Bauen Sie ein ballistisches Fallschirm-Wiederherstellungssystem für Ihre Drohne

Ab dem 21. Dezember 2015 verlangte die Federal Aviation Administration (FAA) von Hobbyisten, ihre unbemannten Flugsysteme – oft auch Drohnen genannt – zu registrieren. Nach zwei Tagen der Registrierung enthielt die Datenbank 45.000 Flugzeuge, die für den persönlichen Gebrauch bestimmt waren. Dieses Mandat wurde von der Federal Aviation Administration (FAA) festgelegt, um die Rechenschaftspflicht für Drohnenoperationen zu erhöhen und Unfälle mit kleinen Drohnen zu reduzieren. Keine Registrierung einer persönlichen Drohne mit einem Gewicht zwischen 0,55 lbs. und 55 Pfund. Sie könnten mit einer Geldstrafe von bis zu 27.000 US-Dollar belegt werden. Ein Bundesrichter entschied im Mai 2017 gegen die Registrierungspflicht, es kann jedoch Berufung eingelegt werden („Federal Appeals Court hebt die FAA-Registrierungsregel für Modellflugzeuge auf“, John Goglia, Forbes, 19. Mai 2017).

Drohnen sind überall; Tatsächlich schätzt die FAA, dass bis zum Jahr 2020 etwa 7 Millionen Drohnen am Himmel sein werden. Da immer mehr Menschen Drohnen verwenden, ist es die Mission der FAA, sicherzustellen, dass Drohnenenthusiasten friedlich und sicher arbeiten. Auf deren Website können Sie sich über die Einschränkungen informieren, die Sie als Drohnenbesitzer einhalten müssen, darunter unter anderem Gewichtsbeschränkungen, Sichtlinienbeschränkungen (LoS) und Flughafenbeschränkungen. All dies wurde eingerichtet, um eine sichere Umgebung für diejenigen zu gewährleisten, die am Flug beteiligt sind und für diejenigen, die nicht daran beteiligt sind.

Wir alle haben einen Quadrocopter am Himmel gesehen – der so majestätisch an einem Ort fliegt – bis er wie ein Felsbrocken fällt. Im Gegensatz zu Starrflüglern verlieren Quadrocopter an Auftrieb, wenn die Batterie leer ist oder sogar wenn das Flugzeug über seine Fähigkeit hinaus, sich zu erholen, gestört ist. Da es immer mehr Drohnen am Himmel gibt, muss jeder die Sicherheit seines Flugzeugs selbst in die Hand nehmen. Dieses Projekt wird die Konstruktion und den Bau eines ballistischen Fallschirmbergungssystems für kleine unbemannte Flugzeuge untersuchen. Das auf einem Arduino-Mikrocontroller basierende Wiederherstellungssystem ermittelt mithilfe von Sensoren GPS-Koordinaten, verbleibende Batteriespannung und Beschleunigung. Wenn das System feststellt, dass der Akku der Drohne leer ist oder dass sie außerhalb der vorgeschriebenen GPS-Grenzen arbeitet oder sich das Gerät im freien Fall befindet, unterbricht das Bergungssystem die Stromversorgung der Motoren und setzt den Fallschirm aus, wodurch das Flugzeug auf die Boden mit einer sicheren Geschwindigkeit.

Lasst uns ein Wiederherstellungssystem für unsere Drohne bauen!

Hinweis: Es wird mehrere Orte geben, an denen Sie die meisten dieser Materialien finden können. Bitte berücksichtigen Sie Kosten und Einfachheit bei der Bestellung Ihrer Teile. In diesem Tutorial wird ein einfacher Überblick über die Stromkreise gegeben. Bitte machen Sie Sicherheit zu Ihrer obersten Priorität.

