PROIECTAREA UNUI SISTEM DE CONTROL AL UNEI DRONE Andrei-Constantin Cucu COORDONATOR ȘTIINȚIFIC Ș.l.dr.ing. Marian-Ion POPESCU IULIE 2017 CRAIOVA… [302791]

[anonimizat]

Ș.l.dr.ing. Marian-Ion POPESCU

IULIE 2017

[anonimizat]

Ș.l.dr.ing. Marian-Ion POPESCU

IULIE 2017

CRAIOVA

„Învățătura este o comoară care își urmează stăpânul pretutindeni.”

[anonimizat], student: [anonimizat], Calculatoare și Electronică a [anonimizat], [anonimizat]:

[anonimizat] Ș.L. Marian-[anonimizat] 2017.

[anonimizat]:

reproducerea exactă a [anonimizat]-o [anonimizat]-o [anonimizat],

[anonimizat], [anonimizat] a unor aplicații realizate de alți autori fără menționarea corectă a [anonimizat] a [anonimizat].

Pentru evitarea acestor situații neplăcute se recomandă:

plasarea între ghilimele a citatelor directe și indicarea referinței într-o [anonimizat] a [anonimizat] a sursei originale de la care s-a [anonimizat] s-[anonimizat], figuri, imagini, statistici, [anonimizat], a căror paternitate este unanim cunoscută și acceptată.

Data, Semnătura candidat: [anonimizat],

PROIECTUL DE DIPLOMĂ

REFERATUL CONDUCĂTORULUI ȘTIINȚIFIC

În urma analizei lucrării candidat: [anonimizat]:

[anonimizat]:

Data, [anonimizat] o [anonimizat], deplasarii si acceleratiei unghiulare cu ajutorul unui accelerometru si unui giroscop.

În primul capitol este prezentată o scurtă introducere care face referire la „Ce sunt dronele?” [anonimizat]. Următorul capitol prezintă o scurtă descriere a [anonimizat]-1900 de la National Instruments. În acest capitol s-a urmărit explicarea modului în care se fac conexiunile între senzori si plăcuță. În capitolul al patrulea am prezentat un model matematic pentru controlul unui quadcopter. Ultimul capitol prezintă implementarea software printr-o [anonimizat].

Termenii cheie: myRIO, drona, senzori, LabVIEW.

LISTA FIGURILOR

Figura 2.4.1.1 Helicopter-ul 6

Figura 3.4.2.1 Tricopter-ul 7

Figura 2.4.3.1 Quadcopter-ul 8

Figura 2.5.1 Industrie 4.0 10

Figura 3.1.1.1 Motor 12

Figura 3.1.1.2 Specificații motor 13

Figura 3.1.2.1 ESC 13

Figura 3.1.2.2 Mufă conector ESC 14

Figura 3.1.2.3 Specificații ESC 14

Figura 3.1.4.1 Senzor ultrasonic 17

Figura 3.1.4.2 Diagrama de timp 18

Figura 3.1.5.1 Giroscop 3 axe 19

Figura 3.1.5.2 Componente suplimentare încorporate 21

Figura 3.1.6.1 Magnetometru LIS3MDL 22

Figura 3.1.6.2 Componente suplimentare încorporate 24

Figura 4.1 Placa myRIO-1900 26

Figura 4.1.1 Prezentare hardware placă 27

Figura 4.1.2 Conectarea pinilor de ieșire 28

Figura 4.1.3 Semnale primare/secundare pe conectorul MSP 29

Figura 4.2.1 Circuitul de intrare analogic NI myRIO-1900 30

Figura 4.3.1 Circuitul de ieșire analogic NI myRIO-1900 31

Figura 4.6.1 Linii DIO <13..0> pe conectorul MXP A sau B 33

Figura 4.6.2 Linii DIO <15..14> pe conectorul MXP A sau B 33

Figura 4.6.3 Linii DIO <7..0> pe conectorul MSP C 34

Figura 5.5.1 Interacțiuni între stări, derivate de stare și intrări de control 43

