Hexacopter dotat cu microcontroller ARM Cortex M4 capabil sa efectueze zboruri autonome [309355]

UNIVERSITATEA HYPERION

FACULTATEA DE STIINTE EXACTE SI INGINERESTI

SPECIALIZAREA AUTOMATICA ȘI INFORMATICǍ APLICATA

LUCRARE DE LICENȚĂ

Hexacopter dotat cu microcontroller ARM Cortex M4 capabil sa efectueze zboruri autonome

Conducător științific: Absolvent: [anonimizat]. univ. dr. Adrian Costescu Adrian Gabriel Tira

Capitolul I – Considerente Generale

1.1 Considerente generale referitoare la multicoptere

O drona este o [anonimizat] a fi nevoie de un pilot ([anonimizat]), [anonimizat] a efectua zboruri fara a [anonimizat]-[anonimizat] a fi controlat de la o anumita distanta prin intermediul unei telecomenzi.

Diferenta dintre o [anonimizat] o baterie sau in cazuri foarte rare prin combustie. [anonimizat], nu doar din cel militar.

[anonimizat]:

GPS-ul (Global Positioning System), este cel care permite pozitionarea cu acuratete oriunde pe glob a dronei;

Prin functia de memorare a [anonimizat] a se intoarce independent la locul din care au plecat;

In ciuda faptului ca alimentarea unei drone se face de la o baterie, acestea au o [anonimizat];

Pot fi imbunatatite printr-o [anonimizat], [anonimizat].;

[anonimizat] o altitudine fixa sau intr-o anumita pozitie indiferent daca vremea este nefavorabila;

[anonimizat].

[anonimizat], aici avand avantajul de a o [anonimizat], tablete sau telefoane inteligente;

[anonimizat], iar cand ating o [anonimizat];

Unde sunt folosite dronele?

Momentan, [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat], jurnalism, agricultura, agentii imobiliare. Exemple de aplicatii ale dronelor:

[anonimizat];

Masuratori meteorologie;

[anonimizat];

Monitorizarea parcurilor nationale si ale faunei;

[anonimizat];

[anonimizat] a activitatilor infractionale.

Filmari profesionale din diverse unghiuri;

[anonimizat];

Pentru ajutor si asistenta in situatii de urgenta;

[anonimizat], apeducte, poduri, baraje, etc.;

Monitorizarea culturilor agricole;

Cat costa o drona civila?

Dronele non-profesionale, ce sunt fabricate pentru uzul caznic, incep de la pretul de 30$ si pot ajunge pana la 200$. In schimb, pretul de cumparare a unei drone profesionale variaza intre 600$ si 3,000$.

Reguli de folosire a dronelor civile

Regulamentele privind folosirea dronelor in spatii deschise, variaza de la o tara la alta, in unele tari fiind nevoie chiar de o autorizatie pentru a le putea utiliza. Mai jos gasim cateva reguli generale cu privire la dronele ce sunt folosite in spatiile publice:

Persoana ce controleaza drona trebuie sa o supravegheze in permanenta, fie ca zborul este pre-programat sau nu.

Zborurile la o altitudine mica deasupra proprietatilor private sunt interzise, cat si cele din apropierea unui aeroport sau baze militare;

Respectarea unei distante suficiente fata de cladiri, vehicule si persoane din spatiile publice pentru evitarea unor accidentari;

De obicei, dronele nu trebuie sa depaseasca greutatea de 15kg si sa nu depaseasca altitudinea de 100 de metri;

Controverse privind utilizarea dronelor

Legislatia ce priveste utilizarea dronelor inca nu este foarte bine definita, momentan neexistand sanctiuni clare in conditia in care utilizatorul incalca anumite reguli generale. Pe langa faptul ca aceste aeronave permit spionarea, supravegherea si invadarea proprietatii private intr-un mod foarte subtil, ele pot rani persoanele din apropieri, expunandu-le la pericolul de a fi lovite in cazul unor conditii nefavorabile de mediu, nepregatirii celui care ghideaza drona, defectiuni de natura fizica sau poate chiar din cauza unor erori ale sistemul software. [1]

1.2 Prezentarea principalelor tipuri de drone si aplicatii ale acestora

Daca pana acum ceva timp cuvantul “drona” ne ducea cu gandul la fortele militare, in prezent, dronele au devenit o sursa foarte buna de ajutor in aria de arheologie, agricultură si jurnalism, iar pe viitor, poate si in viata de zi cu zi a oamenilor.

Dronele în război

Prima utilizare a dronelor într-un conflict militar a avut loc în 1982, în războiul din Liban, când armata israeliană a trimis astfel de aeronave fără pilot pentru a studia sistemele de apărare siriene și pentru a acumula datele necesare distrugerii lor.

Fig. 1: Drona de razboi.

Ca urmare a dezvoltării sistemului GPS, pilotii pot controla cu o foarte mare acuratete dronele pe toata suprafata globului chiar din baza militara.

Fig 2: Imagine cu diferite informatii cu privire la zborurile independente ale dronelor

Datorita numeroaselor avantaje a dronelor, fata de avioanele pilotate de o persoana, armata Americana a adoptat foarte repede aceste aeronave UAV in scop militar. În 2001, când SUA a declarat starea de război în urma atacului terorist din 11 septembrie, armata americană deținea 50 de drone. Astăzi, numărul acestora se ridică la 7.500, iar numarul lor este intr-o continua crestere.

Astăzi, 40 de drone Predator sunt în aer în orice moment, survolând zonele fierbinți ale globului (precum Afganistan, Pakistan sau Yemen).

In 2016, Pentagonul a cheltuit 5 miliarde de dolari pentru fabricarea dronelor, iar numărul piloților antrenați să conducă de la sol aceste UAV-uri a devenit mai mare decât cel al piloților specializați în avioane de luptă și bombardiere.

Din ce in ce mai multe tari din lumea intreaga au inceput sa adopte modelul American de folosire a aeronavelor controlate de la sol, insa domeniul militar nu este singurul ce înregistrează transformări importante ca urmare a apariției dronelor, aceste aeronave fără pilot începand să fie folosite în tot mai multe domenii.

Utilizările civile ale dronelor

Initial, dronele au fost concepute în exclusivitate de companiile din domeniul apărării, costul acestora ridicându-se la câteva milioane de dolari, insa, astăzi există pe piață mii de modele de drone cu diferite dimensiuni si cu o gama larga de complexitate avand in vedere senzorii instalati, pretul lor devenind foarte accesibil.

Datorita costului redus al achiziționării unei drone simple sau chiar a contructiei ei, aceste aeronave fără pilot încep să fie folosite tot mai mult și în afara forțelor armate.

În America, numeroși amatori au achizitionat astfel de aparate. Unii dintre acestia, chiar au ajutat fortele de ordin sa previna anumite infractiuni, ca de exemplu, cand un pasionat al tehnologiei din Texas, a descoperit cu ajutorul dronei sale că o uzină de procesare a cărnii deversa ilegal tone de sânge de porc într-un pârâu din apropiere.

Fig 3: O drona simpla, ce poate fi utilizata de orice persoana.

În California, agențiile imobiliare au început să folosească dronele pentru a filma și fotografia din diferite unghiuri si de a surprinde peisajele laturalnice ale locuintelor de lux, permitandu-le cererea unui pret mai ridicat.

Dronele au inceput sa fie deja folosite pentru paza granițelor SUA și este in plan să fie folosite și de organizațiile de pompieri, spre exemplu, pentru a lupta împotriva incendiilor de pădure.

Un alt avantaj al dronelor îl reprezintă costul. Recent, departamentul de poliție din Los Angeles a achiziționat 12 elicoptere noi la prețul de 1,7 milioane de dolari. Pe cand o dronă de tip Qube concepută de compania AeroVironment special pentru forțele de ordine costă doar 40.000 de dolari.

Anul acesta, dronele vor fi folosite pentru asigurarea securității în cadrul unor evenimente de amploare, precum Olimpiada de Vară ce va avea loc la Londra sau convenția Partidului Republican din SUA, al cărei scop este alegerea candidatului partidului la președinția SUA.

Dronele în alte domenii

Uniunea Europeana a adoptat modalitatea de supraveghere a modului de folosire a subventiilor agricultorilor, aceasta metoda fiind mai eficienta din toate punctele de vedere, astfel, agricultorii pot primi “vizite supriza” in orice moment.

Fig 4: O mini-drona capabila sa supravegheze zone suspicioase

In ultima vreme, din ce in ce mai multe tari au inceput sa renunte la inspectia fizica a terenurilor agricole, adoptand modul de supraveghere prin satelit, care totodata este beneficiar ca si costuri. Singurul dezavantaj al supravegherii prin satelit este in cazurile in care vremea este nefavorabila in locurile dorite. Din aceasta cauza, dronele încep să fie văzute ca o potențială soluție pentru inspecțiile agricole. Spre deosebire de sateliți, acestea pot fotografia din diferite unghiuri, iar imaginile surprinse sunt mai detaliate.

Dronele au început să fie folosite și în Japonia, dovedindu-se utile atât în agricultură, unde au ajutat la automatizarea procesului de stropire a recoltelor cu pesticide, cât și în investigarea accidentelor, precum în cazul centralei nucleare de la Fukushima, unde au fost folosite pentru a evalua în condiții de siguranță problemele întâmpinate.

Arheologii din Rusia au inceput totodata sa foloseasca aceste aeronave pentru a filma siturile cu ajutorul camerelor cu infraroșii, materialele obținute fiind utilizate pentru crearea unor modele 3D computerizate ale structurilor identificate sub sol.

O organizație ecologistă, numita Sea Shepherd, ce lupta împotriva vânătorii de balene, au ales folosirea dronelor pentru a identifica vasele japoneze ce capturează și ucid cetaceele.

Noua eră a jurnalismului

Jurnalismul este un alt domeniu pe care dronele promit să-l transforme. În facultățile de jurnalism din Statele Unite s-a început pregătirea studenților pentru această nouă etapă a jobului de ziarist.

Cu ajutorul dronelor se pot obține imagini inaccesibile reporterilor aflați la sol, iar prețul acestor aeronave este unul acceptabil. Recent, dronele au fost folosite pentru a capta imagini în timpul protestelor desfășurate în capitala rusă, Moscova, împotriva fraudelor electorale.

Fig 5: Imagine capturata de o drona, la un protest.

Una dintre primele instituții media care au folosit dronele în cadrul reportajelor a fost ziarul digital The Daily, care a obținut cu ajutorul acestora imagini video extraordinare în care se putea observa efectul devastator al unei tornade ce a lovit Alabama. [2]

Fig 6: Imagine capturata de o drona, dupa o tornada.

Dronele au mai fost adoptate bineinteles și de către paparazzi, care au descoperit că pot obține cu ajutorul lor imagini la care altfel nu ar avea acces. Pe Coasta de Azur, unde își petrec vara numeroase celebrități, dronele sunt deja un instrument esențial în arsenalul fotografilor.

Afectează dronele dreptul la intimitate?

Unii activiști se tem că răspândirea dronelor va conduce la încălcarea dreptului la intimidate spunand ca din moment ce actele teroriste pot fi supravegheate, este normal ca si un sot sa poata sa isi urmareasca sotia atunci cand pleaca la ore tarzii de acasa.

Viitorul dronelor – roboții autonomi?

Momentan, armele cu care sunt dotate dronele ce sunt programate sa patruleze in câmpurile de luptă sunt lansate doar în urma comenzilor piloților, însă cercetătorii americani lucrează la conceperea unor sisteme capabile de a lua decizii autonome, astfel, următorul pas pe care armata americană îl are în vedere este dotarea dronelor cu capacitatea de a indentifica singure țintele inamice, fără asistență umană.