Design

Das Wiederherstellungssystem wird unabhängig vom Flugcomputer der Drohne durch die Verwendung eines Arduino Nano-Mikrocontrollers gesteuert, der von einem separaten 7,4 V LiPo-Akku gespeist wird, um einen ordnungsgemäßen Betrieb des Wiederherstellungssystems im Falle eines leeren Hauptakkus zu gewährleisten. Dieser Mikrocontroller bietet 14 digitale Eingangs-/Ausgangspins, 8 analoge Pins, eine geregelte 5 V-Stromquelle mit 16 MHz Takt und 2 KB SRAM. Über diese Einheit werden alle Überwachungs- und Entscheidungsprozesse abgeschlossen. Jede Hardwarekomponente ist über die digitalen oder analogen I/O-Pins mit dem Mikrocontroller verbunden.

Beschleunigungsmesser – Der Beschleunigungsmesser wird über analoge Eingangspins am Mikrocontroller angeschlossen. Beschleunigungskomponenten in x-, y- und z-Richtung werden gemäß den vom Beschleunigungsmesser erzeugten Spannungswerten gelesen. Da das Beschleunigungsmesser-Modul nicht viel Strom benötigt, waren analoge Ausgangspins eine ausreichende Stromquelle für den Beschleunigungsmesser.

GPS – Das GPS-Modul wird über die dedizierte Batterie des Wiederherstellungssystems mit Strom versorgt und kommuniziert über eine serielle („Software Serial“) Verbindung an den digitalen E/A-Pins des Mikrocontrollers. Das GPS-Gerät überträgt NMEA-Daten über eine serielle RS232-Verbindung zum Arduino.

Spannungssensor – Der Spannungssensor wird an einen analogen Pin des Mikrocontrollers angeschlossen. Die Spannungssensoreinheit fungiert als 4:1-Spannungsteiler und bietet einen Spannungsbereich innerhalb der Grenzen der Analog-Digital-Umwandlungsschaltung an den analogen Eingangspins des Arduino.

5V Relaismodul e – Das Relaismodul wird durch ein digitales 5V-Signal vom Mikrocontroller aktiviert und unterbricht bei Aktivierung die Stromversorgung der Drohnenmotoren. Dieses spezielle Relais war „Active HIGH“ und lieferte ein 5V-Signal an das Modul, das den internen Schalter aktiviert.

Servomotor – Der Servomotor, der den Fallschirm auslöst, wird über ein Pulsweitenmodulationssignal (PWM) von den digitalen Pins des Mikrocontrollers gesteuert. Um Energie für das Rückgewinnungssystem zu sparen, wird der Servomotor zunächst geschlossen und dann praktisch vom System getrennt. Dies spart Batterie- und Arduino-Rechenleistung, da der Druck der Fallschirmauslösetür die Tür geschlossen hält.

Fallschirm – Der zur Bergung verwendete Fallschirm ist ein MARS Mini, der auch als eigenes Bauteil konstruiert und konstruiert werden könnte. Dieser MARS Mini-Fallschirm wird durch eine servomotorisch gesteuerte Tür ausgelöst, die den Gegendruck hält. Das Fallschirmgewebe wird durch einen internen Feder- und Kolbenmechanismus nach außen geschleudert. Zum schnellen Testen und Implementieren ist ein Zurücksetzen des Geräts möglich. Dieser Fallschirm kann aus einem PVC-Rohr, einer großen Feder, einer Grundplatte, einer 3D-gedruckten Tür- und Servomotorhalterung und einem Servomotor bestehen. Weitere Details entnehmen Sie bitte den Bildern. Die folgende Abbildung zeigt das Gesamtschema des Rückgewinnungssystems:

Software

Die Software überwacht ständig drei Bedingungen, um festzustellen, ob ein Flugzeugausfall aufgetreten ist:Erschöpfung der Hauptbatteriespannung, freier Fall des Flugzeugs und außerhalb der Sichtlinie (LOS) Entfernung zum Piloten gemäß GPS. Durch die zuvor beschriebenen Hardwarekomponenten ist es möglich, Echtzeitwerte dieser zu überwachenden Komponenten zu erhalten.

