Lect. univ. dr. Adrian Costescu Tarabega Gabriel Ovidiu [305617]

UNIVERSITATEA HYPERION din BUCURESTI

FACULTATEA de ȘTIINȚE EXACTE ȘI INGINEREȘTI

Program de studii: AUTOMATICĂ ȘI INFORMATICĂ APLICATĂ

PROIECT DE LICENȚĂ

Coordonator științific: Absolvent: [anonimizat]. univ. dr. Adrian Costescu Tarabega Gabriel Ovidiu

BUCUREȘTI-2019

UNIVERSITATEA HYPERION din BUCURESTI

FACULTATEA de ȘTIINȚE EXACTE ȘI INGINEREȘTI

Program de studii: AUTOMATICĂ ȘI INFORMATICĂ APLICATĂ

Dronă pentru supraveghere aeriană cu microcontroler ARM și transmisiune live prin rețele 4G

Coordonator științific: Absolvent: [anonimizat]. univ. dr. Adrian Costescu Tarabega Gabriel Ovidiu

BUCUREȘTI-2019

Tema Proiectului

Să se realizeze o dronă cu următoarele caracteristici:

Să fie dotată cu un controler de zbor capabil să o echilibreze în zbor;

Să fie capabilă să zboare la punct fix pentru o perioadă cât mai lungă de timp;

Capabilitatea de transmitere live a imaginilor surprinse de către aceasta;

Să fie capabilă să efectueze zboruri autonome prin intermediul unui modul GPS;

Capitolul I – Considerente Generale

1.1 Considerente generale referitoare la drone

Drona este un UAV (Unmanned Aerial Vehicle); acesta este un vehicul capabil să zboare manual fiind pilotat de către o persoană, dar este capabil să zboare și în mod autonom fără a fi nevoie de prezența acelei persoane pentru a transmite comenzi către aceasta.

[anonimizat]. [anonimizat] o [anonimizat], gestionarea dezastrelor naturale printre altele.

Ancheta în domeniul de control al dronelor a [anonimizat]. [anonimizat] a acestei tehnologii este în creștere semnificativă în ultimii ani datorită apariției noii echipe de cercetare care include această tehnologie ca studiu principal.

[anonimizat] a [anonimizat].

[anonimizat]. [anonimizat] a fi descoperită. [anonimizat] ​​[anonimizat], [anonimizat], [anonimizat]. Apogeul atins de folosire a dronelor a [anonimizat] o scară tot mai largă de atunci.

Implementarea, [anonimizat], [anonimizat]-tehnice sunt limitate pentru a [anonimizat].

Controlul dronelor necesită utilizarea unor tehnici avansate pentru a permite caracteristicilor și constrângerilor sistemului fără pilot și a variabilelor de control pe care nu le putem controla pentru componenta lor de întâmplare tipică pentru orice model. În această ordine de lucruri ar fi oportun să se utilizeze tehnici moderne de modelare și control neliniar care să asigure un control eficient, fiabil și robust în condiții de zbor diferite, cum ar fi zborul autonom, controlul stabilității, controlul vitezei, punctul de plecare, și zborul de decolare. Din acest motiv, una dintre zonele în plină expansiune a cercetării din acest deceniu este studiul sistemului de control care ne permite să dezvoltăm un sistem de control autonom și fiabil. [1]

1.1.2 Care sunt costurile de achiziție a unei drone civile?

Acele drone care fac parte din segmentul Hobby au un preț de pornire de la 25 € si pot ajunge până la un preț de 250 . Prețul de cumpărare pentru dronele semiprofesionale și profesionale pot varia între 500 € si 4.000 €, dar sunt cazuri în care prețul de achiziție poate fi mult mai mare în funcție de aparatura folosită pe aceste drone aceastea putând să coste și 35.000 €. [1]

1.1.3 Codul Aerian cu privire la folosirea dronelor pe teritoriul României .

Una dintre prevederile codului aerian este acela ca utilizarea dronelor să se facă in raza vizuală a operatorilor (fară a se specifica exact ce înseamnă aceasta, din punct de vedere limitativ). [2]

Mai este specificat că zborul/survolul efectuat peste mulțimi de oameni și clădiri să se facă la cel puțin 300 de metri față de aceștia, cu condiția să fie în raza vizuală a operatorului.[2]

Sunt redefinite obligațiile si sancțiunile pentru operatorii de drone, una dintre ele este obligativitatea aterizării cu drona în momentul în care apare o aeronavă pilotată s-au atunci cand organele de control te somează, mai este obligația de a avea certificatul de înmatriculare al dronei asupra ta. Din momentul intrării în vigoare a codului aerian cu privire la folosința dronelor orperatorul acestora poate fi tras la răspundere precum sunt trași la răspundere piloții în caz de accident, perturbarea traficului aerian etc.[2]

Înmatricularea dronelor este obligatorie (în acest moment nu este specificat o limită de greutate pentru aceasta, urmează ca aceste norme să fie definite).[2]

1.2 Principalele tipuri de drone și aplicațiile acestora

În urma cu ceva timp cuvântul “dronă” ne ducea în primul rând la forțele aeriene militare, acestea fiind primele care au utilizat această tehnologie; în prezent, dronele sunt o sursă foarte bună de ajutor în aria de agricultură, arheologie și jurnalism și poate în viitor va face parte din viața de zi cu zi a oamenilor.

Figura 1.1 Principalele tipuri de drone

Graficul de la figura 1.1 prezintă diferitele utilizări curente ale dronelor și prin urmare clasificarea lor.

1.2.1 Diagrama de clasificare a dronelor

Figura 1.2 Clasificarea dronelor

1.2.2 Tehnici de management tehnic autonom al quadcopterului

Utilizarea militară: Abrevierile folosite sunt UCAV, “Aircraft Combat Unmanned”, sunt principalele motoare ale acestui tip de vehicul.

Acestea sunt angajate în sarcini precum:

Simulări ale atacurilor asupra navelor inamice.

Recunoașterea zonelor cu acces dificil sau a zonelor catastrofale.

Combaterea, sunt angajate în misiuni cu risc ridicat.

Utilizarea civilă: Angajați în sarcini logistice, nave de transport și deplasări de încărcături. Securitatea, deoarece poate fi o recunoaștere a zonelor catastrofale sau a luptei împotriva incendiilor.

1.2.3 Structura și caracteristicile dronelor.

Ne confruntăm cu două tipuri de drone în funcție de structura lor: aripă fixă și aripă rotativă. Dronele cu aripă fixă are aspectul și forma unui avion, iar aripa rotativă poate avea două sau mai multe motoare.

Drona cu aripă fixă

Drona cu aripă fixă este tipul de dronă cu autonomie mare. Este echipată cu un motor electric sau cu un motor cu combustie internă, aceasta poate rămâne mai mult timp în aer. În plus este vorba despre o dronă cu capacitate aerodinamică mai mare, deoarece, dacă îi oferim o configurație adecvată, poate rămâne o perioadă lungă de timp în aer fară a fi nevoie să utilizăm motorul datorită alunecării. Pe de altă parte, faptul că putem plana, o face o platformă mult mai sigură, deoarece în cazul defectării motorului am putea plana pana la locul de aterizare.

Figura 1.3 Dronă cu aripa fixă [3]

Cu toate acestea, drona cu aripă fixă este pregatită pentru scopuri foarte specifice, ceea ce reduce gradul de versabilitate atunci când este utilizat. Principalul său dezavantaj este problema aterizării și decolării.

Elicopterele

Elicopterele au o mare capacitate de autonomie. Pentru că au un singur motor și o elice mare. Elicopterul este mult mai eficient din punct de vedere aerodinamic decât un multimotor, deoarece elicopterul funcționeză la turații fixe datorită mișcării variabile a elicei, în timp ce multi rotorul rotește motorul pentru a rămâne stabil.

Figura 1.4 Dronă cu o singură elice ( elicopter). [4]

Cu toate acestea, elicopterele sunt destul de complexe mecanic, ceea ce ne obligă să ne adaptăm constant pentru a ne oferi un zbor optim. Din acest motiv, majoritatea UAV-urilor utilizate sunt multi-turbine, datorită simplității și stabilității lor mai mari.

Drone de tip multimotor.

Acest tip de drone sunt instrumentul cel mai răspândit și cel mai folosit. Aceasta oferă o mare versatilitate și eficientă în operațiuni, datorită simplității sale în timpul pilotării și a timpului scurt de asamblare. Este o platformă stabilă prin natură, deoarece motoarele se află la aceeași distanță față de centru de greutate al aeronavei.

În funcție de numărul de motoare disponibile, sunt clasificate astfel:

Drona de tip tricopter

Acest tip de dronă este compus din trei motoare, trei regulatoare a servomotorului și patru elice. Cele trei motoare sunt situate la capătul celor trei brațe. În aceloași loc, putem găsi și un senzor. Propursoarele direcționează regulatorii, care se află în trunchiul dronei. Motorul pentru stația de emisie este pur și simplu un servomotor normal într-o singură direcție.

Quadcopters sau quadrotor.

Un quadcopter este o dronă multi-motor cu patru brațe, care au în capatul bratelor câte un motor cu elice. Aceste sunt similare cu elicopterele în multe feluri, deși ridicarea și deplasarea se face cu patru elice în loc de una. Drona folosită pentru acest proiect este de această tipologie.

Hexacoptere și Octocoptere.

Aceste tipuri de drone au 6 și respectiv 8 brațe cu o încărcătură și o putere mai mare decât dronele anterioare. Sunt folosite în mod obișnuit în scopuri militare. În plus putem distinge față de tipul de dronă anterior, în funcție de configurația brațelor, fie în formă de “Y”, “X”

Figura 1.5 Tipuri de drone după numărul de motoare

Pe de altă parte, există multirotori coaxiali, acestea au două motoare pe fiecare braț. Ele sunt caracterizate de o greutate mai mare, dar o aerodinamică mai mică. O caracteristică de reținut este că numărul mai mare de motoare oferă o stabilitate mai bună și mai multă siguranță.

1.2.4 Folosirea dronelor în război

Pentru prima dată folosirea dronelor în timpul unui conflict militar a fost în anul 1982, aceasta fiind în războiul din Liban, în momentul când armata israeliană a trimis acest tip de aeronave fără pilot cu ajutorul cărora a putut studia sistemele de apărare a forțelor siriene și acumularea datelor necesare care au ajutat la distrugerea acestora.[5]

Figura 1.6 Drona de război.[5]

În urma dezvoltării sistemului GPS dronele pot fi controlate de către piloți cu o foarte mare acuratețe chiar din baza militară, chiar dacă drona se află în partea cealaltă a globului.[5]

Figura 1.7 Zona de control a dronelor de război.[5]

Dronele prezintă numeroase avantaje față de avioanele clasice pilotate de către o presoană, printre primele armate a fost cea americană care a adoptat foarte repede acest tip de aeronave (UAV) în scop militar. În urma atacului terorist avut loc în america în ziua de 11 septembrie 2001 armata a suplimentat numărul dronelor de la 50 în anul 2001 la peste 8000 de drone și numărul acestora este în continuă creștere.[6]

În acest moment sunt peste 40 de drone “Predator” în aer, acestea survolează zonele fierbinți ale globului ( precum Yemen, Afganistan s-au Pakistan).[6]

Pentagonul a cheltuit în anul 2016 peste 5 miliarde de dolari pentru fabricarea dronelor, numărul piloților care sunt antrenați pentru a putea pilota aceste drone depășesc numărul piloților care sunt specializați în pilotarea bombardierelor și a avioanelor de luptă.[6]

Trendul american cu privire la folosirea aeronavelor fără pilot în domeniul militar, a fost adoptat de foarte multe țări, acestea începând sa folosească și ele din ce în ce mai mult dronele, acest lucru a dus la folosirea acestora și în alte domenii, dovedindu-se utilitatea acestora.[6]

1.2.5 Utilizarea dronelor în domeniile civile

La început dronele au fost concepute și utilizate în exclusivitate de către companiile din domeniul apărării, costul acestor drone ajungând la câteva milioane de dolari pentru o dronă, în acest moment există pe piață mii de modele de drone, având diferite dimensiuni și o gamă largă de complexitate, având în vedere faptul că prețul acestora a devenit foarte accesibil.[6]

Figura 1.8 Drona care poate fi folosită de către orice persoană.[7]

Deoarece costul de achiziție a unei drone simple sau chiar construcția acesteia este la îndemâna fiecăruia, încep să fie folosite tot mai mult și în afara forțelor armate. În Statele Unite, numeroși amatori au achiziționat acest tip de aparate pentru utilizare în domeniul civil, aceștia au ajutat chiar și forțele de ordine să prevină anumite infracțiuni, un exemplu elocvent ar fi atunci când un pasionat al tehnologiei din Texas, a descoperit cu ajutorul dronei faptul că o uzină de procesare a cărnii deversa ilegal tone de sânge de porc într-un pârâu din apropiere.[6]

Agențiile imobiliare din California au început să folosească dronele pentru a filma și fotografia peisajele lăturalnice ale locuințelor de lux din diferite unghiuri, acest lucru le permite cererea unui preț mai ridicat pentru proprietățile respective.[6]

Dronele sunt folosite în acest moment și pentru paza granițelor Statelor Unite ale Americii, dronele mai pot fi folosite și de către pompieri pentru stingerea incediilor de pădure.[8]

Figura 1.9 Dronă folosită pentru stingerea incediilor.[8]

Un avantaj al dronelor îl reprezintă costul foarte redus față de cel al elicopterelor care pot costa și 1,7 milioane de dolari. Recent Poliția de Frontieră a României a primit din partea firmei British American Tobacco drone profesionale pentru a putea patrula și pentru a stopa traficul de țigări de la granița cu Ucarina, acest fenomen luând amploare în ultimul timp și numărul contrabandiștilor fiind foarte mare.[9]

În anul 2016 au fost folosite pentru asigurarea securității în cadrul evenimentelor care au avut loc la Olimpiada de Vară în Londra și la convenția Partidului Republican din SUA din același an pentru alegerea candidatului partidului la președenția SUA.