Armata SUA estimează că în 2030 drone de dimensiunea insectelor, dotate cu camere și senzori, vor fi folosite pentru spionaj. In urma adoptarii dronelor de catre majoritatea domeniilor, se zvoneste ca aceasta epoca va fi numita “epoca dronelor”. [3] Fig 7: Imagine ce reda un posibil sensor

auto-depistare a inamicilor

Drone agricole si pentru agricultura

Datorita popularitatii tot mai mari a dronelor agricole, agricultura traditionala a inceput sa cedeze locul agriculturii inteligente deoarece noile metode de pregatire, ingrijire si supraveghere a terenurilor agricole sunt mult mai eficiente.

Drone agricole: cerinta de baza pentru o agricultura inteligenta

Asociația Unmanned Vehicle Systems International prezice faptul că in jur de 80% din piața comercială de drone va fi destinată pentru utilizarea în domeniul agricol.

Totodata, in Statele Unite ale Americii se estimează că va duce la apariția a 100.000 de locuri de muncă, cu un venit de jumatate de milliard de euro calculat pana in 2020. Un aport la această suma reiese din folosirea dronelor în agricultură.

În statul Iowa, care este cel mai mare cultivator de porumb și cel de al doilea cultivator de soia din SUA, s-ar putea înregistra o creștere de 1.200 de noi locuri de muncă și aport de 950 milioane dolari în următorii zece ani prin folosirea dronelor în agricultura.

Dronele în agricultura: aplicații nelimitate pentru eficientizarea și modernizarea agriculturii

Astăzi, sateliții, avioanele cu echipaj uman, dar și observarea directă sunt principalele modalități ale agricultorilor pentru monitorizarea culturilor deținute. Aceste metode pot fi mari consumatoare de timp sau se pot dovedi metode incomplete în ceea ce privește colectarea datelor care necesita perioade lungi de timp pentru procesare.

Fig 8: Drona ce supravegheaza agricultura

Prin urmare, poate fi dificil pentru un agricultor să reacționeze la apariția unei probleme în terenurile agricole pe care le deține, cum ar fi cazul unui focar de dăunători, înainte de a fi prea târziu și întreaga cultură să fie distrusa sau costurile pentru intervenție să fie prea mari.

Dronele, al caror pret variază între 2.000 dolari si 160.000 dolari pentru un dispozitiv de tip militar, sunt echipate cu camere cu infraroșu, senzori și alte tehnologii controlate de un pilot situat pe teren.

Pretul achzitionarii unei drone agricole poate sa para destul de mare la prima vedere, insa rezultatele pe care aceste aeronave le ofera prim acumularea de informatii cum ar fi identificarea problemelor privind diferitele insecte în culturile agricole, evaluarea randamentului culturilor sau depistarea unor dăunători  pot aduce beneficii mult mai mari, lipsa de apă în sol, toate aceastea, raportate la perioade mai mari de timp, în ceea ce reprezintă recuperarea investițiilor făcute de agricultori, par sa fie mult mai practice, eficiente, iar costurile sunt mai mici.

Pe de alta parte, agricultorii folosesc dronele agricole si pentru adaptarea utilizarii inteligente a îngrășămintelor, erbicidelor si pesticidelor folosind aplicațiile tehnologice în vederea asigurării necesarului pentru cultura agricolă, în toate etapele de dezvoltare, asigurând cu exactitate aportul de substanțe nutritive, economisind banii cultivatorilor prin reducerea risipei.

Solutiile pentru o agricultura inteligenta – agricultura viitorului

Fig 9: Drona echipata cu FPV pentru monitorizarea terenurilor agricole

Agricultorii au de ales intre achiziționarea propriilor drone agricole sau apelarea la serviciile companiilor care oferă servicii de consultanță, specializate în această piață agricola. Un motiv major în ceea ce privește angajarea companiilor de consultanță în locul achiziționării dronelor de către fermieri îl reprezintă faptul că astfel se scurtează timpul necesar pentru obținerea avizelor în vederea operării dronelor, pregatirile privind coordonarea zborului nefiind necesare, fapt care duce la reducerea costurilor.

Beneficiile utilizării dronelor în agricultura

Utilizarea dronelor in agricultura pentru supravegherea culturilor poate influența major productivitatea culturilor agricole și minimizarea costurilor de monitorizare a culturilor prin alte tehnologii.

Fig 10: Drone ce stropesc cu substante impotriva insectelor

Printre beneficiile utilizării dronelor în agricultură pot fi enumerate:

economisirea timpului;

monitorizarea întregii culturi;

maximizarea randamentului privind realizarea investițiilor viitoare;

ușurința utilizării acestei tehnologii;

cartografierea integrata a terenurilor agricole;

stabilirea cu exactitate a hotarelor culturilor;

accesul la informațiile de care avem nevoie în timp util pentru intervenție rapidă;

creșterea randamentului culturilor agricole;

recepționarea imediată a informațiilor legate de starea de sănătate a culturilor prin intermediul funcțiilor dezvoltate de drone agricole;

mecanismele de siguranță în exploatarea dronelor impun revenirea întotdeauna la locația originală de decolare.

limitarea pierderilor prin identificarea problemelor apărute în culturile agricole în timp util;[4]

1.3 Drone de tip multirotor

Despre multirotori

Multicopterii (numiți multirotori) folosesc adesea elice cu pas fix, astfel încât controlul mișcării vehiculului se realizează prin modificarea vitezei relative a fiecărui motor. Multicopterele controlate prin telecomanda sunt din ce în ce mai populare pentru fotografierea aeriană și pentru supravegherea terenurilor. Mai recent, Drone Racing este un subiect la moda, unde multicopterele sunt folosite în curse și în competiții în stil liber.

Există mai multe tipuri de multirotor. Acestea sunt în general clasificate prin numărul de motoare utilizate, de exemplu un multicopter cu trei motoare este numit un tricopter, iar configurația poate fi considerată ca fiind Y3.

Numărul de motoare și configurația au cel mai mare impact asupra performanței zborului. De exemplu, cu cât sunt mai multe motoare, cu atât multicopterul va avea mai multă putere (mai multă capacitate de ridicare), ceea ce înseamnă că poți suporta mai mult sarcină utilă. Pe de alta parte, mai multe motoare înseamnă si o redundanță mai bună în caz de defectare a motorului, insa, dezavantajul este scăderea eficienței energetice și creșterea costurilor pentru achiziționarea motoarelor suplimentare și a părților asociate.

BiCopterul – Multicopter cu 2 motoare

BiCopterele au două motoare care pot fi deplasate de servo. Avem in dreapta un exemplu de bicopter asemanator unuia din filmul Avatar.

Fig 11: Bicopter cu doua motoare.

Bicopterul ar putea fi cel mai ieftin configurator multicoptru dintre toate multicopterele, deoarece utilizează numai două motoare și două servoare, dar este și cea mai dificilă platformă de a se stabiliza în timpul zborului. De asemenea, are cea mai mică putere de ridicare, dat fiind faptul că are numai 2 motoare.

Bicopterul nu este o configurație foarte populară pentru pasionați și nu se pot gasi prea multe informații despre el.

Fig 12: Schema a bicopterului cu cele doua motoare.

Tricopterul –Multicopterul cu 3 moatoare

Tricopterul are 3 motoare într-o formă de "Y", insa pot avea uneori si o formă de "T", unde brațele sunt de obicei de 120 de grade. Două elici de pe brațele din față se rotesc în direcția opusă pentru a se contracara una pe alta. Motorul din spate poate fi înclinat spre stânga și spre dreapta printr-un servo pentru a permite mecanismul de înclinare. Aici este un tricopter "Y3" pe care l-am construit înainte.

Este o configurație populară si relativ ieftină, deoarece necesită doar 3 motoare. Deși necesita un servo suplimentar, acestea sunt de regula mai ieftine decât motoarele cu perii. În general, tricopterii sunt mai puțin stabili decât alți multirotori cu mai multe motoare și nu este la fel de robust din cauza Fig 13: Schita a unui tricopter. vulnerabilității servomotorului și

mecanicii cozii în accidente. Pentru pasionați este insa mai greu de construit din cauza mecanismului de retragere.

Tricopterul are mai multă autoritate în comparație cu un quadcopter. Ceea ce inseamna ca atunci cand un quadcopter sau un hexacopter se opreste, fac acest lucru prin incetinirea motoarelor de pe o jumatate si accelerarea motoarelor de pe cealalta jumatate. În cazul în care copterul este deja la o viteză maximă (toate motoarele la 100%), va trebui să coborâți viteza pentru a face o întoarcere. Cu toate acestea, pe un tricopter se folosește un servo aditional pentru a obține o răsturnare, astfel încât acesta pierde mai puțin efort atunci când se întâmplă aceeași situație.

De asemenea, are o putere de ridicare mai mică datorită numărului mai mic de motoare.

Fig 14: Schema unui tricopter cu frame in forma de Y.

QuadCopterul – Multicopterul cu 4 motoare

Un quadcopter are 4 motoare montate pe un cadru simetric, fiecare braț fiind de obicei de 90 de grade pentru configurația X4. Două motoare se rotesc în sensul acelor de ceasornic, iar celelalte două rotesc în sens contrar acelor de ceasornic, creand o forță opusă, oferind astfel un echilibru constant. Quadcopterul este cea mai populară configurație de tip multirotor, cu cea mai simplă structură mecanică.

Fig 15: Schema unui quadcopter.

Există două configurații principale: X sau +. Configurația X este mai populară, deoarece putem ține elicele in afara cadrului camerei (pentru filme FPV și aeriene). Unii oameni aleg configuratia cadrului in forma de plus (+), deoarece este mai intuitiv și zboară ca un avion, fiind mai ușor să dai seama de orientarea multirotorului.

Fig 16: Un quadcopter simplu, dar gata de zbor.

Există, de asemenea, configurația H, care permite ca o cameră să fie plasată pe partea din fata a cadrului, pentru a evita elicele în vederea camerei. Există întotdeauna dezbateri despre dacă X sau H sunt mai bune, mai ales în comunitatea destinata mini quad-urilor.

Y4 – 4 motoare

Seamănă cu un tricopter, dar fără servo. Există două propulsoare și motoare normale în față, pe brațe separate și două motoare coaxiale în partea din spate, montate pe un singur braț. Din punct de vedere mecanic, este mai simplu decât tricoptrii din cauza absenței mecanismului și a retragerii.

În timp ce cântăresc aproape aceeași greutate, au aproximativ cu 1/3 mai multă putere de ridicare decât tricoptere. Ele sunt, de obicei, mai fiabile decât tricopterele, deoarece nu există probleme potențiale de servo.

Fig 17: Schema unui quadcopter, cu forma in Y

VTail si ATail – 4 motoare

V-Tail și A-Tail au la baza o configuratie de quadcoptere, cu motoarele frontale pe brațele quadcopterului, în timp ce motoarele din spate sunt situate în apropiere, înclinate la un unghi vertical, fie în interior sau în afară.

Este un amestec între un quadcopter și un tricopter, dar și foarte asemănător cu configuratorul Y4.

Fig 18: Frame-ul unui quadcopter, cu alta forma de Y.

Aceasta nu este o configurație populară deoarece oferă o eficiență energetică mai mică (interferența fluxului de aer la motoarele cozii multicopterului). Cu toate acestea, VTail / ATail cu siguranță arată minunat și oferă o vizibilitate mai bună a orientării.

Pentacopterul – 5 Motoare

Nu există prea multe informații despre aceasta configuratie deoarece nu este tocmai o configurație populară. Dar au existat oameni care au construit acest lucru și au verificat fezabilitatea acestui moticopter ce are un aspect minunat.

Un avantaj evident al pentacopterului este unghiul larg al celor două brațe frontale, care permite elicelor să nu se afle pe cât mai mult posibil in campul vizual al camerei. Fig 19: O drona cu 5 elice.

Hexacopterul – Multirotorul cu 6 motoare

Hexacopterul are 6 motoare montate de obicei la 60 de grade pe un cadru simetric, cu trei seturi de motoare / elice CW și CCW.

