CERCETARE ȘTIINȚIFICĂ 4 STAMATE MIHAI-ALIN [309443]

CERCETARE ȘTIINȚIFICĂ 4

realizarea practică a [anonimizat]:

1. Prezentarea soluției adoptate 2

1.1 Sistemele de coordonate asociate dronei 4

1.2 Axele de rotație 5

1.3 Modelul virtual al hexarotorului ales 8

2. [anonimizat] 11

3. [anonimizat], setarea limitelor maxime ([anonimizat]. [anonimizat],

girație)…………………………………………………………………………………….12

4. Verificarea configurației adoptate…………………………………………………..23

5. Concluzii……………………………………………………………………………….27

6. Bibliografie… 28

[anonimizat] 3, [anonimizat], etapa de calibrare și setare a parametrilor de zbor.

[anonimizat], un hexarotor în X, având în vedere că această soluție prezintă o [anonimizat].

Fig. 1.1 [anonimizat] X

[anonimizat], așa cum este prezentat în fig. 1.1.

Un vehicul aerian fără pilot uman la bord (UAV) [anonimizat], [anonimizat] 3 axe (3 dimensiuni). Mișcarea de translație se obține prin modificarea direcției și mărimii forței de tracțiune verticale.

Pentru pale fixe ale rotorului (conform cu cele existente pe dronă) [anonimizat] a crea cupluri de rotație în jurul centrului de rotație. Din însumarea vitezelor rotoarelor rezultă mărimea vectorului forță de tracțiune.

Fig. 1.2 Vehicul aerian fără pilot uman la bord de tip hexarotor

Mișcarea vehiculului multirotor în două dimensiuni este ilustrată în fig. 1.3-1.5.

Fig. 1.3 Elicele se rotesc cu aceeași viteză unghiulară astfel încât

vectorul forței de tracțiune totale are aceeași direcție

cu vectorul forței de gravitație

Fig. 1.4 Prin varierea vitezei de rotație a elicelor

rezultă un cuplu de rotație

Fig. 1.5 [anonimizat] o

accelerație orizontală

1.1 Sistemele de coordonate asociate dronei

Pentru a [anonimizat], pentru reprezentarea poziției și orientării hexacopterului pe cele 3 dimensiuni, și anume: sistemul de coordonate asociat solului și sistemul de coordonate asociat cadrului dronei.

[anonimizat], [anonimizat], se va utiliza acest sistem de coordonate.

[anonimizat] x va fi orientată pe direcția înainte (capetele roșii de montare a motoarelor), axa y orientată spre stânga și axa z [anonimizat] x și y. (a se vedea fig. 1.6)

1.2 Axele de rotație

Atitudinea dronei se definește ca fiind orientarea sistemului de coordonate al dronei față de sistemul de coordonate al pământului. Aceasta reprezintă rotația dronei în jurul axelor sale x, y și z, în acest caz prin folosirea regulii mâinii drepte, și constă în trei mișcări: ruliu (roll), tangaj (pitch) și girație (yaw). (a se vedea fig. 1.7)

Fig. 1.6 Sistemul de coordonate asociat cadrului dronei și numerotarea rotoarelor

Fig. 1.7 Mișcările de rotație pe cele trei axe de coordonate:

ruliu (roll – axa x), tangaj (pitch – axa y)

și girație (yaw – axa z)

Atitudinea este controlată prin modificarea turației motoarelor, implicit a vitezei de rotației a elicelor, rotoarele fiind numerotate în sensul acelor de ceasornic, cu rotorul numărul 1 fiind în poziția față dreapta a hexacopterului. (a se vedea fig. 1.6)

Ruliul (roll) reprezintă mișcarea de rotație în jurul axei x, obținută prin creșterea/descreșterea turației 1, 2 și 3 și, concomitent, prin creșterea/descreșterea turației rotoarelor 4, 5 și 6. Pe timpul acestei manevre se creează un cuplu de rotație în jurul axei x și astfel apare o accelerație unghiulară. Unghiul de rotație pentru mișcarea de ruliu se notează cuφși se măsoară în rad/s.

Tangajul (pitch) reprezintă mișcarea de rotație în jurul axei y și se obține prin creșterea/descreșterea turației rotoarelor 1 și 6 și, concomitent, prin creșterea/descreșterea turației rotoarelor 3 și 4. Deoarece direcția axei y coincide cu poziția rotoarelor 2 și 5, acestea nu afectează tangajul. Unghiul de tangaj se notează cuθși se măsoară, de asemenea, în rad/s.

Girația (yaw) reprezintă mișcarea de rotație în jurul axei z. În cazul acestei mișcări fiecare elice creează un cuplu de rotație în jurul axei z atunci când se rotește. Astfel că acest cuplu este direcționat în sensul opus sensului de rotație al rotorului. Dacă elicea se rotește în sensul acelor de ceasornic, acesta va crea o rotație în sens trigonometric în jurul axei z.