1.2.6 Drone folosite în alte domenii

Uniunea Europeană a adoptat o modaliate de a supraveghea modul de folosire a subvențiilor în agricultură, această metodă find cea mai eficientă din toate punctele de vedere, în acest fel agricultorii pot primi “vizite surpriză” în orice moment și pot verifica dacă au folosit subvențiie în mod responsabil.

Tot mai multe țări au adoptat în ultima vreme inspecția cu ajutorul sateliților în detrimentul inspecției fizice, această metodă este benefică ca și costuri. Dezavantajul supravegherii prin satelit este atunci când vremea este nefavorabilă în zonele în care se dorește supravegherea. Acest lucru face ca dronele să fie văzute ca o potențială soluție pentru inspecțiile agricole. Față de satelit dronele pot fotografia din diferite unghiuri, iar imaginile sunt mult mai detaliate.

Figura 1.10 Dronă folosită în agricultură.[10]

Dronele au fost folosite și de către arheologii din Rusia, pentru a filma siturile arheologice cu ajutorul camerelor cu infraroșii, cu ajutorul materialelor obținute s-a reușit crearea unor modele 3D computerizate ale structurilor identificate în subsol.

Dronele sunt folosite și în Japonia, dovedindu-se utile în agricultură, acestea ajutând la automatizarea procesului de stropire a recoltelor cu poesticide, cât și in investigarea accidentelor, ca acela a centralei nucleare de la Fukushima, fiind folosite pentru evaluarea în condiții de siguranță problemele întampinate cu radiațiile nucleare.

1.2.6.1 Folosirea dronelor în jurnalism

Unul dintre domeniile în care sunt folosite dronele este jurnalismul. Facultățile de jurnalism din Statele Unite a început pregătirea studenților pentru această nouă etapă a jobului de ziarist. Cu ajutorul acestora ziariștii pot obține imagini care sunt inaccesibile reporterilor aflați la sol, prețul de achiziție al acestor tip de aeronave este unul foarte accesibil. Dronele au fost folosite și pentru a capta imagini în timpul protestelor desfașurate în Piața Victoriei din București din luna Februarie anul 2017.[11]

Figura 1.11 Imagini surprinse de o dronă în timpul protestelor din Piața Victoriei.[11]

Printre primele instituții media care au folosit dronele în cadrul reportajelor a fost postul de televiziune CNN, acesta a obținut cu ajutorul acestora imagini video extraordinare în care se pot observa efectul devastator al uraganului “Michael” care a lovit Statele Unite ale Americii.[12]

Figura 1.12 Imagine capturată cu ajutorul dronei după ce a trecut uraganul “Michael”[12]

1.3 Funcționarea unui quadcopter

Pentru dezoltarea acestui proiect vom folosi un sistem de tip Quadcopter și este esențial să cunoaștem funcționarea și structura acestuia.

După cum știm deja, quadcopterul este o aeronavă echipată cu patru motoare aranjate în brațe cu formă de X, cu sistemul complex de măsurare și control inetrțial care permite efectuarea zborului stabil. Întelegem prin stabilitate capacitatea dronei de a rămâne în aceeași poziție fără a fi controlată de către utilizator, care se ocupă de controlul acesteia în cea mai mare parte a zborului. Acest control menționat mai sus este realizat prin modificarea vitezei unghiulare a fiecăruia dintre sistemele motorii.

Caracteristica principală și cea mai reprezentativă a acestui tip de dronă este simetria în structura sa și rotația asimetrică a rotoarelor, două în sensul acelor de ceasornic și două în celălalt sens de rotație, invers acelor de ceasornic.

Figura 1.13 Funcționarea unui Quadcopter de tip X (1)

Diferența în distribuția brațelor care poate fi în cruce sau în X este în principal ceea ce este considerat ca fiind înapoi, înainte, stânga și dreapta. Obțiunea de încrucișare este cea mai simplă pentru a înțelege și a programa, deoarece mișcările de pitch și roll, pitch și roll de acum referindu-se la termenii utilizați în aeronautică, sunt făcute lăsând o pereche de rotoare la o turație permanentă sau constantă și făcând variații în cealaltă pereche de rotoare, astfel încât unul dintre motoare să-și mărească turația, iar celuilalt motor îi va scădea turația.

Anterior am menționat două tipuri de rotații, dar sistemul general de mișcare a unui quadcopter și navigația aeronavelor în general se face pe un sistem de axe, producând trei tipuri de viraje.

Acest sistem de mișcare se desfășoară pe un sistem de coordonate al uni plan X Y Z. Axa X sau axa longitudinală este axa imaginară care merge de la partea frontală a dronei la coadă și mișcarea care are loc pe această axă se numește “Roll”

Axa transversală s-au laterală se referă la axa Y, care este o axă imaginară care merge de la capătul unui braț al dronei la altul, mișcarea pe această axă este “Pitch”.

Și în final axa vertical sau axa Z, care este axa care traversează drone. Pe această axă se va face de acum înainte mișcarea numită “Yaw”.

Figura 1.14 Funcționarea unui Quadcopter (2)

Originea coordonatelor va fi centrul dronei, aceasta fiind și centrul de greutate al dronei.

Acest tip de mișcare este calculat folosind unghiurile de navigație Eulerian utilizat pentru a recunoaște poziția dronei sau a aeronavei la un anumit moment față de axele coordonatelor fixe.

Rool(rotire): rotire în jurul axei longitudinale a aeronavei. Această mișcare este obținută prin modificarea rotoarelor opuse, una crescând viteza, iar cealaltă scăzând-o cu aceeași variație.

Pitch(Tangaj): înclinarea în față sau rotația în raport cu axa aripii. Obținerea acestei mișcări sau rotații este aceeași ca și pentru Roll, dar folosind rotoarele rămase.

Yaw (Girație): deplasarea avionului în raport cu axa imaginară verticală care trece prin centru de greutate al aeronavei. Pentru a regla “Yaw”, se ridică forța motoarelor opuse, în timp ce celelalte două rămân stabile.

Figura 1.15 Principiul de funcționare al quadcopterului (3)

Figura 1.16 Principiul de funcționare al quadcopterului (4)

Și în final trebuie să menționăm mișcarea de altitudine, care se referă la acea mișcare folosită atât pentru decolare cât și pentru aterizare, precum și pentru creșterea sau scăderea înalțimii. Acest tip de mișcare nu utilizează variații asimetrice ale vitezei motoarelor, ci doar stabilește o viteză egală și constantă pentru toate acestea și crește sau scade în cazul în care doresc să câștige sau să piardă înalțime.

Figura 1.17 Principiul de funcționare al quadcopterului (5)

1.3.1 Sisteme de poziționare curente

Pentru dezvoltarea unui sistem autonom de zbor al unei drone, este necesar să ne bazăm pe un sistem care ne spune care este poziția noastră globală actuală, dar și poziția relativă cu privire la punctul de plecare al dronei.

1.3.2 Sistemul de poziționare global (GPS)

GPS-ul se referă la acronimul “Global Positioning System” folosind constelația NAVSTAR (Sistem de navigare pentru timp și rutare) ca un sistem de poziționare globală a cărei funcție principală este de a determina poziția aeronavei cu ajutorul semnalelor radio ale unui set de 24 sateliți. [13]

Această metodologie a apărut ca mijloc de îmbunătățire a sistemului de sateliți pentru utilizări militare, care s-a răspândit în întreaga lume din 1967.[13]

Sistemul de referință utilizat este cunoscut ca “WGS”, care este un elipsoid global de referință născut în anul 1960 până la versiunea sa îmbunătățită “WGS84”, din care se obțin coordonatele carteziene sau polare ale punctului în care se află aeronava. Pentru a obține aceste coordinate prin GPS, este necesar să se știe că trebuie realizate o serie de transformări matematice pentru a obține punctele de referință ale sistemului local de coordonate care sunt necesare, deoarece coordonatele se referă la sistemul “WGS84”.[13]

Parametrii acestei transformări sunt un total de șapte, trei traduceri ( Tx, Ty, Tz), trei rotații ( Rx, Ry ,Rz) și un factor de scalare și este obținut din punctele cu coordonate cunoscute în sistemul inițial (WGS84) și în sistemul final (local).[13]

Acest sistem local poate fi un sistem produs din coordonate aleatoare atribuite oricărui punct de referință sau poate fi utilizat ca sistem reglementat.

1.3.3 Sisteme Elipsoidale de Referință

Figura Pământului, seamănă cu definiția geoidului, fiind o suprafață echipotențială a câmpului gravitațional terestru. Aceasta este suprafața utilizată ca referință pentru altitudine.

Datorită complexității de reprezentare a unui geoid, este utilizată o elipsoidă, ca o reprezentare a Pământului, atunci elipsoidul care se adaptează cel mai bine la geoid într-un punct de referință în care vrem să reprezentăm pozițiile noastre sau poziția normală la ambele este soluția adoptată, constituind conceptul de referință geodezic.

Figura 1.18 Sistem geodezic de referință[13]

Pe această suprafață sunt definite coordonatele geodezice:

Latitudinea geografică (φ): unghiul măsurat pe planul merdian care conține punctul dintre planul ecuatorial și cel normal până la elipsoidul din P.

Longitudinea geografică (λ):unghiul măsurat pe planul ecuatorial dintre meridianul de origine și planul merdian care trece prin P.

1.3.4 Sistemul WGS84

Așa cum am menționat anterior, GPS-ul folosește sistemul de referință “WGS84” pentru poziții și vectori, fiind definit ca sistem cartesian geocentric provenind din masivele Pământului, o axă Z paralelă cu direcția polului, o axă X reprezentată de intersecția dintre meridianul de origine, Greenwich și planul care trece prin origine și este perpendiculară pe axa Z și o axă Y ortogonală față de cele anterioare.[13]

Figura 1.19 Sistemul de referință WGS84[13]

După cum se poate vedea, sistemul de axe este similar cu sistemul de navigație (pitch, roll și yaw) utilizat în controlarea quadcopterului.

1.3.5 Sistemul de referință local

Toate rețelele geodezice sunt calculate pe un sistem de referință definit de următoarele elemente:

Elipsoidul de referință.

Punctul de coincidență dintre geoidul Pământului și rezoluția elipsoidului.

Originea longitudinilor și latitudinilor sau a axelor de coordonate.

Originea altitudini.

Setul de date anterioare cu care vom determina sistemul local de poziționare este cunoscut ca DATUM.[14]

1.3.6 Moduri de zbor

În general, dronele au de obicei diferite moduri de zbor clasificate în funcție de gradul de autonomie, existând o multitudine de moduri specifice de zbor pentru fiecare dronă, dar cele mai tipice și principale sunt trei.

Mod manual de zbor

Acesta este un tip de control deschis, în cazul în care drona efectuează calcule pentru viteza de rotație ca ieșire a rotoarelor, dintr-o serie de comenzi, explicate în secțiunile anterioare, cum ar fi pitch, roll și yaw, în plus față de decolare sau aterizare. În general, acest mod de zbor nu este utilizat de obicei de catre quadcopterele “UAV”.

Modul stabil sau stabilizat

Controlul se face într-o buclă închisă, adică începe dintr-un punct și se termină în același punct. Un sistem de control al orientării este utilizat pentru a calcula puterea turațiilor rotorului de la comenzile de pitch, roll și yaw trimise de utilizatorul care controlează sistemul și valorile de feedback generate de dronă. Principala diferență față de modul manual este faptul că, în ciuda faptului că au primit comenzile transmise de către utilizator efectuate manual, drona se poate autostabiliza pe cont propriu într-un sistem spațial tridimensional XYZ.

Modul autonom

Sistemul nu primește nici o instrucțiune de la utilizator, ci doar o serie de coordonate în trei dimensiuni, fie locale, fie globale, urmând o serie de puncte programate ulterior, fiind capabile să avanseze spre ele într-un mod stabil și autonom.

În utilizarea dronelor de tip quadcopter cel mai utilizat este modul stabil fiind desemnat ca mod manual. În plus, în mod obișnuit sunt puse în aplicare diferite moduri de zbor stabile, unde unele dintre comenzi sunt manipulate direct de dronă, lăsând utilizatorului posibilitatea de a controla anumite acțiuni.

1.4 Controlerele de zbor

1.4.1 Compasul

Compasul (magnetometrul) măsoară forța magnetică în același mod în care îl face o busolă. Senzorul acesta este foarte important pentru multi-rotori, pentru că senzorii de giroscop și accelerometru nu sunt suficienți pentru a permite controlorului de zbor, să știe în ce direcție este îndreptată drona. În schimb pentru dronele cu aripi fixe este ușor de zburat, deoarece acestea zboară doar într-o singură direcție.

Figura 1.20 Compas și GPS [15]

1.4.2 Regulatorul de zbor (ESC)

Regulatorul de zbor este una dintre cele mai importante componente ale dronei, este efectiv creierul acesteia. Acesta citește toate datele senzorilor, calculează și transmite cele mai bune comenzi către dronă pentru a putea zbura.

1.4.3 Procesorul

Procesorul este unitatea centrală cu ajutorul căreia rulăm firmware-ul autopilot și efectuează toate calculele. Majoritatea controlerelor de zbor au procesoare pe 32 de biți, acestea fiind mult mai puternice față de vechile sisteme pe 8 biți, în acest moment mai există câteva platforme populare de 8 biți pentru autopilot, unul dintre acestea este ardupilot mega, acesta poate fi gasit online și are un preț destul de mic.

