Prezentarea Conceptului de Quadcopter

Prezentarea conceptului de quadcopter

Capitolul 1. Introducere

Aparitia si dezvoltarea computerului personal, cunoscut sub numele de PC (Personal computer), a avut un impact major asupra felului in care oamenii traiesc in societate. In prezent este intalnit sub numeroase forme cum ar fi: desktopul – calculatorul de birou , laptop-varianta mobila a calculatorului de birou , telefoane inteligente (smartphone) , tablete , ceasuri inteligente si multe alte dispozitive specifice. Previziunile actuale ale cercetatorilor arata ca in viitorul apropiat robotul personal va avea un impact similar sau chiar mai mare asupra societatii.

Automatizarile sunt utilizate in prezent in numeroase domenii ale industriei, fiind capabile sa indeplineasca o multitudine de sarcini. Robotii in sine reprezinta o aplicatie concreta a automatizarilor si ofera rapiditate , productivitate dar si o prcizie remarcabila.Pe langa aceste avantaje importante , robotii sunt capabili sa realizeze misiuni ce s-ar dovedi periculoase su chiar imposibile pentru oameni. Aplicatiile in care pot fi folositi variaza de la procese de fabricatie sau mentinerea curateniei pana la detectarea si dezamorsarea bombelor.Majoritatea acestora sunt foarte specializati , fiind capabili sa indeplineasca doar cateva sarcini prestabilite si sunt utilizati cu preponderenta in domeniul militar.

Avand in vedere progresele actuale ale tehonologiei , robotii incep sa fie utilizati cu succes si in aplicatii civile.De la an la an , acestia dobandesc un nivel de inteligenta din ce in ce mai ridicat , devenind totodata mai atenti la obiectele din mediul inconjurator. O categorie de astfel de roboti este reprezentata de vehiculele aeriene fara om la bord . Acestea pot fi autonome sau pot fi comandate de catre un operator care se afla la sol prin intermediul unui sistem radio. Un astfel de vehicul , cunoscut si sub denumirea mai populara de UAV (Unmanned aerial vehicle) a fost folosit initial pentru a executa diverse misiuni militare , considerate riscante pentru om .Odata cu trecerea timpului si constientizarea avantajelor pe care le ofera , versiuni similare ale aparatului descris mai sus, insa cu o complexitate ceva mai redusa au inceput sa fie utilizate si pentru aplicatii civile .

Problematica lucrarii curente

Un exemplu de UAV , utilizat cu succes de armata S.U.A este Global Hawk. , capabil sa zboare la altitudini de maximum 20.000 metri , timp de 35 de ore. Viteza maxima a unui astfel de vehicul este de 690 Km/h . Anvergura sa este de 58 metri si poate realiza un zbor cu o distanta de 20.000 Km.Global Hawk a fost realizat pentru a realiza diferite misiuni militare de supraveghere ,insa paote transporta cu usurinta radare meteo , numeroase camere sau senzori. Aparatul paote fi controlat de la distanta de catre un operator uman sau poate functiona autonom indeplinind misiuni prestabilite.In ambele cazuri parametrii de zbor sunt urmariti de catre un operator si in cazul inregistrarii unor abateri de la traseul prestabilit , acesta poate interveni , preluand controlul manual al aeronavei.

Un dispozitiv UAV , tot mai popular in ultimii ani este multicopterul .Acesta reprezinta de fapt o versiune modificata a elicopterului . Modele curente sunt echipate cu 3 motoare(tricopter) 4 motoare ( fiind denumite quadcoptere sau quadrocoptere) , 6 motoare (hexacoptere) sau chiar 8 motoare ( octacoptere). Fiecare dintre acestea are cate o caracteristica specifica in functie de care este aleasa aplicatia in care vor fi utlizate.

Un tricopter , spre exemplu are avantajul unui timp de zbor ceva mai mare fata restul modelelor , insa greutatea pe care acesta o paote ridica trebuie sa fie cat mai redusa .Spre deosebire de acesta , hexacopterele sau octacopterele, au un timp de zbor ceva mai redus, insa sunt capabile sa ridice cu usurinta o greutate considerabila(unele modele putand ajunge chair si la aproximativ 8 kg).Quadcopter-ul reprezinta un model de mijloc ce imbina avantajele acestora oferind un timp de zbor multumitor dar si o capacitate de ridicare rezonabila. Denumirea mai raspandita si implicit mai populara a acestora este cea de drona, ce include toate dispozitivele fara om la bord ( autonome sau controlate cu ajutorul unor sisteme de comanda) ce opereaza in spatiul aerian cu scopul de a efectua diferite misiuni.

Tinand cont de faptul ca pretul unui quadcopter variaza de la 50 de dolari (in cazul modelelor de mici dimensiuni si cu performante reduse) si poate atimge pretul de 7000 de dolari ( in cazul modelelor utilizate pentru cercetare ce ofera timpi de zbor ridicati , dar si o raza de functionare extinsa) au fost dezvoltate numeroase platforme open source ( software liber ce paote fi preluat,studiat si modificat de catre orice utilzator al respectivei platforme) . Una dintre acestea este denumita ArduCopter.

Aflata intr-o continua dezvoltare , platforma beneficiaza de un pret accesibil si de poate cea mai larga comunitate. Toate aceste elemente fac din ArduCopter o platforma ideala pentru dezvoltarea unei vehicul UAV.

In aceasta lucrare se prezinta realizarea unui quadrocopter bazat pe platforma Arducopter .Aparatul construit beneficiaza in plus si de un sistem video ce poate fi utilizat pentru a urmari in timp real imaginile inregistrate de camera montata pe acesta . Fluxul video va fi trimis catre utilizator tot prin intermediul unui sistem radio (ce foloseste o frecventa diferita de cea pentru controlul aparatului) . Imaginile trimse sunt afisate pe un ecran ,alaturi de cativa parametrii de baza ai dispozitivului., astfel incat operatorul va cunoaste in permanenta nivelul curent al bateriei, pozitia , altitudinea ,orientarea sau timpul de zbor al quadcopterului.Totodata va putea observa mediul inconjurator din apropierea multicopterului si va putea modifica pozitia lui in fucntie de necesitate. Intregul ansamblu poate fi folosit pentru a indeplini cu succes diferite misiuni de supraveghere aeriana , la fel cum se intampla si in cazul vairantelor comerciale.

Controlul quadcopterului este realizat prin unde radio , utilizatorul putand manevra aparatul in orice pozitie cu ajutorul unei telecomenzi. Pentru a profita cat mai mult de avantajele unui quadcopter, cum ar fi zborul la punct fix, a fost conectat un modul GPS extern la controlerul de zbor. Prin intermediul acestuia si al barometrului (inclus in controlerul de zbor) quadcopterul isi va mentine pozitia setata in prealabil de utilizator (cu o eroare de 3-4 metri aceasta fiind cauzata de numarul de sateliti cu care s-a stabilit o legatura) ,chiar si in cazul unor perturbatii.

Protocolul prin care s-a realizat comunicatia intre senzori si platforma ArduCopter este denumit MAVlink . Algoritmul de stabilizare precum si cel de zbor la punct fix au fost realizate prin intermediul unui sistem de control de tip PID(Proportional – Integrator – Derivator) . Implementarea algoritmului a fost efectuata in mediul de dezvoltare ArduPilot IDE (reprezentand o versiune modificata a mult mai cunoscutului mediu de dezvoltare Arduino IDE). Prezentarea amanuntita a functionarii fiecarei compoennte va fi efectuata in capitolele urmatoare .

Evolutia conceptului de quadcopter

Cercetarile pentru dezvoltarea initiala a quadcopterelor au inceput in anii 1920. Unul dintre primii ingineri care au incercat sa construiasca un elicopter cu 4 elici a fost francezul Etienne Oemichen. El si-a inceput cercetarile in acest domeniu in anul 1920 atunci cand a realizat primul prototip denumit Oemichen 1 . Designul acestuia era bazat pe un motor de 25 cai –putere ce trebuia sa roteasca elici. Desi a fost supus la numeroase teste prototipul nu a fost insa capabil sa zboare.

Doi ani mai tarziu Oemichen a realizat un al doilea model , ce reprezenta o imbunatatire considerabila a primului. Denumit Oemichen 2 , acest beneficia de un motor mai puternic de 125 cai-putere si era dotat cu 8 elici , fiind ajutat la partea de stabilizare si de un balon cu heliu. Cinci dintre acestea erau utilizate pentru a stabiliza zborul , doua erau folosite pentru propulsia aparatului , in timp ce ultima era folosita pentru a efectua viraje.In anul 1923 a realizat un zbor record pentru un elicopter , reusind sa strabata o distanta de 525 metri si un timp de zbor de 14 minute. Acest model esteconsiderat primul elicopter capabil sa ridice o persoana.\

In paralel cu progresele realizate in acest domeniu in Franta , Dr. George de Bothezat si Ivan Jerome au inceput la randul lor un studiu in ianuarie 1921 pentru aviatia S.U.A . Acestia au realizat primul prototip la mijlocul anilor 1922 , in timp ce primul test de zbor a avut loc in luna octombrie a anului 1920 , in Ohio. Aparatul avea o greutate totala de aproximativ 1700 kg si era dotat cu un motor de 220 cai putere si 4 elici cu cate 6 pale fiecare. In urma numeroaselor teste , aparatul a reusit sa realizeze un zbor cu o durata de doar 1 minut si 42 de secudne , la o altitudine maxima de 1.8 metri.

Dupa numai 2 ani de la inceputul acestor studii , proiectul a fost intrerupt deoarece aparatul de zbor nu avea un control foarte bun al directiei de zbor si exista riscul de aparitie a unor probleme secundare. De asemenea , prototipul nu era capabil sa ridice mai mult de 4 persoane( incluznad aici si pilotul) , fiind considerat submotorizat. In ceea ce priveste altitudinea maxima atinsa , aceasta a fost de doar 5 metri , desi George de Bothezat si Ivan Jerome, creatorii designului estimasera o altitudine de aproximativ 100 metri.

Desi aceste prototipuri se aseamana intr-o oarecare masura cu ideea curenta a unui quadcoper , nu reprezentau cu adevarat un astfel dispozitiv. Aparatele realizate erau propulsate prin intermediul unor elici suplimentare , montate undeva in fata sau in spatele acestuia , la un unghi de 90 de grade fata de motorul principal. De abia in anii 1950 , a fost realizat un quadcopter, a carui constructie se aseamana cu modelele disponibile in prezent.

Prototipul a fost realizat de catre , Marc Adam Kaplan, iar primul zbor al acestuia ce a avut loc in anul 1956 a fost un adevarat succes. Aeronava , denumita Covertawings ,era dotata cu 4 elici si avea o greutate totala de 1000 kg si putea realiza un zbor la punct fic si sa isi schimbedirectia folosind cele doua motoare ale sale de cate 90 de cai putere fiecare. Controlul deplasarii aparatului nu s-a mai bazat pe elici suplimentare montate in partile laterale ,ci pe varierea turatiei celor doua motoare. Acesta a fost totodata si primul design bazat pe 4 elici ce era capabil sa zboare in fata. Aparatul era totusi destul de greu de controlat deoarece pilotul trebuia sa varieze manual turatia fiecarui motor in functie de directia de deplasare dorita.

In ciuda acestor realizari , multicopterele nu au fost considerate la fel de perforomante fata de de aeronavele conventionale de pana atunci (din punct de vedere al vitezei de deplasare , sarcina ce putea fi ridicata , sau a razei de actiune).Astfel , nu au fost inregistrate cereri de contracte pentru productia in serie a acestora , iar interesul pentru quadcoptere s-a diminuat din nou.

Arhitectura unui elicopter cu 4 elici a inceput sa atraga din nou atentia la inceputul anilor 1990 , devenind un domeniu activ pentru cercetare. In prezent companiile Bell Helicopter si Boeing si-au unit eforturile pentru cercetarea unui quadcopter denumit Bell Boieng Quad Rotor. Designul initial al aeronavei prevedea 4 elici cu cate 3 pale fiecare propulsate de motoare V22.

Rolul principal al acestei aeronave va fi acela de elicopter pentru transportul diferitelor marfuri cu posibilitatea de a oferi provizii sau de a transporta soldati in zonele mai greu accesibile .Primele teste in tunelul aerodinamic au fost realizate in 2006. Aparatul va fi utiilizat asadar initial pentru diverse misiuni militare , urmand ca ulterior sa fie realizata si o versiune destinata aviatiei civile.

In ultimii 10 ani pe piata au aparut numeroase dispozvitive in miniatura de quadcoptere . Acestea sunt capabile de un zbor la punct fix si pot fi controlate prin intermediul unui sistem radio (varianta cea mai raspindita de altfel) , a unui telefon inteligent( smartphone) , a unei tablete sau chiar a unui laptop. Toate modele curente sunt concepute pentru a putea transporta o camera video cu usurinta . Majoritatea acestora sunt dotate cu o camera de mici dimensiuni care ii permite pilotului de la sol sa vizualizeze in timp real iamginile transmise de aceasta . Alternativ , camera poate fi montata dupa achiztionarea aparatului pentru a indeplini cat mai bine posibil cerintele utilzatorului . Pentru o misiune de supraveghere aeriana desfasurata pe timpul noptii , o camera obisnuita nu ar putea fi folosita la fel de eficient ca una ce ofera un mod nocturn bazat pe filtre infrarosii.

Toate modelele de quadcoptere disponibile pe piata au ca sursa principala de energie o baterie dedicata . Turatia motoarelor ce folosesc combustbili fosili ,cum sun cele utilizate in aviatie , este mai dificil de controlat. Varierea turatei acestora se face in functie de cantitatea de combustibil trimisa catre motoare.

