Construye un sistema de recuperación de paracaídas balístico para tu dron

A partir del 21 de diciembre de 2015, la Administración Federal de Aviación (FAA) comenzó a exigir a los aficionados que registren sus sistemas aéreos no tripulados, a menudo denominados drones. Después de dos días de registro, la base de datos contenía 45.000 aviones dedicados y diseñados para uso personal. Este mandato fue establecido por la Administración Federal de Aviación (FAA) para aumentar la responsabilidad por las operaciones de drones y reducir los accidentes relacionados con drones pequeños. No registrar un dron personal que pese entre 0,55 libras. y 55 lbs. podría llevarlo a una multa de hasta $ 27,000. Un juez federal falló en mayo de 2017 en contra del requisito de registro, pero el asunto puede ser apelado ("El Tribunal Federal de Apelaciones anula la regla de registro de la FAA para modelos de aeronaves", John Goglia, Forbes, 19 de mayo de 2017).

Los drones están por todas partes; de hecho, la FAA estima que para el año 2020 habrá aproximadamente 7 millones de drones en el cielo. A medida que más y más personas usan drones, la misión de la FAA se ha convertido en garantizar que los entusiastas de los drones operen de manera pacífica y segura. Puede visitar su sitio web para ver las restricciones que debe cumplir como propietario de un dron, incluidas las restricciones de peso, las restricciones de la línea de visión visual (LoS) y las restricciones del aeropuerto, entre otras. Todos estos se implementan para garantizar un entorno seguro para aquellos que están involucrados y los que no están involucrados en la huida.

Todos hemos visto un quadcopter en el cielo, volando tan majestuosamente en un solo lugar, hasta que cae como una roca. A diferencia de los aviones de ala fija, los cuadricópteros pierden sustentación cuando la batería se agota, o incluso cuando la nave se trastorna más allá de su capacidad de recuperación. Como sigue habiendo más y más drones en el cielo, todos deben tomar la seguridad de sus aviones en sus manos. Este proyecto explorará el diseño y la construcción de un sistema de recuperación de paracaídas balístico para pequeñas aeronaves no tripuladas. El sistema de recuperación, basado en un microcontrolador Arduino, utiliza sensores para determinar las coordenadas GPS, el voltaje restante de la batería y la aceleración. Si el sistema determina que la batería del dron está agotada, o que está operando fuera de los límites prescritos del GPS, o que la unidad está en caída libre, el sistema de recuperación corta la energía a los motores y despliega el paracaídas, bajando la aeronave a la tierra a una velocidad segura.

¡Construyamos un sistema de recuperación para nuestro dron!

Nota: Habrá varios lugares donde puede encontrar la mayoría de estos materiales. Tenga en cuenta el costo y la simplicidad al realizar el pedido de sus piezas. En este tutorial se cubrirá una descripción general simple de los circuitos eléctricos. Por favor, haga de la seguridad su máxima prioridad.

Diseño

El sistema de recuperación se controla independientemente de la computadora de vuelo del dron mediante el uso de un microcontrolador Arduino Nano alimentado por una batería LiPo de 7.4V separada, para garantizar el funcionamiento adecuado del sistema de recuperación en caso de que la batería principal se agote. Este microcontrolador proporciona 14 pines de entrada / salida digitales, 8 pines analógicos, una fuente de alimentación regulada de 5 V con un reloj de 16 MHZ y 2 Kb de SRAM. A través de esta unidad se completan todos los procesos de seguimiento y toma de decisiones. Cada componente de hardware está conectado al microcontrolador a través de los pines de E / S digitales o analógicas.

Acelerómetro - El acelerómetro está conectado a través de pines de entrada analógica en el microcontrolador. Los componentes de aceleración en las direcciones x, y y z se leen de acuerdo con los valores de voltaje generados por el acelerómetro. Dado que el módulo del acelerómetro no requiere mucha corriente, los pines de salida analógica eran una fuente de energía suficiente para el acelerómetro.

