Créer un système de récupération de parachute balistique pour votre drone

À partir du 21 décembre 2015, la Federal Aviation Administration (FAA) a commencé à exiger des amateurs qu'ils enregistrent leurs systèmes aériens sans pilote, souvent appelés drones. Après deux jours d'enregistrement, la base de données contenait 45 000 avions dédiés et conçus pour un usage personnel. Ce mandat a été établi par la Federal Aviation Administration (FAA) pour accroître la responsabilité des opérations de drones et réduire les accidents impliquant de petits drones. Défaut d'enregistrer un drone personnel pesant entre 0,55 lb. et 55 livres. pourrait vous infliger une amende pouvant aller jusqu'à 27 000 $. Un juge fédéral a statué en mai 2017 contre l'exigence d'enregistrement, mais l'affaire peut faire l'objet d'un appel (« Federal Appeals Court Voids FAA Registration Rule For Model Aircraft », John Goglia, Forbes, 19 mai 2017).

Les drones sont partout; en fait, la FAA estime que d'ici 2020, il y aura environ 7 millions de drones dans le ciel. Alors que de plus en plus de personnes utilisent des drones, la mission de la FAA est de s'assurer que les passionnés de drones opèrent de manière pacifique et sûre. Vous pouvez visiter leur site Web pour voir les restrictions auxquelles vous devez vous conformer en tant que propriétaire de drone, y compris les restrictions de poids, les restrictions de visibilité directe (LoS) et les restrictions d'aéroport, entre autres. Tous ces éléments sont mis en place pour assurer un environnement sûr pour ceux qui participent ou non au vol.

Nous avons tous vu un quadcopter dans le ciel – voler si majestueusement au même endroit – jusqu'à ce qu'il tombe comme un rocher. Contrairement aux aéronefs à voilure fixe, les quadricoptères perdent de la portance lorsque la batterie est épuisée, ou même lorsque l'engin est bouleversé au-delà de sa capacité de récupération. Alors qu'il y a de plus en plus de drones dans le ciel, chacun doit prendre en main la sécurité de son avion. Ce projet explorera la conception et la construction d'un système de récupération de parachute balistique pour de petits aéronefs sans pilote. Le système de récupération, basé sur un microcontrôleur Arduino, utilise des capteurs pour déterminer les coordonnées GPS, la tension restante de la batterie et l'accélération. Si le système détermine que la batterie du drone est épuisée, ou qu'il fonctionne en dehors des limites GPS prescrites, ou que l'unité est en chute libre, le système de récupération coupe l'alimentation des moteurs et déploie le parachute, abaissant l'avion à la sol à une vitesse sûre.

Construisons un système de récupération pour notre drone !

Remarque : Il y aura plusieurs endroits où vous pourrez trouver la plupart de ces matériaux. Veuillez prendre en considération le coût et la simplicité lors de la commande de vos pièces. Un aperçu simple des circuits électriques sera couvert dans ce tutoriel. Veuillez faire de la sécurité votre priorité absolue.

Conception

Le système de récupération est contrôlé indépendamment de l'ordinateur de vol du drone grâce à l'utilisation d'un microcontrôleur Arduino Nano alimenté par une batterie LiPo 7,4 V séparée, pour assurer le bon fonctionnement du système de récupération en cas de batterie principale épuisée. Ce microcontrôleur fournit 14 broches d'entrée/sortie numériques, 8 broches analogiques, une source d'alimentation régulée de 5 V avec une horloge de 16 MHz et 2 Ko de SRAM. Grâce à cette unité, tous les processus de suivi et de prise de décision sont complétés. Chaque composant matériel est connecté au microcontrôleur via les broches d'E/S numériques ou analogiques.

Accéléromètre – L'accéléromètre est connecté via des broches d'entrée analogiques sur le microcontrôleur. Les composants d'accélération dans les directions x, y et z sont lus en fonction des valeurs de tension générées par l'accéléromètre. Étant donné que le module accéléromètre ne nécessite pas beaucoup de courant, les broches de sortie analogiques étaient une source d'alimentation suffisante pour l'accéléromètre.

