PROGRAMUL DE STUDIU: CALCULATOARE FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT: IF PROIECT DE DIPLOMĂ COORDONATOR ȘTIINȚIFIC PROF.DR.ING. ȘTEFAN VARI-KAKAS ABSOLVENT HOMONE… [306015]

UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ ȘI TEHNOLOGIA INFORMAȚIEI

PROGRAMUL DE STUDIU: CALCULATOARE

FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT: IF

PROIECT DE DIPLOMĂ

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC

PROF.DR.ING. [anonimizat]: [anonimizat]_________

Lucrare de finalizare a studiilor a student: [anonimizat] – Homone Mihaela Teodora

1). Tema lucrării de finalizare a studiilor:

PROIECTAREA ȘI REALIZAREA UNEI PLATFORME STABILIZATE PENTRU FILMARE ȘI FOTOGRAFIERE AERIANĂ

2). Termenul pentru predarea lucrării:

3). Elemente inițiale pentru elaborarea lucrării de finalizare a studiilor:

4). Conținutul lucrării de finalizare a studiilor:

5). Material grafic:

6). Locul de documentare pentru elaborarea lucrării:

[anonimizat], Internet

7). Data emiterii temei:

Coordonator stiintific:

Prof.Dr. Ing. [anonimizat]: CALCULATOARE

FORMA DE ÎNVĂȚĂMÂNT: IF

PROIECTAREA ȘI REALIZAREA UNEI PLATFORME STABILIZATE PENTRU FILMARE ȘI FOTOGRAFIERE AERIANĂ

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC

PROF.DR. ING. : [anonimizat]: [anonimizat]:

Realizarea unui quadcopter în mod practic (hardware)

Crearea componentei software și testarea ei

Integrarea și folosirea camerei video și a GoPro-ului pentru transmisia live și preluarea de imagini

Pentru a realiza acest proiect am studiat articole și cărți de specialitate despre quadcopter și drone. [anonimizat]-o gamă variată pentru a încerca realizarea cât mai eficientă a produsului final.

Pentru realizarea aplicației am avut în vedere următoarele cerințe:

[anonimizat], de lipire și aranjare a producătorului pentru a reuși o funcționare cât mai corectă.

Pentru realizarea cadrului se va cauta un model prefabricat.

Pentru preluarea imaginii trebuie să fie utilizată o cameră integrată în cadrul quadcopterului.

Pentru a avea două funcții vom dezvolta aplicația instalându-i un gimbal cu GoPro.

Pentru o filmare cât mai corectă se vor face teste pentru a stabili unghiul de instalare a camerei și a GoPro-ului.

Pentru realizarea legăturii între quadcopter și utilizator se va folosi un receiver și o telecomandă, iar pentru video se va folosi un transmițător.

Motivația alegerii temei

Quadcopterul (Figura 1) este un aparat de zbor fără pilot (UAV – Unmanned Aerial Vehicle), care are o latură mare de acoperire în diferite domenii de activitate. Acesta are un potențial mare de a [anonimizat]. Domeniile de activitate în care se folosesc frecvent sunt: armată, agricultură, [anonimizat], publicitate și alte activități.

Dezvoltarea tehnologiei și apariția echipamentelor necesare pentru controlul și siguranța quadcopterelor au condus la producerea în masă a acestor aparate.

Motivele principale pentru care eu am ales această temă sunt pasiunea mea pentru zbor și popularitatea acestui aparat de zbor. În cadrul acestei teme am ilustrat etapele necesare pentru a construi un quadcopter care să fie capabil să zboare în mod eficient și să transmită în timp real imagini sau video prin intermediul unei camere montate pe cadru.

Un alt motiv pentru care am ales această temă este dobândirea de cunoștințe din multe domenii diferite, mecanică, programare, comunicații și electronică.

Aceste aparate de zbor fără pilot, au foarte multe aplicații în care pot fi folosite : în misiuni de recuperare din zone dificile de pătruns, echipamente de supraveghere, securitate în cadrul proprietăților private.

Figura Quadcopter

Generalități

Platformele aeriene fără pilot (dronele), reprezintă una din cele mai importante investiții din domeniul militar. Aceste vehicule au fost utilizate doar în misiunile de război, dar în ultimii ani acestea au devenit prezente și în alte laturi ale activității omului, agricultură, arheologie, chiar și jurnalism, dronele asigură o dezvoltare uriașa în deceniile următoare, marcând o schimbare importană în viața noastră.

În anii 1890 Otto Lilienthal, a realizat teste pentru modele de zbor ușor cu planoare fără echipaj uman, în urma multitudinii de încercări acesta a realizat proiecte ambițioase. În cazul lui Samuel Langley, acesta a realizat un aparat de zbor numit ”Aerodrom” , aparat care era proiectat să zboare neghidat și fără echipaj uman, a avut ca rezultat zborul pe o distanța mai mică de o milă. Acest proiect a fost abandonat, dar acesta a rămas în cadrul aviației ca zbor de testare, marcat ca un moment semnificativ.