GPS - El módulo GPS se alimenta a través de la batería del sistema de recuperación dedicada y se comunica a través de una conexión en serie ("Serie de software") en los pines de E / S digitales del microcontrolador. La unidad GPS transmite datos NMEA a través de una conexión en serie RS232 al Arduino.

Sensor de voltaje - El sensor de voltaje se conecta a un pin analógico en el microcontrolador. La unidad del sensor de voltaje actúa como un divisor de voltaje 4:1, proporcionando un rango de voltaje dentro de los límites del circuito de conversión de analógico a digital en los pines de entrada analógica de Arduino.

Módulo de relé de 5 V e - El módulo de relé se activa mediante una señal digital de 5 V del microcontrolador y corta la energía a los motores del dron cuando se activa. Este relé en particular era "Activo ALTO", proporcionando una señal de 5V al módulo que activa el interruptor interno.

Servomotor - El servomotor que despliega el paracaídas se controla mediante una señal de Modulación de ancho de pulso (PWM) desde los pines digitales del microcontrolador. Para ahorrar energía para el sistema de recuperación, el servomotor está configurado para cerrarse inicialmente y luego virtualmente separado del sistema. Esto ahorra batería y potencia de procesamiento Arduino ya que la presión de la puerta de liberación del paracaídas mantiene la puerta cerrada.

Paracaídas - El paracaídas utilizado para la recuperación es un MARS Mini, que también podría construirse y diseñarse como un componente propio. Este paracaídas MARS Mini se despliega mediante una puerta controlada por servomotor que retiene la contrapresión. La tela del paracaídas se lanza hacia afuera mediante un resorte interno y un mecanismo de émbolo. Es posible restablecer la unidad para realizar pruebas e implementaciones rápidas. Este paracaídas se puede construir con un tubo de PVC, un resorte grande, una placa base, una puerta impresa en 3D y un soporte de servomotor y un servomotor. Consulte las imágenes para obtener más detalles. La siguiente figura presenta el esquema de diseño general del sistema de recuperación:

Software

El software monitorea constantemente tres condiciones para determinar si se ha producido una falla en la aeronave:agotamiento del voltaje de la batería principal, caída libre de la aeronave y más allá de la distancia de línea de visión (LOS) del piloto según el GPS. A través de los componentes hardware descritos anteriormente, es posible obtener valores en tiempo real de estos componentes a monitorear.

Al monitorear valores, se necesita una calibración específica para un uso adecuado como sistema de recuperación. Los valores del acelerómetro deben configurarse para detectar la caída libre. El sensor de voltaje debe calibrarse al voltaje de corte adecuado de los motores. El GPS debe obtener la posición actual de los satélites y compararla con los valores esperados almacenados en el microcontrolador. Una vez que estos componentes estén configurados, el UAV estará disponible para volar. El flujo de diseño del software se describe en la siguiente figura.

Diagrama de flujo del software del sistema de recuperación

GPS

La unidad GPS transmite constantemente información de posición (latitud, longitud, altitud y hora) en formato de texto (ASCII) de la Asociación Nacional de Electrónica Marina (NMEA) 183.5 La unidad se comunica a través de una conexión en serie RS232 al Arduino Nano a una velocidad de 38400 baudios.

Para cumplir con las regulaciones actuales de la FAA, el operador y / o un asistente de vuelo deben tener una vista LOS completa de la aeronave durante el vuelo. Si la aeronave excede el rango predeterminado desde su punto de despegue, el sistema de recuperación tomará el control y cortará la energía al sistema principal. Una vez que corta la energía, el sistema de recuperación desplegará el paracaídas y aterrizará de manera segura.