Figura 1.21 În imagine se poate observa forma fizică a unui procesor utilizat la drone.[16]

1.4.5 Accelerometru și Gyroscop

Cei doi senzori sunt senzor de bază pentru dronă. Giroscopul măsoară forțele de rotație, iar accelerometrul măsoară forțele de accelerație. Combinarea acestor măsurători ajută controlerul de zbor să calculeze altitudinea curentă a dronei ( unghiul de zbor) și să facă corecțiile necesare.

Figura 1.22 Cele 3 axe ale unui gyroscop.[17]

1.4.6 Barometrul

Acesta este un senzor de presiune folosit pentru a măsura altitudinea aeronavelor. Senzorii sunt atât de sensibili încât detecteazâ schimbarea presiunii aerului atunci când aeronava se deplasează chiar și cu câțiva centimetri.

Figura 1.23 Senzorul de barometru Bosch BMP388.[18]

1.4.7 Senzor de viteză

Senzorul de viteză este folosit doar de către dronele cu aripi fixe. Senzorul de viteză a aerului este o altă formă a senzorului de presiune, acesta în loc să măsoare altitudinea, acesta măsoară viteza cu care aerul trece pe lângă aeronavă. Senzorul face acest lucuru prin compararea presiunii dinamice și statice printr-un pilot tube.

O importanță foarte mare pentru aeronavele cu aripă fixă este viteza aerului, deoarece fluxul de aer deasupra aripilor generează urcarea în altitudine a dronei, dacă aceasta zboară prea încet, este posibil să piardă altitudinea.

Figura 1.24 Reprezentarea unei aeronave având montat pilot tube.[19]

1.4.8 Datalogging (cutia neagră)

Anumite controlere de zbor printre care și Pixhawk are inclus și logging-ul de date care stochează un jurnal al tuturor informațiilor pe care le are auto-pilotul, precum o face și cutia neagră a unei aeronave. Acesta este foarte folositor în special în cazul în care nu funcționează corespunzător, în acest fel ne putem uita la jurnalele salvate pentru a găsi problema.

Figura 1.25 Exemplu de Datalogging după un zbor efectuat cu drona.

1.4.9 Sensor Fusion

Din păcate nici un senzor nu este suficient de bun pentru a controla drona, din această cauză sunt utilizați mai mulți senzori. Combinarea măsurătorilor de la toți senzorii montați pe dronă și prin aplicarea unor matematici (filtrarea lui Kalman), pilotul automat ne poate menține aeronava stabilă.

Atunci când urmărim achiziționarea unui autopilot, avem șansa să întâlnim ceva numit DOF sau grade de libertate. Cele mai de bază controlere vor fi 6 DOF, asta însemnând că au un accelerometru cu 3 axe și un giroscop cu 3 axe. Unele controlere de zbor au 10 DOF, ceea ce înseamnă că acestea includ mai mulți senzori cum ar fi giroscopul cu 3 axe, accelerometrul cu 3 axe, compasul cu 3 axe și un barometru care permite măsurarea a 10 parametrii.

În funcție de modul de folosire al dronei, un controler de 6 DOF cu un preț de achiziție mult mai mic față de cele cu 10 DOF, ar fi cea mai bună obțiune, mai ales dacă contruim un quadcopter. Dacă dorim o performanță mai bună și mai multe caracteristici, ideal ar fi achiziționarea unui controler de zbor 10 DOF, în acest mod putem folosi funcții avansate, printre acestea fiind efectuarea zborurilor autonome, atunci când este adăugat un modul GPS.[20]

1.4.10 Controlerul de zbor Pixhawk

Controlerul de zbor PIXHAWK este un autopilot de înaltă performanță, acesta este potrivit pentru drone cu aripi fixe, elicoptere, multi rotori, bărci, mașini și orice altă platformă robotică care se poate deplasa.[21]

Specificații

Processor

Core: ARM 32-bit Cortex™-M3 CPU

72 MHz/256 KB RAM/2MB Flash

32-Bit failsafe co-procesor

Senzori

Accel/Gyro/Mag: MPU9250

Accel/Gyro: ICM20608

Barometer: MS5611

Evaluarea tensiunii

Power module output: 4,1 ~ 5.5 V

Max input voltage: 45V (10S LiPo)

Max current sensing: 90A

USB Power Input: 4.1 ~ 5.5 V

Servo Rail Input 0~10V

Interfață

1 x UART Serial Port ( pentru GPS)

Spektrum DSM/DSM2/DSM-X Satellite Compatible RC input

Futaba S BUS –Compatible RC input

PPM Sum Signal RC Input

I2C ( pentru senzori digitali)

CAN ( compatibil cu controlerul digital al motoarelor)

ADC ( pentru senzori analogici)

Micro USB Port

Dimensiune și greutate

Dimensiune: 38x43x12mm

Greutate: 15,8g

Modulul GPS ( inclus în pachet)

GNSS reciver: ublox – Neo-M8N; compass HMC5983

Dimensiuni: 37x37x12mm

Greutate: 22,4g

Poziția conectorilor pe placa Pixhawk Mini

Figura 1.26 Pozitionarea pinilor la controlerul Pixhawk Mini.[21]

Figura 1.27 Poziționarea pinilor la controlerul Pixhawk Mini.[21]

1.5 Motoare de tip brushless și regulatoare de turație

1.5.1 Motorul brushless

Motoarele dronei sunt conectate la propulsoare, ele fiind rotite în jurul lor și generând forță care permite dronei să zboare. La aeronavele cu aripi fixe, motoarele generează o împingere înainte pentru a iniția zborul în aer. În ceea ce privește multirotori, motoarele generează o tracțiune ascendentă ajutând drona să zboare.

Un motor fără perii are în componența sa electromagneți (bobine) aceștia fiind conectați împreună în perechi specifice. Controlerul electronic de turație (ESC) este componenta care controlează motorul prin activarea și dezactivarea secțiunilor specifice ale electromagneților din motor, în momente foarte exacte pentru a determina motorul să se rotească datorită forței magnetice. Electromagneții sunt conectați în trei secțiuni principale, acesta fiind motivul pentru care rotoarele cu perii au trei fire care ies din acestea.

1.5.2 Componentele motorului de tip brushless

Motorul fără perii este alcătuit din două secțiuni principale:

Rotorul – este partea care se rotește, având magneții montați într-un model radial;

Statorul – aceasta este partea fixă care nu se rotește și are electromagneți;

Figura 1.28 Componentele motorului brushless.

1.5.3 Motoarele Inrunner și Outrunner

Sunt două categorii de motoare având perii, cu multirotori, pe cele mai multe aeronave cu aripi fixe vom întâlni motoare outrunner. Diferența dintre cele două motoare este faptul că outrunnerele au rotorul pe suprafața exterioară a motorului, și motoarele inrunner au partea rotativă pe interior, iar cochilia exterioară rămâne staționară. Motoarele inrunner sunt folosite adesea pentru autovehiculele R/C, pentru că acestea se pot roti mult mai repede decât motoarele outrunner. Și totuși motoarele outrunner sunt capabile să producă mai mult cuplu față de motoarele inrunner, lucru care le permit să învârtă elici mai mari folosite pe aeronave.

Figura 1.29 Componentele unui motor “outrunner”.

1.5.4 Care este semnificația seriei inscriționate pe motoarele fără perii ?

Atunci când suntem în căutarea unor motoare fără perii, vom observa că există de multe ori o tendință de denumire a motoarelor având o serie de patru numere, atunci ne întrebăm ce însemnă acele numere. Marea majoritate a motoarelor au câteva litere urmate de patru numere. Literele respective nu dețin nici o semnificație (în mare parte din cazuri cum ar fi MT sau seria Q folosită pentru quadcopter), iar numerele ne indică măsurătorile esențiale ale motorului.

Figura 1.30 Exemplul de serie a unui motor brushless, împreună cu explicarea acesteia.

De obicei primele două numere indică diametrul întregului recipient al motorului sau diametrul rotorului.

În același mod, a doua pereche de numere poate indica ori înălțimea întregului motor fie numai înălțimea rotorului. În cazul motoarelor MT2204 care au tehnologie fără pilot, aceste numere indică diametrul statorului și înălțimea, așa că avem un diametru stator de 22 mm și o înălțime a acestuia de 4 mm.

Cu cât motorul este mai mare ne putem face o idee despre dimensiunea dronei pe care vor fi montate. Miniquad-urile care sunt folosite special pentru curse vor folosi motoarele 1806 sau 2204, iar quadcopterele mai mari care sunt proiectate să poarte o cameră de tip GoPro vor avea de obicei dimensiunea 2212.

1.5.5 Randamentul în Kv

În momentul în care un motor este alimentat cu o anumită tensiune, acesta se rotește. Atunci când tensiunea crește, va crește și rata de rotire. Rata de rotație este cunatificată folosindu-se rotații pe minut, adică RPM, iar valoarea Kv oferă rotațiile pe minut ale unui motor care se rotește la accelerația maximă, care este dată de o anumită tensiune. Valoarea respectivă presupune și faptul că quadcopterul este descărcat. Așa că ratingul în Kv oferă turația motorului după cum urmează.

rpm = Kv x voltage.

Dacă ne raportăm la numărul ideal de rotații al unui motor, ne dăm seama ca depinde de tipul de copter pe care îl căutăm. Unul dintre exemple este atunci când suntem în căutarea unui copter acrobatic, acestea fiind de înaltă performanță, motorul va trebui să aibă un număr foarte ridicat de rpm, ceea ce însemnă ca va avea mai mulți Kv. Fapt intuitiv deoarece acești copteri acrobați au în general dimensiuni mai mici, atunci și motorul va fi mai mic, lucru care conduce la elicele cele mai mici. Elicele fiind mai mici, motoarele trebuiesc să producă mai multe trații pe minut pentru a se produce forța necesară pentru decolare și zbor. Asta înseamnă că aceste motoare consumă mai multă putere față de motoarele mai mari, acest lucru facându-le mai puțin eficiente.

Dar dacă dorim ca copterul să utilizeze mai puțină putere dar să aibă o autonomie cât mai mare și să fie mai stabil, vom folosi motoare cu turați mai mici. Aceste motoare ar fi utile pentru a putea face fotografii aeriene. În funcție de dimensiunea copterului, acesta poate transporta echipamentul necesar, elicele fiind mai mari acestea vor creea mai multă forță atunci când sunt rotite.

1.5.6 Configurația magnetului

Acel număr din configurație arată câți numărul de electromagneți existenți pe stator și numărul de magneți permanenți existenți pe rotor. Asta însemnă că numărul aflat înaintea literei N ne indică numărul de electromagneți din stator. Iar numărul aflat înaintea lui P ne indică numărul de magneți permanenți aflați în rotor.

Figura 1.31 Exemplu cu brațul dronei pe care este poziționat unul dintre motoare.

1.5.7 Regulatoarele de turație (ESC)

ESC-ul care este denumit și “control electronic al turației” acesta este un circuit electronic folosit pentru a putea schimba viteza unui motor electric, traseul acestui motor, și poate funcționa și ca o frână dinamică. ESC-urile sunt utilizate frecvent pe modelele de copteri care sunt controlați cu comandă radio, acestea sunt alimentate electric, fiind utilizate pentru motoarele fără perii, ele asigură practic o sursă de energie electrică de joasă tensiune cu trei faze, ea fiind produsă electronic pentru motoare. ESC-ul poate fi o unitate separată care este introdus în canalul de control al receptrorului de accelerație sau se unifică cu receptorul însuși, precum este la majoritatea vheiculelor R/C de tip jucărie. [22]

Un lucru foarte important de știut este faptul că pentru a schimba sensul de rotație al motorului care este legat la ESC, se poate face fie software, modificându-se anumiți parametrii din firmware-ul specific al ESC-lui, fie hardware inversând firele conectate la motor.

Figura 1.32 Legăturile dintre componentele unei drone.[21]

1.5.8 Caracteristicile unui ESC

ESC-ul controlează viteza de rotație a motoarelor ale unui copter. Ele având un scop similar cu al servomotorului de accelerație al unui avion. El face conexiunea între receptrorul radio al unui avion și centrala electrică. ESC-ul are trei seturi de fire. Un cablu se va conecta la bateria principală a unui copter. Firul al doilea este un fir servo care se conectează la canalul de accelerație al receptorului radio. Firul al treilea este folosit pentru alimentarea motorului. Caracteristicile principale ale unui ESC include circuitul de eliminare a bateriilor, întreruperea de joasă tensiune și frânarea.

1.5.9 Componentele unui ESC

Componentele principale utilizate în ESC sunt următoarele:

Plăcuțele de lipit pentru fazele motorului 3-BLDC;

Conexiunea pozitivă (+) LiPo;

Conexiunea negativă (-) LiPo;

Referința GND a semnalului PWM;

Semnal servo sau intrarea semnalului PWM;

Jumper pentru lipire, folosit pentru modificarea direcției de rotație (CW sau CCW);

Jumper pentru lipire, folosit pentru modificarea tipului de semnal la intrarea în PWM având un LED de stare;

Figura 1.33 Componentele unui ESC.[22]

1.5.9.1 Tipuri de ESC

Sunt două tipuri de regulatoare eletcronice de turație, acestea fiind bazate pe cerințele specifice, ele sunt după cum urmează: ESC cu perii și ESC fără perii.