Justificarea alegerii temei

Omenirea a fost intotdeauna fascinata de conceptul de levitatie.Motivul acestei atractii este probabil datorat faptului ca lumea in care traim este tridimensionala. Cu toate acestea fiintele umane traiesc si se deplaseaza in principal in doar doua dimensiuni. Tinand cont de ambitia si de dorinta caracteristica omenirii de a isi depasi limitele biologice a creat dispozitive capabile sa exploreze si cea de-a treia dimensiune. Pe langa aceasta dorinta , sansa de a construi si programa un dispozitiv (utilizand cunostiinte acumularte pe parcursul anilor de studiu ) capabil sa indeplineasca misiuni din numeroase domenii a reprezentat un alt factor decisiv pentru alegerea acestei teme.Domeniile in care un astfel de dispozitiv poate fi utlizat , precum si potentialul acesotra sunt enumerate in randurile urmatoare pentru o mai buna intelegere a oportunitatilor oferite:

Operatiuni de cautare si salvare: In anumite locuri , considerate periculoase sau inaccesibile omului , quadcopterele pot indeplini aceasta sarcina trimitand imagini live catre operatori.In cazul in care aparatul este dotat si cu un modul GPS , se pot stabili anumite trasee pe care quadcopterul le va urma, astfel ca rezultatele vor fi imbunatatite semnificativ.

Utilizare comerciala : fara a mai fi nevoie de inchirierea unui elicopter ( in schimbul unei sume importante de bani), fotografiile aeriene precum si filmele pot fi realizate pentru a indeplini diferite asteptari: de la clipuri pentru filme , media , stiri pana la fotografie aeriana profesionala realizata de la altitudini inalte.

Transportul obiectelor: Un quadrocopter paote transporta cu usurinta obiecte de dimensiuni reduse , ceea ce il transforma intr-un mijloc adecvat diferitelor necesitati De exemplu , se pot realiza transporturi de medicamente in locuri in care s-au petrecut catastrofe , iar ajutorul medical este urgent.

Scopuri educationale: pentru realizarea unui astfel de dispozitiv este necesara o gama larga de cunsotiinte tehnice , astfel incat beneficiile de pe urma unui astfel de program sunt importnate. Conceperea unui aprat care sa isi mentina echilibrul in aer face ca aceasta idee sa fie una dintre cele mai atractive modalitati de a invata .De asemenea un alt avantaj este reprezentat de posibilitatea de a intelege ce presupune o gandire inginereasca precum si lucurile pe care un inginer trebuie sa le ia in calcul in momentul dezvoltarii unui astfel de proiect.

Aeromodelism: quadcopterul este considerat una dintre cele mai interesante si atractive modele aeriene de catre majoritatea posesorilor de astfel de dispozitive., avand avantajul unei manevrabilitati excelente dar si a unei viteze rezonabile.In tari precum Anglia , Germania sau Austria sunt chelutite sume importante de bani pentru a construi si a pilota un asemenea aparat.

Orice senzor paote fi montat pe un astfel de dispozitiv: avand in vedere varietatea de senzori existenta si utilitatea acestora montarea lor pe un quadcopter le mareste valoarea.De exemplu , adaugarea unui senzor de temperatura sau gaze la bordul aparatului , il transforma intr-un mijloc sigur si rapid pentru masura temperaturi in locuri inaccesibile sau periculoase pentru om cum ar fi o centrala nucleara . In acest caz expunerea prelungita a oamenilor la materialele radioactive existente intr-un astfel de loc poate avea efecte nedorite asupra societati. Un alt exemplu este reprezentat de posibilitatea de a realiza o scanare a anumitor locuri pentru a determina potentiale pericole .In cadrul unei metropole se pot monitoriza si apoi stabili zonele cele mai poluate . Se pot realiza perspective tridimensionale ale anumitor zone , imaginile obtinute fiind concatenate si utilizate apoi pentru a intocmi o harta actualizata si precisa , asa cum este cazul hartilor oferite de Google .

Realizarea unor servicii de curierat: in prezent sunt testate astfel de modele de quadcoptere , autonome , pentru a efectua livrari rapide ale unor obiecte de mici dimensiuni. Una din aceste companii este bine cunooscuta Amazon , care estimeaza ca in urmatorii ani , odata cu imbuntatirea versiunilor curente de quadcoptere , va fi posibila implementarea unui asemenea sistem pe o scara mai larga.

Supravegherea traficului , a revoltelor sau a protestelor : avand avantajul unei alitutidini inalte , un quadcopter dotat cu o camera video poate transmite in direct desfasurarea de evenimente din cadrul unor proteste sau manifestari , oferind o perspectiva unica.Totodata , pe baza imaginilor transmise , fortele de ordine isi vor putea realiza un plan de actiune organizat si bine pus la punct ,cunoscand exact situatia cu care se vor confrunta..In ceea ce priveste supravegherea traficului vor putea fi observate punctele in care se realizeaza accidente sau blocaje precum si intervalul orar in care se intampla aceste lucruri. Pe baza datelor obtinute se va putea realiza o analiza pentru a determina punerea in practica a unor masuri adecvate , menite sa inlature sau macar sa diminueze problemele intalnite.

1.4 Sisteme similare existente

\\

Un quadcopter este de fapt un elicopter cu 4 motoare , pe fiecare dintre acestea regasindu-se montata cate o elice. Datorita structurii sale conceptuale , in cazul unei comparatii cu un elicopter obisnuit , va avea avantajul unei platforme mult mai stabile, aceasta dovedindu-se ideala pentru sarcini precm supravegehere sau fotografie aeriana. Dimensiunea acestora variaza , putand ajunge de la quadrcoptere cu un diametru al bratelor de aproximativ 10-15 cm pana la modele cu o latime de de 1 metru. Spre deosebire de un elicopter , un quadcopter are patru motoare ce lucreaza toate impreuna pentru a produce forta de tractiune verticala , astfel incat fiecare motor ridica cate un sfert din greutatea totala a aparatului , ceea ce presupune folosirea unei cantitati de energie mai mici . Rezulta implicit ca se pot utiliza motoare mai putin puternice , dar si mai ieftine. Miscarea aparatului este realiazata prin varierea fortei de tractiune pentru fiecare motor. Motoarele sunt asezate sub forma colturilor unui patrat, doua dintre acestea se rotesc in directia acelor de ceas , iar celelalte doua in sens trigonometric. Daca toate motoarele s-ar roti in aceeasi directie atuci intreaga aeronava s-ar roti la fel ca un elicopter fara motorul stabilizator , plasat pe coada acestuia. Astfel , in cazul unei functionari corespunzatoare , toate motoarele vor exercita o forta de tractiune egala , ceea ce va face ca aparatul sa isi mentina directia.

Fig.1 – Diverse configuratii pentru un quadcopter . In partea stanga , configuratia „plus” numita astfel datorita formei sale asemanatoare cu semnul „+”. In partea dreapta , configuratia „ X” , denumita dupa asemanarea cu litera X.

Pentru a-si mentine echilibrul , quadcopterul trebuie sa faca masuratori in continuu cu ajutorul senzorilor si in functie de valorile returnate de acestia sa ajusteze turatia fiecarui motor astfel incat sa mentina nivelul.Aceste masuratori sunt realizate automat prin intermediul unui controller capabil sa procese cantitatea ridicata de informatii , primita de la senzori .Un quadrocopter are 4 grade de libertate:Yaw(reprezinta miscarea dreapta-stanga sau invers), roll(miscarea de rotire a aparatului), pitch (miscarea sus-jos)

Figura 2. – Reprezentarea miscarilor de roll, yaw, pitch la quadcopter , avion si in planul axelor X Y Z

Daca se doreste executarea unei miscari de rotatie (roll) sau a unei miscari de tip pitch , puterea unui motor este redusa de catre controlerul de zbor si apoi redirectionata catre motorul opus acestuia . Acest lucru face ca dispozitivul sa se incline intr-o anumita parte. In momentul aparitiei acestei inclinari , forta (care este o marime de tip vectorial) va fi impartita in doua componente: o componenta verticala si una orizontala. Acest lucru are drept rezultat aparitia a doua fenomene. Primul fenomen implica ca dispozitivul de zbor va incepe sa se deplaseze in directia opusa noii componente verticale create.In al doilea rand , din cauza impartirii vectorului forta , componenta verticala va fi mai mica , ceea ce va avea drept consecinta pierderea altitudinii . Pentru a mentine quadrocopterul in echilibru , puterea fiecarui motor trebuie crescuta in mod corespunzator de catre controlerul de zbor pentru a compensa pierderea altitudinii.

Descrierea componentelor alese si explicarea functionarii lor

Componentele necesare pentru orice quadcopter sunt urmatoarele:

Cadru : reprezinta structura care sustine toate componentele (electronice , mecanice etc). Cele mai importante caracteristici ale unui cadru sunt precizia constructiei ,rezistenta acestuia ( pe parcursul utilizarii sale , un astfel de dispozitiv este supus la numeroase socuri ce apar in momentul aterizarii) , dar si greutatea cat mai redusa.

Motoarele : se vor folosi motoare de tip „brushless” ( adica fara perii , acestea fiind inlocuite de magneti) . Acestea vor asigura forta de ridicare necesara dispozitivului pentru a zbura. Principalul factor de decizie in alegerea motoarelor este dat de caracteristica „kv”( care reprezinta numarul de turatii ce poate fi executat de un motor la o tensiune de alimentare de 1v ) si de consumul acestora ( care variaza in functie de dimensiunea elicilor , greutatea intregului ansamblu etc).

Driverele pentru motoare : fiecare dintre cele 4 motoare va fi controlat separat de catre un driver (regulator de turatie). Denumirea prescurtata a acestora este ESC , reprezentand o abreviere din limba engleza de la : Electronic Speed Controller ( traducere: controller electronic de viteza).

Elici: acestea vor fi montate pe fiecare motor (rezultand un numar total de 4 elici ). Principalele caracteristici ale elicilor sunt: materialul de fabricatie, diametrul acestora , dimensiunea „pasului” (cunoscuta si sub numele de „pitch”) si valoarea maxima a rotatiilor ce pot fi executate intr-un minut.

Bateria : reprezinta sursa de energie pentru motoare , controler-ul de zbor , dar si pentru ESC. Principalele caracteristici ale acesteia sunt tensiunea de alimentare (care depinde de numarul de celule aflate in componenta acesteia) , capacitatea ( poate fi comparata cu dimensiunea unui rezervor de combustibil ; cu cat aceasta este mai mare , cu atat timpul de zbor al quadcopter-ului va creste) si greutatea.

Senzori de tip IMU (inertial measuring unit) pot fi integrati pe controlerul de zbor sau montati pe o placa separata de acesta . Senzorii sunt responsabili de trimiterea de informatii catre controler-ul de zbor privind inclinarea in aer , altitudinea dispozitivului , directia cardinala catre care aparatul se indreapta etc. Principalele caractersitici ale acestor senzori sunt : precizia masuratorilor efectuate dar si izolarea lor fata de elemente ce pot perturba acuratatea masuruatorilor ( de exemplu , in cazul montarii acestora in carcase inadecvate , senzorul de presiune(barometric) necesar zborului la punct fix va trimite valori incorecte catre controler-ul central ceea ce va face ca aparatul sa nu isi mentina pozitia prestabilita si sa se deplaseze).

Controlerul de zbor: reprezinta „creierul” intregului ansamblu , fiind asemanator cu procesorul unui calculator . El este responsabil de reglarea pozitiei quadrocopterului in aer , realizand acest lucru pe baza informatiilor primite de la senzori , in functie de care ajusteaza turatia pentru fiecare motor in parte. De asemenea , este responsabil de primirea si realizarea comenzilor de la transmitatorul RC controlat de utilizator prin intermediul telecomenzii.

Transmitatorul si receptorul RC : fac posibila comanda dispozitivului de la departare de catre utilizator. Principala caracteristica a acestora este raza de actiune .

Ca elemente optionale utilizate in cadrul proiectului se pot aminti:

Modul GPS : utilizat pentru efectuarea zborurilor autonome ,dar si pentru inregistrarea valorilor unor parametri din timpul zborului (de exemplu viteza maxima sau altitudinea maxima atinsa de quadrocopter , distanta parcursa etc). Acuratatea localizarii este cea mai importanta caracteristica a modulului GPS.

Transmitator + receptor AV (audio video) – wireless : responsabil de transmiterea de imagini si sunete live din timpul zborului catre un monitor situat la sol , prin intermediul caruia un utilizator il poate controla de la distanta fara a-l avea in campul sau vizual. Principala caracteristica este , la fel ca si in cazul transmitatorului + receptorului RC , raza de actiune.

LED-uri : necesare pentru semnalizarea aparatului si reperarea sa mai usoara in campul vizual.

Avertizor sonor: responsabil de emiterea de sunete in cazul in care tensiunea bateriei este scazuta , semnalizand astfel utilizatorului ca este momenul ca dispozitivul sa aterizeze .

Camera video: va inregistra si va transmite(prin intermediul transmitatorului AV) imagini de la bordul quadcopterului.

Detalierea specificatiilor fiecarei componente si motivarea alegerii

Cadru: reprezinta structura de baza a quadcopterului , pe care vor fi montate toate celelalte piese. Asa cum s-a evidentiat si in prezentarea din paginile anterioare , un cardu potrivit trebui sa fie rigid , usor si de asemenea sa fie capabil sa minimizeze vibratiile provenite de la motoare.Acesta este alcatuit din 4 parti principale , dupa cum urmeaza:

-placa centrala , pe care sunt montate controlerul de zbor , receptorul AV , receptorul RC , modulul GPS , bateria etc.

-4 brate , pe care vor fi miontate motoarele si driverele acestora (ESC).Acestea vor fi fixate de placa centrala prin intermediul suruburilor.

-4 adaptoare , pentru montarea motoarelor pe brate.

-tren de aterizare , responsabil sa absoarba socurile produse in momentul in care quadcopterul atinge pamantul.

– optionale: montura pentru camera , care va constitui un suport pentru montarea cat mai sigura a camerei video.

Materialele cele mai utilizate pentru constructia cadrelor sunt:

-Fibra de carbon- reprezinta materialul ideal pentru un quadcopter datorita greutatii sale reduse ,rigiditatii crescute dar si capacitatii sale de foarte bune de a a absorbi vibratiile produse de motoare. Principalele dezavantaje ale acestui material sunt : pretul destul de mare in momentul achizitiei si dificultatea efectuarii de reparatii in cazul unor potentiale fisuri in structura sa de rezistenta.

