Bouw een ballistisch parachuteherstelsysteem voor uw drone

Vanaf 21 december 2015 begon de Federal Aviation Administration (FAA) hobbyisten te verplichten hun onbemande luchtsystemen te registreren - vaak drones genoemd. Na twee dagen registratie bevatte de database 45.000 vliegtuigen die speciaal waren ontworpen voor persoonlijk gebruik. Dit mandaat is opgesteld door de Federal Aviation Administration (FAA) om de verantwoordelijkheid voor drone-operaties te vergroten en ongevallen met kleine drones te verminderen. Het niet registreren van een persoonlijke drone met een gewicht tussen 0,55 lbs. en 55 pond. kan u een boete opleveren van maximaal $ 27.000. Een federale rechter oordeelde in mei 2017 tegen de registratievereiste, maar er kan beroep aangetekend worden (“Federal Appeals Court maakt FAA-registratieregels voor modelvliegtuigen ongeldig”, John Goglia, Forbes, 19 mei 2017).

Drones zijn overal; in feite schat de FAA dat er tegen het jaar 2020 ongeveer 7 miljoen drones in de lucht zullen zijn. Aangezien steeds meer mensen drones gebruiken, is het de missie van de FAA geworden om ervoor te zorgen dat drone-enthousiastelingen op een vreedzame en veilige manier werken. U kunt hun website bezoeken om te zien aan welke beperkingen u als drone-eigenaar moet voldoen, waaronder gewichtsbeperkingen, beperkingen voor visuele zichtlijn (LoS) en luchthavenbeperkingen. Al deze zijn ingevoerd om een ​​veilige omgeving te garanderen voor degenen die wel en niet betrokken zijn bij de vlucht.

We hebben allemaal wel eens een quadcopter in de lucht gezien - zo majestueus op één locatie vliegend - totdat hij als een rots naar beneden valt. In tegenstelling tot vliegtuigen met vaste vleugels, verliezen quadcopters de lift wanneer de batterij leeg is, of zelfs wanneer het vaartuig van streek raakt buiten het vermogen om te herstellen. Omdat er steeds meer drones in de lucht zijn, moet iedereen de veiligheid van zijn vliegtuig in handen nemen. Dit project onderzoekt het ontwerp en de constructie van een ballistisch parachuteherstelsysteem voor kleine onbemande vliegtuigen. Het herstelsysteem, gebaseerd op een Arduino-microcontroller, gebruikt sensoren om GPS-coördinaten, resterende batterijspanning en acceleratie te bepalen. Als het systeem vaststelt dat de batterij van de drone leeg is, of dat deze buiten de voorgeschreven GPS-grenzen werkt, of dat de eenheid in vrije val is, schakelt het herstelsysteem de stroomtoevoer naar de motoren uit en zet de parachute in, waardoor het vliegtuig naar de grond met een veilige snelheid.

Laten we een herstelsysteem voor onze drone bouwen!

Opmerking: Er zullen verschillende plaatsen zijn waar je de meeste van deze materialen kunt vinden. Houd rekening met kosten en eenvoud bij het bestellen van uw onderdelen. Een eenvoudig overzicht van de elektrische circuits wordt in deze tutorial behandeld. Maak van veiligheid uw topprioriteit.

Ontwerp

Het herstelsysteem wordt onafhankelijk van de vluchtcomputer van de drone bestuurd door het gebruik van een Arduino Nano-microcontroller die wordt aangedreven door een aparte 7,4 V LiPo-batterij, om een ​​goede werking van het herstelsysteem te garanderen in het geval van een lege hoofdbatterij. Deze microcontroller biedt 14 digitale input/output-pinnen, 8 analoge pinnen, een gereguleerde 5V-voedingsbron met een 16MHZ-klok en 2Kb SRAM. Via deze unit worden alle monitoring- en besluitvormingsprocessen doorlopen. Elke hardwarecomponent is verbonden met de microcontroller via de digitale of analoge I/O-pinnen.

Versnellingsmeter – De versnellingsmeter is aangesloten via analoge ingangspinnen op de microcontroller. Versnellingscomponenten in x-, y- en z-richtingen worden afgelezen volgens de spanningswaarden die door de versnellingsmeter worden gegenereerd. Omdat de accelerometermodule niet veel stroom nodig heeft, waren analoge uitgangspinnen een voldoende voedingsbron voor de accelerometer.