GPS – Le module GPS est alimenté par la batterie du système de récupération dédié et communique via une connexion série ("Software Serial") sur les broches d'E/S numériques du microcontrôleur. L'unité GPS transmet les données NMEA via une connexion série RS232 à l'Arduino.

Capteur de tension – Le capteur de tension se connecte à une broche analogique sur le microcontrôleur. L'unité de capteur de tension agit comme un diviseur de tension 4:1, fournissant une plage de tension dans les limites du circuit de conversion analogique-numérique sur les broches d'entrée analogique de l'Arduino.

Module relais 5V e - Le module relais est activé par un signal numérique 5V du microcontrôleur et coupe l'alimentation des moteurs du drone lorsqu'il est activé. Ce relais particulier était « Active HAUT », fournissant un signal 5 V au module qui active le commutateur interne.

Servomoteur – Le servomoteur qui déploie le parachute est contrôlé via un signal de modulation de largeur d'impulsion (PWM) provenant des broches numériques du microcontrôleur. Pour économiser de l'énergie pour le système de récupération, le servomoteur est initialement réglé pour se fermer, puis pratiquement détaché du système. Cela permet d'économiser la batterie et la puissance de traitement Arduino puisque la pression de la porte de déclenchement du parachute maintient la porte fermée.

Parachute – Le parachute utilisé pour la récupération est un MARS Mini, qui pourrait également être construit et conçu comme son propre composant. Ce parachute MARS Mini est déployé par une porte commandée par servomoteur qui retient la pression. Le tissu du parachute est lancé vers l'extérieur par un mécanisme interne à ressort et à piston. La réinitialisation de l'unité est possible pour un test et une mise en œuvre rapides. Ce parachute peut être composé d'un tube en PVC, d'un grand ressort, d'une plaque de base, d'une porte imprimée en 3D et d'un support de servomoteur et d'un servomoteur. S'il vous plaît voir les photos pour plus de détails. La figure ci-dessous présente le schéma de conception global du système de récupération :

Logiciel

Le logiciel surveille en permanence trois conditions pour déterminer si une panne de l'avion s'est produite :l'épuisement de la tension de la batterie principale, la chute libre de l'avion et la distance au-delà de la ligne de visée (LOS) du pilote selon le GPS. Grâce aux composants matériels précédemment décrits, il est possible d'obtenir des valeurs en temps réel de ces composants à surveiller.

Lors de la surveillance des valeurs, un étalonnage spécifique est nécessaire pour une utilisation appropriée en tant que système de récupération. Les valeurs de l'accéléromètre doivent être réglées pour détecter la chute libre. Le capteur de tension doit être calibré à la tension de coupure appropriée des moteurs. Le GPS doit obtenir la position actuelle des satellites et la comparer aux valeurs attendues stockées dans le microcontrôleur. Une fois ces composants définis, l'UAV sera disponible pour le vol. Le flux de conception du logiciel est décrit dans la figure ci-dessous.

Organigramme logiciel du système de récupération

GPS

L'unité GPS diffuse en permanence des informations de position (latitude, longitude, altitude et heure) au format texte 183,5 de la National Marine Electronics Association (NMEA) (ASCII). L'unité communique via une connexion série RS232 avec l'Arduino Nano à un débit en bauds de 38 400 bauds.

Pour se conformer aux réglementations en vigueur de la FAA, l'opérateur et/ou un assistant de vol doivent avoir une vue LOS complète de l'avion pendant le vol. Si l'avion dépasse la distance prédéterminée à partir de son point de décollage, le système de récupération prendra le relais et coupera l'alimentation du système principal. Une fois le courant coupé, le système de récupération déploiera le parachute et atterrira en toute sécurité.