-Aluminiul – este materialul cel mai popular datorita greutatii relativ reduse , rigiditatii crescute si pretului scazut de achizitie. Totusi , acesta are si dezavantaje , de care trebuie tinut cont . De exemplu , capacitatea sa de a abasorbi vibratiile nu este la fel de buna ca in cazul fibrei de carbon. In anumite cazuri , problema vibratiilor poate afecta valorile parametrilor masurati de senzori.

-Lemnul – poate fi prelucrat cu usurinta , bratele realizate din acest material absorbind vibratiile mai bine fata de cele din aluminiu. Spre deosebire de acesta , lemnul nu este un material foarte rigid si se poate fisura cu usurinta in momentul unei aterizari necotrolate a quadcopterului.

In ceea ce piveste placa centrala , aceasta este de obicei realizata din placaj sau fibra de sticla (asa cum este si cazul cardului ales pentru proiectul de fata) , datorita greutatii reduse si capacitatii ridicate de a absorbi socurile.

Un alt aspect important de care s-a tinut cont in alegerea cadrului este reprezentat de dimensiunea acestuia , mai precis distanta de la motor-la motor ( adica distanta de la centrul unui motor pana la centrul motorului opus acestuia). Aceasta distanta depinde de diametrul elicilor alese .S-a avut in vedere asadar ca spatiul alocat elicilor sa fie suficient , astfel incat acestea sa nu se loveasca una de cealalta , si sa nu fie influentate de curentii de aer rezultati din rotatia celorlalte (asa cum s-ar intampla in cazul unor elice situate la o distanta foarte mica una de cealalta).

Modelul de cadru ales se numeste X580 , produs de HobbyKing si este vandut sub forma unui kit . In alegerea cadrului s-au avut in vedere toate caracterisitcile prezentate mai sus . Cadrul este realizat din aluminiu , ceea ce ii confera o greutate relativ redusa (418 grame cadrul + 120 g trenul de aterizare) , o rigiditate crescuta , iar pretul de achizitie al acestuia (20 dolari) nu este la fel de mare ca al variantelor realizare din carbon. Pentru diminuarea vibratiilor produse de motoare si transmise catre placa centrala s-a folosit o placa realizata din fibra de sticla si fixata pe placa centrala a cadrului prin intermediul unor garnituri cauciucate.Deasupra acesteia va fi montat controlerul de zbor ce integreaza toti senzorii necesari zborului. Reducerea trepidatiilor de catre aceasta placa suplimentara este foarte importanta deoarece masuratorile senzorilor(regasiti pe controlerul principal) nu trebuie sa fie influentate de propagarea vibratiilor prin cadru.

Alte motive pentru alegerea acestui model de cadru au fost existenta unui tren de aterizare destul de inalt( aproximativ 25 cm) ce permite montarea oricarui tip de camera foto / video pe acesta precum si prezenta unui suport dedicat (integrat in structura acestuia) pentru montarea camerei. De asemenea, distanta de la motor la motor este de 58 cm ( de unde deriva si denumirea sa : X580) , ceea ce permite montarea unor elici cu un diametru maxim de 11 inchi .Aceste specificatii il plaseaza in categoria quadcopterelor de dimensiuni medii ( printre cele mai populare datorita pretului accesibil pentru restul pieselor necesare : motoare , elici , baterii etc)

2.Motoare: Pe piata de profil se remarca existenta a doua tipuri de motoare ce pot fi utilizate pentru a genera forta necesara ridicarii quadrocopterului de la sol : motoare cu perii si cele cu magneti. Pentru a intelege mai bine avantajele si dezavantajele fiecarui tip de motor se va prezenta in continuare principiul de functionare pentru fiecare in parte,

Motoarele cu perii , intalnite de obicei in ventilatoare , uscatoare de par , coolere pentru PC etc au o constructie mai simpla raportata la cele care folosesc magneti. Motoarele cu perii genereaza forta necesara zborului direct de la sursa de alimentare (in cazul proiectului de fata , sursa de alimentare este o baterie cu o tesiune nominala de 14.8 v) , utilizand comutatia interna , magnetii permanenti stationari si cei rotativi. La fel ca toate motoarele/ generatoarele electrice , cuplul este obtinut prin intermediul principului fortei Lorentz, care afirma ca orice conductor strabatut de un curent electric amplasat in apropierea unui camp magnetic este supus unei forte numita Forta lorentz. Asadar in momentul in care curentul strabate rotorul motorului, se remarca aparitia unui camp magnetic ce genereaza o forta electromagnetica, rezultatul acesteia fiind miscarea rotorului. Pentru a pastra acelasi sens al curentului rezultat , pe durata intregii rotatii se folosesc placutele colectoare ,adica un inel de metal impartit in doua sectiuni. Acest inel este pozitionat pe axul rotorului. Cele doua jumatati ale sale sunt izolate reprezentand astfel bornele bobinei. Periile fixe ,ce pot fi realizate din metal sau din carbon, sunt montate pe aceste placute colectoare astfel ca in timp ce acestea se rotesc, realizeaza contactul electric al bobina cu firele exterioare. In timp ce rotorul se afla in miscare , fiecare perie intra in contact cu placutele colectoare in mod alternativ , modificandu-si pozitia imediat ce curentul din bobina isi schimba sensul. Turația este direct proporțională cu tensiunea aplicată înfășurării rotorului și invers proporțională cu câmpul magnetic de excitație. Aceasta , se modifica prin reglarea tensiunii aplicată motorului .

Motoarele fara perii , cunsocute si sub denumirea de motoare comutate electronic ,sunt motoare electrice sincrone puse in functiune de o sursa de curent electric si de un sistem electronica de comutatie .Acest tip de motor este oarecum asemanator cu cel prezentat mai sus (cu perii), din punct de vedere al faptului ca foloseste magneti si bobine pentru a pune in miscare rotorul. Denumirea lor rezulta din faptul ca pe axul rotorului nu se regasesc periile responsabile de pastrarea aceluiasi sens al curentului rezultat , pe durata intregii rotatii. In locul acestora se regasesc 3 bobine situate in interiorul motorului (exact in centrul acestuia). Pe partea exterioara , acesta contine un anumit numar de magneti (ce poate varia in functie de performantele motorului) montati pe un cilindru atasat axului ce se roteste. Bobinele sunt asadar fixe ceea ce inseamna ca firele pot ajunge direct la acestea , nemaifiind nevoie de prezenta periilor .

Comparatie motoare cu perii vs motoare fara perii: avantaje si dezavantaje

Motoarele fara perii au o serie de avataje fata de cele obisbuite ce folosesc perii.

Cele mai importante avantaje sunt :eficienta(75 %-80 % in cazul motoarelor cu perii , respectiv 85-90 % in cazul celor fara perii )-datorata frecarilor periilor , zgomotul redus , durata de functionare mai mare (nu mai este necesara inlocuirea periilor care in cazul motoarelor obisnuite se toceeau datorita frecarilor existente ) , eliminarea scanteilor ce apareau la comutator (in cazul motoarelor cu perii), o putere considerabil mai mare si reducerea generala a interferentelor electromagnetice(in cazul motoarelor cu perii , scanteile realizate de perii genereaza multe interferente de acest fel) .Neavand bobinajul montat pe rotor , motoarele fara perii nu sunt afectate de de fortele centrifugale si nici nu au nevoie de un flux de aer in interiorul acestora , ceea ce inseamna ca pot fi izolate complet de mediul exterior , fiind astfel protejate de apa , praf etc. De asemenea , puterea maxima ce poate fi aplicata unui motor fara perii este destul de mare , aceasta fiind limitata doar de caldura ce se degaja si care poate slabi in timp magnetii.

Principalul dezavantaj al motoarelor brushless este faptul ca necesita un circuit electronic de conducere mai complex fata de un motor cu perii. Acestea din urma pot fi controlate cu ajutorul unui controler simplu cum ar fi un potentiometru. Motoarele fara perii necesita un controler special , acesta fiind reprezentat de regulatoarele ESC ( electronic speed controler) , al caror pret de achzitie este mai mare . Totusi , avantajul acestui tip de controler (ce inlocuieste ansamblul perii / comutator) este ca raspunsul motoarelor este mult mai rapid si mai precis fata de cel al unor motoare cu perii. Motoarele brushlesss sunt asadar mai eficiente in realizarea conversiei puterii mecanice fata de cele cu perii. Aceasta imbunatatire este datorata absentei frecarilor (cauzate de perii). Eficienta motoarelor fara perii este mai mai mare in zona unor sarcini mai mici,raportandu-ne la curba de performanta a motoarelor . Daca se face aceasta comparatie si in cazul unor sarcini mecanice mari cele doua tipuri de motoare sunt asemanatoare din punct de vedere al eficientei.

Datorita numeroaselor avantaje prezentate in paragrafele de mai sus am ales ca solutie de implementare pentru realizarea propulsiei motoarele fara perii. La randul acest tip de motor se imparte in doua categorii: 1. motoare out-runner si 2.motoare in-runner. Motoarele out-runner sunt cele mai folosite in domeniul aeromodelismului . Ele sunt asemanataorele cu cele intalnite in unitatile optice de citire (CD-ROM / DVD-ROM) si presupun rotirea carcasei exterioare in jurul bobinajului situat in interiorul acestuia. Au viteze mai mici de rotatie fata de cele de tip in-runner. In cazul acestora miscare de rotatie are loc in interiorul carcasei. Ele necesita totusi si prezenta unei cutii de viteze care adauga greutate suplimentara intregului ansamblu , zgomot si complexitate. Motoarele de tip out-runner sunt destul de populare , existand diferite dimensinui ce pot fi alese pentru acestea .Sunt folosite si in realizarea mijloacelor de transport electrice cum ar fi biciclete electrice , scootere electrice, motociclete electrice. De aceea am ales sa folosesc un motor brushless de tip out-runner.

Caracteristicile cele mai importante ale unui astfel de motor sunt : curentul consumat si caracteristica Kv. Aceasta ultima specificatie indica numarul de rotatii pe minut (RPM) pe care motorul le va executa la o anumita tensiune. Valoarea RPM variaza asadat in functie de voltajul aplicat. De exemplu ,un motor cu o caracteristica de 1000 Kv, va executa 1000 rpm la fiecare volt. Astfel , pentru tensiunea de 12 volti , motorul va executa 12 *1000= 12000 rpm. Formulta prin care se poate afla numarul de rpm pentru orice motor este asadar urmatoarea:

Nr_RPM= U*kv, unde U reprezinta tensiunea de alimentare a motorului , iar kv-caracteristica prezentata in radurile de mai sus.

In alegerea modelului exact de motoare s-a avut in vedere un alt aspect foarte important pentru buna functionare a dispozitivului si anume: greutatea totala a intregului ansamblu , a carei valoare a trebuit sa fie aproximata , neavand posibilitatea de a o cunoaste precis. Pe baza aproximatiilor , dar si a modelelor deja existente pe piata am aproximat o greutate totala a intregului ansamblu intre 1.6 kg – 2 kg . La determinarea acestui prag am tinut cont si de valorile greutatii pentru cadru , baterie, camera video, motoare , ESC etc. In urma acestor calcule , rezultatul obtinut s-a incadrat in intervalul de mai sus(1,6Kg-2 Kg). De asemenea , in acest domeniu al aeromodelismului , mai exista o regula care precizeaza ca pentru a obtine un quadrocopter manevrabil , motoarele rebuie sa asigure o forta de ridicare de doua ori mai mare decat greutatea ansamblului. Asadar , in cazul de fata pentru o greutate toatala de 1.6-2 Kg , motoarele vor trebui sa aiba capacitatea de a ridica de doua ori aceasta valoare , aceasta situandu-se intre 3.2 Kg-4 Kg,acest lucru asigurand ca in momentul decolarii sau in timpul unui zbor la pucnt fix, motoarele vor fi la 50% din puterea maxima disponibila. Capacitatea de ridicare a unui motor variaza in functie de tensiunea bateriei ce il alimenteaza si de diametrul elicilor ce vor fi montate pe acesta . Totusi , pentru rotirea unei elici , trebuie ca diametrul acesteia sa abia o anumita valoare . In cazul in care s-ar fi ales o elice cu un diametru mai mare decat cel recomandat pentru un motor , acesta s-ar fi putut supraincalzi .Practic , pentru a roti elicea respectiva motorul ar fi fost supus unei sarcini mai

mari decat cea pentru care a fost proiectat , astfel ca in cazul unei functionari pe perioade mai mari de timp in acest interval , acesta s-ar defecta , iar in cazul in care acest lucru s-ar intampla in momentul in care quadcopterul se afla la o altitudine de cateva sute de metri rezulatul ar fi o pierdere rapida a altitudinii si implicit prabusirea dispozitivului , ce poate duce la distrugerea cadrului , elicilor ,camerei si la alte posibile pagube .

Tinand cont de toti factorii prezentati in paragrafele precedente am ales urmatorul motor , achizitionat la fel ca si cadrul de la acelasi magazin online specializat( Hobbyking ) : NTM Prop Drive Series 28-30S 900kv / 270w al carui pret s-a dovedit accesibil , tinand cont ca modelul repesctiv respecta valorile parametrilor de mai sus.