Pentru a menține hexacopterul stabil este necesar ca rotoarele să fie rotite în direcții diferite, astfel încât trei rotoare să se rotească în sensul acelor de ceasornic iar celelalte trei în sens trigonometric. Mișcarea de girație este realizată prin descreșterea/ creșterea turației rotoarelor 1, 3 și 5 și, concomitent prin creșterea/descreșterea turației rotoarelor 2, 4 și 6. Unghiul de rotație pentru mișcarea de girație se notează cu ψ și se măsoară în rad/s.

Fig. 1.8 Hexarotor – cote de gabarit

Fig. 1.9 Hexarotor – cote de gabarit

(continuare)

Fig. 1.10 Hexarotor – cote de gabarit

(continuare)

1.3 Modelul virtual al hexarotorului ales

Modelul virtual 3D al hexarotorului a fost realizat cu ajutorul programului SolidWorks.

În fig. 1.8-1.10 este prezentat modelul 2D pentru a evidenția câteva cote de gabarit, iar în fig. 1.11-1.17 este prezentat modelul virtual al dronei, în vederi 3D.

Fig. 1.11 Modelul CAD al hexarotorului

(realizat în SolidWorks)

Fig. 1.12 Modelul CAD al hexarotorului

(continuare)

Fig. 1.13 Modelul CAD al hexarotorului

(continuare)

Fig. 1.14 Modelul CAD al hexarotorului

(continuare)

Fig. 1.15 Modelul CAD al hexarotorului

(continuare)

Fig. 1.16 Modelul CAD al hexarotorului

(continuare)

Fig. 1.17 Modelul CAD al hexarotorului

(continuare)

Fig. 1.18 Modelul CAD al hexarotorului

(varianta echipată)

Fig. 1.19 Modelul CAD al hexarotorului

(varianta echipată – continuare)

În fig. 1.18-1.19 este prezentat modelul CAD 3D al hexarotorului, în varianta echipată cu motoare, elice, acumulator, gimbal și cameră.

Aspecte constructiv-funcționale ale hexarotorului realizat

În cele ce urmează voi prezenta succint componentele utilizate la realizarea practică a acestei soluții de hexarotor.

Pentru partea de cadru am folosit, pentru brațele suport ale motoarelor, tuburi din fibră de carbon, similare cu brațele care alcătuiesc trenul de aterizare, datorită masei reduse a acestui material. Ca suport al brațelor mai sus menționate, al trenului de aterizare și al echipamentelor de avionică și cameră am utilizat două plăci din fibră de carbon (superioară și inferioară) ce se asamblează între ele cu șuruburi (vezi fig. 2.1, 2.3, 2.5).

Fig. 2.1 Montarea brațelor suport motor pe plăcile inferioară și superioară

Fig. 2.2 Capetele suport pe care s-au montat motoarele fără perii

(capete roșii indică direcția de deplasare a dronei)

Fig. 2.3 Cap suport montat pe brațul suport al motorului,

pe care s-a montat motorul fără perii

(capete roșii indică direcția de deplasare a dronei)

Fig. 2.4 Lipirea cablurilor (roșu și negru) de alimentare

a ESC-urilor pe placa superioară

Fig. 2.5 Montajul brațelor suport, a capetelor suport motor

și a ESC-urilor pe placa superioară

Fig. 2.6 Montajul trenului de aterizare de tip sanie

pe placa inferioară

Fig. 2.7 Montaj tren de aterizare – placă inferioară – placă superioară

Brațe suport motor – capete suport motor – motoare – ESC

(forma preliminară a hexarotorului)

Fig. 2.8 Montajul brațelor suport pentru susținerea acumulatorului

și a sistemului cameră – suport gimbal

Fig. 2.9 Hexarotorul asamblat, cu echipamentele de avionică montate

la partea superioară a plăcii superioare

În fig. 2.1-2.10 am prezentat câteva detalii referitoare la etapa de asamblare, lipire, montaj al componentelor principale ale dronei (cadru – placă superioară, placă inferioară, tren de aterizare, brațe suport motor, capete suport motor, ESC-uri, echipamente de avionică). Pentru motive ce țin de siguranța în exploatare și pentu protecția fizică a lucrătorului, elicele nu au fost montate pe dronă, acestea fiind instalate în momentul efectuării operațiilor de testare la sol și în zbor a hexarotorului.