Figura 6.1.1 Generare PWM 46

Figura 6.1.2 Comandă motoare 47

Figura 6.2.1 Implementarea software a accelerometrului 47

Figura 6.2.2 Accelerațiile unghiulare 48

Figura 6.3.1 Deplasări unghiulare 49

LISTA TABELELOR

Tabelul 3.1.6.1 Semnificație pini magnetometru 24

Tabelul 4.1.1 Descrierea semnalelor pe conectorii MXP A și B 29

Tabelul 5.4.1 Parametrii controlerului PD 42

Tabelul 5.6.1 Valori parametrii lege 45

Capitolul 1. Introducere

Scopul

Scopul acestui proiect este crearea unei drone și proiectarea unui sistem de control pentru aceasta cu ajutorul unui pachet de senzori care să ajute la obținerea unor date despre poziția curentă a dronei. În continuare se dorește transmiterea semnalelor obținute de la senzori către un calculator.

Pentru a realiza acest lucru, vom conecta senzorii la placa myRIO-1900 care, prin intermediul modulului wireless pe care aceasta îl are incorporat, va trimite semnalele către calculator. Semnalele vor fi prelucrate cu ajutorul software-ului LabVIEW pentru a afișa pe ecran informații utile despre poziția dronei.

Vor fi simulate cazurile în care drona se află într-o poziție instabilă și se vor analiza datele reprezentate grafic pe ecran. Astfel vom ști în ce direcție s-a înclinat drona și accelerația cu care s-a produs această înclinare și vom putea regla turația motoarelor astfel încât drona să revină într-o poziție stabilă. De asemenea se va simula și cazul în care dronei îi este dată o comandă de deplasare într-o anumită direcție. Se vor regla turațiile motoarelor astfel încât drona să se deplaseze în direcția dată de la calculator, fără a deveni instabilă, până când aceasta ajunge în poziția dorită.

Motivația

Industria în continuă dezvoltare și aria largă de domenii de aplicabilitate pe care o acoperă aceasta au dus la un interes deosebit pentru acest domeniu exprimat printr-o succesiune de cercetări cu scopul de a permite dezvoltarea unor sisteme care să poată oferi informațiile necesare controlului dronei: viteza unghiulară, deplasarea unghiulară, accelerația.

Unul din motivele pentru care dronele se bucură de un asemenea succes la nivel global este acela că ele pot fi dotate cu diferite aparaturi special create pentru a îndeplini anumite sarcini. Acest lucru permite ca dronele să poata fi folosite în domenii în care nimeni nu și le putea imagina în urmă cu câțiva ani și continuă să se extindă într-un ritm rapid, facilitând realizarea unor sarcini și reducând semnificativ costurile necesare acestora.

Ceea ce m-a facut să aleg această temă este pasiunea mea pentru aparatele de zbor controlate de la distanță și multitudinea de aplicații în care acestea pot fi folosite fără a pune în pericol vieți omenești.

Capitolul 2. Noțiuni introductive

Ce este drona?

Drona este cunoscută, mai formal, ca vehicul aerian fără pilot (UAV). În esență, o drona este un robot de zbor. Aeronava poate fi controlată de la distanță sau poate să zboare autonom prin intermediul unor planuri de zbor de software, controlate în sistemele lor integrate care lucrează în legătură cu GPS. UAV-urile au fost cel mai adesea asociate cu armata, dar ele sunt, de asemenea, folosite pentru căutare și salvare, supraveghere, monitorizare a traficului, monitorizare a vremii și a luptei împotriva incendiilor, pentru filmari sau capturi de imagini aeriene.

Aplicabilitatea dronelor

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

Succesul campaniei israeliene a reaprins pasiunea armatei americane pentru UAV-uri (unmanned aerial vehicles, denumirea oficială a dronelor). De altfel, una dintre cele mai cunoscute drone folosite de azi de armata SUA, Predator, este inspirată de un design israelian.

Ca urmare a dezvoltării sistemului GPS (Global Positioning System), ce permite navigarea cu acuratețe oriunde pe glob, dronele pot fi folosite pe toată planeta, fiind controlate de piloți aflați în bazele militare de pe teritoriul SUA.

Pentru că dronele prezintă numeroase avantaje față de aeronavele cu pilot, ele au devenit o armă esențială în arsenalul armatei americane. În 2001, când SUA a declarat starea de război în urma atacului terorist din 11 septembrie, armata americană deținea 50 de drone. Astăzi, numărul acestora se ridică la 7.500, iar oficialii americani intenționează să extindă rețeaua globală de drone, urmând să finanțeze acest proiect în dauna programelor convenționale.