Conform specificatiilor tehnice de mai sus , oferite de producator , motorul are o caracteristica Kv de 900 rpm / v , curentul maxim pe care il poate consuma estede 18A ( acest factor a fost luat in calcul la alegerea ESC-urilor) . Puterea maxima a motorului este de 215 wati in cazul unei baterii cu 3celule de 12 volti sau 270 wati in cazul unei baterii cu 4 celule de 15 volti. Greutatea fiecarui motor este de 66 grame , rezultand un total de 256 grame pentru toate patru. Dupa cum se poate observa , acest model de motor poate fi alimentat de o baterie cu o tensiune cuprinsa intre 12 si 15 volti (adica se poate alege fie o baterie cu 3 celule: 3S fie una cu 4 celule :4S). Sarcina pe care o poate ridica fiecare motor variaza in functie de dimesniunea elicei si tensiunea bateriei alese. Folosind o elice de 10×4.7(10 inchi diametru si un pas de 4.7 inchi) sarcina maxima ce poate fi ridicate este de 1.08kg , ceea ce inseamna ca toate cele 4 sunt capabile sa ridice o geutate de 4,32 kg. Tinand cont si de recomandarea de a avea o greutate totala a intregului ansamblu la jumatate fata de capacitatea maxima de ridicare a motoarelor(lucru ce imbunatateste manevrabilitatea in timpul zborului) , rezulta o greutate maxima de 2,16 kg pe care ar trebui sa o aiba quadrocopterul ( aceasta fiind in apropierea intervalului initial aproximat la 1,6-1.8kg).La alegerea unei elici potrivte pentru acest timp de motor trebuie avut in vedere si ca marimea acesteia sa fie compatibila cu cadrul ales. Astfel , din specificatiile producatorului cadrului , dimensiunile acceptate pentru elici sunt intre 9-11 inci (diametru). Alegerea unor elici mai mari ar putea duce la lovirea acestora , cadrul neavand o distanta suficienta intre brate care sa asigure montarea unor elici cu un diametru mai mare de 11 inci.De asemenea , alegerea unei elici mai mari poate avea si efecte negative asupra functionarii motorului , asa cum s-a specificat mai sus( supraincalzirea motoarelor , ce poate duce la defectarea acestora).Un alt parametru important al motoarelor este consumul lor. Din specificatiile producatorului , curentul maxim consumat de motor este de 18A ( aceasta variind in functie de diametrul elicilor). Pentru o elice de 10×4.7 , fiecare motor va avea un consum maxim de 15.4A , dezvoltand o putere de 233 wati. Pentru calculul consumului necesar mentinerii la punct fix , se va imparti consumul maxim la 2 (deoarece pentru zborul la punct fix va fi folosita doar 50% din puterea maxima disponibila) , rezultand un total de 7.7A (in conditiile in care quadcopterul ar avea o greutate de 2.16 kg.Se recomanda totusi ca greutatea intregului ansamblu sa fie cat mai mica posibil , pentru a imbunatati controlul acestuia si timpul de zbor.

3.Elici: Pe fiecare motor al quadcopterului se va regasi montata o elice. Este important de stiut ca cele 4 elici nu sunt identice. In urma unei obervatii mai atente se va vedea ca doua dintre acestea au o inclinare catre dreapta , iar celelalte au o inclinare catre stanga.Astfel , doua dintre acestea se rotesc in sensul acelor de ceasornic , in timp ce restul se rotesc in directia inversa acelor de ceasornic , de unde si denumirea lor din engleza CW ( clockwise) respectiv CCW(counter-clockwise). Datorita acestei diferentieri intre elici , elicile vor genera forta de ridicare necesara aparatului si vor stabiliza aparatul. .Se va evita , in acest fel, rotirea celor 4 elici in acelasi sens , ceea ce ar duce implicit si la rotirea intregului quadcopter in aer.

Un element important in alegerea elicilor , pe langa dimensiunile acestora este materialul din care acestea sunt fabricate. In general cele mai utilizate astfel de materiale sunt: plastic,plastic ranforsat cu fibra de carbon , lemn si fibra de carbon. In general , elicile de plasticsi cele ranforsate cu carbon au o flexibilitate marita fata de restul elicilor , insa nu sunt la fel de rezistente , generand totodata vibratii ce pot afecta zborul. Elicile de carbon sunt mult mai rigide si mai usoare fata de cele din plastic , neavand probleme cu vibratiile. Totusi , au un pret de achzitie mai mare . Elicile din lemn sunt asemanatoare cu cele din carbon , insa nu au rezistenta acestora , astfel ca in cazul unui impact mai dur pot aparea fisuri.Trebuie avut in vedere ca in cazul in care elicea se indoaie in timpul zborului , se va pierde din eficienta intrucat forta de ridicare a acesteia va scadea. De aceea , am ales sa montez pe quadcopterul realizat elici din carbon. In alegerea marimii acestora si a pasului am tinut cont de diametrul maxim permis de cadru si de motor. Astfel , un diametru si un pas mai mare al elicilor ar genera mai multa forta de tractiune . Totusi si consumul de curent ar creste in acest caz , insa elicile vor putea ridica mai multa greutate. O alta regula este ca in cazul alegerii unor motoare cu turatii mari (peste 1400 rpm per volt) sa se foloseasca elici cu diametru mai mic , in timp ce pentru motoare cu turatii mai mici (sub 750 rpm per volt) se vor alege elici cu un diametru cat mai mare pentru a genera forta de ridicare necesare. Motoarele alese de mine au un factor Kv de 900 ( adica 900 rpm per volt) , ceea ce le claseaza in categoria de mijloc in ceea ce priveste turatia . Pentru aceasta plaja de turatii se recomanda utilizarea unor elici intre 9-12 inci. O viteza de rotatie mai mare a elicilor va avea drept rezultat o viteza mai mare si un control bun al aparatului , fiind limitata totusi in greutatea pe care o poate ridica. Asadar , pe masura ce diametrul elicii creste , va creste si consumul de curent dar si capacitatea de ridicare a motorului. Pentru quadcoptere cu o greutate ceva mai mare ce transporta si o camera , se recomanda folosirea unor motoare cu un factor kv mediu , pe care sa fie montate elici cu dimensiui medii.Pasul unei elice este dat de gradul de inclinarea acesteia. O elice cu un pas mai mare va determina miscarea unor mase de aer mai mari , ceea ce poate duce la aparitia turbulentelor si implicit a vibratiilor ce vor fi transmise prin cadru. Avand in vedere toti factorii mai sus prezentati s-au ales elici realizate din fibra de carbon cu un diametru de 10 inci ,un pas de 4.7 si o greutate de 9g ( fiind de altfel si o dimensiune destul de populara pentru multicoptere , dovedindu-se totodata relativ usor de gasit . Pentru a limita vibratiile ce pot aparea , elicile trebuie echilibrate cu un dispozitiv ca cel de mai jos in care se verifica daca cele 2 pale ale elicii( partea din stanga si cea din dreapta lagarului) sunt egale. In cazul in care acestea nu sunt egale , elicea va trebui echilibrata.: fie se va pune o mica greutate(banda adeziva pe partea mai usoara) fie se va folosi un smirghel fin pe partea mai grea pentru a inlatura excesul de material .Desi pare o operatiune simpla de realizata , echilibrarea trebuie facuta cu atentie deoarece in cazul in care elicile nu sunt bine calibrate , zborul si calitatea imaginii transmise pot fi afectate.

4.Bateria: reprezinta sursa de energie a quadcopterului.Pe piata exista o varietate larga de tipuri de baterii ce pot fi utilizate : Li-po, Li-ion,Ni-mh etc. Bateriile Li-ion au un pret de achizitie mai ridicat fata de restul si o greutate mai mare fata de bateriile Li-po. Avantajul acumulatorilor Li-ion este durata mai mare de viata (aproximativ 500 cicluri incarcare-descarcare). Bateriile Ni-mh au un pret mai scazut , insa greutatea lor este mai mare fata de restul bateriilor. Bateriile Li-po ( Lithium-polymer) au un pret de achiztie acceptabil , o greutate redusa fata de celelalte tipuri de acumulatori si in plus satisfac consumul de curent necesar in acest caz. Ca dezavantaj pentru acest model de acumulatori se poate aminti ciclul de viata mai mic fata de bateriile Li-ion si faptul ca necesita o mai mare atentie la manipulare si la incarcare pentru a evita o potentiala explozie a acestora. De asemenea, in cazul unei descarcari sub nivelul minim recomandat( mai putin de 2.8v / celula) bateria poate se poate defecta. Se recomanda asadar rezervarea unei capacitati de 10-20% de siguranta .Totodata aceasta rezerva poate mari durata de viata a bateriei in timp.

Bateriile Li-po pot fi gasite in diverse configuratii ce incep de la 1 celula si merg pana la 10 celule ( cu tensiuni de la 3.7 volti pana 37 volti).Tensiunea nominala a unei astfel de celule este de 3.7v , iar in momentul in care bateria este incarcata 100% , tensiunea per celula ajunge la 4.2v. Printre cele mai populare baterii de acest fel se pot aminti bateriile 3S(compuse din 3 celule si cu o tensiune nominala de 11.1 volti) si cele 4S (compuse din 4 celule si cu o tensiune nominala de 14.7 celule). Principalii factori in alegerea unei baterii sunt : voltajul , capacitatea , factorul de descare C si greutatea.In ceea ce priveste capacitatea acumulatorului aceasta poate fi asemanata cu rezervorul de combustibil al unui autoturism. Asadar , cu cat capacitatea acesteia este mai mare cu atat mai mult va ramane in aer quadcopterul. Timpul de zbor nu este totusi liniar , in sensul ca daca se va utiliza o baterie de 2000mAh pentru un zbor de 8 minute , inlocuirea acesteia cu una de 4000mAh nu va insemna o dublare a timpului de zbor de la 8 minute la 16 minute . Cauza acestui lucru este greutatea suplimentara a bateriei cu o capacitate superioara ce face ca turatia motoarelor sa fie mai mare si implicit consumul de curent sa creasca.Un alt element important in alegerea bateriei este factorul de descarcare C. Acesta , impreuna cu capacitatea acumulatorului indica valoarea maxima a curentului ce poate fi furnizat. Pentru calculul acestei valori se utilizeaza formula urmatoare: CurentMaxim=Capacitate x Factorul C . De exemplu in cazul unei baterii cu o capacitate de 5000mAh si cu un factor de descare de 30C , curentul maxim oferit va avea valoarea de 5000mAh x 30C= 150A. Asadar , motoarele si elicile pentru acestea trebuie alese in asa fel incat consumul maxim sa nu depaseasca valoarea de 150 A.(echivalent cu un consum maxim de 37.5 A pentru fiecare dintre cele 4 motoare). Pentru prelungirea duratei de viata a acumulatorului este recomandat ca valorea maxima a curentului oferit de acesta sa fie mai mare fata de valoarea curentului consumat. In cazul exemplului de mai sus , este recomandat un consum de 100-120 Amperi. De asemenea , un alt lucru ce poate fi efectuat pentru prevenirea deteriorarii acumulatorului in timp este rezervarea unei capacitati de 10-20 % din capacitatea maxima disponibila. Astfel pentru o baterie cu o capacitate de 5000mAh este recomandata incheierea zborului atunci cand se ajunge la 500-1000 mAh. Greutatea unui astfel de acumulator variaza in functie de numarul de celule , de factorul de descarcare C si de capacitatea acestora.

Pentru o baterie cu 4 celule ( voltaj nominal : 14.8 v) si o capacitate de 5800 mAh greutatea totala este de aproximativ 560 grame , reprezentand o parte importanta din masa totala a intregului dispozitiv. Avand in vedere toti acesti factori am ales bateria Zippy FlightMax formata din 4 celule (tenisune nominala 14.8 volti) cu o capacitate de 5800mAh si o greutate de aproximativ 560 . Factorul de descarcare C oferit de aceasta este de 30C , ceeea ce inseamna ca valoarea maxima a curentului oferit de acest model este de 5800mAh x 30C =174A . Tinand cont de faptul ca valoarea maxima consumata de un motor este de 18 Amperi , rezulta un total de 72 Amperi , sub nivelul maxim de 174 A disponibil. Pentru incarcarea bateriei se utilizeaza un incarcator controlat de un microprocesor . Avand in vedere ca bateriile Lithium-polimer nu trebuie supraincarcate sau incalzite excesiv , dispozitivul opreste incarcararea in momentul in care este atinsa tensiunea maxima admisa (16.8 volti) semnalizand totodata acest lucru prin emiterea unor semnale sonore menite sa avertizeze utilizatorul ca bateria trebuie decuplata.

De asemenea , incarcatorul ales are si functia de egalizator in sensul ca verifica ca toate cele 4 celule sa fie incarcate in mod egal (adica sa aiba aceeasi tensiune) , si face ajustari in cazul in care acestea nu au aceeasi valoare.Tensiunea acumulatorului poate fi urmarita pe display-ul incarcatorului. In cazul in care se doreste ca bateria sa fie depozitata pe o perioada mai mare de timp , ea va fi incarcata doar la 50 % din capacitate cu scopul de a ii prelungi pe cat posibil durata de viata.Incarcatorul ales este modelul Turnigy Accucell 6 ce permite incarcarea diferitelor tipuri de baterii: Lithium-ion , Lithium – polimer , Ni-Mh cu tensiuni cuprinse inre 2 si 20 de volt cu un curent ce poate varia intre 1 A si 6 A .Cu cat se alege o durata mai mare a curentului cu atat incarcarea se realizeaza mai rapid , insa trebuie tinut cont si de faptul ca un curent cu o valoare superioara duce la incalzirea si implicit deterioarea acumulatorului. Recomandarea este ca acumultatorul pe care il voi utiliza sa fie incarcat cu un curent de o intesitate cat mai mica posibil ( 1A , maxim 2A) . Pentru maximizarea timpului de zbor se mai poate conecta o a doua baterie , montata in paralel cu prima care va dubla capacitatea initiala. Totusi , in acest caz trebuie avut in vedere ca ambele baterii sa fie identice ( tenisunea , factorul de descarcare C , capacitatea ). De asemenea , acestea vor fi incarcate in acelasi timp prin intermediul unui conector special , asigurand totodata ca tensiunea celor doua sa fie cat mai apropiata una de cealalta. De asemenea trebuie tinut cont ca greutatea bateriei suplimentare adunata cu cea a intregului dispozitiv sa nu depaseasca 50 % din forta de ridicare a motoarelor (in cazul dispozitivului de fata forta totala de ridicare a motoarelor este de 4320grame) , in scopul de a nu afecta manevrabilitatea aparatului in timpul zborului.