Hexacopterele sunt foarte asemănătoare cu quadcopterele, insa acestea oferă o capacitate mai mare de ridicare prin motoarele suplimentare. Există, de asemenea, o îmbunătățire a redundanței: dacă un motor se defecteaza in timpul zborului, aeronava poate rămâne suficient de stabilă pentru o aterizare sigură. Dezavantajul este că acestea tind să aibă dimensiuni mai mari, iar preturile incep sa fie destul de ridicate.

Fig 20: Un hexacopter dotat cu camera FPV.

Fig 21: Schema unei drone cu 6 motoare.

Y6 Hexacopter – 6 Motoare

Y6 are 6 motoare pe un cadru de tip "Y". Ele au o forma similara cu a unui tricopter, dar cu două motoare pe braț, unul deasupra și unul dedesupt. Utilizează ambele emițătoare CW și CCW pe același braț in loc de un servo, pentru a permite rotirea.

Fig 22: Un hexacopter in forma de Y

Acest tip de multicopter poate fi construit foarte compact (dimensiune similară unui tricopter), dar cu o capacitate de ridicare similară unui hexacopter. Cu toate acestea, configurația Y6 este mai puțin eficientă datorită aranjamentului motorului coaxial.

Fig 23: Schema unui hexacopter in forma de Y.

Octocopterul – 8 Motoare

Un octocopter tipic are 8 motoare pe același nivel cu patru seturi de elice CW și CCW.

Octocopterele sunt asemănătoare si cu quadcoptere, cat și cu hexacoptere. Este ca o versiune de upgrade a hexacopterului cu o capacitate de ridicare si o redundanta mai mare.

Fig 24: Un octocopter ce sustine un DSLR professional.

Cu toate acestea, numărul mare de motoare înseamnă că acestea atrag mai mult curent, și probabil că va trebui să aveți mai multe baterii.

Ele sunt foarte populare ca platforme de fotografiere aeriene și transportă unelte de filmare profesionale grele și profesionale.

Fig 25: Imaginile prezinta doua tipuri de a pozitiona bratele unui octocopter.

X8 – 8 Motoare

Un octocopter X8 utilizează 8 motoare montate pe patru brațe, pe un cadru în formă de "X", cu patru seturi de recuzită CW și CCW. Caracteristicile sunt similare cu Y6.

Fig 26: O drona cu 8 motoare cu frame in forma de X.

Fig 27: Schema unei drone cu 8 motoare, cu frame in forma de X.

Cum sa iti alegi configuratia potrivita pentru un multicopter?

Depinde de ce avem de gând să facem cu ea. Pentru curse sau freestyle, nu vom merge gresit daca alegem un quadcopter sau un tricopter. Chiar dacă aceasta se prăbușeste, există mai puține elemente de recuzită (care se întâmplă mai des atunci când zburam repede și în imediata vecinătate). Pentru fotografierea aeriană, probabil că putem folosi un quadcopter dacă înregistram doar cu un GoPro. In schimb, daca vrem sa transportam un echipament mai greu ca un gimbal (stabilizator de imagine pentru camere GoPro) sau vrei o platforma mai stabila si mai fiabila, ar trebui sa luam in considerare un hexacopter sau chiar un octocopter.

Motoreductoare coaxiale

În configurațiile Y6, X8, Y4 multicoptere, întâlnim ceva denumit reductoare coaxiale. Există unele argumente pro și contra în legătură cu acestea.

Avantajele reductoarelor coaxiale

În cazul în care există mai mult de 5 motoare prezente, acestea oferă redundanță: dacă un motor cedeaza, aeronava poate menține echilibrul în aer și îi permite să se aterizeze în siguranță;

Economisim spațiu;

Posibilitatea de a face rama pliabilă pentru o mai bună mobilitate.

Dezavantaje

Unele pierderi de 10-20% în eficiența energetică. Practic, motorul inferior doar se întoarce în aerul deja impins de motorul superior, pierzand eficiența;

Deoarece propulsoarele sunt situate deasupra și dedesubtul brațelor, ele sunt greu de ascuns in fata camerei;

Este dificil de găsit unelte de aterizare adecvate. [5]

1.4 Controlere de zbor

Regulatorul de zbor (ESC)

Regulatorul de zbor este creierul dronei. Controlerul de zbor citește toate datele senzorilor și calculează cele mai bune comenzi, trimitandu-le dronei pentru a putea zbura.

Procesorul

Aceasta este unitatea centrală care rulează firmware-ul autopilot și efectuează toate calculele. Majoritatea controllerelor de zbor au procesoare de 32 de biți care sunt mai puternice decât sistemele de 8bit, dar există încă câteva platforme populare de 8 biți de autopilot, cum ar fi ardupilot mega, ce poate fi găsit online destul de ieftin.

Fig 28: Imaginea arata forma fizica a procesorului unei drone.

Accelerometru si Gyroscop

Acestia sunt senzorii de baza ai dronei. Accelerometrul măsoară forțele de accelerație, iar giroscopul măsoară forțele de rotație. Prin combinarea acestor măsurători, controlerul de zbor este capabil să calculeze atitudinea curentă a uneltelor (unghiul la care zboară) și să Fig 29: Cele 3 axe ale unui gyroscop efectueze corecțiile necesare.

Compasul (magnetometru)

Compasul sau magnetometrul, dacă doriți să sune excentric, măsoară forța magnetică, la fel ca o busolă. Acest senzor este important pentru multi-rotori, pentru că senzorii de accelerometru și giroscop nu sunt suficienți pentru a permite controlorului de zbor să știe în ce direcție este îndreptată banda. Pe dronele cu aripi fixe, acest lucru este ușor, deoarece poate zbura doar într-o singură direcție.

Fig 30: Imagine cu un compas.

Componentele senzorilor sunt foarte sensibile la interferențele magnetice. Lucruri precum fire, motoare și ESC pot provoca interferențe magnetice. Astfel că de aceea vom avea de multe ori un senzor suplimentar de busolă montat pe modulul GPS, modulul GPS fiind montat, de obicei, departe de toate celelalte echipamente. De asemenea, va trebui să calibram compasul atunci când ne construim pentru prima dată drona.

Barometrul

Un barometru este un senzor de presiune care este folosit pentru a măsura altitudinea aeronavelor. Acești senzori de presiune sunt atât de sensibili încât detectează schimbarea presiunii aerului atunci când dispozitivul se deplasează chiar si cu câțiva centimetri. Fig 31: Pozitia si forma unui barometru.

Senzor de viteză

Acesta este un lucru care este folosit doar pe dronele cu aripi fixe. Un senzor de viteză a aerului este o altă formă a senzorului de presiune, dar, în loc să măsoare altitudinea, acesta măsoară viteza cu care aerul trece pe langa aeronava. El face acest lucru prin compararea presiunii dinamice și statice printr-un pilot tube.

Viteza aerului este importanta pentru aeronavele cu aripă fixă, deoarece fluxul de aer deasupra aripilor este ceea ce generează urcarea in altitudine a dronei, iar dacă ea zboara prea încet, s-ar putea sa piarda foarte mult viteza si sa se prabuseasca.

Fig 32: Imagine cu senzorul de viteza, Pilot Tube.

Datalogging (black box)

Unele controlere de zbor cum ar fi Pixhack include si logging-ul de date care stochează un jurnal al tuturor lucrurilor pe care le are auto-pilotul, la fel ca o cutie neagră a unei aeronavă. Acest lucru este folositor în special in cazul in care ceva nu funcționează corespunzător, deoarece ne putem uita la jurnalele salvate pentru a găsi problema.

Sensor Fusion

Nici un senzor nu este suficient de bun pentru a ne controla drona, de aceea sunt utilizați mai mulți senzori. Prin combinarea măsurătorilor de la toți senzorii pe dronă și prin aplicarea unor matematici (filtrarea lui Kalman), pilotul automat ne poate menține aeronava stabilă foarte eficient.

Când urmarim achizitionarea unui autopilot, este sansa sa întâlnim ceva numit DOF sau grade de libertate. Controlerele de zbor cele mai de bază vor fi 6 DOF, ceea ce înseamnă că au un accelerometru cu 3 axe și un giroscop cu 3 axe. Alte controlere de zbor au 10DOF, ceea ce înseamnă că acestea includ mai mulți senzori cum ar fi accelerometrul cu 3 axe, giroscopul cu 3 axe, cumpassul cu 3 axe și un barometru care permite măsurarea a 10 lucruri.

În funcție de modul in care folosim drona, un controler ieftin de 6 DOF ar fi cea mai bună opțiune, mai ales in cazul in care construim un quadcopter FPV de curse. Dar dacă dorim mai multe caracteristici și o performanță mai bună, ideal ar fi sa achizitionam un controler de zbor 10 DOF, astfel putem folosi funcții mai avansate, cum ar fi efectuarea zborurilor autonome, in cazul când este adăugat un modul GPS. [6]

Controlerul de zbor Pixhawk

PIXHAWK este un autopilot de înaltă performanță, potrivit pentru drone cu aripi fixe, multi rotori, elicoptere, mașini, bărci și orice altă platformă robotică ce se poate mișca.

Specificatii

Processor

32-bit ARM Cortex M4 core cu FPU

168 Mhz/256 KB RAM/2 MB Flash

32-bit failsafe co-processor

Sensori

MPU6000

ST Micro 16-bit gyroscop

ST Micro 14-bit accelerometru

MEAS barometeru

Interfete

5x UART serial ports, 1 high-power capable, 2 with HW flow control

Spektrum DSM/DSM2/DSM-X Satellite input

Futaba S.BUS input

PPM sum signal

RSSI (PWM or voltage) input

I2C, SPI, 2x CAN, USB

3.3V and 6.6V ADC inputs

Dimensiuni

Greutate 38 g ;

Latime 50 mm;

Inaltime 15.5 mm;

Lungime 81.5 mm.

Pozitia conectorilor pe placa Pixhawk

Fig 33: Detalii despre PixHawk flight controller.

[13]

1.5 Motoare brushless si ESC

Motorul brushless

Motoarele dronei sunt cele sunt conectate la propulsoare, acestea rotindu-le în jurul lor și generand eforturi pentru a permite dronei să zboare. În cazul aeronavelor cu aripi fixe, motoarele generează o împingere înainte pentru a initia zborul in aer. În cazul multirotorilor, motoarele generează o tracțiune ascendentă, care ne păstrează dronele ca si un quadcopter care zboară.

Pur și simplu, un motor fără perii conține o grămadă de electromagneți (bobine) care sunt conectati împreună în perechi specifice. Controlerul motorului (denumit în mod obișnuit controler electronic de turație sau ESC) este dispozitivul care controlează motorul prin activarea și dezactivarea secțiunilor specifice ale electromagneților din motor la momente foarte exacte pentru a determina rotorul motorului să se rotească datorită forței magnetice. Acesti electromagneti sunt conectati în trei secțiuni principale, motiv pentru care toate motoarele cu perii au 3 fire care ies din ele.

Componentele motorului de tip brushless

Un motor fără perii este alcătuit din două secțiuni principale:

• Rotorul – partea care se rotește și are magneții montați într-un model radial;

• Statorul – partea care nu se rotește și are electromagneți.

Fig 34: Cele doua componente ale unui motor brushless.

Motoarele Inrunner și Outrunner

Există două categorii de motoare cu perii, cu multirotori, iar cele mai multe aeronave cu aripi fixe pe care le vom întâlni, cu motoare outrunner. Diferența dintre cele doua este că outrunnerele au rotorul pe suprafața exterioară a motorului, iar motoarele inrunner au partea rotativă pe interior, în timp ce cochilia exterioară rămâne staționară. Motoarele inrunner sunt adesea folosite cu autovehicule R / C, deoarece acestea se pot roti mult mai repede decât motoarele outrunner. Cu toate acestea motoarele outrunner sunt capabile să producă mai mult cuplu care le permite sa invarta elici mai mari folosite pe aeronave.