Bei der Überwachung von Werten ist eine spezielle Kalibrierung für die ordnungsgemäße Verwendung als Rückgewinnungssystem erforderlich. Die Beschleunigungsmesserwerte müssen eingestellt werden, um den freien Fall zu erkennen. Der Spannungssensor muss auf die richtige Abschaltspannung der Motoren kalibriert werden. Das GPS muss die aktuelle Position von Satelliten erhalten und mit den im Mikrocontroller gespeicherten erwarteten Werten vergleichen. Sobald diese Komponenten eingestellt sind, steht das UAV für den Flug zur Verfügung. Der Ablauf des Softwaredesigns ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Software-Flussdiagramm des Wiederherstellungssystems

GPS

Das GPS-Gerät überträgt ständig Positionsinformationen (Breitengrad, Längengrad, Höhe und Zeit) im Textformat der National Marine Electronics Association (NMEA) 183.5 (ASCII). Das Gerät kommuniziert über eine serielle RS232-Verbindung mit dem Arduino Nano mit einer Baudrate von 38400 Baud.

Um die aktuellen FAA-Bestimmungen einzuhalten, müssen der Betreiber und/oder ein Flugassistent während des Fluges eine vollständige Sicht auf das Flugzeug haben. Wenn das Flugzeug die vorgegebene Reichweite von seinem Startpunkt überschreitet, übernimmt das Wiederherstellungssystem und schaltet die Stromversorgung des Hauptsystems ab. Sobald der Strom ausfällt, setzt das Bergungssystem den Fallschirm aus und landet sicher.

Spannungssensor

Die Spannungssensor-Software fragt kontinuierlich einen Wert von der Hauptbatteriequelle ab. Bürstenlose Gleichstrommotoren, die häufig bei UAVs verwendet werden, sind spannungsabhängig:Das heißt, die Spannung der Stromquelle bestimmt in erster Linie, ob die Motoren in der Lage sind, weiterzulaufen. Die Lithium-Polymer (LiPo)-Batterietechnologie wird typischerweise in Hobby-basierten UAV-Flugzeugen verwendet. Diese Batterien haben eine konstante Spannung, bis die Batterie das Ende des Ladevorgangs erreicht. An diesem Punkt fällt die Batteriespannung schnell ab. Nach Abfrage der Motorbatteriespannung bestimmt das Wiederherstellungssystem, ob der Zustand des Flugzeugs für einen sicheren Flug ausreichend ist. Wenn dies der Fall ist, fährt das System mit der Überwachung fort. Wenn die Spannung der Hauptbatterie nicht ausreicht, unterbricht das Bergungssystem über das Relais die Stromversorgung des Flugzeugs und löst den Fallschirm für eine sichere Landung aus. Die Echtzeit-Batteriespannung zu adressieren ist am besten für Multi-Rotor-Systeme geeignet. Starrflügler haben die Fähigkeit zu gleiten, wenn sie mitten im Flug heruntergefahren werden. Im Gegensatz zum Starrflügelsystem müssen Multirotoren alle Motoren für einen stabilen Flug antreiben. Durch die Überwachung der Batteriespannung ist es möglich, einen potenziell unsicheren Flugzustand zu bestimmen.

Beschleunigungsmesser

Ein am Bergungssystem angebrachter 3-Achsen-Beschleunigungsmesser überwacht ständig die auf das Flugzeug ausgeübten Kräfte. Das Ziel des Beschleunigungsmessers besteht darin, das UAV zu überwachen, um den freien Fall zu erkennen. Während andere auf das UAV einwirkende Kräfte zum Bestimmen der Orientierung und Bewegung nützlich sein können, muss der Beschleunigungsmesser den Fall überwachen, in dem sich ein UAV in einem unsicheren Zustand befinden kann. Für den Fall, dass der Bediener die Kontrolle über das Flugzeug verliert und viele UAVs sich nicht von den Beschleunigungen im freien Fall erholen können, setzt das Bergungssystem einen Fallschirm ein und unterbricht die Stromversorgung der Hauptsteuerungen über das Relais. Der Beschleunigungsmesser erkennt den freien Fall, wenn das Flugzeug eine Beschleunigung von 0 in x-, y- und z-Richtung erfährt (aufgrund der Funktionsweise eines Beschleunigungsmessers).