5.Regulatoare /ESC

Motoarele folosite ( fara perii) pentru constructia quadrocopter-ului sunt trifazate , astfel ca in cazul conectarii acestora direct la baterie , nu vor functiuna. De accea , intre baterie si fiecare motor se monteaza un driver a carui denumire prescurtata este ESC (electronic speed controller ) responsabil pentru controlul acestora. ESC –ul genereaza trei semnale de frecventa ridicata cu faze diferite ce mentin motorul in miscare. Acest driver este de fapt un controller cu un pret accesibil ce are o intrare pentru baterie(al carei voltaj poate varia) si o iesire trifazata responsabila de controlul motorului. ESC-urile sunt controlate cu ajutorul semnalelor de tip PPM (pulse-position modulation), asemanator cu semnalul de tip PWM(pulse width modulation).Protocolul PPM este de fapt o unda PWM cu o frecventa de 50 Hz. In cazul unui quadcopter este recomandat ca ESC-ul folosit sa suporte frecvente suficient de mari astfel incat viteza motoarelor sa poata fi modificata indeajuns de rapid cu scopul de a obtine o stabilitate cat mai buna. Frecventa minima care respecta cerintele impuse este de 400hz. Functionarea acestor tipuri de regulatoare va fi explicata in continuare. Controlul acestuia este asemanator cu cel al motor servo. Prin intermediul telecomenzii este trimis cate un puls la fiecare 20 milisecunde catre drivere. Lumgimea pulsului variaza de la 1milisescunda(ms) la 2 ms si este cea care codifica controlul inforamtiei. In momentul in care este primit un puls cu o lungime de 1 ms si o frecventa de 50 hz esc da comanda de oprire a motorului. In cazul receptionarii unui puls de 1.5 ms , ESC-ul da un semnal de iesire ce comanda motorului sa se miste cu aprox jumatate din viteza maxima. Pentru un puls de 2 ms , motorul va functiona la turatia maxima. Se remarca si existenta unor alte modele de ESC-uri ce permit durata de 2,5 ms a pulsului.

Majoritatea ESC-urilor actuale beneficiaza si de o alta caracteristica numita BEC (abreviere de la battery elimination circuit).Aceasta presupune folosirea ESC-urilor ca inlocuitor al unei baterii suplimentare responsabile de alimentarea controler-ului de zbor si a receiver-ului telecomenzii. Practic , modelele respective de ESC-uri au in componenta lor regulatoarea de tensiune ( cele mai intalnite astfel de regulatoare sunt modele IC7805 ,si IC7812 ce ofera o tensiune de iesire de 5V-primul model , respectiv 12Vcel de al doilea moel) ce ofera tensiunea necesara pentru functionarea diferitilor cosnumatori. Aceasta functie BEC se dovedeste a fi utila deoarece prin eliminarea bateriei suplimentare se castiga aproximativ 100 grame ,ceea ce inseamna o greutate mai mica , un consum mai mic de curent al motoarelor si implicit un timp de zbor mai mare. T

Totusi , caracteristica cea mai importanta in alegerea ESC-urilor este curentul maxim pe care acestea il pot oferi motoarelor . Pentru siguranta in timpul zborului dar si pentru prelungirea duratei de viata a ESC-urilor, se recomanda ca valoarea curentului maxim suportat de acestea sa fie mai mare decat cea a motoarelor . De exemplu pentru un motor cu un consum maxim de 18 A ,asa cum este cazul motoarelor de fata , se recomanda un ESC de 25-30 A. Valoarea acestuia este strans legata de cea a curentului maxim consumat de motare. In cazul in care s-ar fi ales un ESC de 20 A sau mai mic , acesta s-ar fi incalzit excesiv , putand ajunge chiar la distrugerea completa a regulatorului si pagube importante ale quadcopterului in cazul in care aceasta crestere a temperaturii interne s-ar intampla pe durata unui zbor. Respectiva problema are drept cauza faptul ca ESC-ul nu poate oferi motorului curent la intensitatea potrivita . De asemenea , trebuie avut in vedere si tensiunea pana la care aceste drivere pot functiona . In cazul meu , avand o baterie 4s( cu 4 celule a cate 4.2 v max fiecare) , esc-ul utilizat va trebui sa suporte o tensiune maxima de 16.8 v. Tinand cont de acesti factori am ales sa folosesc esc-ul Mystery M-30 , capabil sa functioneze la tensiuni de alimentare intre 7.2v si 16.8 v (incadrandu-se asadar in tensiunea bateriei ) si sa livreze fiecarui motor un curent ,maxim de 30A.

Frecventa la care acesta functioneaza este de aproximativ 500 Hz , ceea ce inseamna un timp mai bun de raspuns la comenzile primite si implicit o manevrabilitate mai buna si o eficienta sporita a intregului ansamblu. Fiecare din cele 4 ESC-uri are posibilitatea de a fi folosit ca BEC ( adica poate fi utilizat pentru a alimenta diversi consumatori cum ar fi led-uri , controller de zbor, receiver RC la o tensiune de 5 v). Circuitul electronic este protejat de umezela , praf sau eventuale descarcari electrostatice prin intermediul unui bande izolatoare cauciucata , ce incojoara intregul ESC. Din imaginile de mai jos se pot observa cele 2 intrari de la baterie respectiv cele 3 iesiri care controleaza motorul.Se mai remarca si existenta a 3 fire situate intre intrarile de la baterie , lipite unul de celalt . Doua dintre acestea(rosu si negru ) ofera un curent de iesire cu o tensiune de 5V si o intensitate de 2A si vor fi folosite pentru alimentarea controler-ului de zbor si a receiver-ului RC. Cel de-al treilea fir, de culoare alba, este responsabil de preluarea semnalului de la receiver si in functie de acesta ofera iesirea dorita . Acest model de ESC are o greutate de aproximativ 25 grame , ceea ce inseamna un total de 100 grame pentru toate cele 4 exemplare.Ele vor fi conectate la baterie prin intermediul unei placi de distributie ce are rolul de a partaja tensiunea bateriei catre fiecare ESC si implicit fiecare motor. Un aspect important al acestei placi suplimentare este ca poate fi utilizata doar pentru motoare ce au un consum maxim de 20A ( pentru motoarele alese consumul maxim este de 18A). Asa cum se poate remarca si in poza pe placa de distributie exista 2 fire cu diametrul mai mare(responsabile de legatura placii cu bateria,de unde se explica si diametrul firelor ) si 8 conectori (grupati cate 2) ce vor fi conectati la cate un ESC. Firul respectiv conectorii de culoare rosie semnifica „+” , iar cei de culore negru reprezinta „-”. Conectorii prezenti pe placa sunt denumiti conectori de tip „bullet”(au un diametru de 3.5mm ) si sunt folositi pentru a face mai usor legatura intre ESC si placa de distributie. La capatul firelor de intrare ale fiecarui ESC au fost cositoriti astfel de conectori. Totodata , in cazul in care se doreste schimbarea unui ESC ,sau demontarea lui de pe cadrul quadcopter-ului si testarea acestuia separata , inlaturarea lor va fi mult mai simpla deoarece nu va mai implica o cositorire suplimentara pentru a reface legatura.Acest tip de conector se asemana cu cel intalnit si la diferitele tipuri de casti audio cu mufa jack de 3.5 mm regasite in prezent intr-o gama larga de dispozitive (PC,laptop , telefon, player audio etc) datorita simplitatii de fabricare si a robustetii dovedite.

ESC-ul ales poate fi programat de utilizator cu scopul de a avea o functionare cat mai eficienta in functie de restul componentelor. In primul rand permite alegerea tipului de baterie ce va fi folosita : Li-Ion /Li-po/NiMh/Nicd . O alta functie permite setarea actiunii ce va fi executata in momentul atingerii unui anumit prag al tensiunii. Exista doua variante ce pot fi alese : Soft Cut-off(reducere treptata a turatiei motoarelor ) sau Cut-off(opreste imediat alimentarea motoarelor, nepotrivita pentru multicoptere). De asemenea , se poate alege valoarea acestei tensiuni in functie de voltajul bateriei la un anumit moment. Pentru o baterie cu 4 celule asa cum este cea aleasa pentru quadcopter-ul construit , se poate selecta o tensiune de decuplare de: 11.4v/12.8v/ 13.2v . In momentul in care quadcopter-ul se ridica de la sol se poate alege timpul necesar motoarelor pentru a atinge tuatia dorita : 300ms / 6s / 12s. Exista si cateva tonuri speciale de avertizare pe care ESC-ul le emite in cazul in care bateria nu are tensiunea potrivita , nu se detecteaza semnalul de la receiver-ul RC , sau alte posibile defectiuni ce pot afecta zborul.

6.Controler-ul de zbor

Controler-ul de zbor este practic cea mai importanta parte dintr-un quadcopter , fiind asemanator cu un CPU(procesor) intalnit in prezent in diverse dispozitive electronice. El are rolul de a mentine echilibrul intregului aparat prin intermediul senzorilor. Pentru a face acest lucru , controller-ul trebuie sa primeasca in mod continuu valori ale parametrilor de zbor de la senzori. In functie de valorile receptionate se ajusteaza viteza fiecarui motor pentru a mentine echilibrul aparatului.Asa cum am precizat si la inceputul acestei lucrari un quadcopter are 4 grade de libertate: Yaw, Roll(rotire), pitch si altitudine. Acestea pot fi controlate ajustand turatia fiecarui motor in parte. Se remarca asadar prezenta obligatorie a 3 tipuri senzori care sa permita masurarea precisa a pozitiei in aer a dispozitivului. Acesti 3 senzori pot fi integrati in controler-ul principal sau pot fi achizitionati separat si apoi conectati la acesta. Ansamblul format este denumit si IMU , abreviere de la inertial measuring unit si este intalnit in dotarea oricarui aparat aerian . Ansamblul IMU este format din accelerometru , giroscop, magnetometru. In continuare , va fi prezentata functionarea fiecarui tip de senzor in parte cu scopul de a intelege rolul precum si necesitatea lor.

Accelerometrul arata cat de rapid se misca un obiect si este folosit atat pentru a masura acceleratiile de tip static , asa cum este gravitatea , cat si pe cele de dinamic, de genul opririi sau pornirii bruste. Unitatea de masura a acestuia este m/s2 .Trebuie tinut cont ca masuratorile accelerometrului sunt afectate de forta de gravitatie. De accea pentru a obtine o masuratoare corecta este nevoie de de masurararea acceleratiei pe toate cele axe (Ox, Oy,Oz)).Senzorii de acest fel sunt regasiti in prezent intr-un mic circuit electronic , protejat de o capsula din plastic, cu o greutate redusa si un consum mic de curent . Un dezavataj important intalnit la accelerometru este sensibilitatea sa la vibratiile produse de motoare , ce pot furniza valori eronate ale acceleratiei in cazul in care senzorii nu sunt izolati corespunzator de restul cadrului .

Giroscopul este responsabil de masurarea vitezei unghiulare . Unitatea de masura a unui astfel de dispozitiv este RPM( rotatii pe minut) sau grade pe secunda.La fel ca si la accelerometru pentru a obtine valori corecte se impune masurarea vitezelor de pe toate cele 3 axe ortogonale.Pe piata exista diferute modele de giroscop , grupate in functie de precizia si de rata de actualizare a datelor.

Pentru un quadcopter , chiar si modelele cu o precizie mai mica sunt potrivite , astfel ca pretul acestuia este accesibil.

In cazul utilizarii doar a unui accelerometru fara un giroscop , s-ar putea masura orientarea aparatului raportata la suprafata pamantului. Insa , asa cum s-a precizat si in paginile anterioare ale acestei lucrari , accelerometru este foarte sensibil si uneori chiar instabil in momentul in care motoarele produc vibratii puternice , trimise apoi prin intermediul cadrului catre diferitii senzori.Daca pe langa accelerometru se foloseste si un giroscop se va putea face o diferentiere intre miscare si vibratie , lucru esential in ceea ce priveste calitatea zborului. Pe de alta parte , in cazul folosirii doar a giroscopului ar aparea probleme la citirea valorilor acestuia in momentul miscarii de rotatie (cunoscuta si sub numele de miscare de drift). Astfel , daca senzorul este rotit , giroscopul va returna viteza unghiulara, dar in momentul opririi miscarii , acesta nu va arata obligatoriu valoarea de 0 grade/s . S-ar obtine asadar citiri care vor oferi o orientare ce arata ca aparatul ar executa in continuare o usoara msicare de drift , chiar daca senzorul nu ar fi oprit. De aceea , folosirea celor 2 senzori impreuna este importanta.

Magnetometru. Accelerometrul nu poate resimti miscarea de Yaw asa cum face in cazul celei de roatatie (roll) sau pitch. Pentru a compensa acest lucru in unele cazuri se apeleaza si la montarea unui magnetometru.Acesta este un dispozitiv ce masora orientarea si intensitatea campului magnetic. El poate fi utilizat pentru a determina in ce directie se afla polii magnetici ( sud sau nord) . Cunoastrea acestei pozitionari este folosita ca o referinta , alaturi de viteza unghiulara oferita de giroscop , pentru a calcula un unghi yaw cat mai stabil.In multe situatii acesti 3 senzori sunt montati direct pe controler-ul de zbor , insa exista si posibilitatea de a fi achizitionati separat si ulterior montati , in cazul in care nu se regasesc pe aceasta.