De-a lungul timpului, specialiștii au ajuns la concluzia că zborul controlat, cu un pilot, este mult mai practic și util. Frații Wright au realizat un proiect utilizând aripi din pânză pentru a coordona ruliu aparatului de zbor. Acest proiect a dus la dezvoltarea tehnică în domeniul aviației.

Puțin mai târziu, Lawrence Sperry a realizat un aparat de zbor incorporând un giroscop pentru a ușura munca pilotului uman.

Dronele în activitățile militare

Prima utilizare a unui vehicol aerian fără pilot (drona) a fost într-un conflict militar care a avut loc în 1982, în Liban. În acest conflict armata israeliană a trimis aeronave fără pilot pentru a studia sistemele de apărare siriene și pentru a acumula datele necesare distrugerii lor. (1)

Realizarea cu succes a acestei misiuni a israelienilor a determinat americanii să reaprindă pasiunea pentru UAV-uri (unmanned aerial vehicles, aceasta este denumirea oficială a dronelor). În cadrul armatei SUA, una din cele mai cunoscute drone este PREDATOR, aceasta fiind inspirată de un design israelian.

Datorită dezvoltării sistemului GPS (Global Positioning System) pe plan mondial, ce permite navigarea oriunde pe glob, dronele pot fi folosite cu acuratețe pe toată planeta, acestea putând să fie controlate de piloți aflați în bazele militare. Putem spune că dronele prezintă o gamă vastă de avantaje față de aeronavele cu pilot, ele reprezentând o armă esențială de război în cadrul armatei americane.

În ultimul deceniu, numărul dronelor folosite în războaie au crescut considerabil, astăzi fiind mai mult de 40 de drone Predator survolând zonele importante ale globului (Afganistan, Pakistan sau Yemen). (1)

Datoriă succesului armatei americane, țări din întreaga lume urmează modelul lor, iar dronele devin o componentă importantă a forțelor armate. Domeniul militar nu este singurul domeniu în care dronele înregistrează transformări esențiale. Aceste UAV-uri sunt folosite în tot mai multe domenii.

Dronele în activitatea civilă

Dronele au fost construite inițial în exclusivitate pentru companiile din domeniul apărării, acestea ridicându-se la costuri foarte mari de câteva milioane de dolari. În zilele noastre pe piață au apărut numeroase variante de mărime, design si preț, fiind mult mai accesibile și putând fi controlate cu ajutorul smartphone-urilor.

Datorită gamei numeroase de variante a UAV-urilor acestea au început să fie folosite tot mai mult în afara forțelor militare, fiind folosite în domenii de activitate diverse.

În diferite țări, numeroși amatori și-au construit drone sau au cumpărat astfel de aparate pentru utilizare în scopuri publice, agențiile imobiliare au început să folosească dronele pentru a realiza materiale publicitare proprietăților în curs de vânzare.

Quadcopterul

Quadcopterul este un aparat de zbor cu 4 elice. Acestea sunt amplasate la exteriorul motoarelor de unde prin ajustarea vitezei lor se poate manevra aparatul în spațiul tridimensional.

În cadrul unui quadcopter motoarele sunt realizate pe un cadru de configurație de tip X sau + (Figura 2).

Figura Tipuri de configurații în cadrul unui quadcopter

Configurația de tip X are stabilitate și accelerație mai mare decât cea + și oferă o vizibilitate mult mai bună.

Quadcopterul este popular în domeniul dronelor datorită calităților sale. Putem spune că un avantaj major al acestor aparate este acela că pot fi utilizate în spații foarte mici și înguste. Acestă latură s-a dezvoltat, a devenit mai accesibilă și i s-au adăugat dotări semnificative : cameră video, GPS, etc. Datorită dezvoltării lui quadcopterului i s-a adăugat comunicația fără fir care oferă acces și control pe distanțe foarte mari.

Rolul motoarelor în cadrul acestui aparat este foarte important, ele realizează mișcarea în direcții diferite prin ajustarea fiecărui motor în parte.

Acestea sunt puse simetric față de centrul de greutate și se rotesc astfel : 2 în sensul orar și 2 în sensul invers (vezi figura 3).

Figura Poziția motoarelor pe quadcopter

Componentele hardware ale quadcopterului :

Flight Controller APM 2.6

Elice

ESC (Electronic Speed Controller)

Receiver și telecomandă

Motoare

Baterie

Frame

Cameră

Gimbal + GoPro

Senzor de temperatură

După realizarea quadcopterului în sens fizic, trebuie conceput un software pentru controlul acestuia. Software-ul trebuie să fie capabil să mențină în echilibru aparatul de zbor, să creeze o comunicație în mod continuu cu quadcopterul și să se comporte ca un controler radio. Pentru a manevra aparatul în directțiile dorite vom avea la dispoziție diferite butoane.