Fig 35: Componentele unui motor „outrunner”.

Ce inseamna seria motoarelor fara perii?

Cand suntem in cautarea a câteva motoare fără perii, vem putea observa că există adesea o tendință de denumire a motoarelor cu o serie de 4 numere, ridicandu-se intreabarea: ce înseamnă aceste numere? Majoritatea motoarelor au cateva litere urmate de 4 numere. Literele nu dețin nici o semnificație (de obicei, un model sau nume de serie, cum ar fi motoare din seria MT sau seria Q pentru quadcopter), în timp ce numerele ne indică măsurătorile esențiale ale motorului.

Fig 36: Un exemplu de serie a unui motor brushless, impreuna cu explicarea lui.

În general, primele două numere indică numai diametrul întregului recipient al motorului sau diametrul statorului (partea interioară a motorului).

În mod similar, a doua pereche de numere poate indica fie înălțimea întregului motor, fie numai înălțimea statorului. În acest caz, la motoarele MT2204 care au tehnologie fără pilot, aceste numere indică diametrul statorului și înălțimea, deci avem un diametru stator de 22 mm și o înălțime a statorului de 4 mm.

Mărimea motorului poate oferi o idee despre dimensiunea dronei la care îl vom folosi. Miniquad-urile FPV special folosite pentru curse vor folosi motoarele 1806 sau 2204, în timp ce quadcopatoarele mai mari care sunt proiectate să poarte o cameră GoPro vor fi de obicei în jurul dimensiunii 2212.

Randamentul in kV

Când un motor este alimentat cu o tensiune, acesta se rotește. Pe măsură ce crește tensiunea, la fel se creste și rata de rotire. Această rată de rotație este cuantificată folosind rotații pe minut, adică rpm, iar această valoare Kv oferă rotatiile pe minut ale unui motor care se roteste la accelerație maximă, dat de o anumită tensiune. Această valoare presupune și faptul că copterul este descărcat. Ratingul Kv vă oferă turația motorului în modul următor:

Numărul ideal de rotații ale unui motor depinde de tipul de copter pe care îl căutam. De exemplu, dacă suntem în căutarea unui copter acrobatic de înaltă performanță, motorul de înaltă rpm este cel potrivit, ceea ce înseamnă, desigur, mai multi Kv. Acest lucru este intuitiv deoarece acesti copteri acrobati sunt in general de dimensiuni mai mici, ceea ce inseamna un motor mai mic, conducand la elice mai mici. Când elicile mai mici, motoarele trebuie să producă mai multe turații pentru a produce forța necesară. Cu toate acestea, acest lucru înseamnă că aceste motoare consumă mai multă putere decât altele și astfel sunt mai puțin eficiente.

Pe de altă parte, dacă dorim ca copterul să utilizeze cât mai puțină putere și să dureze mai mult și să fie mai stabil, atunci motoarele cu turații mai mici sunt ideale. Un exemplu pentru care aceste tipuri de motoare ar fi utile este să facem fotografii aeriene. Din nou, acest lucru se datorează parțial faptului că tipul de copter utilizat pentru aceste sarcini este mai mare pentru a transporta echipamentul necesar, adică a elicelor mai mari, ceea ce va crea mai multă forță atunci când este rotită.

Configuratia magnetului

Numărul de configurație arată câți electromagneți există pe stator și numărul de magneți permanenți pe rotor. Numărul înaintea literei N indică numărul de electromagneți din stator. Numărul înaintea lui P arată câte magneți permanenți există în rotor. Majoritatea motoarelor fără perii care urmează depășesc configurația 12N14P. Există câteva motoare specializate multirotor KV cu un număr mai mare de electromagneți și magneți permanenți, care permit motorului să creeze mai mult cuplu mai eficient, dar datorită numărului adăugat de magneți, aceste motoare sunt mai scumpe.

Fig 37: Exemplu cu un brat al unei drone,

pe care este pozitionat unul din motoare

Regulatoare de turatie (ESC)

Termenul ESC reprezintă un "control electronic al turației", un circuit electronic folosit pentru a schimba viteza unui motor electric, traseul acestuia și, de asemenea, pentru a funcționa ca o frână dinamică. Acestea sunt frecvent utilizate pe modele controlate cu comandă radio, care sunt alimentate electric, utilizate pentru motoarele fără perii, asigurand practic o sursă de energie electrică de joasă tensiune cu trei faze, produsă electronic, pentru motoare. Un ESC poate fi o unitate separată, care se introduce în canalul de control al receptorului de accelerație sau se unifică în receptorul însuși, la fel ca în majoritatea vehiculelor R / C de tip jucărie. Unii producători de R / C care conectează exclusiv elementele electronice ale pasionaților la vehiculele, containerele sau aeronavele de intrare, implică componente electronice care le combină pe un singur circuit electric.

Este foarte important de stiut ca schimbarea sensului de rotatie al unui ESC se face fie software, prin modificarea unor parametrii din firmware-ul specific, fie hardware, prin inversarea firelor de conectare.

Fig 38: Legaturile dintre componentele unei drone.

Caracteristicile unui ESC

După cum știm, un ESC controlează viteza rotirii motoarelor unui avion. El are un scop similar cu al servomotorul accelerației unui avion. Face conexiunea între receptorul radio al unui avion și centrala electrică. Un control electronic al vitezei are trei seturi de fire. Un cablu se va conecta la bateria principală a unui avion. Al doilea fir va avea un servo fir tipic care se conectează la canalul de accelerație al receptorului. Iar al treilea este utilizat pentru alimentarea motorului. Principalele caracteristici ale unui control electronic al vitezei includ circuitul de eliminare a bateriilor, întreruperea de joasă tensiune si frânarea.

Componentele unui ESC

Componentele utilizate în ESC includ în principal sunt următoarele:

• Plăcuțele de lipit pentru fazele motorului 3-BLDC;

• Conexiuni negative (-) LIPO;

• Conexiune pozitivă (+) LIPO;

• Semnal servo sau intrarea semnalului PWM;

• Referința GND a semnalului PWM;

• Jumper pentru lipire, pentru modificarea direcției de rotație (CW / CCW);

• Jumper pentru lipire, pentru modificarea tipului de semnal de intrare PWM

LED de stare;

Fig 39: Componentele unui ESC.

Tipuri de ESC

Există două tipuri de regulatoare electronice de turație, bazate pe cerințele specifice, cum ar fi ESC cu perii și ESC fără perii.

Brushed ESC

Brushed ESC este primul controler electronic de viteză, care a rezistat în jur de câțiva ani. Este foarte ieftin de utilizat în diverse vehicule RC RTR electrice.

Fig 40: Legaturile dintre ESC, motor si baterie.

Brushless ESC

ESC-ul fara perii este progresul modern în tehnologie, odată ce vine vorba de controlul electronic al vitezei. Este, de asemenea, un pic mai costisitor. Conectat la un motor fără perii, acesta are mai multă putere mai mare decât ESC-ul cu perii. De asemenea, poate avea o perioadă de viata mai lungă.

Circuitul unui ESC

Termenul ESC este frecvent utilizat ca o contracție pentru "controlerul electronic de viteză”. Funcția de bază a ESC este de a schimba puterea electrică a motorului electric de la bateria aeronavei în funcție de amplasarea stick-ului de accelerație. La început, regulatoarele de viteză erau utilizate în principal în bărcile controlate de la distanță și mașinile care foloseau un rezistor variabil cu stergătorul care era stimulat de un servomotor.

Această tehnică funcționează în mod rezonabil la accelerația maximă, deoarece bateria este asociată direct cu motorul, deși în situații de accelerație parțiale, fluxul de curent din rezistența care produce puterea de a fi pierdut sub formă de căldură. Ca model, aeronava va folosi cea mai mare parte a timpului porțiunea de accelerație. Acesta nu este un mijloc foarte practic de control al puterii.

Puterea controlerelor de viteză actuale diferă de la motor la motor prin acționarea rapidă a alimentării și opririi alimentării. Aici, tranzistorul MOSFET este folosit ca un comutator în loc de un dispozitiv mecanic, iar cantitatea la care este comutat este de aproximativ 2000 de ori pe secundă. Deci, puterea motorului variaza prin schimbarea cantității de timp ON, față de timpul OFF, într-un ciclu specificat.

Când MOSFET-ul este pornit, curentul crește, pe măsură ce crește câmpul magnetic în înfășurările motorului. Când MOSFET-ul este oprit, energia magnetică stocată în bobine trebuie să fie absorbită de ESC. Prin cablarea unei diode pe motor, readucem energia înapoi în motor ca si curent, care coboara ca si defecte ale câmpului magnetic.

Alegerea corecta a unui ESC

Cea mai importantă considerație pe care trebuie sa o avem în vedere este să potrivim controlul electronic al turației cu tipul de motor pe care l-am utilizat. Trebuie sa ne asiguram că am cumpărat un ESC corect pentru motorul ales: ESC fara perii este utilizat numai pentru motorul fara perii, iar ESC cu perii este utilizat numai pentru motorul cu perii, niciodată invers. De obicei, în afară de etichete, vom ști că este vorba de un motor periat dacă are 2 fire. Dacă motorul are trei fire, atunci este fără perii.

Pentru persoanele care nu cunosc controlul electronic al vitezei, majoritatea modelelor precum modelul RTR RC sunt prevăzute cu un controler electronic electronic de viteză preinstalat. Cele mai multe dintre acestea sunt unități digitale periate care poartă un act decent în operațiunile lor. Dacă mașina RC vine cu un control analogic al turației, care are nevoie de un servo pentru a lucra brațul oscilant, este recomandat să achizitionam unul digital cât mai curând posibil.

Aplicatiile unui ESC

Sistemele electronice de control al vitezei sunt utilizate pentru telecomenzi sau aplicații pentru vehicule:

• Mașini electrice;

• Biciclete electrice;

• Aeronave electrice;

• Mașini;

• Elicoptere;

• Avioane;

• Barci;

• Quadcopteri;

• Firmware ESC. [7]

1.6 Transmisia si receptia comenzilor lansate de la sol

Bazele frecvențelor radio

Vom observa adesea termenii de 2.4GHZ și 5.8GHZ atunci cand vine vorba de drone.

2.4 GHZ este frecvența radio pe care majoritatea quadcoptere le utilizează pentru a face legătura dintre emițătorul de la sol și drona. Aceasta este aceeasi frecvența pe care funcționează rețelele wireless ale computerului, iar acest lucru poate cauza probleme când o zonă (locuințe dense, clădiri de birouri etc.) are multe semnale wireless. Pierderea controlului și călătoriile sunt doar câteva dintre problemele raportate. O altă problema este interferența unei drone cu propriile sisteme. Acest lucru se intampla din cauza faptului că două sisteme separate sunt folosite pe multe quadcoptere moderne – una pentru a controla drona și una pentru transmiterea video (FPV).

5.8GHZ este o altă frecvență radio utilizată în quadcoptere, inclusiv modelele DJI Phantom, pentru a evita două frecvențe pe aceeași "bandă".

Fig 41: Exemplu de legatura dintre telcomanda si receiver.

DJI Phantom FPV

Iata cum quadoptrii DJI Phantom, de exemplu, evita majoritatea acestor probleme potentiale.

Phantom 1 – operează aeronava la 2.4 GHz. Dacă decidem să adăugam FPV (acesta fiind adaugat ulterior), atunci trebuie adăugat utilizând un sistem 5.8GHZ.

Phantom FC40 – utilizează un sistem de control 5.8GHZ pentru a zbura deoarece are un sistem separat de 2.4 GHz pentru a transmite FPV (imagini, video) la sol.

Phantom 2 – folosește 2.4GHZ pentru a controla drona – deoarece cele mai multe kit-uri adiționale pe care ultilizatorii le folosesc pentru a transmite înapoi video FPV sunt 5.8GHZ.