1.5.9.2 Brushed ESC

Acesta a fost primul ESC cu perii, el a rezistat în jur de câțiva ani. El fiind foarte ieftin de utilizat în diverse tipuri de vehicule RC RTR electrice.[23]

Figura 1.34 Legăturile dintre baterie, ESC și motor.[22]

1.5.9.3 Brushless ESC

Acest tip de ESC fără perii a fost următorul pas în tehnologie, atunci când vine vorba de controlul electronic al vitezei. El este puțin mai costisitor față de ESC-ul cu perii. Atunci când este conectat la un motor fără perii, el are o putere mult mai mare decât Esc-ul ci perii. Și poate avea o perioadă de viață mai lungă.[23]

1.5.9.4 Circuitul unui ESC

Principala funcție a unui ESC este aceea de a schimba puterea electrică a motorului electric primită de la bateria aeronavei, în funcție de poziția în care se află stick-ul de accelerație. Pentru prima data regulatoarele de viteză au fost folosite în principal pentru bărcile controlate de la distanță și a mașinilor care foloseau un resistor variabil pentru ștergătorul care era stimulat de un servomotor.[23]

Tehnica aceasta funcționează în mod rezonabil la accelerația maximă, deoarece bateria este asociată direct cu motorul, numai că în situații de accelerație parțială, fluxul de curent din rezistența care produce puterea, aceasta va fi pierdută sub formă de căldură. Aeronava va folosi ca model în cea mai mare parte a timpului porțiunea de accelerație.

Pentru controlerele actuale de viteză, puterea diferă în funcție de motor prin acționarea rapidă a alimentării și opriri acesteia. În acest cadru tranzistorul MOSFET este folosit ca un comutator în loc să fie folosit ca un dispozitiv mecanic, iar cantitatea la care este comutat este de aproximativ de 2000 de ori pe secundă. Asta înseamnă faptul că, puterea motorului electric variază prin schimbarea cantității de timp ON, față de timpul OFF, într-un ciclu specificat.

Figura 1.35 Imagine cu circuitul ESC-ului.[24]

În momentul în care MOSFET-ul este pornit, crește curentul, pe măsură ce crește și câmpul magnetic în infășurările motorului. În momentul în care MOSFET-ul este oprit, energia magnetică stocată în bobine trebuie să fie absorbită de catre ESC. [24]

1.5.9.5 Alegerea corectă a unui ESC

Prima și cea mai importană considerație pe care trebuie să o avem în vedere este aceea de a potrivi controlul electronic de turație cu tipul de motor care urmează a fi utilizat. Din această cauză trebuie să ne asigurăm că a fost achiziționat un ESC corect pentru motorul ales: Din acest motiv ESC-ul fără perii este utilizat numai pentru motorul fără perii, și ESC-ul cu perii va fi utilizat numai pentru motorul cu perii, acestea nu vor fi utilizate niciodată invers. În afară de ectichetele care ne ajută să identificăm tipul de ESC, este numarul de fire al acestora, dacă ESC-ul are două fire acesta este cu perii, și cel cu trei fire este fără perii.[23]

1.5.9.6 Aplicațiile unui ESC

ESC-urile denumite și sisteme electronice de control al vitezei sunt folosite pentru telecomenzi sau aplicații pentru vehicule:

• Mașini electrice;

• Biciclete electrice;

• Aeronave electrice;

• Mașini;

• Elicoptere;

• Avioane;

• Barci;

• Quadcopteri;

• Firmware ESC. [23]

1.6 Transmisia și recepția comenzilor lansate de la sol

1.6.1 Bazele frecvențelor radio

Adesea vom întâlni termenii de 2.4 GHZ și 5.8 GHZ atunci când vorbim despre drone.

Frecvența de 2.4 GHZ utilizată de majoritatea dronelor pentru a face legătura dintre emițătorul aflat la sol și dronă. Frecvența de 2.4 GHZ este aceeași cu rețelele wireless ale computerului, problema este că acest lucru poate cauza atunci când ne aflăm într-o zonă (cu clădiri de birouri și locuințe rezidențiale dense etc.) care au foarte multe semnale wireless. Acest poate duce la pierderea controlului asupra aparatului de zbor. Altă problemă la fel de mare este interferența unei drone cu propriile sisteme. Asta se întâmplă deoarece, pe multe quadcoptere moderne sunt folosite două sisteme de control separate, unul pentru a controla drona și unul pentru transmiterea video (FPV).[24]

Pentru a evita utilizarea a două frecvențe radio pe aceeași bandă utilizată de către quadcoptere, printre care și modelele de dronă DJI Phantom, folosesc banda de 5.8 GHZ.[24]

Figura 1.36 Exemplu de legătură între reciver și telecomandă.[24]

1.6.2 Frecvențe FPV

Cele mai utilizate frecvențe utilizate pentru transmisia video sunt următoarele: 900 MHz, 1,2 GHz, 2,4 GHz și 5,8 GHz. Dacă sunt folosite antenele direcționale vor conduce la creșterea razei video. Printr-o programare avansată, acestea pot fi capabile să atingă o rază de câțiva kilometri.[24]

1.7 Alimentarea cu acumulatori de tip Li-Po

O parte esențială a acestui hobby sunt bateriile din polimeri de litiu(LiPo). Acest tip de baterii au ajuns să fie folosite pe foarte multe dispozitive electrice, cum ar fi laptopurile, telefoanele mobile și tabletele. Mare majoritate a utilizatorilor de drone au cunoșțiință despre riscul de încărcare al acestor tipuri de baterii, mai ales dacă nu este folosit un încărcător recomandat.

Găsim diferite tipuri de baterii pe bază de Litiu-ion, și LiPo este bateria de care am avea nevoie pentru o dronă. Asta se datorează constuției ușoare și a performanței asociate cu acest tip de baterie.

Figura 1.37 Diferența dintre celulele unei baterii Li-ion si Li-Po.[25]

1.7.1 Protecția bateriei folosite de către dronă

În momentul în care este achiziționată o baterie nouă și va fi verificată tensiunea, se va descoperi faptul că fiecare celulă va avea aproximativ 3,8 / 3,85 V. Fiind echivalent cu aproximativ 40% din capacitatea bateriei. Producătorii de-a lungul anilor este posibil să fi ajuns la concluzia că acesta este cea mai bună metodă de stocare a bateriilor pe o lungă perioadă de timp. Toate bateriile noi ajungând în această stare.[26]

Atunci când este achiziționat un produs nou care are o baterie bazată pe LiPo se poate observa că acel produs are bateria încărcată parțial. Este recomandat atunci când sunt încărcate baterii noi să nu fie folosită încărcarea rapidă, cel puțin în primele cicluri de încărcare.[26]

Acest lucru însemnă că încărcarea nu trebuie să fie mai rapidă decât “1C”. Lucru valabil și pentru primele cicluri de descărcare.

Figura 1.38 Descărcarea bateriilor ar trebui să fie doar la 50% în primele zboruri.[26]

Principala idee ar fi faptul că bateriile folosite pentru a alimenta dronele ar trebui descărcate ușor doar la 50% din capacitate mai ales în primele zboruri. Acest lucru este gândit pentru a ajuta la stabilitatea bateriilor, pentru a avea o viață prelungită.

1.7.2 Încărcarea bateriilor Li-Po

Trebuie folosite numai încărcătoare create special pentru încărcarea celulelor polimerice de litiu. Modelele noi de încărcătoare au acum o caracteristică de echilibrare care este esențială atât din motive de siguranță cât și de prelungire a vieții a bateriei.

Tensiunea declarată de funcționare a unei celule tipice de polimer litiu este de la 3V la 4,2V în momentul în care bateria este complet încărcată. Descărcarea celulelor sub valoarea de 3V va provoca invariabil daune ireversibile, dar și încărcarea peste 4,2V este foarte periculoasă și ușor de realizat. Selectând funcția “LiPo” Încărcătorul va fi setat să detecteze vârfurile celulelor atunci când ajung la 4,2V, în acel moment va întrerupe alimentarea. Dacă este setat tipul de baterie greșit, va începe încărcarea dincolo de 4,2V, fapt care duce la umflarea bateriei și dacă aceasta va rîmâne în continuare la încarcat, bateria va lua foc!

1.7.3 Stația de încărcare

Una dintre stațiile de încărcare folosite pentru a încărca bateriile de tip “LiPo” este SkyRC e430, acesta este un încărcător economic de înaltă calitate; el poate fi alimentat la o teniune cuprinsă între 100 – 240V, fiind destinat încărcării bateriilor de tip „LiPo” și “LiFe” de la 2-4 celule în modul de echilibrare. Puterea circuitului este de 30W, iar curentul maxim de încărcare poate ajunge până la 3A. Acest încărcător are trei tipuri de încărcare 1A / 2A / 3A ele putând fi selectate. Se poate selecta curentul corect de încărcare în funcție de capacitatea bateriei.[27

Figura 1.39 Încărcător folosit pentru încărcarea bateriilor.[27]

1.7.4 C Rating

Majoritatea bateriilor cu polimeri de litiu găsite astăzi în comerț vor avea un rating “C”. Clasa “C” reprezintă Capacitatea bateriei. Ratingul “C” reprezintă rata de descărcare maximă a unei baterii, aceasta fiind sigură și continuă, după cum este specificat de producătorii de baterii, dacă avem imprimat pe etichetă “20C”, acest lucru înseamnă că bateria respectivă poate fi descărcată de 20 de ori din capacitatea înscrisă pe ambalaj, “continuu”.[26]

De obicei capacitatea este măsurată în mAh și o dimensiune populară a celulei este de 2200mAh. De exemplu dacă avem o baterie cu următoarele specificații 2200mAh 20C Cell=2.2A x 20 = 44A de descărcare continuă.

Anumite baterii au imprimat împreună cu rata de descărcare continuă și rata de descărcare. Acest lucru însemnând de regulă de două ori rata de descărcare continuă. Bateria este capabilă de obicei să permită dublarea curentului, fiind posibil numai pentru câteva secunde la un moment dat.

Figura 37. Ratingul “C” care reprezină capacitatea bateriilor.[26]

1.7.5 Prevenirea daunelor asupra bateriilor

Dacă sunt folosite dincolo de specificații bateriile se vor deteriora. Din acest motiv trebuie stat cât mai departe de aceste limite. Teoretic, cu cât este mai mare gradul C, bateria este cu atât mai bună. Elicopterele 3D RC, care folosesc un consum mare de curent la un moment dat, sunt esențiale să fie folosite baterii cu o capacitate ridicată C. Principala problemă pe care o au aceste elicoptere, este aceea că celulele sunt supuse unor consumuri de curent ridicate atunci când efectuează manevre grele. Piesele curente folosite sunt uneori dincolo de limitele bateriei. Atunci când bateria este împinsă peste limitele sale, aceasta se va încălzi, scăzând performanța. Dacă bateria va fi suficient de mult împinsă peste limitele sale, este posibil să se umfle și va provoca daune ireversibile.

1.7.6 Echilibrarea bateriilor Li-Po

Foarte importană este echilibrarea bateriilor. Dacă sunt utilizate și păstrate în limitele sale de siguranță, celulele nu vor avea tendința de a se deplasa prea mult în afara echilibrului. Dezechilibrarea celulelor poate apărea atunci când bateria este descărcată foarte mult. Este posibil ca uneori bateria să dezvolte doar o celula rea. Echilibrând procesul de încărcare al bateriilor, va ajuta la detectarea unui dezechilibru între celule și se reduce posibilitatea probabilității de supraâncărcare a altor celule din baterie.

1.7.7 Temperatura bateriei

În momentul în care bateriile sunt în curs de încărcare, temperatura este importantă. O bateria care a fost păstrată la o temperatură de sub 0° C, nu trebuie încărcată niciodată, deoarece există riscul de a exploda bateria la aceste temperaturi. Depozitarea la rece a bateriilor care conțin celule LiPo, este un lucru bun, dar trebuie ținut cont de faptul că înainte de încărcare, trebuie să ne asigurăm de faptul că au avut posibilitatea sa ajungă la temperatura camerei înainte de a începe încărcarea.

În momentul încărcării, este foarte bine să fie verificată manual temperatura bateriei. Dacă bateria este încărcată la o rată de 1C, bateria nu trebuie să se încălzească. Dar dacă acestea se încălzesc excesiv, este posibil să fie ceva în neregulă, dacă se constată acest lucru trebuie oprită imediat încărcarea.

Figura 1.40 Dacă temperatura este mare, bateria poate avea o problemă.[26]

1.7.8 Celulele deteriorate

Nu trebuie încercat niciodată încărcarea unei baterii care a fost deteriorată într-un accident, deoarece există posibilitatea de a se provoca incendii! Celulele care se văd în mod evident că sunt umflate sau că prezintă leziuni fizice nu trebuiesc folosite niciodată, fiind necesară o eliminare atentă, mai ales dacă celulele sunt umflate.

1.7.9 Ratele de încărcare a bateriilor LiPo

Majoritatea aleg să încarce bateriile de tip LiPo la o rată de 1C, un exemplu ar fi bateria de 2200mAh, ea ar fi încărcată la cel mult 2,2A. Încărcarea peste 1C a fost considerată o valoare nepotrivită care ar putea să afecteze bateria. Au fost efectuate teste de încărcare a bateriilor la 1C și la 3C, și a rezultat aceeași durată de viață a bateriei.

În principiu timpul de încărcare al bateriilor LiPo este de 20 până la 30 de minute, dovedindu-se că toate bateriile moderne de tip LiPo sunt mai mult decât capabile să fie încărcate la 3C, fără a se provoca daune.

1.7.10 Ratele de descărcare și gradul de descărcare

Anterior am vorbit despre ce este o evaluare C. În acest moment se știe faptul că descărcarea la rată mai mare decât valoarea C va deteriora bateria. Și descărcarea profundă a unei baterii este la fel de dăunătoare. Deteriorările cele mai multe cauzate bateriilor cu litiu polimer sunt cauzate de către utilizatorii care ruleză baterii de tip flat și indiferent de calitatea celulelor, folosirea acestui tip de baterie va provoca daune ireparabile și distrugerea acestora foarte repede.

Dacă este lăsat un nivel acceptabil de încărcare, este de departe cel mai important factor de a prelungi viața bateriei! Dacă bateriile cu litiu polimer sunt descărcate cu peste 80% din capacitate, duce la reducerea semnificativă a duratei de viață a acestui tip de baterie.