În ultimul deceniu, dronele au devenit un instrument cheie al forțelor armate americane și al CIA. Rolul lor e dovedit de faptul că în 2009, primul an din mandatul de președinte al lui Barack Obama, acesta a ordonat mai multe atacuri cu drone decât predecesorul său George W. Bush în toți cei 8 ani de mandat.

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

Utilizările civile ale dronelor

Dacă inițial dronele erau fabricate în exclusivitate de companiile din domeniul apărării, costul acestora ridicându-se la câteva milioane de dolari, astăzi există pe piață numeroase variante, inclusiv drone mici și ieftine, ce pot fi controlate cu ajutorul smartphone-ului.

Ca urmare a costului redus al achiziționării unei drone simple (sau al construirii ei), aceste aeronave fără pilot încep să fie folosite tot mai mult și în afara forțelor armate.

În SUA, numeroși amatori și-au construit drone sau au cumpărat astfel de aparate. Mulțumită lor au fost identificate utilizări ale dronelor în scopuri publice. În Texas, un pasionat al tehnologiei a descoperit cu ajutorul dronei sale că o uzină de procesare a cărnii deversa ilegal tone de sânge de porc într-un pârâu din apropiere. Imaginile surprinse de camera atașată dronei au susținut plângerea înaintată de persoana respectivă agenției de mediu, care a sancționat compania.

În California, agențiile imobiliare au început să folosească dronele pentru a filma și fotografia din aer proprietățile de lux, materialele mult mai convingătoare permițându-le să obțină un preț mai bun pentru acestea. Practica este atât de răspândită, încât poliția din Los Angeles s-a văzut nevoită să lanseze un avertisment, cerând operatorilor dronelor să nu încalce legislația FAA (agenția federală ce reglementează spațiul aerian). Totuși, polițiștii nu au cum să sancționeze operatorii dronelor dacă acestea zboară sub plafonul de 120 de metri (400 de picioare), unde regulile FAA nu se aplică.

Ca urmare a unei legi adoptate recent de Congresul american, spațiul aerian care este astăzi rezervat avioanelor cu pilot va deveni disponibil, începând cu 2015, dronelor civile și militare. Odată ce dronele vor avea acces la spațiul aerian disponibil astăzi avioanelor, se așteaptă ca numărul acestora să crească exponențial. Conform specialiștilor FAA, în 2020 peste 30.000 de drone vor survola teritoriul Statelor Unite.

Dronele sunt deja folosite pentru paza granițelor SUA și urmează să fie folosite în scurt timp și de organizațiile de pompieri (spre exemplu, pentru a lupta împotriva incendiilor de pădure).

FBI-ul și organizațiile de poliție din Statele Unite folosesc deja dronele. În iunie 2011 a fost înregistrată o premieră: prima arestare asistată de o dronă. Poliția din Dakota de Nord dorea să găsească 3 infractori probabil înarmați, membri ai unei grupări antiguvernamentale, ce se puteau afla oriunde pe o suprafață de 12 kilometri pătrați. Pentru că doreau să evite o confruntare armată, au solicitat Agenției Vămilor și Patrulelor de Frontieră să trimită una din cele 8 drone Predator, dronele-spion folosite de armata SUA în Afganistan și Pakistan.

Drona trimisă de agenția federală i-a găsit rapid pe infractori, iar senzorii atașați au descoperit că aceștia nu erau înarmați, astfel că poliția s-a putut apropia pentru a-i aresta.

De atunci, dronele Predator au efectuat peste 25 de zboruri pentru forțele de poliție, FBI și DEA (agenția antidrog). Pentru că nu pot fi auzite sau văzute, ele oferă avantaje considerabile departamentelor de poliție în comparație cu elicopterele, astfel că experții se așteaptă ca dronele să fie adoptate pe scară largă, numărul dronelor civile urmând să-l depășească în scurt timp pe cel al dronelor militare. [WO15]

În Uniunea Europeană există deja planuri pentru folosirea dronelor în scopul monitorizării modului de utilizare a subvențiilor de către agricultori. În 2011, Uniunea Europeană a plătit 44 de miliarde euro ca subvenții agricole, iar conform legilor comunitare trebuie inspectate anual cel puțin 5% din suprafețele cultivate cu ajutorul acestor fonduri.