Phantom 2 Vision and Vision + – ambele utilizează 5.8GHZ pentru controlul quadcopterului și 2.4GHZ pentru aplicația FPV, telemetrie și smartphone.

În concluzie, dacă cumpăram o drona Phantom de 2.4 GHz fără o cameră foto, trebuie să utilizam un sistem de frecvență diferit (de obicei 5.8GHz) pentru comunicarea camerei la sol.

De asemenea, trebuie reținut că ambele frecvențe radio sunt considerate Line of Sight (LOS), deoarece nu funcționează atunci când există obstacole între noi și quadcopter. Regulile actuale și cele mai bune practici necesită ca drona sa fie pilotata intr-o zona in care o putem vedea cu ochiul liber.

Frecvente FPV

Cele mai frecvente frecvențe utilizate pentru transmisia video sunt: 900 MHz, 1,2 GHz, 2,4 GHz și 5,8 GHz. Folosirea antenelor direcționale va conduce la creșterea razei video. Prin programarea mai avansata, aceastea sunt capabile să atinga o raza de cativa kilometri. [12]

1.7 Alimentarea bateriei de tip Li-Po

Bateriile din polimeri de litiu (LiPo) au devenit o parte esențială a acestui hobby. Acestea sunt folosite la multe dispozitive electrice, cum ar fi telefoane mobile, laptopuri și tablete. Cei mai mulți entuziasmați de drone recunosc riscul de încărcare a acestor tipuri de baterii, mai ales dacă nu au un încărcătorul superior, despre care voi vorbi un pic mai jos.

Există diferite tipuri de baterii pe bază de litiu și aceasta este bateria pe care o dorim dacă avem nevoie de una pentru o drona phantom. Cea mai frecventa utilizata pentru drone este celula de polimer litiu, datorită construcției ușoare și performanței asociate cu acest tip de baterie.

O singură baterie de 100mAh celular, găsim în quadcopterul Nano Proto X, si până la 6 pachete de celule 22000mAh pe care le vedem acum la dronele mai mari. Dacă zburam cu un DJI Phantom, o singură baterie reprezintă mai mult de 10% din costul unitar la 129 USD (față de cel mai scump Vision + care rulează la 1159 dolari astăzi). Deci, chiar dacă montam una sau mai multe baterii, sigur va fi o mare diferență. Eroarea bateriei poate provoca defecțiuni și chiar un accident, astfel încât o baterie neplăcută poate costa mult mai mult decât valoarea de înlocuire.

Protectia bateriei dronei

Dacă vom cumpăra o baterie nouă și vom verifica tensiunea, o sa descoperim că fiecare celulă va fi la aproximativ 3,8 / 3,85 V. Aceasta echivalează cu aproximativ 40% din capacitate și de-a lungul anilor, producătorii trebuie să ajungă la concluzia că aceasta este cea mai bună condiție pentru stocarea celulelor pe perioade lungi de timp. Toate bateriile noi ajung în această stare.

Sunt sigur că majoritatea dintre voi ati descoperit că bateria este parțial încărcată atunci cand ați cumpărat un nou telefon mobil. Este recomandat ca atunci când încărcați baterii noi să nu folositi incarcarea rapida cel puțin primele cicluri.

Aceasta înseamnă încărcarea nu este mai rapida decât "1C”. Același lucru este valabil și pentru primele câteva cicluri de descărcare. Unii spun că acest lucru nu este esențial. Cu toate acestea, cu siguranță nu va face nici un rău.

Fig 42: Descarcati bateriile doar la 50% in primele zboruri.

Ideea este să zburam ușor și să descărcam bateriile doar la 50% pentru primele zboruri. Acest lucru este gândit pentru a ajuta la stabilirea bateriilor pentru o viață prelungită. După primele câteva cicluri, nu este neobișnuit să se observe o ușoară creștere a performanței și de obicei un semn că produsul este gata pentru uz normal.

Incarcarea bateriilor Li-Po

Este extrem de important să utilizam numai un încărcător special creat pentru încărcarea celulelor polimerice de litiu. Toate încărcătoarele noi au acum o caracteristică de echilibrare, care este esențială atât din motive de siguranță, cât și din motive de viață a bateriei.

Tensiunea de funcționare declarată a unei celule tipice de polimer litiu este de la 3V la 4,2V când este complet încărcată. Descărcarea celulelor sub 3 volți va provoca în mod invariabil daune ireversibile și încărcarea de peste 4.2V este periculoasă și ușor de realizat decât credeți! Dacă selectam funcția "LiPo", încărcătorul va fi setat să detecteze vârfurile celulelor ajungând la 4,2 V, moment în care încărcătorul se va întrerupe. Daca setam tipul de baterie greșit, va incepe încărcarea dincolo de 4.2V, iar bateria se va umfla și dacă va rămâne la incarcat, va ajunge în cele din urmă sa ia foc!

Stații de încărcare

Unele baterii moderne, cum ar fi cele care alimentează quadcopatoarele DJI Phantom 2, au un factor de formă care intra în siguranță în dronă, astfel încât să nu fie nevoie să le conectam manual. Pentru aceste tipuri de baterii, există stații de încărcare disponibile deoarece este posibil să cream un compartiment sau o carcasă care să alimenteze pur și simplu bateriile.

Fig 43: Exemplu de statie de incarcare a bateriilor.

C Rating

Aproape toate bateriile de polimeri de litiu pe care le cumpăram astăzi vor avea un rating "C". Clasa C reprezintă Capacitatea. Ratingul C reprezintă rata de descărcare maximă, sigură și continuă a unei baterii, așa cum este specificat de producător, astfel încât atunci când vedem 20C imprimat pe etichetă, înseamnă că poate fi descărcat de 20 de ori din capacitatea inscrisa pe ambalaj, "continuu".

Capacitatea este de obicei măsurată în mAh și o dimensiune populară a celulei este de 2200mAh. Prin urmare, ca exemplu:

2200mAh 20C Cell = 2.2A x 20 = 44A de descarcare continua.

Împreună cu rata de descărcare continuă, unele baterii afișează rata de descărcare. Aceasta este de regula de două ori rata de descărcare continuă. De obicei, bateria este capabilă să permită dublarea curentului, dar numai pentru câteva secunde la un moment dat.

Fig 44: “C” rating reprezinta capacitatea bateriilor.

Prevenirea daunelor

Bateriile se vor deteriora dacă sunt folosite dincolo de aceste specificații. Ideea este să stam departe de aceste limite. În teorie, cu cât este mai mare gradul C, cu atât bateria este mai bună. În aplicațiile de tragere la mare curent, cum ar fi elicopterele 3D RC, sunt esențiale bateriile cu capacitate ridicată C. Problema cu elicopterele 3D este aceea că celulele sunt supuse unor trageri de curent ridicate în manevre grele. Piesele curente de tragere sunt uneori dincolo de limitele bateriei. În cazul în care acumulatorul este împins peste limitele sale, bateria se va încălzi, performanța va scădea și dacă va fi împinsă suficient de greu, eventual se va umfla și va provoca daune ireversibile.

Cat de buna este bateria Li-Po?

In primul rand trebuie să fim atenți la ratingurile C "revendicate"! Cele mai multe baterii vin acum din China și în prezent nu pare să existe niciun control asupra a ceea ce producătorii pot imprima pe etichetele lor și nici o cerință pentru a-și susține afirmațiile. Am văzut nenumărate baterii în mod clar specificate, care nu pot fi livrate nicăieri în apropierea desenului curent revendicat! Pe de altă parte, am testat pachete de 20C care depășesc în mod clar alți producători care pretind 45C! Poate fi confuză pentru a determina specificațiile reale ca fiind văzute.

Asa ca, trebuie sa întrebam în jur și să cheltuim cu înțelepciune – ieftin și bun, precum și scump și săraci pot fi găsiți încă pe piață astăzi! Am testat cateva pachete și până în prezent si nu am văzut niciodată un pachet care să depășească 35 ° C.

Echilibrarea bateriilor Li-Po

Echilibrarea este foarte importantă. Dacă un pachet este utilizat și păstrat în limitele sale de siguranță, celulele nu au tendința de a se deplasa prea mult în afara echilibrului. Celulele dezechilibrate pot apărea atunci când bateria a fost descărcata prea mult. Uneori un pachet poate dezvolta doar o celulă rea. Echilibrarea procesului de incarcare a bateriilor va ajuta la detectarea unui dezechilibru între celule și la reducerea probabilității de supraîncărcare a altor celule din pachet.

Temperatura

Când bateriile se incarca, temperatura este importantă. Nu trebuie sa încărcam niciodată o baterie care a fost pastrata sub 0 ° C, deoarece riscați o explozie la aceste temperaturi. Depozitarea la rece a celulelor LiPo este de fapt un lucru bun, însă înainte de a le încărca din nou, trebuie sa ne asiguram întotdeauna că ele au avut șansa de a ajunge la temperatura camerei înainte de a începe!

Când încărcam, e bine sa verificam manual temperatura bateriei. Dacă se încarcă la o rată de încărcare de 1C, bateria nu trebuie să se încălzească. Cu toate acestea. Căldura excesivă înseamnă că există ceva în neregulă, astfel trebuie oprita imediat încărcarea!

După un zbor, este posibil ca bateriile să fie calde la atingere. Poate fi o idee bună să lasam pachetele să se răcească puțin înainte de reîncărcare.

Fig 45: Temperatura mare inseamna ca este o problema cu bateria.

Celulele deteriorate

Niciodată nu trebuie sa încercam să încărcam un pachet care a fost deteriorat de accident, deoarece riscam să provocam incendii! Celulele care sunt în mod evident umflate sau prezintă leziuni fizice nu trebuie folosite niciodată și este necesară o eliminare atentă, mai ales dacă celulele sunt umflate.

Dacă avem o baterie așezata pe raft, complet încărcata, nu trebuie niciodată să o bagam la incarcat!

Ratele de incarcare

Consensul general a fost întotdeauna să încărcam LiPo la o rată de 1C, de exemplu, o baterie de 2200mAh ar fi taxată la cel mult 2,2A. Încărcarea deasupra 1C a fost considerată o dată nepotrivită pentru sănătatea bateriei. Au fost efectuate teste cu baterii încărcate la 1C și 3C, iar durata de viață rezultată a fost aceeași.

De obicei, timpul de încărcare este de 20 până la 30 de minute și s-a dovedit ca toate bateriile LiPo moderne sunt mai mult decât capabile să fie încărcate la 3C fără a provoca daune. Unii producători citează acum 5C sau chiar 8C, dar prin testele mele, bateriile uneori tind să iasă din încărcător puțin prea calde, fiind o căldură excesivă care provoacă unei baterie în cele din urmă sa eșueze.

Ratele de descărcare și gradul de descărcare

Anterior am explicat ce este o evaluare C. Știm deja că descărcarea la o rată mai mare decât valoarea specificată C va deteriora o baterie. La fel de dăunător este descărcarea profundă a unei baterii. Cele mai multe deteriorări la bateriile cu litiu polimer sunt cauzate de faptul că utilizatorul rulează baterii tip flat și indiferent de calitatea celulelor, dacă folosim bateria flat, vom provoca daune ireparabile și distrugeti bateria foarte repede!

Lăsând un nivel acceptabil de încărcare în baterie este de departe cel mai important factor în prelungirea duratei de viață a bateriei! Descărcarea bateriilor cu litiu polimer peste 80% din capacitatea lor poate reduce în mod semnificativ durata de viață a oricărei baterii LiPo. Testele au demonstrat că bateriile care sunt descărcate numai la 50% pot fi ciclate de cel puțin 3 ori durata de viață a bateriilor care sunt în mod regulat aplatizate.

Fig 46: Graficul de descarcare a bateriilor de tip Li-Po.