În urma testelor a fost demnostrat faptul că bateriile descărcate la numai 50% din capacitatea lor pot fi ciclate de cel puțin 3 ori durata de viață a bateriilor. Figura 1.41 Rata de descărcare a bateriilor de tip LiPo.[26]

1.7.11 Temperatura de lucru

Se pare că funcționarea bateriilor de tip litiu polimer, este atunci când sunt calde. Au capabilitatea să funcționeze chiar și la temperaturi de până la 60 °C, dar invers, nu funcționeză foarte bine în momentul în care sunt temperaturi scăzute. O baterie caldă este o baterie care funcționeză în parametrii normali, dar dacă este depășită temperatura de 60°C, încep daunele asupra bateriei, dovezi fiind umflăturile care apar pe suprafața exterioară, vor arăta precum un balon, dacă se ajunge la temperaturi foarte mari. În schimb vremea rece este o problemă clară.

1.7.12 Depozitarea bateriilor

Conform sfaturilor date de către producători, stocarea bateriilor de tip LiPo pentru orice perioadă de timp, ar trebui să fie depozitate în mod idel la o temperatură cuprinsă între 5°C și 27°C, cu cât temperatura este mai mică cu atât mai bine, cu condiția să nu depașească pragul de 5°C.

Pentru stocare pe termen lung tensiunea optimă, după cum a fost menționat ulterior este de 3,8V – 3,85V per celulă. Practica cea mai bună ar fi ca după fiecare zbor bateriile să fie încărcate la tensiunea de stocare.

Una dintre principalele probleme când vine vorba despre depozitarea bateriilor LiPo este căldura. O baterie încărcată ar trebui păstrată la temperatura camerei sau sub aceasta. În decursul anilor trecuți testele efectuate au arătat faptul că, bateriile care sunt lăsate încărcate complet pe o perioadă lungă de timp și sunt supuse la o sursă de căldură peste cea recomandată, se deteriorează și își pierd capacitatea.

1.7.13 Cauzele care pot provoca umflarea bateriilor

Sunt foarte multe motive care pot provoca umflarea bateriilor. Acestea pot fi cauzate de standardele de fabricație slabe, utilizarea materialelor care sunt necorespunzătoare, utilizarea incorecă a acestiea, dar mai poate fi cauzată de uzură și vârstă, rezultatul final fiind umflarea celulelor din baterie.

În urmă cu câțiva ani au fost observate probleme cu bateriile care au avut în componență unele dintre cele mai ieftine celule din China. În urma verificarii s-a descoperit motivul care a dus la umflarea bateriilor, acesta fiind contaminarea cu apă în instalația de producție a celulelor. Din păcate multe fabrici care fabrică aceste celule se află într-o zonă cu climă umedă foarte ridicată, acest lucru ducând la prinderea apei în interiorul celulelor, fapt ce determină oxidarea litiului și implicit umflarea bateriilor în timp.

Umflarea bateriilor mai poate fi cauzată și de supraâncărcarea celulelor, sau încarcarea acestora mult prea repede. În momentul în care se întâmplă acest lucru, se va ajunge la excesul de litiu liber în anod (acesta fiind placarea cu litiu metalic) și oxigenul liber pe catod. Atomul de oxigen este suficient de mic apentru a se deplasa liber peste separator fără a purta o sarcină electrică, acest lucru ducând la oxid de litiu sau rugină de litiu. Ar mai fi o problemă atunci când oxidul de litiu utilizează mai puțini atomi de oxigen decât a existat în starea sa ionizată, rezultând oxigenul liber.

Figura 1.42 Exemplu de baterii de tip LiPo, ce s-au umflat devenind inutilizabile.[26]

1.7.14 Tensiunea bateriilor

Tensiunea maximă a unei celule aflate în bateriile LiPo este de 4,235V, acest lucru este posibil în momentul în care celula ajunge la o temperatură aproximativă de 60°C. La temperatura camerei tensiunea maximă a celulei este de aproximativ de 4,2V. Dacă temperatura este sub 10°C, tensiunea pentru o celulă ar putea să scadă la aproximativ 4,0V. Dacă sunt depășite aceste valori, supra-abundența de electroni va duce la ruperea legăturilor chimice și eliberarea litiului, acesta legându-se cu oxigenul și se creează oxid de litiu apărând mai multe umflături.

Dacă este utilizată în continuare o baterie care a început să se umfle, și se va continua utilizarea acestia, starea ei se va agrava, iar celulele acetia vor fi distruse destul de repede! Dacă bateria s-a umflat este un semn sigur că ciclul de viață este pe sfârșite, și trebuie folsită cu atenție.

În momentul în care bateria s-a răcit, umflătura se poate reduce. Ideal ar fi ca bateria să nu mai fie folosită dacă aceasta rămâne umflată.[25]

Figura 1.43 Voltmetru care ajută la măsurarea tensiunii bateriei.[26]

1.8 Microcontrolerul Raspberry PI 3B+

Raspberry Pi 3 Model B+ este ultima revizie a celei de-a treia generații de SBC (Single-board Computer) având un preț redus, acesta a fost dezvoltat în UK de către Raspberry Pi Foundation, cu scopul de a stimula predarea ștințelor informaticii în școli. Față de computere, Raspberry Pi are o caracteristică specială, portul GPIO (General-Purpose Input/Output) acesta este portul generic de intrare/ieșire, acest lucru oferă posibilitatea conectării diverselor componete electronice specifice sistemelor cum ar fi: butoane, senzori, ecran LCD și relee pentru crearea de noi proiecte electronice.[28]

Dimensiunea unui Raspberry Pi este de 85×54 mm, și găzduiește un chip Broadcom BCM2837B0, Cortex-A53 64-bit SoC @ 1.4GHz și memorie de 1GB LPDDR2 SDRAM.

Din punct de vedere al conectivității avem următoarele:

2.4GHz and 5GHz IEEE 802.11.b/g/n/ac wireless LAN, Bluetooth 4.2, BLE

Gigabit Ethernet over USB 2.0 (viteza maximă atinsă este de 300Mbps)

4 porturi USB 2.0

Sistemul de operare bootează de pe un card micro SD, acesta poate fii atât o versiune de Linux, cât și Windows 10 IoT

Pentru alimentare are nevoie de un micro USB care să produca cel puțin un curent de 1A, curent care poate ajunge pâna la 2.5A și o tensiune de 5V.

În funcție de modelul ales, sunt disponibile mai multe sau mai puține opțiuni de conectare,deși există întotdeauna cel puțin un port de ieșire video HDMI și un alt port de ieșire tip RCA.

Din punct de vedere al software-ului, există o mare varietate de sisteme de operare (BerryBoot, Raspbian, NOOBS, OpenELEC, Windows 10 Pi 2 …). Raspberry Pi foloseste majoritatea sistemelor de operare bazat pe kernel-ul Linux.

Lucrul prin care se distinge Raspberry Pi față de alte computere cu plăci reduse este posibilitatea de a folosi pinii GPIO pentru a controla senzorii (video, IR, temperatură, orientare în 3 axe, accelerație etc.), servomotoare, motoare de curent continuu (folosind PWM) și dispozitive externe.

GPIO (General Purpose Input/Output, intrare/ieșire cu scop general) sunt pini care acționează ca o interfață fizică între Raspberry Pi și lumea exterioară. Acești pini pot fi configurați în două moduri, ca ieșiri sau ca intrări. În configurația pinilor GPIO ca ieșiri, pinii execută funcția unui commutator (intrerupator) cu o baterie conectată în serie, fiind capabilă să se afle la un nivel ridicat (comutator închis), asigurând o tensiune de 3.3V sau într-un nivel scăzut (comutator deschis) , furnizând tensiune 0V.

Configurația pinilor GPIO ca intrări, terminalele pot fi alimentate cu tensiuni de la 0 la 3.3V. Configurația ca intrare a GPIO este utilizată în funcții precum citirea senzorilor, etc.

Printre terminalele GPIO găsim și alte două tipuri de pini. Aceste două tipuri de pini sunt, pe de o parte, SPI (Serial Peripheral Interface), iar pe de altă parte, I2C.

Busul SPI este un standard de comunicații, utilizat în principal pentru transferul de informații între circuitele integrate în echipamentele electronice. Interfața magistrală(bus)a perifericelor seriale sau a magistralei (bus). SPI este un standard pentru a controla aproape orice dispozitiv electronic digital care acceptă un flux serial de biți reglementat de un ceas (comunicare sincronă).

Acesta include o linie de ceas, care are date primite, date de ieșire și un pin selectat pentru cip, care conectează sau deconectează funcționarea dispozitivului cu care dorește să comunice. În acest fel, acest standard permite multiplexarea liniilor de ceas.

SPI este un protocol sincron. Sincronizarea și transmiterea datelor se efectuează prin intermediul a 4 semnale:

SCLK (Clock): este pulsul care marchează sincronizarea. Cu fiecare puls al acestui ceas, un bit este citit sau trimis.

MOSI (Master Output Slave Input): ieșire de date din Master și introducerea datelor către Slave. De asemenea, numit SIMO.

MISO (Master Input Slave Output): Ieșire date Slave și intrare Master. Este si, cunoscut sub numele de SOMI.

SS / Select: pentru a selecta un Slave, sau pentru Master pentru a spune Slave-ului să se activeze. Se numește și SSTE.

Șirul de biți este trimis în mod sincron cu impulsurile ceasului, adică cu fiecare impuls, Master-ul trimite un bit Pentru ca transmisia să înceapă, Master-ul scade semnalul SSTE sau SS / Select la zero, este activat Slave și începe transmisia, cu un impuls de ceas simultan cu citirea primului bit.

În ceea ce privește I2C acestea sunt magistralele (bus) de comunicație serială. Numele acestuia provine de la circuitul integrat (Inter-Integrated Circuit). Viteza acestuia este de 100 kbit/s în modul standard, dar permite și viteze de până la 3,4Mb/s. Acesta este utilizat pe scară largă pentru a putea comunica circuitele integrate care se află în mod normal în același circuit imprimat.

Caracteristica principală a I2C este aceea că utilizează două linii pentru transmiterea informațiilor, una pentru date și cealaltă pentru semnalul de ceas. O a treia linie este, de asemenea, necesară, dar aceasta este doar referința (masa). Întrucât circuitele , comunica pe aceeași placă care împarte aceeași masă, această a treia linie nu este de obicei necesară.

Liniile se numesc:

SDA: date (data)

SCL: ceas (clock)

GND: ground( voltajul este 0)

Problema cu terminalele GPIO este că ele sunt intrări și ieșiri digitale, în timp ce măsurătorile furnizate de senzorii care măsoară variabilele de interes real (temperatura, umiditatea …) sunt analogice. Prin urmare, va fi necesară utilizarea unui convertor analog-digital pentru a transmite semnalul analogic măsurat de către senzori la digital. În acest fel, vom obține un semnal care poate fi procesat de Raspberry Pi.

Microcontrollerele sau Plăcile Raspberry Pi au în componența lor un procesor, un cip grafic, memorie (RAM), mai multe interfețe și conectori pentru dispozitive externe. O parte dintre aceste dispozitive sunt esențiale pentru funcționare. Raspberry Pi funcționează asemănător cu un calculator obișnuit având nevoie de o tastatură pentru scrierea comenzilor, un ecran și Rețea de alimentare.

Figura 1.44 Prezentarea generală a Modelului Raspberry Pi Model B+ [29]

1.9 Modulul de cameră Raspberry V2

Modulul de cameră Raspberry V2 este oficial produs de către de către Raspberry Pi Foundation. Primul modul de cameră, care avea un senzor de 5 Megapixeli a fost produs în anul 2013, și modulul de cameră versiunea a doua a fost produs în anul 2016. Ambele versiuni au fost produse atât cu senzori în infraroșu, pentru a putea vizualiza imagini atunci când lumina este foarte scăzuta, cât și camere fără senzori în infraroșu.

Figura 1.45 Imagine în care este reprezentată Modulul de cameră V2.[30]

Camera Raspberry Pi V2 are un senzor de imagine de înaltă calitate, de 8 megapixeli Sony IMX219, proiectat și personalizat, destinat plăcii pentru Raspberry Pi, prevăzut cu un obiectiv cu focalizare fixă. Este capabil să facă poze de 3280 x 2464 pixeli și suportă o înregistrare video de o calitate de 1080p30/fps, 720p60/fps și 640x480p60/90/fps. Se atașează la Raspberry Pi printr-unul dintre prizele mici de pe suprafața superioară a plăcii și utilizează interfața dedicată CSI, concepută special pentru interfața cu camerele. Placa în sine este mică, la aproximativ 25mm x 23mm x 9mm. De asemenea, cântărește puțin peste 3g, ceea ce îl face perfect pentru aplicații mobile sau în alte aplicații unde dimensiunea și greutatea sunt importante. Se conectează la Raspberry Pi printr-un cablu tip panglică scurt.