Controler-ul de zbor ales este cunoscut sub mai multe denumiri cum ar fi :Ardupilot, Arduflyer, Arducopter etc . Se remarca asemanarea numelui acestuia cu mult mai cunoscuta placa de dezvoltare si prototipare Arduino. Acest lucru se datoreaza alegerii unui microcontroller fabricat de Atmel , regasit cu unele modificari si pe anumite versiuni Arduino (Leonardo , Mega etc). Mai precis este vorba despre ATMega 2560 , succesor al mai vechiului ATMEL 328( regasit pe Arduino Uno, care spre deosebire de acesta are o frecventa de tact mai mare , precum si o memorie ce permite inregistrarea mai multor comenzi , lucruri care fac posibila utilizarea acestuia in cadrul unui aparat de zbor , in care senzorii primesc o cantitate vasta de informatii intr-un interval de timp scurt). Alaturi de controller se poate achzitiona si o carcasa dedicata pentru acesta cu rol de protectie la curentii de aer produsi de elici , umezeala , socuri , praf sau alte elemente ce pot afecta calitatatea masuratorilor sau chiar deteriora senzorii. Conexiunea cu calculatorul se face prin intermdiul unei mufe micro-usb.Tensiunea de alimentare a placii trebuie sa se regaseasca in intervalul urmator: 4,8-5,5 volti. Exista mai multe metode prin care aceasta poate fi alimentata. Pentru testare , debugging si incarcarea programelor se va utiliza portul micro-usb, care in acest caz, va asigura si alimentarea la o tensiune optima. Totusi , in timpul zborului , alimentarea se va realiza fie dintr-un modul dedicat(denumit power module , ce asigura o tensiune constanta de 5.3 volti , fara variatii semnificative) , fie de la unul din ESC-urile(regulatoarele de turatie) cu functie de BEC (ce presupune existenta unei iesiri suplimentare de aproximativ 5v). Producatorul mentioneaza ca circuitul integrat de pe placa beneficiaza de protectie la supra –tensiune (prin intermediul unor sigurante ce pot fi inlocuite in cazul in care se depaseste pragul maxim admis) si la inversarea polaritatii.

Versiunea placii utilizata in acest proiect este 2.5 . Din punct de vedere al senzorilor utilizati se remarca existenta unui circuit integrat numit MPU-6000 ,(in cadrul caruia se regaseste un giroscop , precum si un accelerometru , ambele pe 3 axe ) a unui senzor de presiune atmosferica ( MS5611) si a unui magnetometru (HMC5883L) . Pentru stocarea datelor din timpul zborului se foloseste o memorie flash(cu o dimensiune de 4 mb ) , utila in cazul in care se doreste o analiza ulterioara zborului a diferitilor parametri inregistrati(exemplu : altitudine , temperatura , orientarea in zbor etc). De asemenea exista posibilitatea de a folosi un magnetometru extern , prin intermediul portului I2C , sau un modul GPS(pentru a obtine locatia in timp real a dispozitivului, viteza de deplasare , zborul la punct fix etc) prin intermediul unui alt port dedicat. De asemenea , exista posibilitatea de a atasa un modul de telemetrie care sa permita comunicarea , catre utilizator in timp real, a diferitilor parametrii de zbor cum ar fi : altitudinea , viteza de zbor , orientarea , timpul de zbor , tensiunea bateriei ( prin intermediul unui senzor suplimentar) , coordonatele GPS( ale locului in care se afla aparatul) ,etc.

Realizarea conexiunii procesorului central ,ATMEGA2560 , cu interfata microusb este posibila prin intermediul unui encoder PPM specializat denumit ATMEGA 32U2. In ceea ce priveste specificatiile procesoruului principal ATMEGA 2560 este necesara amintirea a catorva dintre acestea.: Beneficiaza de 54 de porturi intrare / iesire dintre care 15 pot fi utilizate ca iesiri PWM., 16 intrari analogice , 4 porturi UART( porturi seriale hardware , la care daca se ataseaza un modul ftdi extern se poate realiza programarea CPU-ului , ocolind interfata USB, lucru util de stiut in cazul in care conectorul microusb de pe placa s-ar desprinde , moment in care fara existenta unui port UART recunoasterea placii de catre calculator ar fi imposibila ). Un avantaj foarte important al acestui controller este dimensiunea memoriei Flash disponibile (248 KB) pentru memorarea comenzilor ,dar si frecventa de lucru de 16 Mhz.

Actiunile pe care utilizatorul doreste ca aparatul de zbor sa le execute sunt receptionate prin intermediul unui receiver radio si apoi de la acesta sunt trimise mai departe pentru procesare pe porturile pwm de intrare disponibile (in numar de 8) , urmand ca semnalul de comanda pentru actionarea motoarelor sa fie trimis pe porturile PWM de iesire (8 astfel de porturi). In partea superioara a placii se regasesc 13 porturi suplimentare (denumite de la A0 la A13). Acestea pot fi utilizate pentru a conecta senzori suplimentari cum ar fi : senzor de curent si tensiune (importanti pentru monitorizarea capacitatii bateriei) , proximitate (ce pot fi ultrasonici sau infrarosii ,fiind utilizati pentru a mentine altitudinea la distante mai mici fata de pamant , zone in care barometrul nu are o precizie la fel de buna), de viteza a aerului, de temperatura , termici sau orice alte tipuri de senzori).

7.Sistemul de transmisie Radio: Emitator + Receptor

Din punct de vedere al metodelor prin care multicopterul poate fi controlat , exista diferite posibilitati pentru a indeplini acest obiectiv , dintre care se pot aminti : bluetooth , wireless , radio , infrarosu etc. Pentru proiectul de fata s-a ales un sistem de transmisie radio , datorita razei mare de actiune , simplitudinii acestuia , dar si pentru securitatea de care un asftfel de sistem da dovada eliminind aproape total aparitia unor posibile interferente. Caracteristicile unui sistem radio sunt date de : frecventa pe care opereaza , raza de actiune si numarul de canale pe care se pot trimite comezi. Pe piata exista o multitudine de frecvente ce pot fi utilizate in acest scop . Se intalnesc astfel de sisteme cu frecvente de 35 mhz, 72 mhz , 1.2 Ghz, 2.4 ghz , 5.8 ghz . In alegerea freceventei potrivite s-a tinut cont de posibilele interferente radio (preponderent in intervalul 900Mhz-1300 Mhz , banda de frecventa pe care opereaza telefonia mobila ) , accesibilitatea diferitelor modele (cele mai populare fiind sistemele cu o frecventa de 2.4 ghz ai 5.8 ghz) , dar si consumul de curent( cu cat frecventa este mai mare cu atat curentul necesar este mai mic).Tinand cont si de faptul ca sistemul de transmisie video va fi nevoit sa aiba o alta banda (pentru a evita interferentele) s-a ales 2.4 ghz pentru transimia comenzilor catre multicopter si 5.8 ghz pentru transmisia video.

Un sisttem radio RC este compus dintr-un transmitator si un receptot. In cazul de fata transmitatorul este reprezentat de o telecomanda prin intermediul careia pot fi trimise semnale catre un receiver , acesta din urma fiind responsabil de receptionarea semnalului . Odata ce semnalul a ajuns la receiver , va fi trimis ulterior catre intrarile PWM ale controler-ului de zbor, care va procesa semnalul primit si apoi in functie de acesta va oferi iesirile corespunzatoare pentru motoare.Fiecare canal radio , va avea alocat un port de intrare PWM pe controller. Pentru controlul unui quadcopter este nevoie obligatoriu de un controler cu minim 4 canale . De exemplu , canalul unu este responsabil de controlul acceleratiei , canalul doi va fi responsabil de controlul miscarii la stanga sau la drepta , al treilea canal va controla miscarea inainte / inapoi , iar cel de –al patrulea va fi respomsabi de controlul miscarii de rotatie. Existenta unor canale suplimentare este chiar recomandata , astfel ca un alt canal va fi responsabil de schimbarea modului de zbor (aterizare , decolare, mentinere alitudine etc) sau de declansarea unor lumini / sunete , utile in cazul pierderii contactului vizual sau pentru gasirea locului in care aparatul a aerizat.

Orice sistem radio RC(remote- control) , indiferent de frecventa pe care opereaza , utilizeaza un semnal cu o durata precisa pentru a controla o iesire(motor , lumina , difuzor). Transmitatorul realizeaza conversia din intrarile date de utilizator ( viraj , acceleratie, rotire etc) intr-un set de pulsuri a caror durata este proportionala cu comenzile oferite. Apoi , moduleaza aceste pulsuri intr- o frecventa radio specifica si transmite semnalul radio pana la receiver. Odata primit semnalul , receiverul incepe demodularea frecventei radio pentru a obtine pulsurile originale , pe care le trimite catre controler. Controlul ESC-urilor (si implicit al motoarelor) necesita un flux continuu de pulsuri cu o durata cuprina intre 1 ms si 2 ms.Acestea apar la o durata de aproximativ 20 ms. Tensiunea acestor pulsuri depinde de tensiunea de iesire oferita de controler ( situandu-se de obicei in jurul valorii de 5volti).

Modelul de sistem RC ales se numeste Turnigy 6x si este fabricat de compania Hobbyking. Sistemul de fata a fost preferat altora datorita pretului mic de achizitie( 30 dolari) , razei de actiune oferite , dar si pentru fatpul ca permite utilizarea unor canale suplimentare pentru diferite actiuni.Alimentarea trasmitatorului se realizeaza prin utilizarea a 4 baterii sau acumulatori AA , fiecare avand o tensiune nominala de 1.5 volti (6 volti in total). Este recomandata verificarea tensiunii acestora si a integritatii la anumite intervale de timp pentru a fi inlocuiti atunci cand este cazul , fara a pune in pericol intregul quadcopter.

Din datele oferite de producator transmitatorul (reprezentat de telecomanda) are o putere de 20 dBm , ceea ce inseamna ca sistemul poate fi folosit pentru distante maxime de 1.5 kilometri , in cazul in care nu exista obstacole care sa restrictioneze transmiterea corecta a semnalului. Curentul consumat de transmitator se situeaza in jurul valorii de 150 mA.Transmitatorul este alcatuit din doua manete ( asemanatoare cu joystick-urile prezente si pe consolele de jocuri) a caror functionare este asemanatoare cu cea a unor potentiometre . Maneta din stanga este responsabila de controlul acceleratiei ( punctul inferior al cursei manetei reprezinta acceleratia minima , iar punctul superior al cursei acesteia marcheza acceleteatia maxima). In cazul miscarii manetei pe orizontala se controleaza miscarea de rotatie a aparatului. Maneta din partea dreapta a telecomenzii este cea care permite deplasarea quadcopterului in fata sau in spate (daca este miscata pe verticala) respectiv la stanga sau la dreapta( daca este miscata pe orizontala). Cele 4 sensuri de miscare ale manetelor ocupa primele 4 canale dintre cele 6 oferite de acest sistem RC. Canalele 5 si 6 sunt pozitionate in partea superioara si pot fi configurate prin intermediul software-ului sa execute anumite actiuni . Pe canalul 5 se va face schimbul intre 2 moduri de zbor( de exemplu intr-una din cele doua pozitii se va putea utiliza modul in care se mentine altitudinea , iar in cealalta aparatul va ateriza automat). Canalul 6 va fi util pentru actionarea unor led-uri sau buzzere, prin a caror declansare utilizatorul va putea observa mai bine pozitia in care se situeaza aparatul.In partea inferioara a transmitatorului se regasesc 6 intrerupatoare responsabile de modificarea sensurilor celor 4 manete. Langa ambele manete se remarca prezenta a cate 2 comutatoare , denumite trimmere. Acestea sunt responsabile de realizarea unui control mai fin al aparatului. Astfel daca, in lipsa unor perturbatii (cum ar fi miscarea brucsa maselor de aer) quadcopterul va avea mereu tendinta ca dupa decolare sa se deplaseze intr-o anumita directie (stanga , dreapta , inainte sau inapoi) si fara ca utilizatorul sa dea vreo comanda , se va apela la aceste 4 comutatoare pentru a corecta aceasta abatere. Procedeul se repeta pana cand se obtine o imbunatatire a pozitiei aparatului. Este important ca acest proces sa fie corect realizat deoarece ,in functie de rezultatul acestuia controlul aparatului va fi imbunatatit sau din contra va fi mai dificil.

In ceea ce priveste receiver-ul , care are la randul lui un rol important s-a avut in vedere alegerea unui model care sa aiba o greutate cat mai redusa , iar dimensiunile acestuia sa permita montarea lui pe cadrul quadcopterului ,intr-un loc care sa fie ferit de eventualele campuri electromagnetice fiind cunoscut faptul ca in prezenta unui astfel de camp semnalul receptionat de receiver poate fi alterat.Greutatea modelului ales este 11.5 grame , in timp ce dimensiunile lui sunt de : 41mm(lugime) x 28mm(latime) x 14 mm (grosime). Receiverul accepta o alimentare la o tensiune cuprinsa in intervalul 4.5v-9.6v , astfel ca tensiunea oferita de controlerul de zbor ( 5v) a fost suficienta. Curentul consumat nu depaseste valoarea de 30 mA. Modulul prezinta 6 porturi corespunzatoare canalelordisponibile. Fiecare port este compus din 3 pini dintre care 2 pini responsabili de alimentarea cu 5v (+ si -) , iar cel de-al treilea pin ofera semnalul ce va fi transmis catre controlerul central. Functionarea intregului sistem se bazeaza asadar pe comenzile date de utilizator ( considerate intrari) ce sunt convertite in impulsuri pwm de o anumita durata si apoi sunt transmise catre receiver. Acesta receptioneaza si decodifica semnalul pwm trimitandu-l la randul sau catre controlerul de zbor prin conectarea celor 6 porturi ale sale la porturilor de intrare ale controlerului de zbor. Dupa aceasta etapa , impulsurile sunt prelucrate de catre acesta si in fucntie de valoarea duratei lor sunt transmise , prin intermediul porturilor de iesire ,comenzile catre fiecare din cele 4 ESC-uri responsabie de controlul individual al motoarelor.