O baterie care este aplatizată de fiecare dată când este utilizată, poate dura doar 40-50 de cicluri, astfel încât obiectivul să nu depășească 80% sau cu siguranță o tensiune de repaus de 3.6V sau mai mult pe celulă și vom obține mult mai mult din celule.

Temperatura de lucru

Bateriile litiu polimer funcționează cel mai bine atunci când sunt calde. Ele sunt capabile să funcționeze chiar până la 60 ° C și, invers, nu funcționează foarte bine la temperaturi scăzute. O baterie caldă este o baterie fericită, dar daca depășește 60șC, încep daunele, cu dovezi sub formă de umflături sau inflație, cum ar fi un balon, dacă sunt luate la extreme. Vremea rece este o problemă clară.

Depozitarea bateriilor

Producătorii afirmă că atunci când stocăm acumulatori cu litiu polimer pentru orice perioadă de timp, ar trebui să le depozitam în mod ideal la o temperatură cuprinsă între 5 ° C și 27 ° C. Cu cât temperatura este mai mică cu atât mai bine.

Tensiunea optimă pentru stocarea pe termen lung, așa cum s-a menționat deja, este de 3,8-3,85 V per celulă. Cea mai bună practică după un zbor este de a le încărca înapoi la tensiunea de stocare.

Căldura este mai mult o problemă aici. Dacă avem o baterie complet încărcata, trebuie păstrata la temperatura camerei sau sub acesta. De-a lungul anilor, testele din lumea reală au arătat că bateriile care sunt lăsate complet încărcate pentru perioade lungi de timp și sunt supuse la căldură, se deteriorează și isi pierd capacitatea.

Așadar, sa încercam întotdeauna să utilizam toate bateriile încărcate atunci când zburam și sa le încărcam înapoi la depozitare după aceea. Trebuie păstrate întotdeauna într-un loc răcoros și uscat.

De ce incep bateriile sa se umfle?

Există multe motive pentru care acest lucru are loc, cu o combinație de evenimente și acțiuni care invocă umflarea celulelor. De la standarde slabe de fabricație, care utilizează materiale necorespunzătoare la utilizări incorecte sau pur și simplu uzură cu vârsta, dar rezultatul total este același, bateria este obosită dacă umflarea a început să apară!

Cu câțiva ani în urmă au fost observate probleme cu unele dintre cele mai ieftine celule din China. S-a descoperit că motivul principal al eșecului prematur al celulei a fost contaminarea apei în instalațiile de producție. Multe fabrici se află în climă umedă, iar umiditatea ridicată face ca apa să fie prinsă în interiorul celulelor, ceea ce determină oxidarea litiului.

Fig 47: Doua baterii Li-Po ce s-au umflat, devenind inutilizabile.

Oxigenul poate fi apoi eliberat prin electroliză și fără nicăieri ca oxigenul să scape, acumulatorul începe să se umfle. Procesele de fabricație au parcurs un drum lung, iar materialele sărace și producția slabă sunt mult mai puțin o problemă astăzi!

Umflarea poate apărea, de asemenea, dacă celulele sunt supraîncărcate sau încărcate prea repede. Când se întâmplă acest lucru, vom ajunge la excesul de litiu liber pe anod (placarea cu litiu metalic) și oxigenul liber pe catod. Un atom de oxigen liber este suficient de mic pentru a se deplasa liber peste separator fără a purta o sarcină electrică, rezultând oxid de litiu sau rugina de litiu. Apoi avem problema când oxidul de litiu utilizează mai puțini atomi de oxigen decât a existat în starea sa ionizată și rezultatul este oxigenul liber.

Descarcarea

Bateriile Li-Po descărcate sau descărcate prea repede vor avea efectul invers cazului cand ele sunt supraincarcate sau incarcate prea repede. Va ajunge oxid de litiu pe catod, deși la o rată mai mică, pentru că acolo pur și simplu este mai puțin acolo. Practic, o baterie abuzată dezvoltă rapid coroziunea pe ambii poli ai bateriei, în interiorul carcasei.

Cu cât bateria este mai abuzata, cu atât coroziunea devine mai rea. Odata cu coroziunea, rezistența crește și bateria trebuie să funcționeze și mai mult, ceea ce provoacă mai multe daune, deci este un cerc vicios! Indiferent de calitate, bateriile cu litiu polimer supraîncărcate sunt cea mai frecventă cauză de umflare.

Fig 48: Semnul unei baterii aproape descarcate.

Incalzirea

După cum am menționat deja, căldura este un factor important. Dacă o baterie este împinsă peste 60 ° C în timpul descărcării sau încărcării, apar probleme datorită generării de litiu metalic, care dăunează celulei și astfel provoacă umflarea.

Tensiunea

Tensiunea maximă pentru o celulă este de 4.235V pe celulă, dar aceasta este posibilă numai când temperatura celulei este de aproximativ 60șC. Tensiunea maximă la temperatura camerei este de aproximativ 4,2 V pe celulă. Sub 10șC această cifră poate scădea la doar 4.0V. Dincolo de aceste cifre, supra-abundența de electroni va rupe din nou legăturile chimice și liberul litiu pentru a se lega cu oxigenul creând oxid de litiu și din nou, mai mult umflături!

Fig 49: Voltmetru pentru masurarea tensiunii bateriei.

Dacă avem o baterie care a început să se umfle și vom continua să o utilizam în aceeași aplicație, starea acesteia se va agrava, iar celulele vor fi distruse destul de repede! Umflarea este un semn sigur că bateria este pe moarte și trebuie folosita cu atentie.

Odată ce bateria s-a răcit, umflatura se poate reduce. În mod ideal, ar trebui incetata utilizarea unei baterii odată ce aceasta rămâne în starea de umflat. [9]

1.8 Sisteme FPV

Camerele FPV sunt mici, ușoare și ieftine și sunt montate pe drone pentru a trimite video în timp real înapoi către pilot prin intermediul unui emițător video.

De ce sa folosim o camera dedicata?

Dacă utilizam deja o altă cameră HD pe dronă, cum ar fi o legendă gopro, foxeer sau HD, putem conecta emițătorul video direct la aceste camere pentru a obține o transmisie video Fig 50: Exemplu de camera FPV 3D.

live. Acest lucru este destul de comun pentru majoritatea dronelor de fotografii aeriene, deoarece ne permite să vedem ce este în cadrul camerei înainte de a înregistra sau de a face fotografia. Cu toate acestea, dezavantajul utilizării camerei de acțiune pentru FPV este că toți au probleme de latență. Deși latența acestora, de regulă, în jur de 100-200 ms este greu de remarcat cu zborul general, viteza este prea lentă pentru dronele de curse FPV. Când zburam la o viteză de 50 km /h, o întârziere de 100 ms poate însemna că drona va zbura cu aproximativ 1,7 metri înainte de a trimite videoclipul, ceea ce ar putea însemna diferența dintre lipsa unui obstacol sau lovirea acestuia.

Fig 51: Camera dedicata a unei drone.

Camere 3D FPV

Este, de asemenea, de remarcat faptul că există unele camere 3D FPV speciale, care sunt unități reale constând in două camere una langa alta pentru a permite iluzia de adâncime 3D în timp ce zboară. Un exemplu de cameră 3DR FPV este 3D nerdcam 3D, pe care o avem in imaginea din drepta.

Fig 52: Exemplu de camera 3D.

Senzorul de imagine – CCD sau CMOS

Senzorul de imagine al camerei FPV va afecta în mod fundamental performanța acestuia. Senzorii CCD sunt mai scumpi dar si mai buni, insa pentru aplicațiile FPV o ușoară îmbunătățire a calității imaginii nu justifică întotdeauna costul suplimentar.

De ce camerele CMOS sunt mai bune?

Așa cum s-a menționat, avantajul principal al camerelor CMOS este că acestea sunt mai ieftine decât camerele CCD și au o performanță suficient de bună pentru aplicațiile FPV. In cazul in care ne prăbușim, deoarece aparatul foto este montat în partea din față a quadcopterului, acesta este ca un scut pentru quadcopter deoarece absoarbe impactul. Cu toate acestea cele mai decente cadre FPV au un fel de protecție a camerei construite pentru a evita acest lucru. Camerele CMOS sunt, de asemenea, de obicei mai ușoare și folosesc mai puțină putere decât CCD, care este foarte importantă doar pentru unii microni, dar totuși ceva în avantajul lor. În general, cei mai mulți piloți drononi folosesc camere CMOS datorită disponibilității și costului lor larg. În prezent, recomandăm această cameră CMOS 800TVL pentru FPV.

De ce camerele CCD sunt mai bune?

Camerele CCD utilizează un obturator global care înseamnă că întreaga imagine este capturată în același timp, in comparație cu camerele CMOS ce captează pixel cu pixel imaginea de sus în jos, creeand un efect de rulare. Pentru aplicațiile FPV, acest lucru înseamnă, de obicei, că atunci când avem vibrații la bordul dronei, acesta va produce un efect nedorit in filmare. Camerele CCD nu au această problemă și de obicei au o gamă dinamică mai largă, ceea ce înseamnă că acestea funcționează mai bine în condiții foarte luminoase și foarte întunecate, fiind mai bune decât camerele CMOS. Dacă suntem în căutarea unei camere CCD accesibile, aparat de fotografiat Sony 811 CCD poate fi o varianta potrivita.

Latenta

Latența camerei FPV este cauzată de procesarea aparatului foto a tuturor informațiilor de la senzorul de imagine. Cu cât procesarea este mai rapidă, cu atât este mai mică latența. Deoarece camerele de acțiune, cum ar fi GoPro, procesează imagini foarte detaliate (până la 4K) în timp ce transmit video live către transmițătorul FPV au mai multe informații necesare procesării, astfel încât cele mai multe camere de acțiune HD au valori de latență mult mai ridicate decât camera dedicată FPV Rezoluții inferioare.

Cele mai multe camere FPV au o latență mai mică de 40 ms, în timp ce cele mai multe camere de acțiune vor avea o latență de 140 ms sau mai mult.

Cum se masoara latenta?

Este necesar doar o functie de cronometru care sa fie afisata pe ecranul camerei. Cu o a doua cameră, facem o fotografie a cronometrului și a monitorului FPV si o unim intr-o singura fotografie. Comparând timpul vizibil în fotografia cu cronometroul și monitorul FPV, putem vedea in cât timp a s-a trimis semnalul camera FPV la monitorul FPV, astfel obtinem latența. Avem mai jos un exemplu in cazul în care camera FPV are o latență de aproximativ 100ms.

Fig 53: Masurarea latentei camerei FPS.

Rezolutie TVL

Deoarece majoritatea camerelor FPV lucrează la filmele analogice, rezoluția lor se masoara în linii TV sau TVL, ca un contor efectiv de pixeli, comun cu videoclipul digital. TVL este o măsoară rezoluția orizontala a camerei. Cu cât rezoluția TVL este mai mare, cu atât imaginea este mai detaliată pe care o captează aparatul foto. Deci, în general, este întotdeauna mai bine să cumparam o cameră cu o rezoluție TVL cat mai mare.

Fig 54: Imagini ce scot in evidenta diferentele dintre 420, 480, 600 si 700 TVL.

Care este numarul de TVL potrivit?

Există multe dezbateri despre TVL maxim pe care îl putem obtine printr-un emițător standard FPV analogic, insa, factorul cel mai important este rezoluția ecranului/ochelarilor FPV. Deoarece cele mai multe ochelari de protecție FPV au valaorea rezolutiei de 800×480, folosirea unei camere FPV de peste 800 TVL este inutila. Un al doilea factor este lărgimea de bandă efectivă a emițătorului FPV, deoarece rezoluțiile mai mari necesită o lățime de bandă mai mare.