Aplicațiile dronelor

Cartografiere și inspectare – în acest domeniu dronele sunt folosite pentru a realiza hărți de înaltă calitate pentru a fi utilizate în misiuni de supraveghere

Cartofragiere, inspectare și agricultură – Ortofotografia (este o hartă aeriana creată cu ajutorul unui software care a pus mai multe fotografii una lângă alta)

Fotografia aeriană – fotografia aeriană a devenit tot mai populară datorită materialelor fotografice care se pot produce cu ajutorul unei drone. Utilizarea unei drone este mult mai ieftină ca și costuri decât echipamentele complexe(elicopter cu echipaj) și produce lung metraje de calitate ridicată.

Supravegherea – Cu ajutorul dronelor se pot supraveghea de la misiunile de salvare până la festivaluri și proprietăți private

Livrări – Tehnologia curentă dezvoltă un val de popularitate în dorința de a realiza drone pentru a livra pachete. Exemplu : Amazon, a declarat într-un articol că pe viitor își doresc să utilizeze aceste aparate pentru livrarea pachetelor de mici dimensiuni.

Pasiune – un număr tot mai mare de oameni își arată interesul pentru aceste aparate. Ele atrag pasionații atât pe parte de programare/creare a lor, cât și simpla utilizare în scopuri personale(vacanțe).

Capitolul II. Elaborarea părții hardware

2.1 Scheme bloc

Figura Schema bloc de principiu a quadcopterului

Figura Schema bloc a părții de comandă

2.2 Componente utilizate

1.Flight Controller (Pilotul automat) APM 2.6

Figura Placa ArduinoPilot

Pilotul automat este considerat ”creierul” dronei deoarece cu ajutorul lui, drona procesează toate informațiile si trimite comenzile motoarelor și suprafețelor de control.

În momentul în care vorbim despre pilotul automat ne referim la o gamă variată de componente:

aparatul de control al zborului și telemetrie. Cea mai importantă componentă este aparatul de control al zborului deoarece el are funcția de a calcula factorii necesari pentru menținerea aparatului de zbor în aer. Aparatul de zbor ales pentru realizarea acestui proiect are incorporat și un afișaj LCD. Pentru a vedea afișajul vom utiliza un software despre care vom vorbi în capitolul dedicat acelei părți.

Controlerul de zbor APM (Figura 6) este des utilizat pentru controlarea autoturismelor RC, avioanelor și quadcopterelor. Acest controler este popular deoarece are o capacitate excelentă în cadrul revenirii din lansare și funcționalitații Telemetry.

APM 2.6 este o revizuire a APM-ului care folosește o busolă externă. Acesta nu este prevăzut cu o busolă incorporată și este optimizat pentru vehicule în care busola ar trebui să fie amplasată cât mai departe de sursele de alimentare și motoare, pentru evitarea interferenței magnetice.

APM 2.6 este proiectat pentru a fi utilizat împreună cu modul 3DR și cu modul Compass.

Modul Compass poate fi montat mai departe de sursele de zgomot decât APM-ul în sine. Placa 2.6 (figura 7) necesită o busolă la bord pentru autonomie completă.

Figura Placa ArduinoPilot 2.6

Pini de intrare analogici (figura 8):

Pin 0 – 8 : pe o parte și pe alta sunt pini de intrare analogici. Aceștia sunt disponibili ca numere de PINI între 0 și 8 inclusiv variabilele PIN.

Toate aceste pinuri pot dura până la 5V și pot fi folosiți pentru orice intrare analogică generală. Acestea sunt utilizate în mod obișnuit pentru intrări sonar și (airspeed) viteză.

Pin 12 : conectorul de gestionare a alimentării curentului, acceptă până la 5V

Pin 13: pinul de tensiune al conectorului de gestionare a alimentării, acceptă până la 5V, putere 3DR cu scalare 10.1:1

Figura Pinii plăcii ArduinoPilot 2.6

Pini digitali de ieșire

APM 2 utilizează același set de 9 ieșiri digitale ca intrările analogice.

Pin 54 – 62 : Pentru a converti de la un număr pin analogic la un număr pin digital trebuie să adaugăm 54 la numărul PIN. Deci pinul 54 este pinul de ieșire digital pe conectorul A0. Pinul 58 este A4, etc.

Acești pini sunt utilizați cu parametrii RELAY_PIN pentru RELAY_PIN4, permițându-ne să controlăm lucruri precum shutter-ul aparatului foto, etc.

De asemenea, aceștia sunt utilizați ca pini ”stop” pentru sonar, permițându-ne să avem sonare multiple și să nu le interferăm.