Capteur de tension

Le logiciel du capteur de tension interroge une valeur en continu à partir de la source principale de la batterie. Les moteurs à courant continu sans balais souvent utilisés sur les drones dépendent de la tension :c'est-à-dire que la tension de la source d'alimentation détermine principalement si les moteurs sont capables de continuer à fonctionner. La technologie des batteries au lithium-polymère (LiPo) est généralement utilisée dans les avions UAV de loisir. Ces batteries ont une tension constante jusqu'à ce que la batterie atteigne la fin de la charge. À ce stade, la tension de la batterie chute rapidement. Après avoir interrogé la tension de la batterie du moteur, le système de récupération détermine si l'état de l'avion est adéquat pour un vol en toute sécurité. Si c'est le cas, le système continue de surveiller. Si la tension de la batterie principale est insuffisante, le système de récupération coupe l'alimentation de l'avion via le relais, et déploie le parachute pour un atterrissage en toute sécurité. L'adressage de la tension de la batterie en temps réel est le plus applicable aux systèmes multi-rotors. Les unités à voilure fixe ont la capacité de planer lorsqu'elles sont éteintes en plein vol. Contrairement au système à voilure fixe, les multi-rotors doivent alimenter tous les moteurs pour un vol stable. En surveillant la tension de la batterie, il est possible de déterminer une condition de vol potentiellement dangereuse.

Accéléromètre

Un accéléromètre à 3 axes attaché au système de récupération surveille en permanence les forces exercées sur l'avion. L'objectif de l'accéléromètre est de surveiller l'UAV pour détecter la chute libre. Alors que d'autres forces agissant sur l'UAV peuvent être utiles pour déterminer l'orientation et le mouvement, l'accéléromètre doit surveiller le cas dans lequel un UAV peut être dans un état dangereux. Dans le cas où l'opérateur perd le contrôle de l'avion, où de nombreux drones ne peuvent pas récupérer des accélérations en chute libre, le système de récupération déploie un parachute et coupe l'alimentation des commandes principales via le relais. L'accéléromètre détecte la chute libre lorsque l'avion connaît une accélération de 0 dans les directions x, y et z (en raison du fonctionnement d'un accéléromètre).

Comment assembler :

Électronique :

1. Rassemblez toutes les pièces répertoriées dans le tableau présenté plus haut dans cet article. Vous voudrez peut-être également vous procurer un fer à souder si vous n'utilisez pas de cavaliers à partir des en-têtes. Pour ce didacticiel, nous supposerons que toutes les cartes sont livrées installées avec des broches d'en-tête. Sinon, ils sont très bon marché à acheter et à installer. Vous devrez également télécharger et installer le dernier IDE Arduino sur votre système. Le code a été documenté à chaque étape du processus. Si vous n'avez jamais utilisé d'Arduino auparavant, ce serait un excellent projet pour commencer ! Veuillez envisager de modifier le code en fonction de votre configuration. L'étalonnage de l'accéléromètre et l'étalonnage GPS seront nécessaires pour chaque unité de récupération individuelle. Nous allons d'abord configurer l'électronique du système.

2. Sélectionnez le connecteur en T avec prise de batterie parmi vos pièces. Coupez le câble de masse (ou câble noir) de la batterie principale de votre drone. Ce relais sera inséré en série entre les extrémités coupées du fil d'alimentation noir et utilisé pour couper l'alimentation du système principal. Dénudez les deux extrémités du câble noir coupé et insérez une extrémité dans le NO et l'autre dans le port COM du relais 5V.

3. Coupez les deux petits fils « renifleurs » connectés au connecteur en T de la batterie et dénudez chacun d'eux. Ces deux fils permettent de détecter la tension de la batterie pour l'alimentation principale de notre UAS. Insérez les deux fils dans les deux ports du capteur de tension en gardant le fil noir comme GND et le fil rouge comme VCC. Cela garantira une bonne polarité et une estimation de la valeur lors de la mise en œuvre de notre conception.

4. Il s'agit d'une étape requise avec mon système en raison des composants particuliers que j'ai commandés. Vous devrez peut-être ajuster en conséquence.

Construisez un connecteur à broches femelle à 5 broches et 5 broches. Soudez les fils de l'un à l'autre horizontalement de sorte que l'entrée d'un ensemble vertical de connecteurs corresponde à l'entrée adjacente du suivant. S'il vous plaît voir Female Header Pin Connection.jpg pour la représentation. Cette configuration fonctionne de la même manière qu'une unité de cavalier femelle-femelle à 5 fils, je ne voulais tout simplement pas du jeu de fils supplémentaire.

5. Maintenant, prenez une seule rangée de connecteurs femelles à 8 broches et soudez les fils les uns aux autres. Cela construira un concentrateur de connexion pour une alimentation 5V. Faites-le deux fois pour en construire un également pour les connexions GND.