Câmpul de vedere

Câmpul de vedere al camerei este o distanta a cât de mult se poate vedea în jurul acesteia definită printr-un unghi. Mai jos avem o imagine in care putem observa de unde incepe si unde se termina unghiul de vedere:

Fig 55: Exemplu cu un unghi al campului de vedere a unei camere.

Campul de vedere si lentilele

Atunci când cumparam o cameră FPV, uneori este specificat câmpul de vizualizare în unghiuri, ci doar lungimea focală a lentilei în milimetri. Ochiul uman are o distanță focală de aproximativ 2,97 mm. Mai jos avem câmpul de vedere masurat in unghiuri cat si un milimetri pentru fiecare obiectiv:

• Obiectivul de 1,2 mm are un câmp vizual de aproximativ 185 grade;

• Obiectivul de 1,7 mm are un câmp de vedere de aproximativ 170 de grade;

• Obiectivul de 2,1 mm are un câmp vizual de aproximativ 158 grade;

• Obiectivul de 2,5 mm are un câmp vizual de aproximativ 147 grade;

• Obiectivul de 2.8 mm are un câmp vizual de aproximativ 130 de grade;

• Obiectivul de 3,0 mm are un câmp vizual de aproximativ 127 grade;

• Obiectivul de 3,6 mm are un câmp vizual de aproximativ 92 de grade;

• Lentila de 4,0 mm are un câmp vizual de aproximativ 88 de grade;

• Obiectivul de 6,0 mm are un câmp vizual de aproximativ 78 de grade;

De obicei, camerele FPV ce au un câmp vizual superior, permit obtinerea unor imagini cu un orizont mai larg, insa, acest lucru poate denatura poza, facand-o curbata. Mai jos putem observa o poza facuta cu o camera FPV cu un camp visual foarte mare:

Fig 56: Imagine surprins cu o camera cu un unghi de vedere foarte mare.

Ce marime a campului vizual este recomandata?

Unii piloți de drone preferă să utilizeze un câmp de vedere îngust, în timp ce alții preferă să folosească un câmp vizual mai larg. Cel mai bine este să testam pana ajungem la o valoare potrivita, deoarece unele camere FPV permit schimbarea obiectivului pentru ajustarea câmpului vizual.

Intervalul Dinamic

Intervalul dinamic al camerei FPV dictează cât de bine poate înregistra detaliile din zone foarte întunecate și foarte luminoase ale unei imagini. Un exemplu de acest lucru este arătat mai jos, atunci când WDR este dezactivat, iar detaliile umbrite sunt mai puțin detaliate în comparație cu imaginea captura atunci când WDR este activat.

Fig 57: Imagini ce evidentiaza diferenta dintre WDR OFF si WDR ON.

În cazul în care camera are un interval dinamic scăzut, se va focaliza deasupra orizontului, făcând pământul mai inchis, fără a permite vederea detaliilor amanuntite. O soluție simplă pentru aceasta este înclinarea camerei ușor în jos, astfel încât aparatul foto va ajusta expunerea pentru a face terenul vizibil, iar cerul putin mai lipsit de culoare.

Gama dinamică a unei camere foto nu este publicată de obicei, dar majoritatea camerelor FPV sunt prevăzute să aibă o gamă dinamică largă activate.

IR Cut / IR Sensitive

În general, majoritatea camerelor, fie FPV, fie pentru înregistrarea de zi cu zi, au un filtru numit IR cut încorporat în ele. Filtrul IR cut blochează orice lumină infraroșie să ajungă la senzorul camerei, deoarece lumina IR dauneaza calitatii imaginii. Prin adăugarea unui filtru IR cut la aparatul de fotografiat, imaginile si videoclipurile au culori mai luminoase și mai vii.

Pe de alta parte, există unele situațiie când am prefera să avem o cameră sensibile la IR, aceste situatii fiind o particularitate la lumină scăzută. Camerele sensibile la IR permit o vedere mai buna la apusul si rasaritul soarelui, deoarece acestea permit o mai mare luminozitate în cameră, insa, fotografia va fi facuta cu o calitate mai slabă de culorii. Mai jos avem doua fotografii in care putem observa clar diferenta dintre o camera ce are IR setat senzitiv si IR blocat, fotografia facuta cu IR blocat avand culori mult mai vii.

Fig 58: Imaginile scot in evidenta diferenta dintre IR sensitive si blocked.

Camere de noapte / luminoase

Dupa cum am vorbit anterior, atunci când utilizam camerele la lumină scăzută, un filtru cu IR sensibil poate îmbunătăți lucrurile. Deci, putem obține și câteva camere specializate proiectate să funcționeze în condiții mai întunecate, permițând zborul în timpul apusului / răsăritului, când este mai întunecată. Există două opțiuni aici. Prima ar fi utilizarea unei camere FPV tip starlight, care permite funcționarea în condiții de iluminare foarte scăzute. Cealaltă opțiune este utilizarea unei camere fără filtru IR și folosirea câtorva lămpi cu LED-uri IR pentru a lumina în fața dronei FPV.

In poza din stanga, putem observa ca totuși, atunci cand folosim noaptea un LED IR ca lanternă, imaginea este alb-negru, insa datorita luminii IR putem vedea majoritatea suprafetelor din fata dronei. [10]

Fig 59: Imagine surprinsa cu infrarosu.

Camera inteligenta PX4FLOW

PX4Flow este o cameră inteligentă de flux optic (oferă imaginea în scopuri de configurare, dar nu este concepută pentru a capta imagini cum ar fi o cameră web). Are o rezoluție nativă de 752 × 480 pixeli și calculează fluxul optic într-o zonă, oferindu-i o foarte mare sensibilitate la lumină. Spre deosebire de mulți senzori destinati mousilor, acesta funcționează și în interior, cat și în condiții de lumină scăzută în exterior, fără a fi nevoie de un LED pentru iluminare.

Fig 60: Desen similar unei camera PX4Flow.

Are urmatoarele componente hardware:

CPU Cortex M4F de 168 MHz (128 + 64 KB RAM);

Senzor de imagine 752 × 480 MT9V034, giroscop 3D L3GD20;

Obiectiv M12 de 16 mm (filtru ce permite blocarea IR);

Dimensiunea 45,5 mm x 35 mm;

Consumul de energie fiind de 115mA / 5V;

Specificatii

Prelucrarea fluxului optic la o imagine 4 x 4 la 400 Hz;

Sensibilitate superioară la lumină cu supra-pixeli 24 × 24 μm;

Giroscopul 16bit pe bord până la 2000 ° / s și rata de actualizare de 780 Hz, modul de precizie implicit la presiune de 500 ° / s;

Intrare sonoră la bord și montare pentru senzorii sonori Maxbotix. (Recomandat HRLV-EZ4)

Bootloader USB;

Serial USB de până la 921600 baud (inclusiv vizualizare cu cameră live cu QGroundControl);

Opțiunea de alimentare USB.

Fig 61: Imagini ale unei camere PX4Flow.

PX4FLOW nu este conceputa ca o cameră foto, dar face procesarea tot pe chip, iar imaginile pot fi salvate datorita obiectivului.

Fig 62: Soft-ul unei camera PX4Flow, iar in coltul din dreapta, o imagine suprinsa de camera.

Orientarea

Orientarea implicită (adică rotația zero) este definită ca un “Y” pe placa de baza orientată spre partea frontală a dronei așa cum putem observa si în imaginea de mai jos.

Fig 63: Imagini care indica sensul in care trebuie pozitionata camera PX4Flow.

Orientarea PX4Flow poate fi setată prin modificarea unui parametru din firmware-ului PX4. Acest parametru poate fi aplicat numai la PX4 și nu face parte din setările propriu-zise ale senzorului. Mai jos avem un exemplu in care gasim denumirea parametrului ce poate modifica orientarea camerei.

I2C

Adresa de 7 biți I2C a PX4 poate fi programata de utilizator. Domeniul de adrese pentru cele 8 opțiuni posibile este: 0x42 – 0x49.

Frameul I2C contine 22 de biti de date:

Frameul integral I2C contine 25 de biti de date structurati in urmatoarea ordine:

Acuratete ridicata

Imaginea de mai jos demonstreaza acuratetea cu care este efectuat zborul. Acest lucru a fost făcut cu un PX4FMU pe un quadcopter de 7 " la aproximativ 1,6 m altitudine, fara GPS, ci doar prin PX4FLOW. [11]

Fig 64: Imagine cu traseul parcus de o drona, realizata de PX4Flow.

Capitolul II – Construirea unei drone de tip hexacopter dotata cu microcontroller ARM

In cadrul acestui proiect, s-a construit o drona de tip multirotor, cu performante deosebit de ridicate in ceea ce priveste autonomia de zbor, distanta maxima parcursa si sistemul automat de navigatie.

2.1. Asamblarea frame-ului

Drona este construita dintr-un frame rabatabil compus din fibra de carbon si insertii de aluminiu, fiind propulsata de sase motoare electrice de tip brushless cu elice a caror lungime sa nu depaseasca 13”. Cadrul este compus din 6 tuburi din fibra de carbon, avand fiecare o lungime de 275mm si diametrul de 16mm. Avand in vedere dimensiunile relativ mari s-a ales un sistem de rabatare a bratelor cu suruburi, sub un unghi de aproximativ 90°.

Fig 65: Imagini ale bratelor frame-ului. (a) Bratul nu este pliat. (b) Bratul pliat sub un unghi de 90°

Bratele rabatabile au la capat un suport din aluminiu conceput pentru a sustine motoarele. Totodata, acest suport are si rolul de a fixa regulatoarele de turatie (ESC) ale motoarelor. Asa cum se poate remarca si in Fig. 65, un avantaj il constituie faptul ca regulatoarele de turatie sunt racite de catre elice, acestea fiind montate in imediata lor apropiere.

Fig. 66: Motor brushless montat pe suport din aluminiu in capatul bratului pliabil din fibra de carbon

Fig. 67: Regulator electronic de turatie (ESC) montat sub motorul brushless

In capatul opus motoarelor, tuburile din fibra de carbon sunt fixate pe 2 placi rigide din fibra de carbon, pe acestea fiind montate echipamentele electronice.

Fig. 68: Sistemul de prindere al tuburilor rabatabile pe placile rigide din fibra de carbon

Trenul de aterizare are o lungime verticala de 350mm, suficient de mare pentru a se putea atasa ulterior o camera de tip DSLR, fixata intr-un stabilizator de imagine. De asemenea, exista posibilitatea de a se adauga motoare servo pentru a ridica trenul de aterizare atunci cand drona se afla in zbor.

2.2. Montarea motoarelor, a regulatoarelor de turatie (ESC), precum si alimentarea acestora

Drona a fost echipata cu 6 motoare de tip brushless (fara perii) dezvoltand o putere de 330W fiecare, acestea fiind controlate individual de catre un regulator de turatie (ESC) de 20A. Motoarele au fost dotate cu elice construite din fibra de carbon, avand o lungime de 13”.

Fig. 69: Motor brushless cu 16 poli montat pe bratul hexacopterului

Sensul de rotatie al motoarelor este alternat, clockwise (CW), respectiv counter-clockwise (CCW), astfel ca fiecare motor se va roti in sens contrar motorului adiacent, dupa cum se observa in schema de mai jos:

Fig 70: Schema frame-ului unui hexacopter. [14]

Pentru a inversa sensul de rotatie al motoarelor brushless se pot folosi doua metode, una software ce implica modificarea firmware-ului ESC-ului si una hardware care consta in inversarea firelor care leaga motorul de ESC.

Fig 71: Imagine care ilustreaza cablarea intre motoarele brushless si ESC-uri astfelt incat sensul de rotatie al fiecarui motor sa fie CW sau CCW. [15]

Cablurile de alimentare pentru motoare si implicit pentru ESC-uri au fost lipite cu letconul pe un PCB din fibra de sticla cu contactele integrate in substrat, iar cablurile de date ale regulatoarelor de turatie au fost introduse direct in flight-controller.