Dacă inițial aceste inspecții erau efectuate de personal autorizat, tot mai multe țări au apelat la imaginile din satelit pentru a verifica dacă fermierii îndeplinesc condițiile pentru acordarea subvențiilor și apoi dacă le folosesc conform condițiilor stabilite. Inspecțiile din satelit sunt de 3 ori mai ieftine decât cele efectuate la fața locului de inspectori, astfel că în 2010 peste 70% dintre verificări au fost realizate cu ajutorul imaginilor surprinse de sateliți. Acestea pot fi uneori înșelătoare, însp, fiind totodată greu de obținut în țările cu vreme în general nefavorabilă.

Acum, dronele încep să fie văzute ca o potențială soluție pentru inspecțiile agricole. Spre deosebire de sateliți, acestea pot fotografia din diferite unghiuri, iar imaginile surprinse sunt mai detaliate. Dronele au început deja să fie testate în Catalonia, în sudul Franței și în Italia, urmând să fie folosite la scară largă în anii următori. Pentru aceasta, însă, va fi nevoie de schimbarea legislației europene, momentan fiind permisă utilizarea dronelor doar până la o distanță de 500 de metri de operator. [LA12]

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

O altă întrebuințare a dronelor vine din Rusia, unde arheologii folosesc aceste aeronave pentru a filma siturile cu ajutorul camerelor cu infraroșii, materialele obținute fiind utilizate pentru crearea unor modele 3D computerizate ale structurilor identificate sub sol.

Sea Shepherd, o organizație ecologistă ce militează împotriva vânătorii de balene, folosește începând cu acest an drone pentru a identifica vasele japoneze ce capturează și ucid cetaceele. Noua tehnologie le-a permis ecologiștilor să descopere anul acesta flota japoneză înainte ca aceasta să-și înceapă misiunea de cercetare. „Putem acoperi sute de kilometri de ocean cu aceste drone, ce s-au dovedit a fi un instrument esențial”, a explicat Paul Watson, comandantul vasului Steve Irwin, folosit de Sea Shepherd pentru a împiedica vânătoarea de balene. [DI11]

Un alt domeniu pe care dronele promit să-l transforme este cel al jurnalismului. În Statele Unite, țara cu cele mai multe drone, facultățile de jurnalism au început deja să pregătească studenții pentru această nouă etapă a meseriei de ziarist.

„Ideea «jurnalismului cu drone» nu datează de mai mult de un an. Prima oară când am văzut această idee aplicată a fost în Polonia, în timpul unui protest, când cineva a folosit un mini-elicopter controlat de la distanță pentru a filma evenimentul”, a explicat Profesorul Matt Waite, fondatorul Drone Journalism Lab din cadrul Universității din Nebraska.

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

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

Clasificarea Dronelor

Din punct de vedere al modului de construcție,dronele se clasifică în:

-drone cu două motoare(helicopter);

-drone cu trei motoare(tricopter);

-drone cu patru motoare(quadcopter);

-drone cu cince motoare(pentacopter);

-drone cu șase motoare(sexacopter);

-drone cu opt motoare(octocoter)

Elicopter-ul

Un elicopter este un tip de drona, în care ridicarea și împingerea sunt furnizate de catre doua rotoare. Acest lucru permite ca elicopterul să decoleze și să aterizeze vertical, să zboare înainte, înapoi și lateral. Aceste atribute permit utilizarea elicopterelor în zone aglomerate sau izolate unde aeronave cu aripă fixă ​​și multe forme de aeronave VTOL (zbor vertical și de aterizare) nu pot patrunde.