Figura 1.46 Imagine care reprezintă modul de montare al modulului de cameră.[30]

1.10 Rețele VPN

1.10.1 Ce este VPN-ul ?

VPN-ul sau în traducere (Rețea Virtuală Privată), aceasta este o conexiune securizată și criptată cu o altă rețea decât rețeaua în care ne aflăm, de obicei conexiunea se face prin intermediul internetului. În aces mod VPN-ul, extinde rețeaua în cadrul rețelelor publice ( cum este în cazul nostru internetul), acest lucru permite utilizatorilor să trimită și să primească date confidențiale, exact ca atunci când calculatoarele lor ar fi fost conectate la aceeași rețea. Acest lucru este foarte util atunci când un utilizator dorește să se conecteze în rețeaua locală dar nu are posibilitatea fiind în altă locație, așa că cea mai bună soluție este configurarea unei conexiuni de VPN la rețeaua locală, acest lucru permite să te conectezi virtual în rețea. Rețeaua Virtuală Privată (VPN) ne ajută să pretindem că suntem conectați direct la rețeaua locală, dar singura legătură este conexiunea la internet.[31]

1.10.2 Cum functionează VPN-ul ?

În momentul în care folosești o rețea locală (LAN) pentru a accesa diverse siteuri și servicii de pe internet, atunci sursa cererilor de accesare este rețeaua ta locală (LAN). Dar dacă ești conectat la un VPN tot traficul efectuat pe internet va trece prin rețeaua VPN, iar lumea exterioară te vede ca facând parte din Rețeaua Virtuală Privată. Așa că în acel moment sursa interogărilor nu mai este rețeaua locală ci VPN-ul. Asta însemnă că site-urile accesate și celelalte rețele cu care comunicăm nu vor mai vedea adresa IP a dispozitivului nostru ca sursă a cererilor de accesare, ci pe cea a VPN-ului.[31]

Furnizorul nostru de servicii internet (ISP) vede doar o singură conexiune, cea stabilită de noi între rețeaua locală și VPN-ul pe care îl utilizăm, care este criptat. Asta înseamnă ca ISP-ul folosit de noi nu are posibilitatea de a vedea ce facem în interiorul conexiunii de tip VPN, chiar dacă aceasta este utilizată folosind internetul, și prin urmare nu mai putem fi monitorizați.

Ar fi totuși o problemă dacă folosim un VPN al cărui server se află în aceeași țară și care utilizează același furnizor de internet, atunci este foarte posibil ca acest IPS să poată vedea traficul de rețea. Chiar dacă furnizorul de servicii de internet este folosit de către noi și de către serverul VPN, nu va putea să deducă faptul că traficul de rețea este al nostru, pentru că originea acestuia este serverul VPN și nu dipozitivul nostru.[31]

Figura 1.47 Exemplificare grafică a modului de funcționare a VPN-ului.[32]

Capitolul II – Construirea unei drone de tip quadcopter cu microcontroler ARM și cameră video

În cadrul acestui proiect, s-a construit o dronă de tip multirotor, cu o autonomie de zbor de peste 30 minute, aceasta fiind capabilă să parcurgă distanțe mari și să zboare la punct fix pentru o perioadă destul de mare pentru a supraveghea o anumită zonă de la înalțime.

2.1 Asamblarea frame-ului

Construcția dronei este compusă dintr-un frame cu un cadru multi-rotor, realizat în principal din plăci PCB rezistente și materiale din plastic dur aceasta fiind propulsată de patru motoare cu elice a căror lungime să nu depașească 12”. Aceasta este prevăzută cu o placă de montare mare în față și în spate pentru montarea camerelor video sau a altor accesorii. Brațurile au culoarea alb și albastru, pentru menținerea direcției în zbor.

Figura 2.1 Imagine cu brațele dronei pe care se montează rotoarele

Pe capătul rotund se montează motoarele, iar capătul triunghiular se monteaza pe corpul dronei.

Figura 2.2 Imagini cu brațul și trenul de aterizare montat pe placa PCB

Montarea brațelor și a trenului de aterizare se face cu ajutorul a două șuruburi care prind brațul si piciorul trenului de aterizare de placa PCB.

Figura 2.3 Motor brushless montat pe brațul dronei.

Figura 2.4 Sistemul de montare al motoarelor.

Motoarele brushless sunt montate cu ajutorul a patru șuruburi cu capăt hexagonal, fiind prinse la capătul fiecărui braț.

Figura 2.5 Regulator electronic de turație (ESC).

Trenul de aterizare are o lungime verticală de 150mm, sub acesta pe suport se află montată bateria dronei, a cărei capacitatea este de 8000 mAh.

2.2 Montarea motoarelor, a regulatoarelor de turație (ESC), precum și alimentarea acestora.

Drona este echipată cu patru motoare de tip brushless (fără perii) dezvotând o putere de 231W fiecare, acestea fiind controlate individual de un regulator de turație (ESC) de 20A. Motoarele au fost dotate cu elice construite din plastic cu carbon având o lungime de 10”.

Figura 2.6 Motor brushless montat pe brațul quadcopterului

Motoarele au sensul de rotație alternant, după cum urmează, clockwise (CW), respectiv conter-clockwise (CCW), în acest fel fiecare rotor se va roti în sens contrar motorului adiacent, acest lucru se poate observa și în schema de mai jos.

Figura 2.7 Schema frame-ului unui quadricopter X.

Inversarea sensului de rotație a motoarelor brushless se pot face prin două metode, prima metodă este cea software, ceea ce implică modificarea fimware-ului ESC-ului, și metoda a doua (metoda folosită la realizare acestui proiect) care constă în inversarea firelor care leagă motorul de ESC.

Figura 2.8 Poză care ilustrează cablarea între motoarele brushless și ESC-uri, pentru ca sensul de rotație al fiecărui motor să fie CW sau CCW. [23]

Alimentarea motoarelor și implicit a ESC-urilor au lipite cu letconul pe un PCB din fibră de sticlă, cu contactele integrate în substrat, iar cablurile de date ale regulatoarelor de turație au fost introduse direct în flight-controller.

Figura 2.9 Lipirea firelor care alimenteză ESC-urile direct pe placa PCB.

Figura 2.10 Schema de montare a ESC-urilor pe PCB-ul din fibră de sticlă.[35]

Alimentarea dronei se face prin intermediul unui acumulator de tip litiu-polimer (Li-Po) compus din patru celule legate în serie, fiecare celulă având o tensiune nominală de 3,7V, rezultă o tensiune totală de 14,8V. Alimentarea se face cu ajutorul unui circuit electronic proiectat în așa fel să nu fie necesar montarea mai multor tipuri de acumulatori, cu tensiuni diferite de alimentare, având în vedere faptul că anumite dispozitive electronice necesită o tensiune de maxim 5V (exemplu fiind controlerul de zbor).

Figura 2.11 Modulul de alimentare care reglează tensiunea de alimentare în funcție de componente.

Figura 2.12 Schema cu modul în care se face alimentarea componentelor electronice.

Pentru alimentarea ESC-urile, pe modulul de alimentare au fost lipite două fire care la rândul lor au fost lipite pe placa PCB ducând la alimentarea circuitelor integrate cu ~ 14,8V.

Figura 2.13 Lipirea pe placa PCB a modulului de alimentare de la baterie.

Pentru alimentarea dronei s-a folosit o baterie cu 4 celule având o capacitate de 8000mAh, și o tensiune maximă de aproximativ 4,2V pe fiecare celulă, în acest fel baterie poate ajunge la o tensiune de aproximativ 16,8V atunci când este incărcată la maxim, după o utilizare de aproximativ de 40 minute, tensiunea pe fiecare celulă scade la aproximativ 3,48V, având o tensiune totală de aproximativ 13,92V.

Figura 2.14 Acumulatorul de tip LI-PO 4S cu capacitate de 8000mAh montat pe suport.

Suplimentar a fost adăugat pentru alimentarea dispozitivelor externe un modul “UBEC Low Ripple Mini”, compatibil cu dronele care au o baterie de la 2 la 6 celule capabil să comute de la tensiunea de aproximativ 14,8V la o tensiune de ieșire de aproximativ 5 V/3A. Fiind necesar pentru a putea alimenta orice dispozitiv care are nevoie de o alimentare de 5V. Pentru o conectare mai ușoara a fost lipită la ieșirea de 5 V un cablu USB cu mufă de tip mamă, astfel ne este permis să alimentăm o mare varietate de echipamente care au nevoie de o tensiune de 5V și au un cablu USB tată. Cu ajutorul lui va fi alimentat și Rapsberry Pi 3 Model B+, acesta are nevoie de o tensiune de alimentare de aproximativ 5V/2,5A pentru a funcționa în parametrii normali, această cerință este îndeplinită de catre modulul „UBEC Low Ripple Mini”

În figura următoare este prezentată modalitatea de conectare a modulului și soluția găsită pentru al proteja împotriva deteriorării accidentale, folosind varniș termoretractabil.

Figura 2.15 Montarea modulului „UBEC Low Ripple Mini”.

2.3 Montarea controler-ului de zbor ARM, a modulului GPS, precum și a modulului pentru recepția comenzilor.

Drona a fost echipată cu un controler de tip ARM Cortex M3 pe 32 de biți pentru a obține performanțe deosebite și pentru a putea procesa în timp real un flux cât mai mare de parametrii.

Primul a fost montat controlerul ARM și a fost poziționat în partea din față a PCB-ului, pentru a fi la o distanță cât mai mare de reciver, pentru a nu-i influența parametrii de funcționare, dupa aceea a fost montat modulul care transmite comenzile către cele 4 ESC-uri, acestea controlând motoarele, el este capabil să gestioneze până la 8 ESC-uri care controleză tot atâtea motoare.

După aceea a fost urmat de modulul extern montat cât mai departe de sursele care pot creea interferențe, el ajută la îmbunătățirea performanțelor dronei, care înglobează cel puțin două funcții importante, GPS-ul și compasul, aceasta ajută la implementarea unor funcții avansate precum zborul autonom, reîntoarcerea dronei la punctul de decolare, compasul ajută drona să se orienteze și să rămână la un anumit punct până la primirea comenzilor.

.

Figura 2.16 Modulul care este legat direct la controller și ESC-uri.

Figura 2.17 Principalele componente de control ale dronei.

Pasul următor a fost montarea receptorului radio (Receiver) care lucrează în banda de 2,4GHz, rolul acestuia este acela de a primi comenzile care au fost lansate de către pilot prin modulul de transmisie al telecomenzii, acestea fiind transmise ulterior către microcontroller, care comandă după aceea ESC-urile.

2.4 Punerea în funcțiune a dronei și calibrarea ESC-urilor

Primul pas care trebuie efectuat după ce sunt montate toate componentele este acela de a folosi programul „Mission Planner”, acesta este creat special pentru a face legătura între microcontroller și celelalte componente.Înainte de toate se alege modelul de dronă pe care dorim să-l configurăm. În cazul de față fiind ArduCopter Quad.

Figura 2.18 Deschiderea programului „Mission Planner” și selectarea modelului de dronă.

După ce a fost selectat modelul de dronă folosit se va trece la calibrarea compasului, acest lucru este foarte important pentru ca drona să știe să se orienteze în spațiu, în acest mod se evită pierderea orientării, lucru care ar putea duce la situații nedorite, calibrarea se face în mod ideal într-o locație în care se află cât mai puțină aparatură electronică, aceasta poate influneța reglarea compasului.

Pașii următori sunt calibrarea modului de recepție al comenzilor cu telecomanda pe care o folosește utilizatorul dronei, calibrarea motoarelor montate și a ESC-urilor. Toate aceste calibrări sunt foarte importante și pot suferi modificări pe parcurs în funcție de modul în care răspunde la comenzi drona. După ce sunt efectuate toate procedurile necesare pentru calibrare este necesară activarea funcției “FailSafe”, acesta este o funcție foarte utilă mai ales atunci când avem o dronă dotată cu modul GPS, în urma unei comenzi setate de către utilizator pe unul dintre butoanele telecomenzii, drona este capabilă să se revină înapoi la punctul de decolare și să aterizeze în condiții de siguranță în mod automat cu o precizie de aproximativ 2 metri, față de punctul de acel punct. În funcție de modelul de receptor funcția „FailSafe” atunci când receptorul nu mai detectează nici un semnal de la telecomandă, transmite semnal către controler să activeze această funcție pentru a reveni înapoi drona de unde a plecat.

Figura 2.19 Calibrarea componentelor.

2.5 Prezentarea codului (copter) folosit pentru a pilota quadcopterul

Codul este alcătuit din codul principal Copter, care se află în propriul director, și bibliotecile care sunt partajate cu Plane și Rover.

În imaginea de mai jos avem o vedere superioară a arhitecturii ardupilot.

Figura 2.20 Vedere superioară a arhitetcturii ardupilot.[36]

Următoarea imagine este o vizualizare mai mare (comparativ cu diagrama de mai sus) a arhitecturii.

Figura 2.21 Vizualizare mai amanunțită a arhitecturii ardupilot.[36]

Imaginea de mai jos prezintă arhitectura în care sunt controlate modurile manuale (de exemplu Stabilize, Acro, Drift).

Figura 2.22 Arhitectura de control a modurilor manuale.[36]

Diagramele de mai sus ne ajută să înțelegem modul în care este posibilă pilotarea dronei atât în modul autopilot cât și în modul manual.

2.6 Pregătirea microcontrolerului Raspberry Pi 3 Mode B+ și a modulului de cameră Raspberry Pi V2

Pentru a realiza urmatorul proiect vom avea nevoie de mini calculatorul Rapberry Pi 3 Mode B+, acesta este o placă de dezvoltare care are o greutate foarte mica și dimensiuni care îl fac ideal pentru a fi montat pe o dronă. Și de modulul de camera Raspberry Pi V2, fiind o camera FullHD de 8 Megapixeli, foarte ușoară.

Primul pas va fi instalarea sistemului de operare “Raspbian” acesta este gratuit, după ce este instalat sistemul de operare se instalează modulul de cameră în slotul special al microcontrolerului. După instalare este necesară configurarea acesteia și instalarea programului necesar pentru a putea pune în funcțiune camera.

Figura 2.23 Primul pas în activarea și configurarea camerei.

Camera este activată din Raspberry Pi Configuration / Interfaces și se selectează Enable pentru a activa camera. Următorul pas este deschiderea consolei pentru a începe instalarea programelor adiacente.

