Bangun Sistem Pemulihan Parasut Balistik untuk Drone Anda
Mulai 21 Desember 2015, Administrasi Penerbangan Federal (FAA) mulai mewajibkan para penghobi untuk mendaftarkan Sistem Udara Tak Berawak mereka – sering disebut sebagai drone. Setelah dua hari pendaftaran, database berisi 45.000 pesawat yang didedikasikan dan dirancang untuk penggunaan pribadi. Mandat ini ditetapkan oleh Federal Aviation Administration (FAA) untuk meningkatkan akuntabilitas operasi drone dan mengurangi kecelakaan yang melibatkan drone kecil. Gagal mendaftarkan drone pribadi dengan berat antara 0,55 lbs. dan 55 pon. bisa membuat Anda didenda hingga $ 27.000. Seorang hakim federal memutuskan pada bulan Mei 2017 terhadap persyaratan pendaftaran, tetapi masalah tersebut dapat diajukan banding (“Federal Appeals Court Voids FAA Registration Rule For Model Aircraft,” John Goglia, Forbes, 19 Mei 2017).
Drone ada di mana-mana; Faktanya, FAA memperkirakan bahwa pada tahun 2020 akan ada sekitar 7 juta drone di langit. Karena semakin banyak orang menggunakan drone, telah menjadi misi FAA untuk memastikan bahwa para penggemar drone beroperasi dengan cara yang damai dan aman. Anda dapat mengunjungi situs web mereka untuk melihat batasan yang harus Anda patuhi sebagai pemilik drone, antara lain batasan berat, batasan visual line-of-sight (LoS), dan batasan bandara. Semua ini diterapkan untuk memastikan lingkungan yang aman bagi mereka yang terlibat dan tidak terlibat dalam penerbangan.
Kita semua pernah melihat quadcopter di langit – terbang begitu anggun di satu lokasi – hingga jatuh seperti batu. Tidak seperti pesawat bersayap tetap, quadcopter kehilangan daya angkat saat baterai habis, atau bahkan saat pesawat mengalami gangguan di luar kemampuannya untuk pulih. Karena semakin banyak drone di langit, setiap orang harus mengambil keselamatan pesawat mereka ke tangan mereka. Proyek ini akan mengeksplorasi desain dan konstruksi sistem pemulihan parasut balistik untuk pesawat kecil tak berawak. Sistem pemulihan, berdasarkan mikrokontroler Arduino, menggunakan sensor untuk menentukan koordinat GPS, tegangan baterai yang tersisa, dan akselerasi. Jika sistem menentukan bahwa baterai drone habis, atau beroperasi di luar batas GPS yang ditentukan, atau unit jatuh bebas, sistem pemulihan memotong daya ke motor dan menyebarkan parasut, menurunkan pesawat ke posisi semula. mendarat dengan kecepatan yang aman.
Mari kita bangun sistem pemulihan untuk drone kita!
Catatan: Akan ada beberapa tempat Anda dapat menemukan sebagian besar bahan-bahan ini. Harap pertimbangkan biaya dan kesederhanaan saat memesan suku cadang Anda. Gambaran sederhana dari rangkaian listrik akan dibahas dalam tutorial ini. Harap jadikan keselamatan sebagai prioritas utama Anda.
Desain
Sistem pemulihan dikendalikan secara independen dari komputer penerbangan drone melalui penggunaan mikrokontroler Arduino Nano yang ditenagai oleh baterai LiPo 7.4V terpisah, untuk memastikan pengoperasian sistem pemulihan yang tepat jika baterai utama habis. Mikrokontroler ini menyediakan 14 Pin Input/Output Digital, 8 Pin Analog, sumber daya 5V yang diatur dengan Jam 16MHZ dan SRAM 2Kb. Melalui unit ini, semua proses pemantauan dan pengambilan keputusan diselesaikan. Setiap komponen perangkat keras terhubung ke mikrokontroler melalui pin I/O digital atau analog.
Akselerometer – Akselerometer terhubung melalui pin input analog pada mikrokontroler. Komponen percepatan dalam arah x, y, dan z dibaca sesuai dengan nilai tegangan yang dihasilkan oleh akselerometer. Karena modul akselerometer tidak memerlukan banyak arus, pin keluaran analog merupakan sumber daya yang cukup untuk akselerometer.
GPS – Modul GPS diberi daya melalui baterai sistem pemulihan khusus dan berkomunikasi melalui sambungan serial (“Serial Perangkat Lunak”) pada pin I/O Digital mikrokontroler. Unit GPS mengirimkan data NMEA melalui koneksi serial RS232 ke Arduino.