Fig. 2.10 Antenă GPS

Fig. 2.11 Amplasarea componentelor de avionică

pe placa superioară

Fig. 2.12 Diagrama de conexiuni a hexarotorului realizat

În fig. 2.12 este prezentată diagrama de conexiuni, unde se evidențiază modul de conectare a componentelor de avionică. Acestea se conectează la elementul central al hexarotorului – controllerul Tarot ZYX-M, ce asigură puterea de procesare, necesară evoluției dronei în zbor și este echipat cu sisteme inteligente de calcul și de control al navigației, procesor pe 32 biți, senzor anti-vibrație integrat, carcasă din metal, suportă recepție duală S-BUS, avertizează acustic și luminos în caz de avarie.

Alimentarea se realizează de la un accumulator LiPo pe 4 celule, cu o capacitate de 6600 mAh. De la acumulator (indicat pe schema cu sigla Battery 2-6S) o parte din tensiune este distribuită prin intermediul plăcii superioare (care îndeplinește și rolul de placă de distribuție a tensiunii) la cele 6 controllere electronice de turație (ESC), care, la rândul lor, prin softul de comandă și control al motoarelor distribuie tensiunea către motoarele electrice fără perii.

Cealaltă parte a tensiunii furnizată de acumulator trece prin modulul de distribuție a tensiunii (PMU – Power Module Unit) de unde se împarte în 2 magistrale: magistrala de 5V asigură tensiunea necesară alimentării controllerului Tarot (se cuplează la slotul PMU-5V), iar cealaltă magistrală de 12V asigură alimentarea sistemului gimbal-cameră. Pentru partea de comandă a sistemului gimbal, cu comandă pe 3 axe, cablul de la gimbal se introduce în slotul GIMBAL de pe controller.

Comanda motoarelor se realizează prin cuplarea unor cabluri servo la porturile M1-M6 de pe controller (corespunzătoare celor 6 ESC-uri). La celălat capăt al controllerului cablurile servo se introduc în sloturile CH1-CH8 corespunzătoare, iar capătul opus al cablurilor servo se introduce în sloturile de pe receiver (vezi fig. 2.11).

Antena GPS se cuplează la slotul GPS de pe controller. Pentru programarea diferitelor moduri de zbor și stabilirea limitelor de comandă pe cele 3 axe: tangaj, ruliu, girație, prin intermediul unui cablu USB, drone se cuplează la PC și, cu ajutorul softului Tarot ZYX-M se poate programa (pe schema cablul roz – Cable to PC).

Pentru indicarea modurilor de funcționare cu ajutorul semnalelor luminoase, se instalează un LED, acesta cuplându-se la slotul LED/OSD de pe controller. Opțional, dacă se instalează un sistem FPV – First Person View, acesta va avea nevoie de un echipament OSD – On Screen Display, echipament care se va conecta tot la slotul LED/OSD de pe controller.

Calibrarea echipamentelor de avionică, programarea modurilor de zbor, setarea limitelor maxime (altitudine maximă, distanța maximă. unghiuri de tangaj, ruliu,

girație)

În fig. 3.1-3.9 sunt prezentate secvențe din etapa de calibrare a controllerului, antenei GPS, setarea limitelor de operare în zbor (altitudine maximă, distanța maximă. unghiuri de tangaj, ruliu, girație), maparea canalelor de operare, toate aceste realizându-se cu ajutorul software-ului Tarot ZYX-M.

Fig. 3.1 Fereastra principală a programului Tarot ZYX-M

Fig. 3.2 Fereastra principală a programului Tarot ZYX-M

(exemplu de alegere a setărilor)

Fig. 3.3 Maparea canalelor

Fig. 3.4 Selectarea tipului de dronă utilizat

Fig. 3.5 Selectarea modului și locației de amplasare pe dronă a

controllerului și a antenei GPS

Fig. 3.6 Selectarea tipului de receiver și a modurilor de operare

în caz de urgență

Fig. 3.7 Stabilirea limitelor de operare în zbor

(altitudinea maximă, distanța maximă, zonă de zbor interzisă)

Fig. 3.8 Setarea parametrilor de operare în caz de pierdere

a legăturii de radiofrecvență

Fig. 3.9 Setarea limitelor de operare și avertizare

a tensiunii din acumulator

4. Verificarea configurației adoptate

Pentru analizarea configurației alese în cadrul lucrării, am utilizat site-ul http://www.ecalc.ch/, unde user-ul poate selecta tipul vehiculului radio comandat, și anume, elicopter, multicopter, avion, după care, prin inserarea datelor necesare (tensiuni, capacitate acumulator, număr motoare, dimensiune cadru, tipul motoarelor, date meteo etc.) se pot crea diferite simulări privind comportarea vehiculului.

În figurile de mai jos am prezentat datele obținute, ca urmare a configurației adoptate în prezenta lucrare, astfel:

Figura 4.1 Configurația dronei alese și datele tehnice rezultate (partea I)

Figura 4.2 Configurația dronei alese și datele tehnice rezultate (partea II)

Se poate observa din fig. 4.2 (prin apariția bifei de culoare albă, inclusă în cercul verde), că această configurație este una reușită, fără erori de funcționare pe timpul operării.