GPS – (sistemul de poziționare globală)

Cu ajutorul receptorulor sistemului GPS reușim sa aflăm unde se poziționează drona, el funcționează prin măsurarea timpului de care este nevoie pentru ca un semnal trimis de la un satelit GPS sa se intoarcă inapoi la receptor.

Cu ajutorul mai multor sateliți se poate determina chiar și o poziție 3D.

Datorită piedicilor întâlnite în parcurgerea distanței, timpul poate să fie mai mare decât în realitate. Măsurătorile cele mai precise sunt până la distanțe de aproximativ 5-10 m orizontal și 15 m vertical.

Elice

Elicele sunt componentele responsabile de ridicarea quadcopterului de la sol. Ele sunt cele care creează accelerația care pune în mișcare quadcopterul.

Acestea sunt montate în cuplul motorului. În momentul alegerii elicelor pentru aparatul de zbor trebuie să luăm în calcul mărimea motorului și a ramei.

Modul de numerotare și direcțiile elicelor :

Numerele se referă la ieșirea ESC- urilor controlerului de zbor APM. Elicele 1 și 2 trebuie să se rotească în sens invers acelor de ceasornic, iar 3 și 4 în sensul acelor de ceasornic.

Figura 9. Modul de numerotare și direcțiile elicelor

Elicele trebuie să fie configurate în acest fel deoarece, cele frontale împing aerul în jos și spate, iar celelalte două împing aerul în jos și înainte. Ele sunt astfel montate, în puncte diametral opus pentru a ușura efectul giroscopic al fiecărui motor. Acest lucru duce la stabilitatea quadcopterului.

Figura 10. Elice pentru quadcopter

ESC (Electronic Speed Controller )

Controlerul de viteză ESC, este o componentă din cadrul quadcopter-ului care se ocupă cu controlul de viteză al motoarelor, instrumente care sunt folosite pentru controlul motoarelor fără perii. În realizarea acestui proiect am folosit 4 ESC-uri de 20 A, fiecare responsabil pentru un motor. ESC-urile se alimentează la baterie cu 2 fire de intrare și în partea opusă se conectează motorul.

Figura 11. ESC-uri tip Afro Slim 20A

Rolul ESC-ului este de a transmite energie în motoarele quadcopterului. Ele transmit aceasta energie în intervale de timp configurate de utilizator pentru a-l face să se rotească la viteza dorită.

ESC-urile transmit semnale la o secțiune specifică a motorului pentru a active electromagneții la intervale de timp specifice, pentru a determina aparatul să se rotească. Acest lucru se realizează printr-un microcontroller din interiorul fiecărui ESC.

Marimea ESC-urilor se alege în funcție de greutatea quadcopterelor, la cele mici alegem ESC-uri de 10-12 A, iar pentru cele care sunt prevăzute cu GoPro sau cameră, alegem unele de 20-30 A. În alegerea ESC-urilor un alt factor important este buna completare cu motoarele și elicele alese pentru quadcopter.

Receiver și telecomandă

Quadcopterul din punct de vedere tehnic poate efectua zborul singur, dar pentru a fi controlabil această parte este foarte importantă în realizarea unei platforme UAV.

Controlul radio este prescurtat si R/C sau RC.

Sistemul de control al quadcopterului este realizat din :

Aparatul de transmisie

Receptor

Aparatul de transmisie este partea fizică care este folosită pentru controlul aparatului. Aceasta este prevăzută cu butoane și pârghii care activate va transmite informații spre receptorul aflat în quadcopter. Receptorul va transmite aceste semnale flight controller-ului (pilotului automat), care va executa manevrele dorite.

Figura 12. Receiver și telecomandă

Motoare

În realizarea acestei platforme stabilizate am folosit motoare fara perii (brushless). Aceste motoare sunt des întâlnite în utilizarea dronelor deoarece au o arhitectură simplă și o durată lungă de viață. Alimentarea lor se face cu ajutorul ESC-urilor prin curent alternativ. Pentru a se realiza rotația se injectează curent la 2 din cele 3 infasurari pe rând și în mod periodic. (10)

Figura 13. Motoare de tip brushless

Conductoarele din ESC furnizează curent alternativ motorului și în funcție de frecvența de funcționare se definește și viteza motorului.

Baterie

Bateria este utilizată pentru a alimenta toate componentele folosite în realizarea platfomei. Cel mai popular model de baterie folosit în realizarea acestor platforme este bacteria pe bază de polimer de litiu deoarece furnizează cea mai bună densitate în comparație cu alte baterii. În comparație cu greutatea ei, bateria de litiu acumulează cea mai mare cantitate de energie electrică.

Pentru a clasifica bateriile putem să folosim ca și criteriu principal voltajul. La acest tip de baterii se definește prin numărul de celule. În realizarea acestui proiect am folosit o baterie de tip LiPO de 5400 mAah .

Am ales acest tip de baterie și puterea ei datorită greutății quadcopter-ului.