Sensor Tegangan – Sensor tegangan terhubung ke pin analog pada mikrokontroler. Unit sensor tegangan bertindak sebagai pembagi tegangan 4:1, memberikan rentang tegangan dalam batas sirkuit konversi analog-ke-digital pada pin input analog Arduino.
Modul Relai 5V e – Modul relai diaktifkan oleh sinyal digital 5V dari mikrokontroler dan memutus daya ke motor drone saat diaktifkan. Relai khusus ini adalah "Aktif TINGGI", memberikan sinyal 5V ke modul yang mengaktifkan sakelar internal.
Motor Servo – Motor servo yang menyebarkan parasut dikendalikan melalui sinyal Pulse Width Modulation (PWM) dari pin digital mikrokontroler. Untuk menghemat energi untuk sistem pemulihan, motor servo diatur untuk menutup pada awalnya dan kemudian secara virtual terlepas dari sistem. Ini menghemat baterai dan daya pemrosesan Arduino karena tekanan dari pintu pelepas parasut membuat pintu tetap tertutup.
Parasut – Parasut yang digunakan untuk pemulihan adalah MARS Mini, yang juga dapat dibuat dan dirancang sebagai komponennya sendiri. Parasut Mini MARS ini dikerahkan oleh pintu yang dikendalikan motor servo yang menahan tekanan. Kain parasut diluncurkan ke luar oleh pegas internal dan mekanisme pendorong. Menyetel ulang unit dimungkinkan untuk pengujian dan implementasi cepat. Parasut ini dapat dibuat dari tabung PVC, pegas besar, pelat dasar, pintu cetak 3D dan dudukan motor servo, dan motor servo. Silakan lihat gambar untuk rincian tambahan. Gambar di bawah menyajikan skema desain keseluruhan sistem pemulihan:
Perangkat Lunak
Perangkat lunak ini terus-menerus memantau tiga kondisi untuk menentukan apakah kegagalan pesawat telah terjadi:penipisan tegangan baterai utama, jatuh bebas pesawat, dan di luar jarak Line-of-Sight (LOS) dari pilot menurut GPS. Melalui komponen perangkat keras yang dijelaskan sebelumnya, dimungkinkan untuk memperoleh nilai waktu nyata dari komponen ini untuk dipantau.
Saat memantau nilai, kalibrasi khusus diperlukan untuk penggunaan yang tepat sebagai sistem pemulihan. Nilai akselerometer perlu diatur untuk mendeteksi jatuh bebas. Sensor tegangan harus dikalibrasi ke tegangan cutoff motor yang tepat. GPS harus mendapatkan posisi saat ini dari satelit dan membandingkan dengan nilai yang diharapkan yang disimpan dalam mikrokontroler. Setelah komponen ini diatur, UAV akan tersedia untuk penerbangan. Alur desain perangkat lunak diuraikan dalam gambar di bawah ini.
Bagan alur perangkat lunak Sistem Pemulihan
GPS
Unit GPS secara konstan mengalirkan informasi posisi (lintang, bujur, ketinggian, dan waktu) dalam format National Marine Electronics Association (NMEA) 183,5 teks (ASCII) Unit berkomunikasi melalui koneksi serial RS232 ke Arduino Nano pada baud rate 38400 baud.
Untuk mematuhi peraturan FAA saat ini, operator, dan/atau asisten penerbangan, harus memiliki pandangan LOS lengkap dari pesawat saat dalam penerbangan. Jika pesawat melebihi jarak yang telah ditentukan dari titik lepas landasnya, sistem pemulihan akan mengambil alih dan memutus daya ke sistem utama. Setelah listrik padam, sistem pemulihan akan menyebarkan parasut dan mendarat dengan aman.