Elicopterele au fost dezvoltate și construite în prima jumătate de secol de zbor, iar Focke-Wulf Fw 61 a fost primul elicopter perational în 1936. Unele elicoptere au ajuns la o producție limitată, dar până în 1942 un elicopter proiectat de Igor Sikorsky a ajuns – producția de scară, cu 131 de aeronave construite . Deși cele mai vechi modele au folosit mai mult decât un rotor principal, este singurul rotor principal cu configurație rotor de coadă anti-cuplu care a devenit cea mai comună configurație a elicopterului. [W-HELICOPTER]

Tricopter-ul

Tricopter-ul este un tip de drona cu trei rotoare. Cele trei motoare ale unui tricopter sunt de obicei separate de 120°, nu de 90° ca un quadcopter. Și în cazul în care quad-urile trebuie să se bazeze pe elice contra-rotative pentru a manevra cuplul și echilibra aeronava, un tricopter poate folosi elemente de recuzită identice deoarece are un servo înclinat în spate care răstoarnă motorul coada pentru a contracara cuplul.

Tricoptere zboară diferit, de asemenea. Cu motorul lor dedicat pentru răsucire, acestea zboară cu mai multe mișcări fluide, cu aspect natural, pot să bancheze, să se întoarcă și să se răstoarne ca un avion, dar încă se mișcă ca un elicopter. În zbor quadcopter-ul este mai robotic, deoarece placa controlerului calculează rotația precisă pentru toate cele patru motoare pentru a crea un cuplu adecvat și un echilibru pentru a deplasa aeronava. Motorul înclinat oferă, de asemenea, viteze de înclinare mult mai ridicate. [VISAE]

Quadcopter-ul

Un quadcopter, denumit și elicopter sau quadrotor, este un elicopter multirotor care este ridicat și propulsat de patru rotoare. Quadcopters sunt clasificate ca nave de rotor, spre deosebire de aeronave cu aripi fixe, deoarece ridicarea lor este generată de un set de rotoare (elice orientate vertical).

Quadcopters utilizează, în general, două perechi de emițătoare fixe fixe; Două în sens orar (CW) și două în sens invers acelor de ceasornic (CCW). Acestea utilizează variația independentă a vitezei fiecărui rotor pentru a obține controlul. Prin schimbarea vitezei fiecărui rotor este posibilă generarea în mod specific a unei împingeri totale dorite; Pentru a localiza centrul de împingere atât lateral cât și longitudinal; Și pentru a crea un cuplu total dorit sau o forță de întoarcere.

Quadcopters diferă de elicopterele convenționale care utilizează rotoare care sunt capabile să modifice înclinarea lamelor lor în mod dinamic, în timp ce se mișcă în jurul butucului rotorului. În primele zile ale zborului, quadcopters (denumite apoi ca "quadrotors" sau "elicoptere") au fost văzute ca soluții posibile la unele dintre problemele persistente în zborul vertical; Problemele legate de controlul cuplului (precum și problemele de eficiență provenite de la rotorul coadă, care nu generează o ridicare utilă) pot fi eliminate prin contra-rotație, iar lamele relativ scurte sunt mult mai ușor de construit. În anii 1920 și 1930 au apărut numeroase desene și modele. Aceste vehicule au fost printre primele vehicule de lansare și aterizare verticale (VTOL) mai grele decât aerul. Cu toate acestea, prototipurile timpurii au suferit din cauza performanțelor slabe , iar prototipurile ulterioare au necesitat prea multă sarcină pilot, datorită slabei stabilități și a autorității de control limitate.

La sfârșitul anilor 2000, avansurile în domeniul electronicii au permis producția de regulatoare de zbor ieftine, accelerometre (IMU), sisteme globale de poziționare și camere de luat vederi. Acest lucru a dus la o proliferare rapidă a quadcopterelor mici și ieftine, împreună cu alte modele multi rotor. Proiectele Quadcopter au devenit, de asemenea, populare în cercetarea vehiculelor aeriene fără pilot (UAV sau drone). Cu dimensiunile mici și manevrabilitatea lor, aceste quadcoptere pot fi transportate atât în ​​interior, cât și în aer liber.