În fig. 4.3 este prezentat un grafic care exprimă durata maximă de zbor și distanța maximă la care poate fi operat hexarotorul, pe baza datelor de intrare prezentate în fig. 4.1.

În fig. 4.4 este prezentat un grafic în care s-au determinat, pe baza datelor de intrare din fig. 4.1, caracteristicile motorului electric cu care drona este echipată, la turație maximă.

Figura 4.3 Grafic privind estimarea timpului și a distanței maxime de zbor

Figura 4.4 Grafic privind caracteristicile motorului la turațe maximă

Figura 4.5 Gama de motoare ce poate fi utilizată pentru configurația adoptată

Concluzii

După efectuarea testelor la sol, pentru identificarea eventualelor erori în funcționare, drona va fi testată în zbor, cu respectarea tuturor regulilor de siguranță a zborului, conform normelor legale în vigoare, ulterior rezultatele vor fi înregistrate și consemnate în lucrarea finală de dizertație.

Hexarotorul realizat constituie o soluție eficientă și relativ ieftină, comparative cu sisteme similare ca performanțe, existente pe piață, fiind în special destinată pentru utilizarea în aplicații de securizare perimetrală, la supravegherea instalațiilor industriale de interes strategic, a clădirilor guvernamentale, a centrelor de detenție, a frontierelor, la identificarea trecerii ilegale a acestora etc..

6. Bibliografie

[1]. www.ecalc.ch

[2] R. W. Beard,“Quadrotor dynamics and control,” Brigham Young University, 2008.

[3] R. C. Leishman, J. Macdonald, R. W. Beard, and T. W. McLain, “Quadrotors & Accelerometers,” 2013.

[4] S. Bouabdallah, “Design and control of quadrotors with application to autonomous

flying,” Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, 2007.

[5] J. Gordon Leishman. Principles of Helicopter Aerodynamics. Cambridge University Press, 2000

[6] P. Martin and E. Salaun, “The true role of accelerometer feedback in quadrotor control,”in Robotics and Automation (ICRA)

[7] V. Martínez. Modelling of the Flight Dynamics of a Quadrotor Helicopter. Department of Aerospace Sciences, Cranfield University, Cranfield, Bedfordshire, United Kingdom, 2007.

[8] Gabriel M. Hoffmann, Haomiao Huang, Steven L. Waslander, and Claire J. Tomlin. Quadrotor helicopter flight dynamics and control: Theory and experiment. In Proc. of the AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, 2007.

[9] Niță M. M., Avioane și Rachete, concepte de proiectare, Ed. Militara, Bucuresti, 1985;

[10] E. V. Laitone. Wind tunnel tests of wings at reynolds numbers below 70 000. Experiments in Fluids 23, pages 405–409, 1997.

[11] Filipe M. S. Pedro. Projecto preliminar de um quadrirotor. Master’s thesis, Instituto Superior T´ecnico, 2009.

[12] Jim Cox, Electric Motors (Workshop Practice), 1988.

[13] Christian Månsson, Daniel Stenberg, Model-based Design Development and Control of a Wind Resistant Multirotor UAV, Department of Automatic Control, Lund University, 2014.

[14] V. Artale, C.L.R. Milazzo and A. Ricciardello, Mathematical Modeling of Hexacopter, Kore University of Enna Faculty of Engineering and Architecture, 2013.

[15] J.M. Rico-Martinez, J. Gallardo-Alvarado (2000) A simple method for the determination of angular velocity and acceleration of a spherical motion through quaternions, Meccanica 35 111-118.

[16] Wikipedia: Unmanned Aerial Vehicle. [Online]. Site: http://en.wikipedia.

org/wiki/UAV

[17] DIY Drones. [Online]. Site: http://diydrones.com/

[18] Aeroquad: The open source quadcopter / multicopter. [Online]. Site: http://aeroquad.com/

[19] R. W. Beard, “Quadrotor dynamics and control,” Brigham Young University, 2008.

[20] J. Macdonald, R. Leishman, R. Beard, and T. McLain, “Analysis of an Improved IMU-Based Observer for Multirotor Helicopters,” Journal of Intelligent & Robotic Systems, pp. 1–13, 2013.

[21] N. Guenard, T. Hamel, and R. Mahony, “A practical visual servo control for an unmanned aerial vehicle,” Robotics, IEEE Transactions on, vol. 24, no. 2, pp. 331–340, 2008.

[22] R. Leishman, J. Macdonald, T. McLain, and R. Beard, “Relative navigation and control of a hexacopter,” in Robotics and Automation (ICRA), 2012 IEEE International Conference on, year = 2012, pages = 4937–4942, organization = IEEE.