Sensor Tegangan
Perangkat lunak sensor tegangan mengumpulkan nilai secara terus-menerus dari sumber baterai utama. Motor DC Brushless yang sering digunakan pada UAV bergantung pada tegangan:yaitu, tegangan sumber daya terutama menentukan apakah motor dapat terus berjalan. Teknologi baterai Lithium Polymer (LiPo) biasanya digunakan pada pesawat UAV berbasis hobi. Baterai ini memiliki tegangan yang stabil hingga baterai mencapai akhir pengisian. Pada saat itu, tegangan baterai turun dengan cepat. Setelah polling tegangan baterai motor, sistem pemulihan menentukan apakah keadaan pesawat cukup untuk penerbangan yang aman. Jika ya, sistem terus memantau. Jika voltase baterai utama tidak mencukupi, sistem pemulihan mematikan daya ke pesawat melalui relai, dan menyebarkan parasut untuk pendaratan yang aman. Mengatasi tegangan baterai real-time paling berlaku untuk sistem multi-rotor. Unit sayap tetap memiliki kemampuan untuk meluncur saat dimatikan di tengah penerbangan. Berbeda dengan sistem sayap tetap, multi-rotor perlu memberi daya pada semua motor untuk penerbangan yang stabil. Dengan memantau tegangan baterai, dimungkinkan untuk menentukan kondisi terbang yang berpotensi tidak aman.
Akselerometer
Akselerometer 3-sumbu yang terpasang pada sistem pemulihan terus-menerus memantau gaya yang diberikan pada pesawat. Tujuan dari accelerometer adalah untuk memantau UAV untuk mendeteksi jatuh bebas. Sementara gaya lain yang bekerja pada UAV mungkin berguna untuk menentukan orientasi dan pergerakan, akselerometer perlu memantau kejadian di mana UAV mungkin dalam keadaan tidak aman. Jika operator kehilangan kendali atas pesawat, di mana banyak UAV tidak dapat pulih dari akselerasi jatuh bebas, sistem pemulihan menggunakan parasut dan memutus daya ke kontrol utama melalui relai. Akselerometer mendeteksi jatuh bebas saat pesawat mengalami percepatan 0 dalam arah x, y, dan z (karena cara kerja akselerometer).
Cara Merakit:
Elektronik:
1. Kumpulkan semua bagian yang tercantum dalam tabel yang disajikan sebelumnya dalam artikel ini. Anda mungkin juga ingin mendapatkan besi solder jika Anda tidak akan menggunakan jumper dari header. Untuk tutorial ini, kita akan berasumsi bahwa semua papan telah terpasang dengan pin header. Jika tidak, mereka sangat murah untuk dibeli dan dipasang. Anda juga perlu mengunduh dan menginstal Arduino IDE terbaru ke sistem Anda. Kode telah didokumentasikan untuk setiap langkah di sepanjang jalan. Jika Anda belum pernah menggunakan Arduino sebelumnya, ini akan menjadi proyek yang bagus untuk memulai! Harap pertimbangkan untuk mengedit kode sesuai dengan pengaturan Anda. Kalibrasi akselerometer dan kalibrasi GPS akan diperlukan untuk setiap kesatuan pemulihan individu. Pertama-tama kami akan menyiapkan elektronik untuk sistem.
2. Pilih konektor-T dengan ketuk baterai dari bagian Anda. Potong kabel ground (atau kabel hitam) dari baterai utama drone Anda. Relai ini akan dimasukkan secara seri di antara ujung-ujung kabel listrik hitam yang dipotong, dan digunakan untuk memutus daya ke sistem utama. Lepaskan kedua ujung kabel hitam yang terpotong dan masukkan salah satu ujungnya ke NO dan ujung lainnya ke port COM relai 5V.
3. Potong dua kabel “sniffer” kecil yang terhubung ke konektor-T baterai dan lepaskan masing-masing. Kedua kabel ini menyediakan jalan untuk mendeteksi tegangan baterai untuk daya utama UAS kami. Masukkan dua kabel ke dua port pada sensor tegangan menjaga kabel hitam sebagai GND dan kabel merah sebagai VCC. Ini akan memastikan polaritas dan estimasi nilai yang tepat saat menerapkan desain kami.
4. Ini adalah langkah yang diperlukan dengan sistem saya karena komponen tertentu yang saya pesan. Anda mungkin harus menyesuaikannya.
Buat konektor pin header perempuan 5pin-5pin. Solder mengarah dari satu ke yang lain secara horizontal sehingga input dari satu set konektor vertikal sesuai dengan input yang berdekatan dari yang berikutnya. Silakan lihat Female Header Pin Connection.jpg untuk representasi. Pengaturan ini berfungsi sama seperti unit jumper wanita-wanita 5-kawat, saya hanya tidak ingin set kabel tambahan.
5. Sekarang, ambil satu baris konektor pin header perempuan 8 pin dan solder ujungnya satu sama lain. Ini akan membangun hub koneksi untuk daya 5V. Lakukan ini dua kali untuk juga membuat satu untuk koneksi GND.