La o mărime mică, quadcopterile sunt mai ieftine și mai durabile decât elicopterele convenționale datorită simplității lor mecanice. Lamele lor mai mici sunt de asemenea avantajoase deoarece posedă mai puțină energie cinetică, reducând capacitatea lor de a provoca daune. Pentru quad-copters la scară redusă, acest lucru face vehiculele mai sigure pentru o interacțiune strânsă. Este, de asemenea, posibilă montarea quadcopterelor cu dispozitive de protecție care închid rotoarele, reducând în continuare potențialul de deteriorare. Cu toate acestea, pe măsură ce crește mărimea, quadcopatoarele fixe ale propulsorului dezvoltă dezavantaje față de elicopterele convenționale. Creșterea mărimii lamelor mărește impulsul lor. Aceasta înseamnă că schimbările în viteza lamelor durează mai mult, ceea ce are un impact negativ asupra controlului. În același timp, mărirea dimensiunii lamei îmbunătățește eficiența deoarece necesită mai puțină energie pentru a genera forța de tracțiune prin deplasarea unei mase mari de aer la o viteză lentă decât prin mutarea unei mici mase de aer la viteză mare. Prin urmare, creșterea eficienței vine cu costul controlului. Elicoptrii nu se confruntă cu această problemă, deoarece mărirea dimensiunii discului rotor nu influențează în mod semnificativ capacitatea de a controla pasul lamelor.

În ultimele decenii, vehiculele aeriene fără pilot pe scară mică au fost utilizate pentru multe aplicații. Nevoia de aeronave cu manevrabilitate mai mare și capacitatea de a se deplasa a condus la o creștere a cercetării quadcopter-urilor. Designul cu patru rotoare permite quadcopter-urilor să fie relativ simple în design, dar foarte fiabile și manevrabile. Cercetările continuă să sporească abilitățile quadcopterelor, făcând progrese în comunicarea cu mai multe ambarcațiuni, explorarea mediului și manevrabilitatea. Dacă aceste calități în dezvoltare pot fi combinate, quad-copters ar fi capabil de misiuni autonome avansate care în prezent nu sunt posibile cu alte vehicule. [W-QUADCOPTER]

Industrie 4.0

Noțiunea de “Smart Industry” sau “Industrie 4.0”, înseamnă trecerea de la sisteme embedded(sisteme încapsulate) la sisteme inteligente(cyber-phisical systems sau smart embedded sistems) care comunică între ele pentru realizarea unui anumit task cu productivitate mult mai mare. Mai simplu, Industrie 4.0 reprezintă cu adevărat o nouă revoluție industrială, bazată pe noile tehnologii de tip IoT(Internet of Things), gestiunea globală a datelor prin stocarea în Cloud și servicii inovative aplicate proceselor industriale. Totodată, Idustrie 4.0 reprezintă o un compromis între “DESCENTRALIZARE” și “CENTRALIZARE” la nivel de producție industrială, cu scopul generării de productivități la un nivel foarte înalt. Astfel instalațiile industriale comunică între ele pentru realizarea unui anumit task. Încapsularea între componenta virtuală a unui sistem de control(soluția de control) și a procesului real/fizic conduc la un nou sistem mai performant. Mai mult, comunicarea între instalațiile dintr-o fabrică conduc la noul concept de fabrică inteligentă(smart factory). Cum orice sistem de control automat se bazează pe informație, prin comunicație smart(inteligentă) se realizează accesul la acestă informație on-line și relativ în timp real, iar prin tehnologiile Cloud se realizează accesul la informația off-line. Fuziunea acestei cantități mari de informație on-line și off-line conduce la dezvoltarea unor soluții de control forte bine documentate ce coduc la performanțe inimaginabile în urmă cu numai cățiva ani. Pe scurt, paradigma industrie 4.0 poate fi percepută ca având la dispoziție posibilități hardware imense(sisteme de achiziție, traductoare inteligente, elemente de execuție inteligente) și o “inundație” de unelte software, se crează premisa dezvoltării unor soluții de control cu adevărat “advanced”. Percepția este că rolul ideii de automatică/control/reglare este miezul acestei paradigme. După cum se știe de la ingineria reglării automate, soluția de control nu este unică și astfel rolul generației actuale de ingineri automatiști este de a găsi cea mai bună soluție de decizie pentru procesul condus. [PO17]

Legislație drone

Drona este „noul trend” în fotografie și fime, mai ales de amatori – dar în România, încă, este ilegal să decolezi și să aterizezi o dronă în oraș, chiar dacă aceasta are mai puțin de 50 de grame. Pentru a zbura în legalitate o dronă în țara noastră, de orie dimensiuni și greutate, posesorul trebuie să o identifice, iar în momentul în care vrea să o ridice sau înainte să facă acest lucru, trebuie să anunțe centrul de operațiuni aeriene. Este de-a dreptul  ilegal să decolezi și să aterizezi o dronă într-un spațiu intravilan dintr-un oraș sau localitate. Orice dronă care are o greutate cuprinsă între 15 kg și 150 de kg trebuie să aibă permis național de zbor.