Pentru încărcarea bateriilor de tip LiPO trebuie utilizat un încărcător special. Trebuie să se țină cont de numărul celulelor bateriei în alegerea acestui încărcător.

Majoritatea bateriilor de tip LiPO au o încărcare maximă evaluată la 5C.

Figura 14. Baterie LiPO – 5400mAh

Frame – Tarot FY650

Figura 15. Rama quadcopterului – Tarot FY650

Tarot Iron Man 650 este construită din fibră de carbon . Platoul ramei este principala secțiune pe care vin montate brațele. În alegerea ramei este foarte important spațiul de care este nevoie pentru a monta toate componentele, de pilotul automat, receptorul R/C, până la echipamentul de telemetrie.

Brațele platformei sunt părțile unde vin montate motoarele. Acest tip de ramă este foarte populară datorită faptului că oferă un spațiu larg și se pot incorpora echipamente în plus. De exemplu: Cadru pentru GoPro.

Echipamentul de aterizare, picioarele quadcopter-ului este important în momentul aterizării deoarece ele feresc echipamentul montat dedesupt de lovirea pământului.

Deoarece am ales să încorporez un cadru pentru GoPro și gimbal a fost importană calcularea distanței necesare pentru a ateriza aparatul în siguranță, fără a avaria echipamentul din partea inferioară.

Camera

Cele mai multe quadcoptere dispun de o camera incorporată cu vedere la persoana I (FPV). Rolul acestor camera este de a transmite în timp real imagini din locul în care se afla quadcopterul. Avantajul acestor camere este acela că sunt foarte mici și ușoare. Un dezavantaj al acestor tipuri de camere este calitatea proastă a imaginilor. Din cauza acestui dezavantaj ele sunt folosite mai mult pentru controlul quadcopterului, iar pentru filmare sau fotografiere este adaugat GoPro-ul. Camera FPV are câteva fire care sunt pentru conectarea alimentatorului și pentru a emite semnale video. Folosind o cameră cu vedere la persona I vă oferă senzația zborului propriu-zis, deoarece sunteți în rolul pilotului virtual.

Figura 16.

Conectarea unei camere la aparatul de transmisie FPV se face astfel : pentru a funcționa transmisia e nevoie ca FPV-ul sa aibă un conector de intrare video și unul de putere. În schema următoare am realizat un exemplu de componente de bază a FPV. Pe rama quadcopterului se montează camera și aparatul de transmisie și sunt alimentate de la baterie. În momentul în care platforma este pe sol imaginile se pot vedea live prin intermediul acesteia, iar când aceasta este în zbor prin intermediul unui

monitor sau telefon.

În realizarea acestui proiect am ales să folosesc camera FPV JF – 01 Mini AIO și transmițătorul Boscam ts351.

Figura 17. Camera FPV JF și transmițătorul Boscam ts351

Gimbal + GoPro

Deoarece atmosfera este instabilă, dronele de cele mai multe ori au de suferit. Curenții ascendenți și descendenți produc vibrații ale aerului. Din cauza acestor vibrații fotografiile și filmarea pot să fie neclare. O rezolvare în acest caz a fost gimbal-ul atașat de quadcopter. Acesta va servi la stabilizarea GoPro-ului oferind o imagine clară.

GoPro-ul este o cameră de acțiune foarte populară în zilele noastre care ne permit să captăm imagini și video de înaltă calitate, unele dintre ele ajungând chiar și la 4K. Avantajul acestor camere este mărimea și greutatea, fiind mici și ușoare se pot incorpora în cadrul quadcopterelor cu ușurință. Aceste camera înregistrează imaginile pe un card SD, datele fiind mai apoi transferate cu ajutorul unui cablu în calculator. Un alt avantaj al acestor camera este acela că pot fi conectate direct la un aparat de transmisie video, imaginile putând fi văzute live. Figura 18. Gimbal și GoPro

Senzorul de temperatură

Funcția GPS

Capitolul III. Elaborarea părții software

Arduino Pilot 2.6 – APM Planner (software)

Pentru a instala software-ul este nevoie de descărcarea aplicației de pe site-ul ardupilot.org.

În continuare voi prezenta pașii pentru a instala cu succes aplicația și a putea configura quadcopterul creat.

Rularea fișierului .exe

Selectarea opțiunilor – Selectați APM Planner 2 files și Qt components (figura 19).

Figura 9 Selectarea opțiunilor din APM Planner

Instalarea cu succes a programului

Configurarea afișajului se va exemplifica prin figura 20.

Figura 0 APM Planner temă

Instalarea firmware-ului: în cadrul acestui pas trebuie să conectăm pilotul automat(FC -Flight Controler) la calculator cu ajutorul unui cablu USB (vezi figura 21).