6. Hubungkan pin EN relay 5V ke pin board Arduino D5 menggunakan kabel jumper female-female. Kemudian, sambungkan VCC dan GND ke masing-masing hub menggunakan kabel jumper female-male. Catatan: hub belum perlu terhubung ke koneksi Arduino 5V dan GND.
7. Hubungkan pin S pada sensor tegangan pin Arduino A7 menggunakan kabel jumper female-female. Hubungkan pin '-' ke hub koneksi GND Anda. Sensor tegangan ini berfungsi sebagai unit pembagi tegangan untuk deteksi tegangan yang lebih tinggi.
8. Hubungkan satu set 2 kabel jumper wanita-wanita ke pin VCC dan GND pada modul GPS Anda dan satu set 2 kabel jumper wanita-pria ke pin RXD dan TXD. Kemudian, sambungkan VCC dan GND ke hub masing-masing. Selain itu, sambungkan ujung TXD ke pin D2 dan ujung RXD ke pin D3 di Papan Arduino.
9. Terakhir, kita perlu menghubungkan accelerometer ke sistem kita. Masukkan akselerometer ke pin analog A1-A5 pada Arduino Nano menggunakan sistem konektor 5pin-5pin yang kami buat pada langkah 4. Pastikan untuk mengikuti koneksi berikut:
A1:VCC
A2:X_OUT
A3:Y_OUT
A4:Z_OUT
A5:GND
Anda dapat mengubah konfigurasi ini, tetapi jika Anda melakukannya, Anda harus mengubah kode untuk menggunakan penetapan pin yang Anda buat. Untuk membuat akselerometer Anda lebih stabil, disarankan untuk menghubungkan pin VCC ke sumber nano 5V dan pin GND ke GND nano. Ini bisa menjadi langkah untuk iterasi dan kalibrasi Anda di masa mendatang.
10. Langkah terakhir adalah mengunggah program Arduino yang disediakan (Ballistic_Parachute_System.ino) ke mikrokontroler Arduino Anda. Setelah memuat ke Arduino IDE, pilih papan dan port COM Anda dan cukup tekan unggah.
Parasut:
Catatan: Saya mendorong Anda untuk melihat desain parasut ini dan membuatnya sendiri jika Anda mau. Parasut tidak lebih dari sepotong bahan (nilon sangat bagus) dengan beberapa tali untuk mengikat semuanya. Uji parasut Anda dengan melemparkannya ke atas untuk memastikan penyesuaian yang tepat.
1. Parasut mini MARS akan sangat mudah dihubungkan ke sistem. Karena kode sudah ditulis dalam program Arduino kami, kami hanya perlu menghubungkannya ke sistem kami. Untuk melakukannya, kami memiliki kabel yang akan terhubung ke pin D4 di Arduino Nano.
2. Hubungkan kabel Merah dan Hitam dari motor servo pada parasut ke hub 5V dan GND yang dibuat sebelumnya dalam tutorial ini. Ini akan menyelesaikan koneksi Anda.
Kalibrasi dan Pengujian:
Dalam kode Arduino, temukan keseimbangan pada akselerometer Anda (semua gaya dalam x, y, dan z adalah sama), uji sinyal GPS dan data lokasi Anda, dan temukan voltase baterai di mana LiPo Anda mulai turun. Kalibrasi ini mungkin memakan waktu, tetapi pada akhirnya, ini akan membuat penerbangan Anda lebih aman bagi semua orang yang terlibat secara langsung dan tidak.
Selamat membuat!
Kesimpulan dan Pekerjaan Masa Depan
Sejumlah perbaikan dapat dilakukan pada sistem. Pertama, penanganan data akselerometer yang lebih canggih dapat dilakukan, mendeteksi sikap yang tidak biasa seperti pesawat rotor yang terbalik, daripada sekadar mendeteksi jatuh bebas. Khususnya, untuk pesawat bersayap tetap, jika badan pesawat stabil secara aerodinamis dan ketinggian cukup untuk pemulihan dari keadaan mogok, penyebaran parasut dapat ditunda untuk sementara waktu, memberikan badan pesawat kesempatan untuk pulih dari keadaan mogok dengan sendirinya. atau dengan bantuan pilot. Kedua, geo-pagar GPS yang lebih canggih dapat ditentukan, mungkin berdasarkan COA FAA atau aturan pengoperasian lainnya, daripada sekadar mendeteksi jarak dari titik lepas landas.
Baca Informasi Lebih Lanjut….
Bangun Sistem Pemulihan Parasut Balistik untuk Drone Anda
