas pode ser atrasado por um tempo, dando à fuselagem a chance de se recuperar do estol por conta própria ou com assistência de piloto. Em segundo lugar, um geo-fence GPS mais sofisticado poderia ser definido, talvez com base em um COA da FAA ou outras regras operacionais, ao invés de simplesmente detectar o alcance do ponto de decolagem.

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