GPS – De GPS-module wordt gevoed via de speciale batterij van het herstelsysteem en communiceert via een seriële (“Software Serial”) verbinding op de digitale I/O-pinnen van de microcontroller. De GPS-eenheid verzendt NMEA-gegevens via een RS232 seriële verbinding naar de Arduino.

Spanningssensor – De spanningssensor wordt aangesloten op een analoge pin op de microcontroller. De spanningssensoreenheid werkt als een 4:1-spanningsdeler en biedt een spanningsbereik binnen de limieten van de analoog-naar-digitaal-conversieschakelingen op de analoge ingangspinnen van de Arduino.

5V relaismodule e – De relaismodule wordt geactiveerd door een 5V digitaal signaal van de microcontroller en onderbreekt de stroomtoevoer naar de motoren van de drone wanneer deze wordt geactiveerd. Dit specifieke relais was "Active HIGH" en leverde een 5V-signaal aan de module die de interne schakelaar activeert.

Servomotor - De servomotor die de parachute ontplooit, wordt bestuurd via een pulsbreedtemodulatie (PWM) -signaal van de digitale pinnen van de microcontroller. Om energie te besparen voor het terugwinningssysteem, is de servomotor ingesteld om eerst te sluiten en daarna virtueel los van het systeem. Dit bespaart batterij- en Arduino-verwerkingskracht, omdat de druk van de parachute-ontgrendelingsdeur de deur gesloten houdt.

Parachute - De parachute die wordt gebruikt voor herstel is een MARS Mini, die ook als een eigen onderdeel kan worden geconstrueerd en ontworpen. Deze MARS Mini-parachute wordt ingezet door een servomotorgestuurde deur die tegendruk vasthoudt. De parachutestof wordt naar buiten gelanceerd door een intern veer- en plunjermechanisme. Het resetten van het apparaat is mogelijk voor snel testen en implementeren. Deze parachute kan worden gemaakt van een PVC-buis, een grote veer, een grondplaat, een 3D-geprinte deur en een servomotorhouder en een servomotor. Zie foto's voor meer details. De onderstaande afbeelding geeft het algemene ontwerpschema van het herstelsysteem weer:

Software

De software controleert voortdurend drie voorwaarden om te bepalen of er een vliegtuigstoring is opgetreden:uitputting van de hoofdbatterijspanning, vrije val van het vliegtuig en verder dan de Line-of-Sight (LOS) afstand van de piloot volgens GPS. Via de eerder beschreven hardwarecomponenten is het mogelijk om realtime waarden van deze te bewaken componenten te verkrijgen.

Bij het bewaken van waarden is specifieke kalibratie nodig voor correct gebruik als herstelsysteem. De waarden van de versnellingsmeter moeten worden ingesteld om vrije val te detecteren. De spanningssensor moet worden gekalibreerd voor de juiste uitschakelspanning van motoren. De GPS moet de huidige positie van satellieten verkrijgen en vergelijken met de verwachte waarden die zijn opgeslagen in de microcontroller. Zodra deze componenten zijn ingesteld, is de UAV beschikbaar voor vluchten. De software-ontwerpstroom wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Softwarestroomschema van herstelsysteem

GPS

De GPS-eenheid streamt constant positie-informatie (breedtegraad, lengtegraad, hoogte en tijd) in National Marine Electronics Association (NMEA) 183.5 tekst (ASCII)-formaat. De eenheid communiceert via RS232 seriële verbinding met de Arduino Nano met een baudrate van 38400 baud.

Om te voldoen aan de huidige FAA-voorschriften, moet de operator en/of een vluchtassistent een volledig LOS-beeld hebben van het vliegtuig tijdens de vlucht. Als het vliegtuig het vooraf bepaalde bereik vanaf het startpunt overschrijdt, zal het herstelsysteem het overnemen en de stroomtoevoer naar het hoofdsysteem uitschakelen. Zodra de stroom uitvalt, zal het herstelsysteem de parachute inzetten en veilig landen.

