Mendesain Sistem Pemulihan Payung Balistik untuk UAV
Latar Belakang dan Konteks Regulasi
Pada 21 Desember 2015, Federal Aviation Administration (FAA) mewajibkan semua hobiwan untuk mendaftarkan sistem pesawat tanpa awak (UAS) yang berat antara 0,55 lb dan 55 lb. Dalam dua hari, database FAA mencantumkan 45.000 pesawat pribadi. Aturan ini bertujuan untuk meningkatkan akuntabilitas dan mengurangi kecelakaan drone kecil. Ketidakpatuhan dapat mengakibatkan denda hingga $27.000. Hakim federal membatalkan persyaratan pada Mei 2017, tetapi keputusan tersebut masih tertundukan untuk banding (John Goglia, Forbes, 19 Mei 2017).
FAA memproyeksikan bahwa pada 2020 akan ada sekitar 7 juta drone yang beroperasi di ruang udara AS. Seiring bertambahnya jumlah UAV, misi FAA adalah memastikan para penggemar mengoperasikan secara aman dan damai. Situs web mereka menguraikan pembatasan pada berat, garis pandang (LoS), dan kedekatan bandara yang harus diikuti oleh pemilik drone.
Mengapa Payung Balistik?
Berbeda dengan pesawat sayap tetap, quadcopter kehilangan lift saat baterai habis atau pesawat terganggu di luar batas pemulihan. Seiring meningkatnya lalu lintas drone, operator harus mengambil tanggung jawab atas keselamatan pesawat mereka. Sistem pemulihan payung balistik (BPRS) dapat secara otonom mematikan motor dan membuka payung saat drone dalam bahaya—baik karena baterai rendah, jatuh bebas, atau kehilangan LoS.
Ringkasan Sistem
BPRS adalah subsistem independen yang berjalan pada baterai LiPo 7,4 V sendiri dan mikrokontroler Arduino Nano. Mikrokontroler mem polling akselerometer 3‑sumbu, penerima GPS, dan pembagi tegangan yang mengukur tegangan baterai utama. Saat ambang keamanan dilanggar, pengontrol memicu relai 5 V untuk memutus daya motor dan memacu servo untuk membuka pintu payung. Sistem menjamin penurunan dengan cepat yang terkontrol.
Komponen Hardware
- Arduino Nano – 14 I/O digital, 8 input analog, regulator 5 V, jam 16 MHz, SRAM 2 KB.
- Akselerometer 3‑sumbu – output analog; membaca percepatan X, Y, Z.
- Modul GPS – serial RS232 (NMEA 183.5) pada 38.400 baud; menyediakan lintang, bujur, ketinggian, waktu.
- Sensor Pembagi Tegangan – rasio 4:1; menskalakan tegangan LiPo ke rentang analog Arduino.
- Modul Relai 5 V – aktif‑TINGGI; memutus daya motor saat diaktifkan.
- Motor Servo – dikontrol PWM; membuka pintu payung spring‑loaded MARS Mini.
- Payung MARS Mini – kain nylon, kerangka tabung PVC, mekanisme spring; dapat di-reset antara tes.
Logika Perangkat Lunak
Firmware terus mengevaluasi tiga kondisi:
- Tegangan baterai di bawah ambang batas.
- Jatuh bebas terdeteksi oleh percepatan hampir nol pada semua sumbu.
- Jarak GPS di luar batas LoS yang ditentukan.
Saat kondisi mana pun benar, perangkat lunak:
- Mengaktifkan relai untuk memutus daya motor.
- Memberi sinyal ke servo untuk membuka pintu payung.
Langkah kalibrasi meliputi:
- Menetapkan ambang jatuh bebas akselerometer.
- Menentukan tegangan LiPo tepat saat performa motor menurun.
- Menentukan radius GPS untuk penegakan LoS.
Panduan Rangkaian
Pengaturan Elektronik
- Peroleh semua komponen yang terdaftar; solder opsional jika header tidak ada.
- Sambungkan relai 5 V secara seri dengan kabel hitam (negatif) baterai utama drone. Rangkaikan NO relai ke baterai dan COM ke ujung yang dipotong.
- Gunakan konektor T baterai untuk menyumbangkan dua kawat penyisip ke pembagi tegangan. Sambungkan kawat merah ke VCC dan kawat hitam ke GND pada pembagi.
- Konfigurasikan header female‑female 5‑pin untuk menghubungkan input analog Arduino ke akselerometer. Map VCC, X_OUT, Y_OUT, Z_OUT, dan GND ke A1–A5.
- Siapkan hub daya 5 V dan hub GND paralel. Sambungkan pin EN relai ke Arduino D5; VCC dan GND ke hub-hub.
- Sambungkan output analog sensor tegangan ke Arduino A7 dan VCC/GND-nya ke hub masing-masing.
- Pasang modul GPS: VCC/GND ke hub, TXD ke Arduino D2, RXD ke D3. Aktifkan komunikasi serial pada 38.400 baud.
- Sambungkan servo ke Arduino D4; VCC dan GND-nya ke hub-hub.
- Unggah sketsa yang disediakan (Ballistic_Parachute_System.ino) melalui Arduino IDE.
Rangkaian Payung
- Pasang payung MARS Mini pada servo. Kabel merah servo menempel pada hub 5 V; hitam ke GND.
- Verifikasi pintu spring‑loaded tetap tertutup saat servo tidak diberi daya.
- Uji penyerapan dengan memicu servo secara manual dan amati payung terbuka.
Kalibrasi dan Pengujian
Buka sketsa di IDE, temukan bagian kalibrasi, dan lakukan hal berikut:
- Catat pembacaan kesetaraan akselerometer (semua sumbu sama).
- Pantau fix GPS dan catat lintang/bujur untuk mengonfirmasi akurasi.
- Ukur tegangan LiPo saat tegangan motor menurun di bawah ambang aman.
Setelah dikalibrasi, lakukan uji penerapan rendah untuk memvalidasi respons sistem.
Peningkatan Masa Depan
Peningkatan potensial meliputi:
- Deteksi sikap canggih (misalnya, rotorcraft terbalik) daripada jatuh bebas sederhana.
- Geo-fencing berdasarkan ruang udara kelas A/B/C FAA atau batas Sijot Izin (COA).
- Penundaan pemulihan otomatis untuk UAV sayap tetap yang dapat melayang setelah kehilangan daya.
Untuk sumber daya tambahan, konsultasikan pedoman FAA tentang operasi UAS dan praktik terbaik keselamatan.