Figura 2 Conectarea FC la calculator

După ce am conectat Flight Controller-ul la calculator trebuie să facem setările inițiale și să instalăm firmware-ul. După instalarea acestora trebuie să selectăm tipul de vehicol pentru care vom face instalarea (vezi figura 22).

Figura 2 Selectarea vehicolului dorit

Calibrarea Flight Controller-ului:

Pentru calibrarea pilotului automat trebuie să se verifice inainte starea quadcopterului, firmware-ul a fost instalat cu succes, FC este conectat la APM Planner și elicele au fost îndepărtate de pe quadcopter.

Setarea initial (vezi figura 23)

Figura 2 Setarea inițială in procesul de calibrare

Pentru a fi complet procesul de calibrare se va face acest lucru pentru fiecare din următoarele: rama quadcopterului, accelerometru, compas, radio și motoare. Pentru a exemplifica pași necesari pentru a calibra fiecare dintre acestea le vom discuta pe rând.

Rama quadcopterului : Selectarea tipului de ramă și alegerea diagramei corecte pentru a configura vehicolul

Accelerometru : Pentru a configura accelerometru trebuie să selectăm Accel Calibration din meniu. Quadcopterul trebuie ținut într-un punct fix pe toata durata calibrării. (vezi figura 24).

Radio : pentru a realiza acest pas trebuie verificate: quadcopterul este intr-o stare bună de zbor, firmware-ul a fost instalat, FC este conectat cu APM Planner, transmițătorul RC și receptorul sunt legate și alimentate, elicele sunt îndepărtate.

Pregătirea transmițătorului:

Emițătorul trebuie pornit și verificat dacă acesta se află în modul avion (APM are nevoie de acest modul indiferent de tipul de platformă care este pilotată) și toate centrele sunt centrate.

Pentru emițătorul de mod 1, stick-ul din stânga va controla înclinarea și stick-ul din dreapta va controla accelerația și rotirea. Pentru emițătoarele de mod 2, stick-ul din stânga va controla accelerația și cel din dreapta înclinarea. Pentru fiecare tip de emițător, comutatorul cu trei poziții al emițătorului trebuie atașat la canalul 5 pentru a controla modurile de zbor.

Pentru a calibrarea radio se va selecta Radio Calibration și se va configura pilotul automat să lucreze cu transmițătorul și receptorul RC. Selectați Start Calibration(vezi Figura 24).

După începerea procesului, realizați cu ambele stick-uri din telecomandă câte un cerc. Mutați comutatoarele 5 și 6 prin gama lor de poziții. Urmăriți barele roșii de pe ecran pentru a vă asigura că sunt activate comenzile pentru fiacre mișcare de stick. Dacă barele roșii se mișcă în direcția opusă va trebui să inversați canalul de pe emițător. Selectați End Calibrațion cănd s-a terminat procesul.

ESC : pentru calibrarea ESC-urilor am ales să îmi aduc contribuția personală scriind un cod cu ajutorul programului Arduino IDE (cod anexă). Pentru calibrarea ESC-urilor, primul pas presupune sincronizarea celor 4 ESC-uri și cunoașterea semnalului PWM (valoarea maxima și minimă)

Calibrarea lor a fost facută folosind programul din Anexă. Fiecare ESC se conectează la placă și primește comenzile corespunzătoare. La final, toate cele 4 sunt conectate la Flight Controller pentru a fi sincronizate.

Procedura de calibrare:

Se conectează componentele necesare (vezi figura X)

Se rulează programul Arduino IDE

Se trece la starea unde semnalul PMW are valoarea maxima

Se conectează bateria și se urmăresc semnalele de la ESC : ESC intră în modul de programare.

Se trece la starea unde PWM are valoarea minima

Se deconectează bateria.

Această procedură se repetă pentru fiecare ESC în parte.

3.2 Aplicație pentru calculator – Mission Planner

Instalarea aplicației

Pentru a instala aplicația prin care vom comunica cu quadcopterul trebuie să parcurgem următorii pași :

Descărcarea aplicației de pe site-ul ardupilot.org

Figura Pagina de descărcare a programului

Aceast program este special conceput pentru quadcopterele care folosesc placa Arduino.

Mission Planner – Planificatorul misiunii este un program de control pentru avioane, drone și mașini. El este compatibil doar cu sistemul de operare Windows. Mission planner poate fi filosit ca program de configurație sau ca program de control dinamic pentru aparatul creat. Acest program poate fi folosit pentru următoarele lucruri :

Se poate încărca software-ul pentru a controla vehicolul

Setare, configurare si reglare pentru o performanță optima

Panificare, salvare și încărcare de misiuni autonome în autopilot cu o simplă introducere punct-și-punct pe Google sau alte hărți

Descărcarea și analizarea jurnalelor de misiune create de autopilot

Creează legătura între utilizator și quadcopter prin intermediul calculatorului

Cu ajutorul unui dispozitiv de telemetrie adecvat puteți să:

Monitorizați starea quadcopterului în timpul zborului

Înregistrați jurnalele de telemetrie care conțin mult mai multe informații despre jurnalele de bord ale autopilotului

Figura Interfață a programului Mission Planner

Rulați utilitarul de instalare

Figura Rularea utilitarului de instalare

Selectarea tipului de vehicol pentru care se dorește utilizarea interfeței

Figura Tipuri de vehicole din cadrul programului

Deschiderea și configurarea programului

Figura Captură din cadrul programului Mission Planner

3.3 Aplicație pentru Android – QGroundControl

QGroundControl oferă un control complet al zborului și al configurării quadcopterului. Acest program oferă o utilizare ușoară și directă, oferind în același timp un support de înaltă calitate.

Figura Interfața principală a aplicației QGroundControl

Caracteristici cheie ale programului :

Setarea/ configurarea completă a quadcopterului alimentat de la ArduPilot

Suportul de zbor pentru vehicole care rulează pe AruPilot

Planificarea misiunii pentru zborul autonom

Afișarea hărții de zbor indicând poziția quadcopterului, pista de zbor, punctele de parcurs și instrumentele aparatului

Transmisie în timp real cu suprapunerile afișajului quadcopterului

Sprijin pentru gestionarea mai multor aparate

QGroundControl rulează pe : Windows, Linux, iOS și Android

Instalarea aplicației

Figura Aplicația QGroundControl

Figura Configurații în cadrul aplicațieiFigura Interfața aplicației QGroundControl

3.4 Arduino IDE

Arduino IDE (Integrated Development Environment)[16] denumit și Arduino Software este aplicația oferită de Arduino pentru programarea plăcilor hardware. Acest mediu de programare conține un editor text, o zonă de notificări, consola și bara de instrumente cu butoane pentru funcții speciale și o serie de meniuri pentru configurare. Programele scrise în Arduino IDE se numesc schițe și prin editorul de text pot fi editate și modificate astfel încât să poată fi folosite pentru diferite aplicații. Programele sunt salvate cu extensia .ino. Zona de notificări oferă un feedback în timp real iar afișarea erorilor se face la sfârșit. Butoanele de pe bara de instrumente permit verificarea și încărcarea programului, crearea, deschiderea și salvarea schițelor, și deschiderea monitorului de serială.

Software-ul permite lucrul în paralel cu mai multe schițe, acestea fiind coduri de arduino, fișiere de C(cu extensia .c) sau fișiere de C++(cu extensia .cpp). Arduino include multe funcții din limbajul C dar și biblioteci specifice doar pentru mediul Arduino. Pentru includerea bibliotecilor software în program se folosește instrucțiunea #include <Nume.h>.

Monitorul de serială este folosit pentru a trimite sau a recepționa date din dispozitivul hardware. Pentru realizarea comunicației seriale, se folosește funcția Serial.begin(boud-rate). La deschiderea comunicației se pot transmite date introducând textul pe monitor sau putem să citim datele primite. Pentru operațiile menționate mai sus folosim funcțiile Serial.println(), Serial,write() sau Serial.read().

La realimentarea plăcii programul încărcat anterior nu se pierde, acesta fiind salvat în memoria microcontrolerului. Este rolul bootloader-ului să păstreze programul și la alimentare, schița cea mai recent încărcată va fi rulată. Dezavantajul folosirii unui bootloader este faptul că acesta introduce o întârziere în rularea programului, față de folosirea unui programator ce utilizează întreaga memorie flash a cipului.

Capitolul IV. Modul de utilizare

Quadcopterul este un aparat de zbor UAV folosit pentru filmare și fotografiere aeriană. Înainte de folosirea lui există câteva reguli importante pe care trebuie să le cunoaștem.

Informații legate de securitate

Fiecare țară are propriile reguli pentru a putea asigura calmul și siguranța în zbor. De exemplu în UK regulamentele sunt relaxante și acceptabile, însă în Europa ai nevoie de o licență specială pentru a putea ridica un astfel de aparat de la sol.

Locul desfășurării zborului

În momentul în care se dorește ridicarea aparatului de la sol și efectuarea zborului trebuie să se cunoască activitatea din jurul locului. Trebuie luate în considerare pericolul de a accidenta oamenii sau de a lovi drona de construcții, dar și pericolul de a încurca sau chiar produce un accident aerian.

În mod general, nu se poate zbura în apropierea aeroporturilor numai cu permisiunea ATC-ului (controlor de trafic aerian), însă pentru a verifica activitatea aeriană din acea zonă se poate verifica periodic NOTAM-ul (notificare către toate echipajele umane aeriene) emis de CAA.

În următoarea imagine am prezentat o imagine cu ariile restricționate pentru zborul aerian unde nu se permite intrarea.