Spanningssensor

De software van de spanningssensor bevraagt ​​continu een waarde van de hoofdbatterijbron. Borstelloze gelijkstroommotoren die vaak op UAV's worden gebruikt, zijn spanningsafhankelijk:dat wil zeggen, de spanning van de stroombron bepaalt in de eerste plaats of de motoren kunnen blijven draaien. Lithium Polymer (LiPo) batterijtechnologie wordt meestal gebruikt in op hobby gebaseerde UAV-vliegtuigen. Deze batterijen hebben een constante spanning totdat de batterij het einde van de lading bereikt. Op dat moment daalt de accuspanning snel. Na het opvragen van de motoraccuspanning bepaalt het herstelsysteem of de toestand van het vliegtuig voldoende is voor een veilige vlucht. Als dit het geval is, blijft het systeem controleren. Als de spanning van de hoofdbatterij onvoldoende is, schakelt het herstelsysteem de stroom naar het vliegtuig uit via het relais en zet de parachute in voor een veilige landing. Het adresseren van realtime batterijspanning is het meest van toepassing op systemen met meerdere rotoren. Units met vaste vleugels kunnen glijden wanneer ze halverwege de vlucht worden uitgeschakeld. In tegenstelling tot het systeem met vaste vleugels, moeten multi-rotors alle motoren aandrijven voor een stabiele vlucht. Door de batterijspanning te bewaken, is het mogelijk om een ​​potentieel onveilige vliegconditie te bepalen.

Versnellingsmeter

Een 3-assige versnellingsmeter die aan het herstelsysteem is bevestigd, bewaakt constant de krachten die op het vliegtuig worden uitgeoefend. Het doel van de versnellingsmeter is om de UAV te monitoren voor het detecteren van vrije val. Terwijl andere krachten die op de UAV inwerken nuttig kunnen zijn voor het bepalen van oriëntatie en beweging, moet de versnellingsmeter het geval bewaken waarin een UAV zich in een onveilige toestand bevindt. In het geval dat de operator de controle over het vliegtuig verliest, waar veel UAV's niet kunnen herstellen van vrije valversnellingen, zet het herstelsysteem een ​​parachute in en schakelt de stroom naar de hoofdbesturingen via het relais uit. De versnellingsmeter detecteert een vrije val wanneer het vliegtuig een versnelling van 0 ervaart in x-, y- en z-richtingen (vanwege de manier waarop een versnellingsmeter werkt).

Hoe te monteren:

Elektronica:

1. Verzamel alle onderdelen die in de eerder in dit artikel gepresenteerde tabel staan. U kunt ook een soldeerbout aanschaffen als u geen jumpers uit de headers gebruikt. Voor deze tutorial gaan we ervan uit dat alle boards zijn geïnstalleerd met header-pinnen. Zo niet, dan zijn ze erg goedkoop in aanschaf en installatie. U moet ook de nieuwste Arduino IDE downloaden en op uw systeem installeren. De code is bij elke stap gedocumenteerd. Als je nog nooit een Arduino hebt gebruikt, zou dit een geweldig project zijn om mee te beginnen! Overweeg om de code aan te passen aan uw instellingen. Accelerometer-kalibratie en GPS-kalibratie zijn vereist voor elke individuele hersteleenheid. We zullen eerst de elektronica voor het systeem instellen.

2. Selecteer de T-connector met batterijkraan uit uw onderdelen. Knip de grondkabel (of zwarte kabel) van de hoofdbatterij van je drone door. Dit relais wordt in serie tussen de afgeknipte uiteinden van de zwarte stroomdraad geplaatst en gebruikt om de stroom naar het hoofdsysteem af te sluiten. Strip beide uiteinden van de afgeknipte zwarte kabel en steek het ene uiteinde in de NO en het andere in de COM-poort van het 5V-relais.

3. Knip de twee kleine "sniffer"-draden die zijn aangesloten op de T-connector van de batterij door en strip ze elk. Deze twee draden bieden een mogelijkheid voor het detecteren van batterijspanning voor onze UAS-hoofdstroom. Steek de twee draden in de twee poorten op de spanningssensor en houd de zwarte draad als een GND en de rode draad als een VCC. Dit zorgt voor de juiste polariteit en waardeschatting bij het implementeren van ons ontwerp.

4. Dit is een stap die vereist is voor mijn systeem vanwege de specifieke componenten die ik heb besteld. Mogelijk moet u zich dienovereenkomstig aanpassen.

Construeer een 5pin-5pin vrouwelijke header pin connector. Soldeer leidt horizontaal van de ene naar de andere, zodat de invoer van de ene verticale set connectoren overeenkomt met de aangrenzende invoer van de volgende. Zie Female Header Pin Connection.jpg voor weergave. Deze opstelling werkt hetzelfde als een 5-draads vrouwelijk-vrouwelijke jumper-eenheid, ik wilde gewoon geen extra set draden.

5. Neem nu een enkele rij 8-pins vrouwelijke header-pinconnectoren en soldeer de draden aan elkaar. Hiermee wordt een verbindingshub voor 5V-voeding geconstrueerd. Doe dit twee keer om er ook een te maken voor GND-verbindingen.