Montage:

Elektronik:

1. Stellen Sie alle Teile zusammen, die in der Tabelle oben in diesem Artikel aufgeführt sind. Sie können auch einen Lötkolben besorgen, wenn Sie keine Jumper von den Stiftleisten verwenden. Für dieses Tutorial gehen wir davon aus, dass alle Boards mit Header-Pins installiert wurden. Wenn nicht, sind sie sehr günstig in der Anschaffung und Installation. Sie müssen auch die neueste Arduino IDE herunterladen und auf Ihrem System installieren. Der Code wurde für jeden Schritt auf dem Weg dokumentiert. Wenn Sie noch nie einen Arduino verwendet haben, wäre dies ein großartiges Projekt für den Anfang! Bitte erwägen Sie, den Code entsprechend Ihrem Setup zu bearbeiten. Beschleunigungsmesser-Kalibrierung und GPS-Kalibrierung sind für jede einzelne Wiederherstellungseinheit erforderlich. Wir werden zuerst die Elektronik für das System einrichten.

2. Wählen Sie aus Ihren Teilen den T-Verbinder mit Batterieabgriff aus. Schneiden Sie das Massekabel (oder das schwarze Kabel) vom Hauptakku Ihrer Drohne ab. Dieses Relais wird in Reihe zwischen die abgeschnittenen Enden des schwarzen Stromkabels eingefügt und verwendet, um die Stromversorgung des Hauptsystems zu unterbrechen. Isolieren Sie beide Enden des abgeschnittenen schwarzen Kabels ab und stecken Sie ein Ende in den NO und das andere in den COM-Port des 5V-Relais.

3. Schneiden Sie die beiden kleinen „Schnüffel“-Drähte ab, die mit dem T-Stecker der Batterie verbunden sind, und isolieren Sie sie jeweils ab. Diese beiden Drähte bieten einen Weg zum Erfassen der Batteriespannung für unsere UAS-Hauptstromversorgung. Stecken Sie die beiden Drähte in die beiden Anschlüsse des Spannungssensors und halten Sie den schwarzen Draht als GND und den roten Draht als VCC. Dadurch wird die richtige Polarität und Wertschätzung bei der Implementierung unseres Designs sichergestellt.

4. Dies ist ein Schritt, der bei meinem System aufgrund der besonderen Komponenten, die ich bestellt habe, erforderlich ist. Möglicherweise müssen Sie sich entsprechend anpassen.

Konstruieren Sie einen 5-Pin-5-Pin-Buchsenleistenstecker. Das Löten führt horizontal von einem zum anderen, so dass der Eingang von einem vertikalen Steckersatz dem benachbarten Eingang des nächsten entspricht. Bitte sehen Sie die Darstellung unter Buchsenleiste Pin Connection.jpg. Dieses Setup funktioniert genauso wie eine 5-adrige weibliche-weibliche Jumper-Einheit, ich wollte nur nicht den zusätzlichen Satz Drähte.

5. Nehmen Sie nun eine einzelne Reihe von 8-poligen Buchsenleistensteckern und verlöten Sie die Leitungen miteinander. Dadurch wird ein Verbindungs-Hub für 5 V-Strom aufgebaut. Tun Sie dies zweimal, um auch eine für GND-Verbindungen aufzubauen.

6. Verbinden Sie den EN-Pin des 5V-Relais mit dem Pin D5 der Arduino-Platine mit einem weiblich-weiblichen Überbrückungsdraht. Verbinden Sie dann VCC und GND mit einem weiblichen-männlichen Überbrückungskabel mit den jeweiligen Hubs. Hinweis: die Hubs müssen noch nicht mit den Arduino 5V- und GND-Anschlüssen verbunden werden.

7. Verbinden Sie den S-Pin des Spannungssensors mit dem Arduino A7-Pin mit einem weiblich-weiblichen Überbrückungsdraht. Verbinden Sie den ‚-‘-Pin mit Ihrem GND-Verbindungs-Hub. Dieser Spannungssensor fungiert als Spannungsteiler zur Erkennung höherer Spannungen.

8. Verbinden Sie einen Satz von 2 weiblichen-weiblichen Überbrückungsdrähten mit den VCC- und GND-Pins Ihres GPS-Moduls und einen Satz von 2 weiblichen-männlichen Überbrückungsdrähten mit den RXD- und TXD-Pins. Verbinden Sie dann VCC und GND mit ihren jeweiligen Hubs. Verbinden Sie außerdem das TXD-Ende mit Pin D2 und das RXD-Ende mit Pin D3 auf dem Arduino-Board.