2.6.1 Instalarea serverului web Apache .

Sunt necesare tastarea următoarelor comenzi în consolă:

Primele comenzi sunt necesare pentru update-ul sistemului de operare cu cele mai noi versiuni.

sudo apt update

sudo apt upgrade

sudo apt update

După ce sunt instalate cele mai noi actualizări introducem comanda pentru a începe instalarea serverului Apache.

sudo apt install apache2

Pentru a aloca drepturi asupra fișierului Apache și pentru a putea fi gestionat cu ușurință pe site-uri, vor trebui tastate următoarele comenzi:

sudo chown –R pi:www-data /var/www/html/

sudo chmod –R 770 /var/www/html [37]

2.6.2 Instalarea RPI Cam Control Web Interface

RPI Cam Web Interface este o interfață web creată special pentru modulul de cameră Raspberry Pi V2. El poate fi folosit într-o gamă largă de aplicații, inclusiv supraveghere video și inregistrare dvr. Este foarte configurabil și poate fi extins cu ajutorul scripturilor macro.[38]

Țin să menționez faptul că mulțumită programatorului “silvanmelchior” care a început realizarea acestui program pentru RaspiMJPEG în anul 2013, a fost primul pas spre îmbunătățirea acestei aplicații. De atunci, mulți alți programatori și-au adus contribuția pentru îmbunătățirea interfeței grafice.[38]

Pentru a instala acest program va trebui să folosim aceeași consolă pe care am folosit-o la instalarea serverului Apache:

sudo apt-get update

sudo apt-get dist-upgrade

După ce vom instala actualizările vom tasta următoarea comandă in consolă:

git clone https://github.com/silvanmelchior/RPi_Cam_Web_Interface.git

cd RPi_Cam_Web_Interface

./install.sh[38]

Figura 2.24 Interfața web a RPI CAM

După terminarea instalării și a setării camerei, vom avea nevoie de instalarea unui client de VPN pentru a putea accesa de la distanță tot ceea ce filmează drona în momentul în care supraveghează un anumit perimetru.

2.7 Instalarea VPN-ului

2.7.1 Instalarea serverului de VPN

Pentru serverul VPN vom folosi “SoftEther VPN”, acesta este un program “Freeware”, îl vom instala pe un laptop având instalat sistemul de operare Windows 10. După instalare vom configura serverul pentru clientul care urmează să-l configurăm pentru Rapspberry Pi, primul a fost creat Virtual Hub”VPN”, numele de utilizator creat a fost “drone” și a fost setată o parolă pentru clientul creat. Pentru a putea accesa de la distanță clientul a fost creat DDNS Hostname: http://proiectdrona.softether.net.

Figura 2.25 Configurarea serverului VPN

2.7.2 Configurarea clientului de VPN

Pentru a descărca clientul necesar pentru configurarea VPN client va trebui să accesam pagina producătorului și să selectăm softul, componenta softului și platforma pentru care urmează să fie descărcată și tipul de procesor ( 32 sau 64 biți).

Figura 2.26 Selectarea platformei pentru VPN Client.[39]

După descărcarea softului vom instala și configura clientul cu ajutorul consolei din sistemul de operare Rapbian.

Figura 2.27 Salvarea clientului VPN.

Vom utiliza următoarea comandă în consolă după ce identificăm unde s-a salvat VPNclient, folosind comanda; ~/software/vpnclient$ make și tastăm cifra 1 pentru acordul de “License Agreement”. Următorul pas este pornirea clientului folosind comanda: sudo ./vpnclient start, pasul următor este configurarea clientului folosind comanda ./vpncmd.

Fiind conectați în localhost cu serverul vom seta clientul deja configurat în momentul în care a fost instalat VPN server, utilizând comanda: NicCreate<VPN> în cazul de față, după aceea folosit pentru contul creat mai devreme: AccountCreate<drona>.

După ce au fost făcute setările pentru cont vom seta ip.ul serverului VPN gazdă utilizând următoarea comandă: Destination VPN Server Host Name and Port Number:

< proiectdrona.softether.net>:<5555>

Destination Virtual Hub Name:<VPN>

Connecting User Name:<drona>

Used Virtual Network Adapter Name: <VPN>

După ce sunt făcute setările în consolă vom introduce parola setată în momentul în care a fost creat serverul folosind comanda: AccountPassword<parola setată>.

2.8 Testele efectuate și rezultatele obținute

După terminarea configurării și a setărilor necesare pentru a putea efectua zborul de test, am instalat mini calculatorul Raspberry Pi și camera Raspberry Pi V2 pe dronă.

Figura 2.28 Drona în zbor având instalat Raspberry Pi 3 B+ și Raspberry Pi camera V2.

Pentru conectare Raspberry-ului a fost folosit un modem 4G de la TpLink, fiind necesar pentru transmiterea imaginilor live pe alte dispositive.

Figura 2.29 Captură de ecran cu transmisiunea live făcută pe telefonul mobil.

La efectuarea testului drona a fost ridicată la o înălțime maximă de aproximativ 35 metri pentru a supraveghea un perimetru, și pentru a accesa de la sol imaginile surprinse de către dronă. În timpul testului s-a observat faptul că drona este capabilă să zboare la punct fix atât timp cât îi este dată această comandă, ea a fost lăsată la punct fix aproximativ 5 minute, după aceea s-a început eplorarea zonelor adiacente, în figura următoare este exemplificat traseul urmat, timpul de zbor și altitudinea maximă atinsă. Zborul a durat aproximativ 40 minute.

Figura 2.30 Graficul de zbor și traseul efectuat de către dronă.

Pentru accesarea camerei aflate pe dronă s-a folosit și calculatorul pentru a vedea în timp real ceea ce vede camera dronei.

Figura 2.31 Captură de ecran cu transmisiunea live a camerei de filmat montată pe dronă.

Cu ajutorul softului instalat pe Raspberry zona supravegheată a fost înregistrată și pe Raspberry pentru o vizualizare ulterioară.

Figura 2.32 Stocarea înregistrărilor pe Raspberry Pi.

În imaginile de mai jos am postat câteva poze făcute de dronă în timplul testului, una dintre ele este poza dronei când zbura la punct fix.

Figura 2.33 Imagini cu zona supraveghetă de dronă.

Capitolul III – Concluzii

În cadrul proiectului de față, s-a construit o dronă de tip multirotor, având performanțe destul de mari din punct de vedere al autonomiei de zbor și al distanței maxime pe care o poate parcurge.

Construcția dronei a fost efectuată dintr-un frame cu un cadru multi-rotor realizat în principal din plăci PCB rezistente și materiale din plastic dur, având 4 motoare electrice de tip brushless. Quadcopterul asamblat are o greutate de 1,8 Kg, iar lungimea fiecărui braț este de aproximativ 22 cm. Distanța totală dintre capetele diametral opuse este de aproximativ 52 cm.

Pentru obținerea unor performanțe cât mai bune și procesarea în timp real a unui flux de parametrii cât mai mare, drona a fost echipată cu un controller ARM Cortex M3 pe 32 de biți.

Comandarea dronei de la sol se efectuează cu ajutorul unui modul de transmisie-recepție în banda de 2.4Ghz. Putând să exploreze zone îndepărtate de până la 2 kilometri, pentru transmiterea imaginilor video live s-a folosit microcontrolerul Raspberry Pi Model 3B+ și modulul de cameră Raspberry Pi V2, alimentarea microcontrolerului se face din bateria dronei, prin convertirea tensiunii de la aproximativ 14,8 V la aproximativ 5V. Pentru a se putea conecta la internet s-a folosit un modem portabil 4G de la TPLink, care este conectat prin WiFi la Raspberry.

Totodată, drona poate fi comandată utilizând o interfață de tip Google Maps pentru a efectua zboruri autonome pe baza way-pointurilor predefinite de către utilizator. Acest lucru reprezintă un avantaj în cazul zonelor cu interferențe în banda de 2,4 Ghz, unde există un risc ridicat de producere a bruiajelor.

Alimentarea dronei cu energie electrică se face cu ajutorul unui acumulator de tip Li-Po având 4 celule legate în serie și o tensiune de aproximativ 14,8V și o capacitatea de 8000 mAh. În această configurație autonomia de zbor este de aproximativ 40 de minute. Autonomie care poate fi influnențată în funcție de greutatea echipamentelor care sunt instalate pe dronă. Cu cât greutatea este mai mare autonomia de zbor va scădea.

La beneficiile facilităților descrise anterior ale dronei asamblate în cadrul acestui proiect se mai adaugă posibilitatea de echipare a acesteia cu o multitudine de senzori capabili să măsoare diferiți parametrii în funcție de necesitate.

BIBLIOGRAFIE

[1] https://www.adibarbu.ro/- Întrebuințarea dronelor și informații generale despre acestea

[2] https://www.clubulfoto.com/ – Informații despre noul cod aerian cu privire la drone

[3] https://store.falcon.ro/ – Tipuri de drone (drona cu aripă fixă)

[4]https://www.dronele.ro/ – Tipuri de drone ( dronă cu o singură elice)

[5]http://www.radioconstanta.ro/ – Drone folosite în război

[6]https://www.descopera.ro/ – Avantajele dronelor de război și a dronelor civile

[7]https://multimago.ro/ – Model de dronă civilă

[8] http://dronenodes.com/ – Drone folosite pentru stingerea incediilor

[9]https://adevarul.ro/news/ – Folosirea dronelor de către poliția de fronitieră

[10]https://www.go4it.ro/curiozitati/ – Folosirea dronelor în agricultură

[11]https://www.digi24.ro/stiri/actualitate/ – Folosirea dronelor în jurnalism

[12]http://protv.md/international/ – Imagini surprinse de către o dronă după un uragan în SUA

[13]https://www.tomisthecat.ro/wgs-84 – Sistemul de poziționare global

[14]https://www.icsm.gov.au/education/ – Sistemul de referință locală

[15]https://www.banggood.com/HolyBro-3DR-Pixhawk-Mini – Imagine cu modulul GPS

[16]https://www.getfpv.com/ – Procesorul unui microcontroler

[17]https://diydrones.com/ – Giroscopul și accelerometrul

[18]https://www.bosch-sensortec.com/ – Senzorul de barometru

[19]https://diydrones.com/photo/pitot-tube/ – Senzorul de viteză

[20]http://www.dronetrest.com/ – Despre sensor Fusion

[21]https://docs.px4.io/ – Controlerul de zbor Pixhawk

[22]https://www.modelflight.com.au/ – Caracterisicile ESC-ului

[23]https://w46.vwg-richter.de/ – Circuitul unui ESC

[24]http://www.droneflyers.com/ – Frecvențele radio

[25]https://www.gadget-talk.ro/ – Diferența dintre celulele unei baterii

[26]https://www.dronethusiast.com/- Informații despre bateiile Li-Po

[27]https://www.skyrc.com/e430_Charger – Încărcătorul dronei

[28]https://www.raspberrypi.org/ – Informații despre Raspberry Pi 3 B+

[29]https://makeradvisor.com/ – Imagine cu sloturile Raspberry Pi 3 B+

[30]https://randomnerdtutorials.com – Imagini cu modulul de cameră Raspberry Pi V2

[31]https://www.digitalcitizen.ro/ – Ce este un VPN

[32]https://www.ipvanish.com/- Exemplificarea grafică a modului de funcționare a VPN-ului.

[33]https://howtoraspberrypi.com/ – Instalarea serverului Apache pe Raspberry

[34]https://elinux.org/RPi-Cam-Web-Interface – Instalarea interfeței web pentru conectarea camerei

[35] https://imgaz.staticbg.com/images/upload/2014/10/S500%20Manual.pdf – Manualul de montare a frameului

[36] http://ardupilot.org/ – Codul copterului

[37] https://howtoraspberrypi.com/ – Instalarea serverului Apache pe Raspberry Pi

[38] https://elinux.org/RPi-Cam-Web-Interface – Instalarea și configurarea pagini web

[39] https://www.softether.org/ – Descărcarea și instalarea VPN-ului

Lista de acronime

BEC = Battery Eliminator Circuit

CH = Channel

DH = Data High

DL = Data Low

GND = Ground

GPIO = General Purpose Input Output

GPS = Global Positioning System

ESC = Electronic Speed Controller

IDE = Integrated Development Environment

IP = Internet Protocol

LED = Light Emitting Diode

LiPo = Lithium Polymer

PCB = Printed Circuit Board

PAN ID = Personal Area Network Identifier

PPM = Pulse Position Modulation

PWM = Pulse Width Modulation

RISC = Reduced Instruction Set Machine

RPM = Revolutions per Minute

RSSI = Receiver Signal Strength Indicator

Rx = Receiver

SSID = Service Set Identifier

TDM = Time Division Multiplexing

Tx = Transmitter

uC = Microcontroller

USB = Universal Serial Bus

VPN- Virtual Private Netwok

WiFi = Wireless Fidelity

Lista de figuri

Figura 1.1 Principalele tipuri de drone…………………………………………………………………………………………….5

Figura 1.2 Clasificarea dronelor………………………………………………………………………………………………………6

Figura 1.3 Dronă cu aripa fixă…………………………………………………………………………………………………………7

Figura 1.4 Dronă cu o singură elice ( elicopter)…………………………………………………………………………………8

Figura 1.5 Tipuri de drone după numărul de motoare ……………………………………………………………………..9

Figura 1.6 Drona de război…………………………………………………………………………………………………………….9

Figura 1.7 Zona de control a dronelor de război………………………………………………………………………………10

Figura 1.8 Drona care poate fi folosită de către orice persoană………………………………………………………….11

Figura 1.9 Dronă folosită pentru stingerea incediilor………………………………………………………………………….12

Figura 1.10 Dronă folosită în agricultură…………………………………………………………………………………………13

Figura 1.11 Imagini surprinse de o dronă în timpul protestelor din Piața Victoriei……………………………14

Figura 1.12 Imagine capturată cu ajutorul dronei după ce a trecut uraganul “Michael”………………14