6. Verbind de EN-pin van het 5V-relais met de Arduino-bordpin D5 met behulp van een vrouwelijke-vrouwelijke jumperdraad. Verbind vervolgens de VCC en GND met de respectieve hubs met behulp van een vrouwelijke-mannelijke jumperdraad. Opmerking: de hubs hoeven nog niet te worden aangesloten op de Arduino 5V- en GND-aansluitingen.

7. Verbind de S-pin op de spanningssensor met de Arduino A7-pin met behulp van een vrouwelijke-vrouwelijke jumperdraad. Sluit de '-'-pin aan op uw GND-verbindingshub. Deze spanningssensor fungeert als een spanningsdeler voor detectie van hogere spanningen.

8. Sluit een set van 2 vrouwelijk-vrouwelijke jumperdraden aan op de VCC- en GND-pinnen op uw GPS-module en een set van 2 vrouwelijk-mannelijke jumperdraden op de RXD- en TXD-pinnen. Sluit vervolgens de VCC en GND aan op hun respectievelijke hubs. Sluit bovendien het TXD-uiteinde aan op pin D2 en het RXD-uiteinde op pin D3 op het Arduino-bord.

9. Ten slotte moeten we de versnellingsmeter op ons systeem aansluiten. Steek de versnellingsmeter in de analoge pinnen A1-A5 op de Arduino Nano met behulp van het 5pin-5pin connectorsysteem dat we in stap 4 hebben geconstrueerd. Zorg ervoor dat u deze verbindingen volgt:

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

U kunt deze configuratie wijzigen, maar als u dat doet, moet u de code wijzigen om de door u gemaakte pintoewijzing te gebruiken. Om uw versnellingsmeter stabieler te maken, wordt aanbevolen om de VCC-pin aan te sluiten op de bron van de 5V nano en de GND-pin op de GND van de nano. Dit kan een stap zijn voor uw toekomstige iteratie en kalibratie.

10. De laatste stap is het uploaden van het meegeleverde Arduino-programma (Ballistic_Paracute_System.ino) naar uw Arduino-microcontroller. Bij het laden in de Arduino IDE, selecteer je je board en COM-poort en klik je op upload.

Parachute:

Opmerking: Ik moedig je aan om naar dit parachuteontwerp te kijken en er zelf een te maken als je dat wilt. Een parachute is niets meer dan een stuk materiaal (nylon werkt prima) met een touwtje om alles samen te binden. Test je parachute door hem van iets hoogs te gooien om zeker te zijn van de juiste aanpassingen.

1. De MARS mini-parachute is zeer eenvoudig aan te sluiten op het systeem. Omdat code al in ons Arduino-programma is geschreven, hoeven we deze alleen maar op ons systeem aan te sluiten. Om dit te doen, hebben we een draad die wordt aangesloten op pin D4 op de Arduino Nano.

2. Sluit de rode en zwarte draden van de servomotor op de parachute aan op de 5V- en GND-hubs die eerder in deze tutorial zijn gemaakt. Dit zou je verbindingen moeten voltooien.

Kalibratie en testen:

Zoek in de Arduino-code een evenwicht op uw versnellingsmeter (alle krachten in x, y en z zijn hetzelfde), test uw GPS-signaal en locatiegegevens en vind de batterijspanning waarin uw LiPo begint af te nemen. Deze kalibratie kan enige tijd duren, maar uiteindelijk zal het uw vlucht veiliger maken voor iedereen die wel en niet direct betrokken is.

Veel plezier met maken!

Conclusies en toekomstig werk

Er kunnen een aantal verbeteringen aan het systeem worden aangebracht. Ten eerste zou een meer verfijnde verwerking van de gegevens van de versnellingsmeter kunnen worden gedaan, waarbij ongebruikelijke houdingen worden gedetecteerd, zoals een ondersteboven liggende draagschroef, in plaats van eenvoudigweg vrije val te detecteren. In het bijzonder, voor vliegtuigen met vaste vleugels, als het casco aerodynamisch stabiel is en de hoogte voldoende is om uit een stal te herstellen, kan de ontplooiing van de parachute enige tijd worden uitgesteld, waardoor het casco de kans krijgt om zelfstandig uit de stal te herstellen of met hulp van een piloot. Ten tweede zou een meer geavanceerde GPS-geo-fence kunnen worden gedefinieerd, misschien op basis van een FAA COA of andere operationele regels, in plaats van simpelweg het bereik vanaf het startpunt te detecteren.

Lees meer informatie….

Bouw een ballistisch parachuteherstelsysteem voor uw drone