Fig 72: Schema PCB-ului din fibra de sticla. [16]

Drona este alimentata prin intermediul unui acumulator de tip litiu-polimer (Li-Po) compus din 4 celule legate in serie, fiecare dintre acestea avand o tensiune nominala de 3.7V, rezultand o tensiune totala de 14.8V. Alimentarea se face printr-un circuit electronic proiectat astfel incat sa nu fie necesare mai multe baterii cu tensiuni diferite, dat fiind faptul ca majoritatea dispozitivelor electronice (ca de exmeplu controller-ul de zbor si componentele FPV) necesita o tensiune de maxim 5V.

Fig. 73: Reprezentare schematica a modului in care se face alimentarea componentelor electronice. [19]

Fig. 74: Acumulatorul de tip LI-PO 4S cu capacitate de 16.000mAh. [20]

2.3. Montarea controller-ului de zbor ARM, a modului GPS, precum si a modulului pentru transmisia comenzilor.

Pentru a obtine performante deosebite si totodata pentru a procesa in timp real un flux cat mai mare de parametrii, drona a fost echipata cu un controller de tip ARM Cortex M4 pe 32 de biti. Ulterior, s-au conectat cablurile de date ale tuturor celor 6 ESC-uri in porturile corespunzatoare, fiecare conector fiind compus din 2 contacte: ground si semnal.

Fig 75: Imagine ce reprezinta principalele porturi de intrare/iesire ale microcontroller-ului de zbor. [17]

Urmatorul pas a constat in adaugarea receptorului radio in banda de 2.4 GHz, care are rolul de a receptiona comenzile lansate de catre pilot prin intermediul modulului de transmisie din telecomanda si totodata de a le transmite ulterior catre microcontroller.

Pentru a imbunatati performantele dronei, atat in ceea ce priveste manevrabilitatea cat si pentru a implementa functii avansate precum zborul autonom, s-a montat un modul GPS de inalta acuratete Ublox Neo-M8N, acesta oferind cea mai precisa pozitionare la ora actuala.

Un alt rol important jucat de modulul GPS, este acela de a permite reintoarecerea dronei in punctul initial de decolare ori de cate ori contactul radio direct se va pierde.

De asemenea, pentru a evita interferentele cauzate de catre echipamentele electronice, modulul GPS este dotat cu un compas electronic, acesta fiind montat pe o tija la o distanta de aproximativ 150mm fata de placa din fibra de carbon pe care se afla controllerul de zbor.

Fig 76: Modulul GPS Neo-M8N cu compas electronic extern, montat in partea superioara a dronei.

Fig 77: Reprezentare schematica a modului in care se conecteaza modulul GPS si compasul extern pe interfata I2C. [17]

2.4. Sistemul First Person View (FPV) cu transmisie in banda de 5.8 GHz

Pentru a explora zone indepartate de pana la 4 kilometri distanta, acolo unde contactul vizual direct nu mai este posibil, s-a implementat un sistem FPV format dintr-o camera digitala UltraHD, un stabilizator de imagine pe 3 axe, o interfata on-screen display (OSD) si un sistem de transmisie-receptie video in banda de 5.8 GHz, avand o putere de 600 de mW.

Principalul motiv pentru care s-a recurs la utilizarea frecventei de 5.8GHz pentru transmisia video, si nu banda de 2.4GHz, asa cum sunt majoritatea produselor de serie comercializate pe piata, a fost acela de a evita eventuale interferente cauzate de sistemul de transmisie-receptie utilizat in controlarea dronei de la distanta.

Semnalul video este receptionat de catre un receiver conectat in mod direct la un display TFT cu diagonala de 7", utilizat pentru a vizualiza in timp real imaginile video transmise de catre drona, la o rezolutie de 800×600 px. In paralel, se pot utiliza si ochelari FPV, eventual echipati cu antene directionale in locul celor omni-directionale, pentru a se putea mari raza de actiune, atingandu-se astfel distante mult mai mari, de peste 4 Km in camp deschis.

Interfata OSD are rolul de a furniza date telemetrice in timp real precum tensiunea bateriei, curentul consumat, coordonatele GPS, intensitatea semnalului, viteza de deplasare a dronei, distanta si altitudinea fata de punctul de lansare.

Fig 78: Schema reprezentativa a sistemului FPV. [18]

Fig 79: Camera digitala cu rezolutie UHD montata pe stabilizatorul de imagine pe 3 axe.

2.5. Programarea microcontrolerului ARM atat pentru zboruri in mod manual, cat si in mod autonom

Microcontroller-ul principal care coordoneaza toate functiile dronei are un procesor Cortex M4 cu arhitectura ARM pe 32 biti, oferind o deosbita putere de procesare, permitand astfel adaugarea unor numeroase dispozitive aditionale si senzori, lucru care nu este posibil atunci cand se recurge la arhitectura AVR pe 8 biti, datorita limitarilor acesteia.

Microntroller-ul ARM dispune de un impresionant numar de senzori integrati, printre acestia numarandu-se accelerometre, compasuri electronice sau barometre, toate acestea avand rolul de a facilita un comportament de inalta precizie in timpul zborului.

Modurile de zbor programate in cazul de fata se impart in doua mari categorii: manuale si asistate de senzori. Astfel, in modul de zbor manual, pilotul are controlul deplin asupra dronei, fapt ce prezinta si anumite dezavantaje cum ar fi compensarea curentilor de aer, lucru care poate deveni de-a dreptul riscant atunci cand avem de-a face cu rafale de vant ce depasesc 20Km/h.

Modul de zbor asistat de senzori, este bazat aproape in totalitate pe multitudinea senzorilor din microcontroller, precum si a celor aditionali, iar de cele mai multe ori este direct dependent de modulul GPS. Acest mod are marele avantaj de a oferi o varianta simplificata de pilotare, utilizatorul nefiind nevoit sa compenseze manual curentii de aer, lucru ce poate deveni o adevarata provocare mai ales in zonele cu numeroase obstacole.

Totodata, pentru a putea parcurge distante de peste 4 kilometri chiar si atunci cand drona iese din raza de actiune a modulelor de transmisie-receptie, se poate recurge la un mod de zbor autonom, navigatia facandu-se cu ajutorul microcontroller-ului si a modulului GPS de inalta precizie. Astfel, utilizatorul poate seta waypoint-uri utilizand coordonate GPS, drona urmand sa navigheze in mod automat pe traseul dat. Acest mod de zbor este foarte util atunci cand se doreste efectuarea unor masuratori cu acuratete ridicata intr-un perimetru bine definit.

Pentru a simplifica modul in care se transmit comenzile de navigatie catre microcontroller, drona a fost echipata cu un modul de telemetrie cu functie de transmisie-receptie. Acest modul functioneaza in banda de 433MHz si are o putere de 500mW, permitand astfel lansarea comenzilor de la sol utilizand device-uri portabile precum telefon/tableta/laptop, inlaturand in acest fel sistemul clasic de conectare prin intermediul cablului USB si care implica aducerea dronei la sol de fiecare data cand era necesar. O alta functie utila pe care o indeplineste acest modul este aceea de a permite programarea in zbor a anumitor parametrii precum PID.

Imaginile de mai jos reprezinta un test demonstrativ al modului de zbor autonom, comanda lansandu-se in primul caz de la un telefon mobil cu sistem de operare Android.

In ambele situatii, drona a fost lansata de pe acoperisul Universitatii Hyperion din Bucuresti, urmand ulterior traseul definit initial prin waypoint-uri ce reprezinta coordonate GPS, mentinand altitudinea setata la 50m. Dupa ce au fost atinse toate punctele de interes, moment in care cladirea a fost filmata din toate unghiurile la rezolutie UltraHD, drona a aterizat automat la punctul de lansare.

In cel de-al doilea caz, drona a fost programata sa urmeze acelasi traseu, la fel ca in situatia anterioara, de aceasta data programarea traseului si definierea parametrilor de zbor facandu-se de la un laptop si utilizand o aplicatie open-source precum APM Planner V2.

Fig. 80: Programarea unui zbor autonom prin definirea waypoint-urilor cu ajutorul coordonatelor GPS.

Capitolul 3 – Concluzii

____________________________________________________________________________

In cadrul acestui proiect, s-a construit o drona de tip multirotor, cu performante deosebit de ridicate in ceea ce priveste autonomia de zbor, distanta maxima parcursa si sistemul automat de navigatie.

Drona este construita dintr-un frame rabatabil compus din fibra de carbon si insertii de aluminiu, avand sase motoare electrice de tip brushless. Hexacopterul proiectat are o greutate de 3.2Kg, iar lungimea fiecarui brat este 27.5 cm. Distanta totala dintre capetele bratelor diametral opuse este de aproximativ 70 cm.

Pentru a obtine performante deosebite si totodata pentru a procesa in timp real un flux cat mai mare de parametrii, drona a fost echipata cu un controller ARM Cortex M4 pe 32 de biti.

Comanda de la sol se efectueaza prin intermediul unui modul de transmisie-receptie in banda de 2.4 GHz. Pentru a explora zone indepartate de pana la 4 kilometri distana, acolo unde contactul visual direct nu mai este posibil, s-a implementat un sistem FPV compus dintr-o camera digitala UltraHD, un stabilizator de imagine pe 3 axe si un sistem de transimie-receptie video in banda de 5.8 GHz cu o putere de 600 de mW.

Pentru a parcurge distante de peste 4 kilometri chiar si atunci cand drona iese din raza de actiune a transmitatorului din banda de 2.4 GHz, se poate recurge la un mod de zbor autonom, navigatia facandu-se cu ajutorul unui modul GPS de inalta precizie. Astfel, utilizatorul poate seta waypoint-uri utilizand coordonate GPS, drona urmand sa navigheze in mod automat pe traseul dat. Un alt rol important jucat de modulul GPS, este acela de a permite reintoarecerea dronei in punctul initial de decolare ori de cate ori contactul radio direct se va pierde.

Alimentarea dronei cu energie electrica se face prin intermediul unui acumulator de tip Li-Po cu 4 celule legate in serie, avand o tensiune de 14.8V si capacitatea de 16.000 mAh. Cu aceasta configuratie, timpul total de zbor este de aproximativ 40 de minute.

Beneficiind de toate facilitatile descrise anterior, drona construita in cadrul acestui proiect poate fi echipata cu numerosi alti senzori ce fac obiectul a numeroase aplicatii industriale si de cercetare stiintifica, dintre acestea mentionam investigarea zonelor de hazard, masurarea nivelului de radiatii, monitorizarea calitatii aerului si a parametrilor atmosferici.

4. Bibliografie

[1] http://www.adibarbu.ro/ – Informatii generale cu privire la drone si intrebuintarea acestora;

[2] http://www.jamesspann.com/ – Imagine capturata de o drona, in urma unei tornade;

[3] http://www.descopera.ro/stiinta/ – Despre drone si posibilitatile de a observa lucruri;

[4] https://www.stiriagricole.ro/ – Utilizarea dronelor in agricultura;

[5] https://oscarliang.com/types-of-multicopter/ – Types of multicopter;

[6] http://www.dronetrest.com/ – Begginers guide to drone;

[7] https://www.elprocus.com/ – Electronic speed control;

[8] http://www.dronetrest.com/ – Brushless motors and how they work;

[9] http://www.dronethusiast.com/ – Ultimate Done Battery Care;

[10] http://www.dronetrest.com/ – FPV Camers for your Done!;

[11] https://pixhawk.org/ – PX4FLOW;

[12] http://www.droneflyers.com/ – Basisc radio frequencies;

[13] http://ardupilot.org/ – Pixhawk overview;

[14] https://megapirateng.github.io/;

[15] http://www.diymulticopter.org/;

[16] http://www.toptoyspace.com/;

[17] http://www.dronetrest.com;

[18] http://ardupilot.org/;

[19] http://gaetanlaure.com/;

[20] www.droneware.ro.