6. Connectez la broche EN du relais 5V à la broche D5 de la carte Arduino à l'aide d'un cavalier femelle-femelle. Ensuite, connectez le VCC et le GND aux concentrateurs respectifs à l'aide d'un cavalier femelle-mâle. Remarque : les hubs n'ont pas encore besoin d'être connectés aux connexions Arduino 5V et GND.

7. Connectez la broche S du capteur de tension à la broche Arduino A7 à l'aide d'un cavalier femelle-femelle. Connectez la broche « - » à votre concentrateur de connexion GND. Ce capteur de tension agit comme une unité de diviseur de tension pour une détection de tension plus élevée.

8. Connectez un jeu de 2 cavaliers femelle-femelle aux broches VCC et GND de votre module GPS et un jeu de 2 cavaliers femelle-mâle aux broches RXD et TXD. Ensuite, connectez le VCC et le GND à leurs concentrateurs respectifs. De plus, connectez l'extrémité TXD à la broche D2 et l'extrémité RXD à la broche D3 sur la carte Arduino.

9. Enfin, nous devons connecter l'accéléromètre à notre système. Insérez l'accéléromètre dans les broches analogiques A1-A5 de l'Arduino Nano à l'aide du système de connecteurs 5 broches à 5 broches que nous avons construit à l'étape 4. Veuillez vous assurer de suivre ces connexions :

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

Vous pouvez modifier cette configuration, mais si vous le faites, vous devez modifier le code pour utiliser l'affectation des broches que vous avez effectuée. Pour rendre votre accéléromètre plus stable, il est recommandé de connecter la broche VCC à la source du nano 5V et la broche GND au GND du nano. Cela peut être une étape pour votre future itération et étalonnage.

10. La dernière étape consiste à télécharger le programme Arduino fourni (Ballistic_Parachute_System.ino) sur votre microcontrôleur Arduino. Lors du chargement dans l'IDE Arduino, sélectionnez votre carte et votre port COM et appuyez simplement sur télécharger.

Parachute :

Remarque : Je vous encourage à regarder cette conception de parachute et à créer la vôtre si vous le souhaitez. Un parachute n'est rien de plus qu'un morceau de matériau (le nylon fonctionne très bien) avec une ficelle pour attacher le tout ensemble. Testez votre parachute en le jetant sur quelque chose de haut pour assurer des réglages appropriés.

1. Le mini parachute MARS sera très facile à connecter au système. Étant donné que le code est déjà écrit dans notre programme Arduino, il nous suffit simplement de le connecter à notre système. Pour ce faire, nous avons un fil qui se connectera à la broche D4 de l'Arduino Nano.

2. Connectez les fils rouge et noir du servomoteur du parachute aux concentrateurs 5V et GND réalisés plus tôt dans ce didacticiel. Cela devrait terminer vos connexions.

Étalonnage et test :

Dans le code Arduino, trouvez l'équilibre sur votre accéléromètre (toutes les forces en x, y et z sont les mêmes), testez votre signal GPS et vos données de localisation, et trouvez la tension de la batterie dans laquelle votre LiPo commence à chuter. Cet étalonnage peut prendre un certain temps, mais au final, il rendra votre vol plus sûr pour tous ceux qui sont, et qui ne sont pas, directement impliqués.

Bonne fabrication !

Conclusions et travaux futurs

Un certain nombre d'améliorations pourraient être apportées au système. Premièrement, un traitement plus sophistiqué des données de l'accéléromètre pourrait être effectué, en détectant des attitudes inhabituelles telles qu'un giravion à l'envers, plutôt que de simplement détecter une chute libre. En particulier, pour les aéronefs à voilure fixe, si la cellule est aérodynamiquement stable et que l'altitude est suffisante pour sortir d'un décrochage, le déploiement du parachute peut être retardé pendant un certain temps, donnant à la cellule une chance de sortir du décrochage d'elle-même. ou avec assistance pilote. Deuxièmement, une géo-barrière GPS plus sophistiquée pourrait être définie, peut-être sur la base d'un COA de la FAA ou d'autres règles d'exploitation, plutôt que de simplement détecter la distance depuis le point de décollage.

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