Figura 19. Captură dintr-un NOTAM

Pregătirea quadcopterului înainte de zbor

Quadcopterul este o platformă relative ușor de asamblat din punct de vedere hardware, însă pentru a ridica aparatul de la sol în siguranță trebuie cunoscute tehnicile de bază ale zborului. Zborul se poate exersa cu ajutorul simulatoarelor de zbor, unde se pot învăța tehnicile de bază.

Pentru a începe zborul propriu-zis trebuie efectuați câțiva pași înainte de a ridica de la sol aparatul :

Verificarea bateriilor.

Bateriile au un rol important, și trebuie verificate cu atenție sporită. Bateriile trebuie să fie încărcate atât pentru dronă cât și pentru laptop-ul sau tableta folosită pentru transmiterea live și afișarea OSD.

Verificarea dronei

Înainte de orice zbor trebuie făcută o verificare amănunțită a aparatului. Trebuie să ne asigurăm că toate componentele sunt fixate în locul stabilit.

După ce s-a verificat partea tehnică a aparatului trebuie verficată și partea software a acestuia, pentru a ne asigura că vom avea un control cât mai. Pilotul automat joacă un rol destul de important și trebuie verificat și acesta să funcționeze în parametrii buni. Pentru GPS trebuie verificat dacă acesta este legat la suficienți sateliți pentru a putea face estimări cât mai corecte asupra poziției.

Un alt aspect impotant este verificarea sistemului de transmisie. Acesta trebuie să comunice în mod corect cu pilotul automat.

Ultimul lucru care trebuie controlat înaintea zborului este partea mecanică, de la brațele quadcopterului până la gimbal și GoPro.

Metoda de operare a quadcopterului:

(1) Comandă de putere, se împinge în sus / în jos pe butonul din stânga pentru a controla în sus / în jos

(2) Comandă de direcție, se apasă butonul din dreapta spre stânga / dreapta pentru al face să zboare în lateral

(3) Comandă de direcție, se împinge în sus / în jos butonul din dreapta pentru a avansa înainte /

înapoi.

(4) Comandă de direcție, se împinge butonul din stânga spre stânga / dreapta pentru a face stânga / dreapta.

(5) Atingerea butonului 360 ° , galben, indică faptul că modul de blocare este activat. Apăsarea butonului din dreapta Sus / jos, stânga / dreapta face quadcopterul să se încline înainte / înapoi / stânga / dreapta.

Conectarea transmițătorului cu quadcopterul

Se impinge maneta de putere în poziția de jos, când controlerul este încă oprit. Se contectează bateria LiPO cu dispozitivul (quadcopterul). Se pornește controlerul și se asociază cu quadcopterul. În momentul în care operația este cu succes se vor auzi două beep-uri și luminile rămân pornite.

Controlul quadcopterului cu ajutorul aparatului de transmisie:

Capitolul V. Concluzii

Obiectivul acestei lucrări a fost realizarea unei platforme de tip quadcopter(cu patru motoare) controlat de la distanță cu ajutorul unei telecomenzi, cu ajutorul căruia să transmit informații foto și video în timp real. Pentru realizarea proiectului am avut nevoie de componente de tip hardware pentru construirea fizică a quadcopterului, am căutat informații despre funcționarea și realizarea quadcopterelor, de resurse software pentru generarea semnalelor de control și înregistrarea temperaturii.

Pentru a realiza acest proiect am avut în vedere căutarea unui cadru prefabricate, pentru preluarea imaginii am utilizat o camera integrate în cadrul quadcopterului, pentru ca aplicația să servească doua funcții am utilizat camera integrată și un gimbal cu GoPro, executarea de teste pentru a rezulta o filamre cât mai corectă.

Au fost studiate metode pentru generarea semnalelor, pentru realizarea comunicației și transmisiei, pentru preluarea video în modul live și pentru realizarea unor arhitecturi funcționale. Au fost folosite cu succes componentele hardware, aplicațiile pentru programarea și configurarea acestora și s-a realizat cu succes programarea și configurarea lor.

Contribuții personale

BIBLIOGRAFIE

[1] ArduPilot Dev Team., Copter Home, http://www.coptercraft.com/multirotor-frame-configurations/ accesat la data de 30.05.2017

[2]Arduino, Arduino IDE http://arduino.cc/en/Guide/Environment accesat la data de 02.06.2017

[3] ArduinoPilot 2.6 Planner http://.arupilot.org/copter/docs/ArduPilot.html

[4]Transmițătorul Boscam ts351

[5] Frame – Tarot FY650 www.hobbyking.com/en_us/tarot-fy650-iron-man.html

[6]Camera FPV

[7]User Quad Manual www.flydrones.com/wp-content/uploads/2015/09/Manual-Book.pdf

[8]Aplicația Mission Planner www.arupilot.org/copter/docs/common-apm26-overview.html

[9]Android-QGroundControl

[10]