Practic, pentru a folosi în deplină legalitate în România o dronă cu o greutate mai mică de 15 Kg trebuie mai întâi să o identifici, să o duci într-un spațiu care nu este intravilan și apoi să ceri permisiunea de zbor înainte ca aceasta să fie ridicată în aer. Nu contează faptul dacă dispozitivul este echipat cu cameră sau nu. Dronele pot fi folosite, însă, fără a cere permisiune de zbor, în spații închise, precum săli, camere sau hale. Încălcarea legislației dronelor în țara noastră constituie infracțiune penală. În ciuda faptului că, din 2016, au intrat în vigoare noi reglementări legale, nici acestea nu sunt foarte permisive pentru pașionații și proprietarii de drone. Mai mult, atunci când vrei să filmezi, ai nevoie de aprobare, în funcție de zona acoperită sau a obiectivului pe care urmărești să îl filmezi/fotografiezi. Totodată, dacă drona provoacă daune, răspunzător este proprietarul ei, conform legii.

În baza prevederilor Legii 182 din 12 aprilie 2002 privind protecția informațiilor clasificate și a Legii 167 /2015 de modificare și completare a Legii 182/2002, pentru activitățile de zbor cu drone din care rezultă produse geospațiale sau înregistrări aerofotogrammetrice (așa cum acești termeni sunt definiți în Legea 167/2015), operatorul dronei are obligația de a deține un certificat care să-i permită accesul la date secret de serviciu sau de stat;

În baza prevederilor Hotărârii Guvernului nr. 912/2010 pentru “aprobarea procedurii de autorizare a zborurilor în spațiul aerian național, precum și a condițiilor în care decolarea și aterizarea aeronavelor civile se pot efectua și de pe/pe alte terenuri sau suprafețe de apă decât aerodromurile certificate” operatorul dronei, indiferent de greutatea ei, este obligat să obțină avizul Ministerulul Apărării Naționale pentru desfășurarea activităților de filmare/fotografiere aeriană. Formularul standard de cerere precum si datele de contact sunt menționate în HG nr. 912/2010;

Ulterior emiterii aprobării, operatorul are obligația de a se adresa ROMATSA și Ministerului Apărării Naționale/Statul Major al Forțelor Aeriene (MApN/SMFA) în vederea semnării protocolului cadru.

Ori de câte ori zona de zbor se va schimba, operatorul va adresa AACR o nouă solicitare de segregare a spațiului aerian, iar în cazul aprobării, noua zonă segregată va constitui o nouă anexă a protocolului.

Zona segregată va putea fi activată ori de câte ori este nevoie, în acest scop operatorul dronei contactând ROMATSA la datele de contact menționate în protocol, conform procedurii specificate;

Totuși, este bine să amintim ce stabilește actuala reglementare legală ca fiind contravenție și infracțiune și care sunt sancțiunile care se aplică:

– utilizarea unei drone în activități de zbor fără identificarea / înmatricularea acesteia: fapta constituie, conform prevederilor Codului Aerian, infracțiune și se sancționează cu închisoare sau amendă penală;

– utilizarea unei drone în activități de zbor fără a se obține segregarea spațiului aerian: fapta constituie, conform prevederilor Codului Aerian, contravenție și se sancționeaza cu amendă.

Componentele de drone sunt produse aeronautice motiv pentru care sunt incidente reglementările din Codul Aerian care asimilează dronele ca fiind aeronave civile. În prezent, Autoritatea Aeriană Civilă Română estimează că sunt active 4.000 de drone în România, aici incluzând însă și drone de mici dimensiuni, nu doar cele performante din care,  doar circa 60 au fost și înmatriculate. [CRAR]

Capitolul 3. Proiectarea sistemului hardware

Descrierea pieselor componente

Motorul

Motorul dji 2212/920 este un motor electric de curent continuu, la care comutația căilor de curent necesară învărtirii rotorului se realizează electronic. Poate fi numit și motor de c.c. fără colector, fiindcă colectorul și periile colectoare formează împreună (la motorul cu perii), un dispozitiv complet de comutare electromecanică.