8. Sistemul de transmisie video: Emitator + Receptor

Pentru a putea controla quadcopterul la distante mai mari , la care contactul vizual cu acesta se diminueaza este necesara implementarea unui sistem radio de transmisie video. Acesta va prelua imaginile captate de camera video montata la bordul aparatului prin intermediul unui transmitator. Imaginile vor fi receptionate la sol prin intermediul unui receptor video. Majoritatea sistemelor de transmisie video functioneaza fie pe frecventa de 2.4 Ghz fie pe 5.8 Ghz.Fiecare dintre cele 2 frecvente prezinta anumite avantaje si dezavantaje. Un sistem de transmisie video pe 2.4Ghz are avantajul ca semnalul acestuia poate patrunde mai usor prin eventualele obstacole ce pot aparea intre receptor si emitator cum ar fi diverse cladiri , copaci , stalpi de telecomunicatii etc.Dezavantajul unui astfel de sistem este calitatea mai scazuta a imaginii recepionate datorate lungimii de unda mai mici. In cazul unui sistem de transmisie video pe 5.8 ghz avantajul il va reprezenta calitatea superioara a imaginii raportat la cel de 2.4 ghz . Dezavantajul acestuia va fi capacitatea mai scazuta a semnalului de a patrunde prin eventualele obiecte ce se pot interpune intre receptor si emitator. Astfel , in cazul in care aparatul s-ar situa in apropierea unui copac exista posibilitatea ca semnalul transmis sa fie diminuat sau chiar complet pierdut , ceea ce ar duce la pierderea orientarii care ,implicit, ar pune in pericol aparatul de zbor. Alegand un sistem de comanda RC pe 2.4 ghz ,am preferat ca sistemul de transmisie video sa functioneze pe o alta banda de frecventa , astfel ca s-a mers pe varianta unui sistem de 5.8 ghz .

Pentru a imbunatati sistemul de transmisie video se pot monta antene cu o polarizare diferita. Astfel , indiferent de frecventa pe care functioneaza aceasta ,in cadrul antenelor utilizate se remarca prezenta a doua tipuri de polarizare: liniara si circulara. Alegerea uneia dintre aceste doua tipuri antene poate reprezenta o imbunatatire substantiala in calitatea imaginii receptionate.

Polarizarea liniara apare in momentul in care undele electromagnetice sunt transmise pe un singur plan ( orizontal sau vertical). Datorita emiterii concentrate , antenele liniar polarizate au o raza de actiune mai mare decat cele polarizate circular. Polarizarea liniara este de doua tipuri : verticala si orizontala.O antena este denumita vertical polarizata atunci cand campul electric al acesteia este perpendicular cu suprafata Pamantului.Astfel de antene sunt intalnite in cadrul turnurilor de transmisie AM sau in cazul antenelor montate pe automobile. Pentru o antena orizontal polarizata, campul electric al acesteia este paralel Pamantul. Astfel de antene sunt utilizate pentru transmiile TV.

In cazul antenelor polarizate circular , acestea emit campuri electromagnetice intr-o forma asemanatoare cu cea a unei spirale.O astfel de antena emite energie asadar in ambele planuri simultan ( orizontal si vertical). Polarizarea circulara este cel mai des utilizata in comunicatiile pe baza de sateliti deoarece indiferent de pozitia Pamantului fata de acestea sau de alte elemente ce pot aparea intre acestea , semnalul transmis se va mentine constant. Pentru a atinge cele mai bune performante este de preferat ca ambele antene ( atat cea montata pe receptor cat si cea montata pe emitator ) sa aiba aceeasi polarizare.Chiar si in cazul in care s-ar folosi antene cu polarizari diferite , transmisia video ar fi posibila in continuare , insa nu la calitatea maxima disponbila. Astfel daca se doreste ca aparatul sa fie controlat la distante mai mari de 1 kilometru este recomandat ca antenele utilizate sa fie polarizate liniar , insa utilizatorul va trebui sa fie atent deoarece in cazul unor distante atat de mari este foarte posibil ca intre emitator si receptor sa se interpuna un obstacol . Pentru distante mai mici de 1 km , se recomanda utilizarea unor antene polarizate circular intrucat acestea vor asigura o transmisie cu o calitate video superioara chiar daca quadcopterul va efectua viraje sau rotatii.

`

Un alt element important in alegerea unei atene este castigul dBi. Neavand o sursa care sa ii asigure alimentarea(asa cum se intampla in cazul amplificatoarelor) antena primeste enenrgia de la sursa responsabila de semnal si apoi o concentreaza cate o zona mai mica sau mai mare in functie de valorea factorului dBi. In cazul antenelor standard , regasite si in cadrul routerelor wireless , valoarea castigului dBi este de aproximativ 3 dBi. La fiecare 3 dBi adaugati , distanta la care semnalul se propaga se dubleaza. Astfel , daca pentru o antena de 3 dBi , producatorul sistemului de transmisie video mentioneaza ca imaginea poate fi transmisa fara probleme la o distanta de 500-600 metri , in cazul inlocuirii acesteia cu o antena de 6 dBi distanta de transmisie se va dubla si va ajunge la aproximativ 1 km- 1.2 km. Pentru o antena de 9 dBI distanta utila va ajunge la aproximativ 2 km. Trebuie mentionat ca odata cu cresterea factorului dBi , se va mari si dimensiunea antenelor. Daca pentru o antena de 3 dBi dimensiunile acesteia sunt de aproximativ 10 cm , in cazul unei antene de 9 dbi , dimensiunile se vor tripla ( la fel ca si valoarea factorului dBi) , ceea ce va face montarea acesteia mai dificila. Totusi , prin modificarea antenei , se obtine o imbunatatire considerabila a distantei de transmisie fara a opera alte schimbari la puterea sistemului . In majoritatea tarilor exista legi ce impun ca sistemele radio dedicate modelismului sa nu depaseasca anumite valori. De exemplu , in Anglia puterea unui astfel de sistem este limitata la maximum 100 mW , in Germania ( la fel ca si in Romania ) limitarea apare la valoarea de 200mW. Aceste masuri sunt luate cu scopul de a evita eventualele interferente ce pot aparea cu sistemele de radiotransmisie. Desi riscul aparitiei acestor interferente este destul de scazut , este recomandat ca sistemele alese sa se incadreze in limitele impuse.

In alegerea sistemului video de transmisie s-a tinut cont de anumiti factori ce caracterizeaza performanta respectivului sistem. Acesti factori au fost reprezentati de : distanta de transmisie a imaginii , dimensiunile emitatorului, curentul consumat de ambele module (emitator +receptor) , gama de frecvente pe care opereaza , standardul video ( prin intermediul caruia se preiau imagini de la o camera video compatibila) , tensiunea de alimentare , greutate dar si tipul formatului video ce va fi transmis. Tinand cont de aceste elemente am ales sistemul de transmisie AV denumit RC580 ce ofera o putere de 200mW. Asa cum se poate vedea si din primele doua cifre ale numelui sau(„58”) , se observa ca banda de frecventa pe care acesta functioneaza se situeaza in jurul valorii de 5.8 ghz , variind mai precis in intervalul 5705 Mhz -5945 Mhz.Ultimele doua cifrele din numele sau si anume „08” , precizeaza numarul de canale pe care sistemul poate fi configurat. Astfel ,atat transmitatorul cat si receptorul beneficiaza de 8 canale pe care pot comunica. Selectarea acestora se face cu ajutorul a cator 4 comutatoare , regasite pe fiecare modul. Prin modificarea atenta a pozitiilor acestora se poate selecta unul din urmatoarele canale: canalul 1 (5705 mhz) ,canalul 2 (5685Mhz) , canalul 3 (5665 Mhz) , canalul 4 (5645 Mhz) , canalul 5 (5885Mhz), canalul 6(5905 Mhz), canalul 7(5925), canalul 8 (5945 Mhz). Aceasta optiune de a schimba canalul ofera avantajul de a evita interferentele pe o banda de frecvente.dintr-o anumita zona. Din testele realizate, in diferite locuru canalul 4 ofera cea mai buna ecranare a informatiei transmise. Formatul video transmis si receptionat poate fi NTSC sau PAL. Standardul video utilizat este AV ( audio-video) , un standard analog de transmisie a fluxului video , astfel ca modelul de camera si de ecran ales vor trebui sa aiba acelasi standard (AV). Acesta este regasit in principal in cadrul televizoarelor de generatie mai veche si permite conectarea la un player DVD . Consumul de curent al fiecarui modul nu depaseste valoarea de 150 mA.Tensiunea acceptata de transmitatorul video este cuprinsa inintervalul 7 – 15 v , iar cea a receptorului video se situeaza intre 6.5 – 12 v. Greutatea emitatorului este de 28 grame ( incluzand o antena stanadard de 3 dBi) in timp ce dimensiunile acestuia sunt de 55 mm(lungime) x 28 mm(latime) x17 mm (grosime) , astfel ca pozitionarea acestuia la bordul quadcopterului s-a dovedit facila. Din testele efectuate pe un banc de probe , am remarcat ca temperatura emitatorului creste considerabil dupa o utilizare continua de 10 minute a acestuia.Desi este dotat cu un radiator de aluminiu , responsabil de racirea modului , producatorul recomanda ca in momentul montarii sale sa se aleaga o zona cu un flux marit de aer , ceea ce nu va reprezenta o dificultate avand in vedere fluxul de aer remarcabil realizat de cele 4 elici. Receptorul video ofera posibilitatea de a afisa imaginile simultan pe doua monitoare prin intermediul a doua mufe AV.

Un alt aspect important de care trebuie tinut cont este alimentarea emitatorului. Din specificatiile producatorului , se observa ca accepta o tensiune minima de 7v si o tensiune maxima de 15 volti , astfel ca in cazul alimentarii acestuia la bateria principala a quadcopterului (cu o tensiune maxima de 16.8 v) ar putea genera o supraincalzire a modulului, ce poate determina pierderea semnalului sau in cazul unei durate mai mari de timp se poate ajunge chiar la distrugerea emitatorului. De asemenea,un alt motiv pentru a evita bateria principala (chiar daca aceasta are o tensiune de cel mult 15 v) este reprezentat de zgomotul electric ce apare in momentul in care turatia motoarelor se schimba. Din acest motiv se prefera utilizarea unei baterii secundare cat mai usoare care sa alimenteze camera si emitatorul . Am ales o baterie 2s (cu celule) , a carei tensiune variaza intre 6 si 8,4 v in functie de nivelul de descarcare , cu o capacitate de 1000mA , suficienta pentru a alimenta camera si emitatorul pe durata unui zbor de 30 de minute . Factorul de descarcare C al bateriei , nu este important intrucat cei doi consumatori conectati la aceasta nu necesita un curent mai mare de 400mA.

9. Camera video AV

In cazul in care quadcopterul va fi controlat de la distante ce nu vor permite contactul vizual direct al utilizatorului , aparatul va trebui sa fie dotat cu o camera video. Astfel , prin intermediul acesteia se vor putea observa obiectele din jurul quadcopterului , iar pozitia acestuia va putea fi modificata cu usurinta.In alegerea unei camere potrivite pentru acest caz , cei mai importanti factori au fost :standardul video (prin care se trimite fluxul video catre emitator) , greutatea , dimensiunea si calitatea imaginilor. Pe langa acestia s-a avut in vedere si tensiunea de alimentare necesara , curentul consumat , dar si existenta unei carcase adecvate care sa protejeze circuitele interne ale camerei.

Tinand cont de acesti factori am ales modelul bazat pe un senzor Sony denumit 800TVL. Modelul de fata beneficiaza chiar si de o carcasa din aluminiu , menita sa protejeze circuitele electronice de umezeala sau de eventualele socuri aparute in momentul unei aterizari bruste. Greutatea totala a sistemului video ( incluzand aici si firele , respectiv mufele prin care se face transmisia semnalului) este de aproximativ 30 de grame , in timp ce dimensiunile carcasei in care se regaseste montata camera sunt de 36 mm (lungime)x36mm(latime) x 11 mm (grosime) . O functie utila a carcasei este ca permite rotirea camerei pe verticala la un unghi de 360 de grade , ceea ce permite utilizatorului sa isi aleaga in functie de necesitati,inainte de zbor , unghiul la care doreste sa se realizeze filmarea .

Rezolutia imaginilor este de 1.3 megapixeli, adica 1280×1024 pixeli .Camera poate fi utilizata si in conditii de iluminare slaba (0.001 LUX) , ceea ce inseamna ca poate fi de folos chiar si in cazul in care zborul este realizat in decursul unei nopti. Alimentarea se realizeaza cu o tensiune ce poate varia intre 5v si 24 volti , astfel ca bateria 2S aleasa sa alimenteze si emitatorul video va fi suficienta . Consumul de curent nu depaseste valorea de 200 mA. Camera beneficiaza de protectie la supratensiune, la descarcari electrostatice , sau la inversarea polaritatii. Un alt avantaj il reprezinta faptul ca lentilele camerei pot fi schimbate in functie de necesitate. Lentilele standard primite la achizitionarea camerei ofera un unghi larg de aproximativ 120 de grade, suficient pentru ca utilizatorul sa isi faca o idee de ansamblu asupra mediului.

Standardul video prin intermediul caruia se poate realiza conexiunea cu emitatorul video este AV.Mufa prezinta 3 pini (doi pini pentru realizarea alimentarii si un pin pentru semnalul video ce va fi conectat la emitator. Camera ofera de asemenea posibilitatea de a efectua anumite ajustari asupra imaginii . Se poate modfica balansul de alb , culoarea culorilor sau poate incepe inregistrarea automat in momentul in care detecteaza miscare . Un alt aspect interesant este ca in cazul in care camera este expusa brusc la o lumina puternica ,se activeaza o protectie care opreste inregistrarea pana cand cantitatea de lumina revine la valoarea initiala.Acest lucru protejeaza senzorul camerei de expunerea brusca la o sursa puternica de lumina ce il poate distruge .

10.Ecran

Pentru ca utilizatorul sa poata vedea imaginile surprinse de camera video si trimise catre acesta prin intermediul sistemului de transmisie video va fi necesara utilizarea unui ecran care sa aiba o mufa AV , prin imtermediul careia se va face legatura cu receptorul video. Elementele caracteristice ale unui monitor adecvat situatiei de fata . Un astfel de monitor trebuie sa aiba anumite caracteristici in ceea ce priveste urmatoarele aspecte: diagonala , rezolutie , luminozitate , unghi de vizualizare, consum de curent , tensiune de lucru , greutate. Exista mai multe variante de ecrane ce pot fi utilizate pentru a urmari imaginile transmise in timpul zborului. Sunt folosite in acest scop televizoare portabile , ecrane dedicate sau alte dispozitive asemanatoare.