Figura 1.13 Funcționarea unui Quadcopter de tip X(1)……………………………………………………15

Figura 1.14 Funcționarea unui Quadcopter(2)……………………………………………………………..16

Figura 1.15 Principiul de funcționare al quadcopterului (3)……………………………………………………………….17

Figura 1.16 Principiul de funcționare al quadcopterului (4)………………………………………………………………17

Figura 1.17 Principiul de funcționare al quadcopterului (5)………………………………………………………………17

Figura 1.18 Sistem geodezic de referință……………………………………………………………………………………………19

Figura 1.19 Sistemul de referință WGS84…………………………………………………………………………………………19

Figura 1.20 Compas și GPS……………………………………………………………………………………………………………..21

Figura 1.21 În imagine se poate observa forma fizică a unui procesor utilizat la drone……………………….22

Figura 1.22 Cele 3 axe ale unui gyroscop……………………………………………………………………………………………22

Figura 1.23 Senzorul de barometru Bosch BMP388……………………………………………………………………………23

Figura 1.24 Reprezentarea unei aeronave având montat pilot tube……………………………………………………..23

Figura 1.25 Exemplu de Datalogging după un zbor efectuat cu drona…………………………………………………24

Figura 1.26 Pozitionarea pinilor la controlerul Pixhawk Mini…………………………………………………………….26

Figura 1.27 Poziționarea pinilor la controlerul Pixhawk Mini…………………………………………………………….26

Figura 1.28 Componentele motorului brushless………………………………………………………………………………….27

Figura 1.29 Componentele unui motor “outrunner”………………………………………………………..28

Figura 1.30 Exemplul de serie a unui motor brushless, împreună cu explicarea acesteia……………………..28

Figura 1.31 Exemplu cu brațul dronei pe care este poziționat unul dintre motoare……………………………..29

Figura 1.32 Legăturile dintre componentele unei drone…………………………………………………….30

Figura 1.33 Componentele unui ESC…………………………………………………………………………31

Figura 1.34 Legăturile dintre baterie, ESC și motor…………………………………………………………32

Figura 1.35 Imagine cu circuitul ESC-ului……………………………………………………………………33

Figura 1.36 Exemplu de legătură între reciver și telecomandă…………………………………………………………….34

Figura 1.37 Diferența dintre celulele unei baterii Li-ion si Li-Po………………………………………………………….35

Figura 1.38 Descărcarea bateriilor ar trebui să fie doar la 50% în primele zboruri……………………….36

Figura 1.39 Încărcător folosit pentru încărcarea bateriilor………………………………………………………………….37

Figura 37. Ratingul “C” care reprezină capacitatea bateriilor……………………………………………………………..37

Figura 1.40 Dacă temperatura este mare, bateria poate avea o problemă……………………………………………..38

Figura 1.41 Rata de descărcare a bateriilor de tip LiPo……………………………………………………………………….39

Figura 1.42 Exemplu de baterii de tip LiPo, ce s-au umflat devenind inutilizabile…………………………………41

Figura 1.43 Voltmetru care ajută la măsurarea tensiunii bateriei…………………………………………………………41

Figura 1.44 Prezentarea generală a Modelului Raspberry Pi Model B+……………………………………………….44

Figura 1.45 Imagine în care este reprezentată Modulul de cameră V2………………………………………………….45

Figura 1.46 Imagine care reprezintă modul de montare al modulului de cameră…………………………………..45

Figura 1.47 Exemplificare grafică a modului de funcționare a VPN-ului………………………………………………46

Figura 2.1 Imagine cu brațele dronei pe care se montează rotoarele……………………………………………………..47

Figura 2.2 Imagini cu brațul și trenul de aterizare montat pe placa PCB……………………………………………..48

Figura 2.3 Motor brushless montat pe brațul dronei…………………………………………………………………………….48

Figura 2.4 Sistemul de montare al motoarelor………………………………………………………………………………………49

Figura 2.5 Regulator electronic de turație (ESC)…………………………………………………………………………………..49

Figura 2.6 Motor brushless montat pe brațul quadcopterului……………………………………………………………….50

Figura 2.7 Schema frame-ului unui quadricopter X……………………………………………………………………………..50

Figura 2.8 Poză care ilustrează cablarea între motoarele brushless și ESC-uri, pentru ca sensul de rotație al fiecărui motor să fie CW sau CCW……………………………………………………………………………………………………….51

Figura 2.9 Lipirea firelor care alimenteză ESC-urile direct pe placa PCB…………………………………..51

Figura 2.10 Schema de montare a ESC-urilor pe PCB……………………………………………………….52

Figura 2.11 Modulul de alimentare care reglează tensiunea de alimentare în funcție de componente…….52

Figura 2.12 Schema cu modul în care se face alimentarea componentelor electronice…………………………….53

Figura 2.13 Lipirea pe placa PCB a modulului de alimentare de la baterie………………………………….53

Figura 2.14 Acumulatorul de tip LI-PO 4S cu capacitate de 8000mAh montat pe suport………………….54

Figura 2.15 Montarea modulului „UBEC Low Ripple Mini”…………………………………………………55

Figura 2.16 Modulul care este legat direct la controller și ESC-uri…………………………………………………………56

Figura 2.17 Principalele componente de control ale dronei…………………………………………………..56

Figura 2.18 Deschiderea programului „Mission Planner” și selectarea modelului de dronă…………………….57

Figura 2.19 Calibrarea componentelor………………………………………………………………………………………………….58

Figura 2.20 Vedere superioară a arhitetcturii ardupilot………………………………………………………………………..59

Figura 2.21 Vizualizare mai amanunțită a arhitecturii ardupilot…………………………………………………………..60

Figura 2.22 Arhitectura de control a modurilor manuale………………………………………………………………………61

Figura 2.23 Primul pas în activarea și configurarea camerei…………………………………………………………………62

Figura 2.24 Interfața web a RPI CAM………………………………………………………………………………………………….64

Figura 2.25 Configurarea serverului VPN…………………………………………………………………………………………….65

Figura 2.26 Selectarea platformei pentru VPN Client……………………………………………………………………………65

Figura 2.27 Salvarea clientului VPN…………………………………………………………….………………66

Figura 2.28 Drona în zbor având instalat Raspberry Pi 3 B+ și Raspberry Pi camera V2…………………67

Figura 2.29 Captură de ecran cu transmisiunea live făcută pe telefonul mobil……………………………..68

Figura 2.30 Graficul de zbor și traseul efectuat de către dronă………………………………….……………68

Figura 2.31 Captură de ecran cu transmisiunea live a camerei de filmat montată pe dronă……………….69

Figura 2.32 Stocarea înregistrărilor pe Raspberry Pi………………………………………………………….69

Figura 2.32 Stocarea înregistrărilor pe Raspberry Pi…………………………………………………………69

Anexa 1

Specificațiile motorului:

Specificațiile frame-ului și modul de asamblare

Anexa 2

Codul copterului

La fiecare actualizare (adică 400hz pe Pixhawk, 100hz pe APM2.x) se întâmplă următoarele:

• este apelată funcția "update_flight_mode ()" la nivelul de vârf al lui flight-mode.cpp. Această funcție verifică modul de zbor al vehiculului (adică variabila "control_mode") și apoi apelează funcția <flight mode> _run () corespunzătoare (adică stabilize_run pentru stabilizarea modului, rtl_run pentru modul RTL, etc). Funcția <mode de zbor> _run () poate fi găsită în fișierul .cpp denumit în mod corespunzător control_ <flight mode> (adică control_stabilize.cpp, control_rtl.cpp, etc).

• Funcția <flight mode> _run este responsabilă pentru conversia intrării utilizatorului (găsită în g.rc_1.control_in, g.rc_2.control_in, etc) într-un unghi de rotație, rata de rotație, rata de urcare etc, care este adecvată pentru acest zbor mod. De exemplu, AltHold convertește intrarea rola și pasul utilizatorului în unghiuri slabe (în grade), intrarea de întoarcere este transformată într-o rată de rotație (în grade pe secundă), iar intrarea clapetei este transformată într-o rată de urcare (în cm / s).

• ultimul lucru pe care funcția <flight mode> _run trebuie să o facă este să treacă acele unghiuri, rapoarte etc. în bibliotecile de Control al Attitudinii și / sau Poziționare (acestea sunt ambele ținute în dosarul AC_AttitudeControl).

• Biblioteca AC_AttitudeControl oferă 5 moduri posibile de a controla atitudinea vehiculului, cele mai frecvente 3 sunt descrise mai jos.

angle_ef_roll_pitch_rate_ef_yaw (): acesta acceptă un unghi "cadru de împământare" pentru rolă și pas și o rată a "pământului" pentru răsucire. De exemplu, oferind această funcție rol = -1000, pas = -1500, înălțime = 500 înseamnă că vehiculul este lăsat la 10degrees, se înaintează la 15degrees și se rotește la 5deg / secundă.

angle_ef_roll_pitch_yaw (): acceptă unghiuri "cadru de pământ" pentru rotire, pitch și rotire. similar cu cele de mai sus, cu excepția faptului că oferirea a 500 de mijloace înseamnă rotirea vehiculului la 5 grade est de nord.

rate_bf_roll_pitch_yaw (): aceasta acceptă o rată "cadre corporală" (în grade / sec) pentru pitch și răsturnare. De exemplu, oferind această funcție rol = -1000, pas = -1500, rotație = 500 ar conduce la rularea vehiculului lăsată la 10deg / sec, avansarea la 15deg / sec și rotirea în jurul axei z la 5 deg / sec.

După efectuarea apelurilor la aceste funcții, se face apelul AC_AttitudeControl :: rate_controller_run (). Aceasta convertește ieșirea din metodele enumerate mai sus în intrări în rolă, înălțime și înclinare care sunt trimise către biblioteca AP_Motors prin intermediul metodelor set_roll, set_pitch, set_yaw și set_throttle.

• Biblioteca AC_PosControl permite controlul poziției 3D a vehiculului. În mod normal, se utilizează numai metodele mai simple ale axei Z (adică, altitudinea de control), deoarece modurile de zbor mai pozitive (adică Loiter) complică utilizarea bibliotecii AC_WPNav. În orice caz, unele metode utilizate în mod obișnuit în această bibliotecă includ:

et_alt_target_from_climb_rate (): acceptă o rată de urcare în cm / s și actualizează o țintă de altitudine absolute

set_pos_target (): acceptă un vector de poziție 3D care este o decalare de la domiciliu în cm

Dacă sunt apelate metoda din AC_PosControl, atunci codul modului de zbor trebuie să apeleze și metoda AC_PosControl :: update_z_controller (). Aceasta va executa instrumentele PID pentru poziția axei z și va trimite nivelul de accelerație la nivel scăzut la biblioteca AP_Motors. Dacă se numește metode ax ax, trebuie să apel AC_PosControl :: update_xy_controller ().

• Biblioteca AP_Motors deține codul "amestecare motor". Acest cod este responsabil pentru conversia valorii de rotire, pitch, deviere și accelerație primite de la bibliotecile AC_AttitudeControl și AC_PosControl în ieșiri absolute de motor (adică valori PWM). Deci, libs-ul de nivel superior ar folosi aceste funcții:

set_roll (), set_pitch (), set_yaw (): acceptă valori în rolă, înălțime și înclinare în intervalul -4500 ~ 4500. Acestea nu sunt unghiurile dorite sau chiar ratele, dar ci doar o valoare. De exemplu, set_roll (-4500) ar însemna rotire la stânga cât mai repede posibil.

set_throttle (): acceptă o valoare absolută a accelerației în intervalul 0 ~ 1000. 0 = motoare dezactivate, 1000 = accelerație completă.

• Există clase diferite pentru fiecare tip de cadru (quad, Y6, elicopter tradițional), dar fiecare din ele are o funcție "output_armed", care este responsabilă pentru implementarea conversiei acestor valori în rolă, înclinare, înclinare și accelerație în ieșiri pwm. Această conversie include adesea implementarea unui "patch de stabilitate" care se ocupă de prioritizarea unei axe de control asupra alteia atunci când cererile de intrare sunt în afara limitelor fizice ale cadrului (adică max. Accelerația și max roll nu sunt posibile cu un quad deoarece unele motoare trebuie să fie mai mici decât altele să provoace o rola). În partea de jos a funcției "output_armed" există un apel către hal.rcout-> write () care trece valorile pwm dorite în stratul AP_HAL.

• Bibliotecile AP_HAL (stratul de abstractizare hardware) furnizează o interfață consistentă pentru toate plăcile. În special, funcția hal.rc_out_write () va determina PWM-ul specificat primit de la clasa AP_Motors să apară pe pinul corespunzător pwm pentru placa.

Declararea tipului de “FRAME”

libraries/SITL/SIM_QuadPlane.cpp

QuadPlane::QuadPlane(const char *home_str, const char *frame_str) :

Plane(home_str, frame_str)

{

// este setat default pe X frame

const char *frame_type = "x";

uint8_t motor_offset = 4;

if (strstr(frame_str, "-octa-quad")) {

Tools/scripts/frame_sizes.py

#!/usr/bin/env python

import re, sys, operator, os

code_line = re.compile("^\s*\d+:/")

frame_line = re.compile("^\s*\d+\s+/\* frame size = (\d+) \*/")

def __init__(self, code, frame_size):

Declararea prioritatilor in cazul in care se pierde controlul asupra quadcopterului

ArduCopter/Copter.h

"_failsafe_priorities is missing the sentinel");

// AP_State.cpp

void set_auto_armed(bool b);

void set_simple_mode(uint8_t b);

void set_failsafe_radio(bool b);

void set_mode_SmartRTL_or_land_with_pause(mode_reason_t reason);

bool should_disarm_on_failsafe();

// failsafe.cpp

void failsafe_enable();