9. Schließlich müssen wir den Beschleunigungsmesser an unser System anschließen. Stecken Sie den Beschleunigungsmesser in die analogen Pins A1-A5 des Arduino Nano mit dem 5-Pin-5-Pin-Steckverbindersystem, das wir in Schritt 4 konstruiert haben. Bitte stellen Sie sicher, dass Sie diese Verbindungen befolgen:

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

Sie können diese Konfiguration ändern, aber wenn Sie dies tun, müssen Sie den Code ändern, um die von Ihnen vorgenommene Pinbelegung zu verwenden. Um Ihren Beschleunigungsmesser stabiler zu machen, wird empfohlen, den VCC-Pin mit der 5V-Nano-Quelle und den GND-Pin mit dem GND des Nanos zu verbinden. Dies kann ein Schritt für Ihre zukünftige Iteration und Kalibrierung sein.

10. Der letzte Schritt besteht darin, das mitgelieferte Arduino-Programm (Ballistic_Parachute_System.ino) auf Ihren Arduino-Mikrocontroller hochzuladen. Wählen Sie nach dem Laden in die Arduino IDE Ihr Board und Ihren COM-Port aus und klicken Sie einfach auf Upload.

Fallschirm:

Hinweis: Ich ermutige Sie, sich dieses Fallschirmdesign anzusehen und wenn Sie möchten, Ihr eigenes zu erstellen. Ein Fallschirm ist nichts anderes als ein Stück Material (Nylon funktioniert großartig) mit einer Schnur, um alles zusammenzubinden. Testen Sie Ihren Fallschirm, indem Sie ihn von etwas hoch werfen, um die richtigen Einstellungen zu gewährleisten.

1. Der MARS Mini-Fallschirm lässt sich sehr einfach an das System anschließen. Da Code bereits in unserem Arduino-Programm geschrieben ist, müssen wir ihn nur noch mit unserem System verbinden. Dazu haben wir einen Draht, der mit Pin D4 des Arduino Nano verbunden wird.

2. Verbinden Sie die roten und schwarzen Drähte vom Servomotor am Fallschirm mit den 5V- und GND-Hubs, die zuvor in diesem Tutorial hergestellt wurden. Dies sollte Ihre Verbindungen vervollständigen.

Kalibrierung und Test:

Finden Sie im Arduino-Code das Gleichgewicht auf Ihrem Beschleunigungsmesser (alle Kräfte in x, y und z sind gleich), testen Sie Ihr GPS-Signal und Ihre Standortdaten und finden Sie die Batteriespannung, bei der Ihr LiPo abfällt. Diese Kalibrierung kann einige Zeit in Anspruch nehmen, aber letztendlich wird Ihr Flug dadurch sicherer für alle, die direkt beteiligt sind und die nicht direkt beteiligt sind.

Viel Spaß beim Basteln!

Schlussfolgerungen und zukünftige Arbeiten

An dem System könnten eine Reihe von Verbesserungen vorgenommen werden. Erstens könnte eine ausgeklügeltere Handhabung der Beschleunigungsmesserdaten erfolgen, indem ungewöhnliche Fluglagen wie etwa ein auf dem Kopf stehendes Drehflügler erkannt werden, anstatt einfach den freien Fall zu erkennen. Insbesondere bei Starrflüglern, wenn die Zelle aerodynamisch stabil ist und die Höhe ausreicht, um sich aus einem Strömungsabriss zu erholen, könnte das Auslösen des Fallschirms eine Zeit lang verzögert werden, so dass die Flugzeugzelle die Möglichkeit hat, sich selbst aus dem Strömungsabriss zu erholen oder mit Pilotenunterstützung. Zweitens könnte ein ausgeklügelterer GPS-Geofence definiert werden, vielleicht basierend auf einem FAA-COA oder anderen Betriebsvorschriften, anstatt einfach nur die Entfernung vom Startpunkt zu ermitteln.

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