Avand in vedere pretul unei solutii dedicate am preferat sa aleg varianta unui player DVD portabil ce ofera si o intrare AV prin intermediul careia se va primi fluxul video de la receptorul video. Acesta beneficiaza de o baterie interna inclusa astfel ca nu va mai avea nevoie de o sursa externa de alimentare. Incarcarea bateriei se realizeaza prin intermediul unui incarcator dedicat ce ofera o tensiune de iesire de 9v si un curent de 900 mA. Spre deosebire de ecranele dedicate , varianta aleasa pentru situatia de fata ofera o diagonala de 10 inchi , care s-a dovedit a fi suficienta. Rezolutia ecranului este de 800×480 pixeli, iar luminozitatea acestuia poate fi ajustata , valoarea maxima atingand valoarea de 400 cd/m² (candela/ metru²). Un alt avantaj al modelului ales este reprezentat de faptul ca ecranul poate fi rotit la un unghi de 360 de grade pentru o vizualizare optima indiferent de conditiile meteo sau de pozitia utilizatorului fata de acestea. In testele efectuate nu am intalnit dificultati majore in citirea informatiilor afisate pe ecran , singurele probleme depistate fiind determinate de aparitia unor bruiaje minore a caror cauza s-a dovedit a fi distanta considerabila dintre emitatorul si receptorul video (aproximativ 500 metri). Greutatea sistemului este de 360 grame , incluzand si bateria. Puterea maxima consumata (valoare atinsa doar in momentul in care se selecteaza o valoare ridicata pentru luminozitate) este de 5W , astfel ca sistemul de afisare are o autonomie de lucru de aproximativ 1 ora si 30 de minute .

11.Modul GPS

Pentru a efectua un zbor la punct fix quadcopterul va avea nevoie sa fie dotat cu un modul GPS prin intermediul caruia va prelua informatii despre pozitita in care se afla aparatul. Pe baza informatiilor receptionate de la modulul GPS , controlerul de zbor va face ajustarile necesare pentru a mentine pozitia initiala a aparatului , chiar si in prezenta unor perturbatii cum ar fi de exemplu miscarea maselor de aer. Modulul este dotat cu 2 leduri de stare. Unul dintre acestea , de culoare rosie, indica faptul ca modulul este pornit ,in timp ce al doilea led , de culoare verde, va clipi in momentul in care s-a obtinut o legatura cu cel putin 3 sateliti. Sistemul de pozitionare globala (GPS) reprezinta de fapt o grupare de 27 de sateliti regasiti pe orbita Pamantului , in anumite pozitii , astfel incat indiferent de locul receptorului GPS , situat pe Pamant , si indiferent de ora sau conditii meteorologice se va putea obtine o localizare precisa a acestuia.In momentul in care receptorul GPS primeste semnal de la cel putin 3 sateliti se poate calcula o pozitie 2D , ceea ce inseamna ca se pot obtine latitudinea si longitudinea . In cazul in care receptorul primeste semnal de la 4 sau mai multi sateliti se poate stabili o pozitie 3D , care ofera in plus fata de localizarea 2D si altitudinea. Dimensiunile unui receptor GPS variaza de la cativa centimetri cum este cazul modelelor intalnite in telefoanele actuale , pana la cele de dimensiuni considerabile ( utilizate pentru precizia deosebita pe care o confera in cadrul experimentelor de exemplu). Pentru situatia de fata precizia oferita de un modul cu dimensiunile de 22mm x33 mm este suficienta. Abaterea acestuia variaza intre 2.5 m si 3m in functie de numarul de sateliti la care s-a conectat. Modelul ales prezinta in partea inferioara chip-ul GPS , iar in partea superioara antena , prin care se obtine semnalul de la sateliti. Modulul prezinta 4 pini prin care se realizeaza conectarea la controlerul de zbor. Doi pini sunt responsabili de alimentarea receptorului cu o tensiune de 5v , iar ceilalti doi realizeaza comunicarea cu controlerul de zbor. Pinul inscriptionat cu RX primeste informatii de la controler , in timp ce pinul TX , cel mai important de altfel , trimite informatiile referitoare la pozitie catre unitatea centrala de prelucrare. Fiind un element extrem de sensibil la zgomotul electric regasit in apropierea placii de distributi , este recomandat sa fie montat cat mai departe posibil de acestea. Tinand cont de acest lucru , am confectioant o tija din aluminiu cu o lungime de 15 cm pe care am fixat receptorul GPS. Pentru a retine informatiile privitoare la pozitionarea satelitilor pe o perioada de cateva zile modulul este dotat cu o baterie de mici dimensiuni. Greutatea intregului sistem GPS (incluzand aici si firele ce realizeaza conexiunea cu controlerul principal ) este de 20 de grame.

12.Modul de afisare a parametrilor de zbor

Pentru a cunoaste valoarea diferitilor parametri in timpul zborului a fost necesara montarea unui modul OSD (on screen display). Acesta primeste prin intermediul unor pini ,conectati la portul de telemetrie al controlerului de zbor , valori ale unor parametri ( ce pot fi configurati de utilizator) precum : altitudine , orientare ,coordonate GPS, viteza de deplasare , tensiunea bateriei si altele . Parametrii alesi vor fi afisati pe monitorul player-ului DVD, fiind practic suprapusi peste imaginile oferite de camera video. Informatiile oferite de acesta sunt utile , mai ales in cazul in care quadcopterul zboara la o distanta sau o altitudine considerabila fata de utilizator , astfel incat acesta poate cunoaste in permanenta pozitita aparatului , capacitatea bateriei , orientarea aparatului si poate decide momentul in care considera ca este necesar ca aparatul sa se intoarca la punctul de decolare. In lipsa unui astfel de modul , utilizatorul ar trebui sa realizeze constant calcule pentru a cunoaste nivelul curent al bateriei , pozitia in care se afla aparatul precum si timpul necesar intoarcerii acestuia la punctul initial. Transmiterea datelor catre ecranul de pe care se poate urmari zborul se realizeaza prin intermediul sistemului de transmisie video .Dispozitivul ales are la baza un microcontroler Atmega 328P( identic cu cel intalnit pe placile Arduino UNO) ce are incarcata in memoria sa o secventa de program ce permite programarea acestuia prin intermediul cunoscutului mediu de programare Arduino IDE . Pe langa acesta se mai regaseste un chip denumit MAX7456(produs de Maxim), responsabil de afisarea unor caractere monocrome pe ecran. Conectarea dispozitivului la un computer se realizeaza prin intermediul unui modul FTDI . Acesta se ataseaza in partea stanga a modului, unde se regasesc si cei 4 pini responsabili de comunicarea cu controlerul de zbor. Doi dintre acestia realizeaza alimentarea cu 5v a modulului OSD , iar ceialalti doi , denumiti RX si TX sunt responsabili de receptionarea datelor ce ofera valorile diferitilor parametri de zbori alesi. In partea opusa se regasesc pinii intermediul caruia se realizeaza alimentarea chip-ului video MAX7456 . Se observa ca acesta este separat de microcontrolerul principal Atmega 328P si necesita o alimentare separata la o tensiune ce poate varia in intervalul 6 v-12v . Aceasta este asigurata de bateria suplimentara cu 2 celule , folosita si in cazul camerei video sau a emitatorului video. Langa pinii ce asigura tensiunea pentru chip-ul video se regasesc si cei prin intermediul carora se face suprapunerea valorii parametrilor peste imaginile primite de la camera. Acestia sunt inscriptionati cu Vin respectiv Vout si reprezinta prescurtarea pentru VideoIN ( la care se realizeaza conexiunea cu semnalul video de la camera) respectiv VideoOut ( acesta contine fluxul video final ce include paramterii de zbor , fiind conectat direct la emitatorul video).Modul prezinta si cateva led-uri de stare ce semnalizeaza functionarea acestuia .

13.Senzor pentru masurarea tensiunii bateriei

Cunoasterea in permanenta a nivelului bateriei reprezinta un avantaj important astfel incat utilizatorul quadcopterului poate determina cu precizie timpul ramas pana cand aceasta atinge nivelul critic(10% din capacitatea totala) . Odata atins acest prag , pilotul trebuie sa caute un loc adecvat pentru a efectua aterizarea aparatului in conditii de siguranta. Modulul care ofera aceasta valoare actualizata a capacitatii curente a bateriei se numeste senzor de curent si tensiune si se bazeaza pe principiul unui divizor de tensiune. Acesta este localizat intre bateria principala si placa de distributie ,si masoara in permanenta toate schimbarile in tensiunea acesteia. Iesirile senzorului sunt trimise prin intermediul a 3 fire catre un port al controlerlui de zbor.Cele 3 fire reprezinta valoarea tensiunii , a curentului si respectiv minusul. Senzorul este realizat astfel incat unei tensiuni de intrare de 12 volti(ce reprezinta valoarea minima pentru o baterie cu 4 celule) ) ii corespunde o valoare de iesire de 1,5v , iar pentru o tensiune de intrare de 16.8 volti(ce reprezinta valoarea maxima a unei baterii cu 4 celule) ii corespunde o valoare de iesire de 1.8v. Circuitul divizorului de tensiune se bazeaza pe doua rezistente montate ca in figura de mai jos. Cunoscand valorile celor doua rezistente se calculeaza un factor care inmultit cu valoarea tensiunii de iesire Vout va avea drept rezultat valoarea tensiunii de intrare. Circuitul este utilizat in general in cazuri in care este necesara masurarea unei tensiuni mai mari(de obicei peste 6volti) , iar controlerul catre care este trimisa valoarea acesteia nu accepta mai mult de 5.5 volti, asa cum este si cazul de fata.In ceea ce priveste portul controlerului la care se realizeaza conectarea senzorului , trebuie verificat cu atentie ca acesta sa nu prezinte o tensiune parazita , intrucat in acest caz masuratorile ar fi influentate negativ , rezultand o valoare eronata ce poate cauza probleme serioase . In testele realizate acuratetea masuratorilor a fost destul de ridicata , remarcand existenta unei diferente de doar 0.04 volti intre valoarea bateriei masurata cu un multimetru si cea oferita de senzorul de tensiune . Un alt aspect important de care am tinut cont a fost reprezentat de alegerea unor fire adecvate care sa permita realizarea legaturii intre baterie si placa de distributie. Diametrul acestor fire a fost ales in asa fel incat sa reziste la trecerea unui curent de maximum 62 A ( valoare atinsa doar in cazul in care toate motoarele se afla la puterea maxima).

14. Avertizor optic si acustic pentru nivelul scazut al bateriei

In anumite cazuri interferentele pot afecta calitatea fluxului video receptionat sau chiar pot intrerupe temporar receptia video . De aceea este recomandata utilizarea unui avertizor care sa semnalizeze nivelul scazut al bateriei ( acesta reprezentand totodata un factor critic pentru siguranta zborului). La atingerea unui anumit prag al tensiunii se vor declansa martorii optici ce constau in 8 led-uri de semnalizare . Patru dintre acestea sunt de culoare verde si anunta utilizatorul ca fiecare dintre cele 4 celule al bateriei are o tensiune de peste 3.5 volti , ceea ce inseamna un total de 14 volti . Celelalte 4 leduri , de culoare rosie semnalizeaza ca tensiunea uneia sau mai multor celule a scazut sub nivelul mentionat. In momentul in care tensiunea bateriei scade sub 12 volti , se va declansa un buzzer ( difuzor) ce va emite un sunet puternic. Acesta va avertiza utilizatorul ca bateria a atins un nivel minim de aproximativ 10% din capacitatea bateriei si ca este necesara inceperea manevrei de aterizare. Modulul este dotat cu 5 pini( 4 dintre acestia reprezinta tensiunea fiecarei celule, in timp ce al cincelea pin reprezinta minusul) ce vor fi conectati la mufa de egalizare a bateriei. Pentru a proteja circuitul electronic de umezeala , praf, sau de un eventual scurtcircuit , modulul este izolat de mediul exterior prin intermediul unui plastic incolor . Greutatea intregului circuit este de 7grame , in timp ce dimensiunile acestuia sunt de 38 mm (lungime) x 25 mm (latime) x 11 mm (grosime) .

Descrierea mediului de programare / IDE

Mediul de programare utilizat este Arduino IDE , la fel ca si in cazul placilor Arduino. Mediul integrat de dezvoltare Arduino este destinat scrierii programelor ce pot fi incărcate pe platformele fizice Arduino. Interfața este realizata in Java și mediul de programare folosește limbaje de programare de tip open source precum Processing, avr-gcc. Interfața este multiplatformă, putând rula în Windows©, Mac OS X© și Linux. Programul poate fi obținut atât ca executabil specific platformei de lucru pe care o aveți dar și sub formă de cod sursă pe care il puteți compila conform condițiilor specifice pe care le aveți. Software-ul Arduino este scris într-un limbaj similar cu C++, compilat pe PC-ul pe care rulează IDE și apoi descărcat prin USB. Depanarea este posibilă prin IDE.  Arduino este furnizat cu IDE și biblioteci ce au fost proiectate pentru ușurința de utilizare și pentru a asigura suportul celor care nu sunt programatori, astfel că în câteva minute de la instalare pot fi realizate aplicații cu LED-uri care clipesc și se pot citi diversi senzori(de lumina,zgomot , de temperatură etc)

Concluzie

Prin intermediul acestui proiect poate fi controlat un multicopter cu ajutorul unei sistem de radiocomanda pe diferite frecvente( 2.4 ghz, 5,6 ghz etc). Pentru indeplinirea acestui obiectiv sunt utilizate joystick-urile telecomenzii pentru a pliota aparatul in fiecare directie (sus-jos, stanga-dreapta, rotire). Avantajul platformei realizate este data de viteza de reactie foarte mica a aparatului de zbor din momentul in care utilizatorul da comanda de miscare si pana cand aceasta este executata. Acest lucru se datoreaza in principal controller-ului de zbor echipat cu un microcontroler rapid(ATMega2560) , eficient , ce ofera totodata accesul la un mediu de dezvoltare cu solutii inifinte de implementare si anume Arduio IDE.