Sensor de voltaje

El software del sensor de voltaje sondea continuamente un valor de la fuente principal de la batería. Los motores de CC sin escobillas que se utilizan a menudo en los UAV dependen del voltaje:es decir, el voltaje de la fuente de alimentación determina principalmente si los motores pueden seguir funcionando. La tecnología de batería de polímero de litio (LiPo) se utiliza normalmente en aviones UAV basados ​​en pasatiempos. Estas baterías tienen voltaje constante hasta que la batería llega al final de la carga. En ese punto, el voltaje de la batería cae rápidamente. Después de sondear el voltaje de la batería del motor, el sistema de recuperación determina si el estado de la aeronave es adecuado para un vuelo seguro. Si es así, el sistema continúa monitoreando. Si el voltaje de la batería principal es inadecuado, el sistema de recuperación corta la energía a la aeronave a través del relé y despliega el paracaídas para un aterrizaje seguro. Abordar el voltaje de la batería en tiempo real es más aplicable a los sistemas de múltiples rotores. Las unidades de ala fija tienen la capacidad de deslizarse cuando están apagadas en pleno vuelo. A diferencia del sistema de ala fija, los rotores múltiples necesitan alimentar todos los motores para un vuelo estable. Al monitorear el voltaje de la batería, es posible determinar una condición de vuelo potencialmente peligrosa.

Acelerómetro

Un acelerómetro de 3 ejes conectado al sistema de recuperación monitorea constantemente las fuerzas ejercidas sobre la aeronave. El objetivo del acelerómetro es monitorear el UAV para detectar caída libre. Mientras que otras fuerzas que actúan sobre el UAV pueden ser útiles para determinar la orientación y el movimiento, el acelerómetro necesita monitorear el caso en el que un UAV puede estar en un estado inseguro. En el caso de que el operador pierda el control de la aeronave, donde muchos UAV no pueden recuperarse de las aceleraciones de caída libre, el sistema de recuperación despliega un paracaídas y corta la energía a los controles principales a través del relé. El acelerómetro detecta caída libre cuando la aeronave experimenta una aceleración 0 en las direcciones x, y y z (debido a la forma en que funciona un acelerómetro).

Cómo ensamblar:

Electrónica:

1. Reúna todas las partes enumeradas en la tabla presentada anteriormente en este artículo. Es posible que también desee obtener un soldador si no va a utilizar puentes de los encabezados. Para este tutorial, asumiremos que todas las placas vienen instaladas con pines de cabecera. Si no, son muy baratos de comprar e instalar. También deberá descargar e instalar el IDE de Arduino más reciente en su sistema. El código se ha documentado en cada paso del camino. Si nunca antes ha usado un Arduino, ¡este sería un gran proyecto para comenzar! Considere editar el código de acuerdo con su configuración. Se requerirá la calibración del acelerómetro y la calibración del GPS para cada unidad de recuperación individual. Primero configuraremos la electrónica del sistema.

2. Seleccione el conector en T con toma de batería de sus piezas. Corta el cable de tierra (o el cable negro) de la batería principal de tu dron. Este relé se insertará en serie entre los extremos cortados del cable de alimentación negro y se utilizará para cortar la alimentación del sistema principal. Pele ambos extremos del cable negro cortado e inserte un extremo en el NO y el otro en el puerto COM del relé de 5V.

3. Corte los dos pequeños cables "rastreadores" conectados al conector en T de la batería y pele cada uno de ellos. Estos dos cables proporcionan una vía para detectar el voltaje de la batería para nuestra alimentación principal de UAS. Inserte los dos cables en los dos puertos del sensor de voltaje manteniendo el cable negro como GND y el cable rojo como VCC. Esto asegurará la polaridad adecuada y la estimación del valor al implementar nuestro diseño.

4. Este es un paso que se requiere con mi sistema debido a los componentes particulares que ordené. Puede que tenga que hacer los ajustes necesarios.

Construya un conector de clavija de encabezado hembra de 5 pines a 5 pines. Suelde los cables de uno a otro horizontalmente de modo que la entrada de un conjunto vertical de conectores corresponda a la entrada adyacente del siguiente. Consulte Connection.jpg de clavija de encabezado hembra para ver la representación. Esta configuración funciona igual que una unidad de puente hembra-hembra de 5 cables, pero no quería el juego adicional de cables.

5. Ahora, tome una sola fila de conectores de clavija de cabezal hembra de 8 pines y suelde los cables entre sí. Esto construirá un concentrador de conexión para alimentación de 5V. Haga esto dos veces para construir también uno para conexiones GND.

6. Conecte el pin EN del relé de 5V al pin D5 de la placa Arduino usando un cable de puente hembra-hembra. Luego, conecte el VCC y GND a los respectivos concentradores usando un cable de puente hembra-macho. Nota: los concentradores no necesitan estar conectados a las conexiones Arduino 5V y GND todavía.

7. Conecte el pin S en el sensor de voltaje el pin Arduino A7 usando un cable de puente hembra-hembra. Conecte el pin "-" a su concentrador de conexión GND. Este sensor de voltaje actúa como una unidad divisora ​​de voltaje para una detección de voltaje más alto.

8. Conecte un juego de 2 cables de puente hembra-hembra a los pines VCC y GND en su módulo GPS y un juego de 2 cables de puente hembra-macho a los pines RXD y TXD. Luego, conecte el VCC y GND a sus respectivos concentradores. Además, conecte el extremo TXD al pin D2 y el extremo RXD al pin D3 en la placa Arduino.

9. Por último, necesitamos conectar el acelerómetro a nuestro sistema. Inserte el acelerómetro en los pines analógicos A1-A5 en el Arduino Nano usando el sistema de conector de 5 pines-5 pines que construimos en el paso 4. Asegúrese de seguir estas conexiones:

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

Puede cambiar esta configuración, pero si lo hace, debe modificar el código para usar la asignación de pines que hizo. Para que su acelerómetro sea más estable, se recomienda conectar el pin VCC a la fuente del nano 5V y el pin GND al GND del nano. Este puede ser un paso para su futura iteración y calibración.

10. El último paso es cargar el programa Arduino provisto (Ballistic_Parachute_System.ino) en su microcontrolador Arduino. Al cargar en el IDE de Arduino, seleccione su placa y puerto COM y simplemente presione cargar.

Paracaídas:

Nota: Te animo a mirar este diseño de paracaídas y hacer el tuyo si lo deseas. Un paracaídas no es más que una pieza de material (el nailon funciona muy bien) con una cuerda para atarlo todo. Pruebe su paracaídas tirándolo desde algo alto para asegurarse de que se ajusten correctamente.

1. El mini paracaídas MARS será muy fácil de conectar al sistema. Dado que el código ya está escrito en nuestro programa Arduino, solo necesitamos conectarlo a nuestro sistema. Para hacerlo, tenemos un cable que se conectará al pin D4 del Arduino Nano.

2. Conecte los cables rojo y negro del servomotor en el paracaídas a los concentradores 5V y GND hechos anteriormente en este tutorial. Esto debería completar tus conexiones.

Calibración y prueba:

En el código Arduino, encuentre el equilibrio en su acelerómetro (todas las fuerzas en x, y y z son iguales), pruebe su señal GPS y datos de ubicación, y encuentre el voltaje de la batería en el que su LiPo comienza a caer. Esta calibración puede llevar algo de tiempo, pero al final, hará que su vuelo sea más seguro para todos los que están directamente involucrados y los que no.

¡Haciendo feliz!

Conclusiones y trabajo futuro

Se podrían realizar varias mejoras en el sistema. Primero, se podría realizar un manejo más sofisticado de los datos del acelerómetro, detectando actitudes inusuales como un helicóptero al revés, en lugar de simplemente detectar la caída libre. En particular, para las aeronaves de ala fija, si la estructura del avión es aerodinámicamente estable y la altitud es suficiente para recuperarse de una pérdida, el despliegue del paracaídas podría retrasarse por un tiempo, dando a la célula la oportunidad de recuperarse de la pérdida por sí solo. o con la asistencia de un piloto. En segundo lugar, se podría definir una geovalla GPS más sofisticada, quizás basándose en un COA de la FAA u otras reglas operativas, en lugar de simplemente detectar el alcance desde el punto de despegue.

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