Motorul fără colector și perii, este un motor electric sincron alimentat în curent continuu, care funcționează cu ajutorul unui sistem electronic de comutație. Comutarea câmpurilor electromagnetice necesare rotirii rotorului este comandată și controlată prin intermediul unui circuit electronic microprocesor.

Cu o greutate de doar 54g, acest motor este capabil să producă până la o jumătate de kilogram de tracțiune pe un propulsor standard de 9". [DJI]

Bridge-ul (ESC)

Acest sistem ESC nou și îmbunătățit, împreună cu algoritmi noi de răspuns foarte eficient și rapid, combinați pentru a oferi o optimizare drastică atât a parametrilor motorului, cât și a parametrilor rotorului, toate combinate pentru a spori acest sistem de propulsie pentru a utiliza o forță agilă care oferă aeronavei o manevrabilitate suplimentară și stabilitate atat în timpul urcării cât și în timpul coborârii. Dispune de asemenea de un design compatibil electromagnetic cu un cablu coaxial, care lucrează împreună pentru a asigura un mediu electromagnetic calm pentru senzorii din aer. [DJI]

Baterie

Acumulatorii Gens Ace LiPo asigură energie pentru cele mai pretențioase aplicații RC din lume. Fie că pilotați un aeromodel, automodel sau navomodel într-un concurs sau pur și simplu vă distrați, Gens Ace LiPo vă duce la nivelul următor fără probleme. Pur și simplu pentru că nimeni nu poate bate Gens Ace LiPo la putere și performanță. Gens Ace LiPo este opțiunea finală pentru RC automodele, avioane, elicoptere, bărci, roboți și tot ceea ce necesită sursă de energie de înaltă calitate.

Specificații:

Tensiune: 11.1 V

Capacitate: 2200 mA

Rată descărcare: 25C

Curent maxim de încărcare: 11 A (5C)

Curent de încărcare recomandat: 2.2 – 6.6 A

Curent maxim de descărcare: 55 A

Dimensiuni: 106 x 35 x 25 mm

Masă: 180 g

Conector egalizare: JST-XH

Acumulatorii Litiu-Polymer (abreviați LiPo) necesită mare atenție în utilizare. Aceasta se aplică atât pentru încărcare cât și pentru descărcare, dar și stocare și alte aspecte ale utilizării lor generale.

Utilizarea inadecvată a acestor acumulatori poate cauza explozii, foc, fum și risc de intoxicare. În plus, acumulatorii își vor altera caracteristicile chimice (scădere considerabilă a performanțelor și pot chiar deveni inutilizabili).

Capacitatea unui acumulator LiPo scade de fiecare dată când este încărcat și descărcat. Stocarea acestor acumulatori la temperaturi foarte ridicate sau foarte scăzute va accelera procesul. În aplicațiile normale de modelism, acești acumulatori vor fi supuși la descărcări cu curenți foarte mari, iar capacitatea lor va ajunge la 50-80% din capacitatea inițială după 50 cicluri descărcare/încărcare, chiar și atunci când sunt utilizați corect.

Pachetele de acumulatori sunt construite din celule alese special. Acestea sunt selectate astfel încât să aibă proprietăți chimice foarte asemănătoare, ceea ce înseamnă că pachetul va lucra ca un întreg. Nu cuplați în serie sau în paralel cu alți acumulatori, și nu înlocuiți o celulă din pachet cu o altă celulă, aparent asemănătoare. [GENSACE]

Încărcare

Pentru încărcarea acumulatorilor LiPo folosiți doar încărcători acreditați și cabluri de încărcare adecvate. Încărcători sau cabluri de încărcare improvizate sau confecționate artizanal pot cauza daune grave.

Când încărcați, plasați acumulatorul pe o suprafață neimflamabilă, rezistentă la temperaturi înalte și care nu conduce curentul electric. Păstrați orice materiale inflamabile sau volatile la distanță de încărcător și acumulatorul de încărcat. Nu lăsați niciodată acumulatorii la încărcat nesupravegheați.

Procedați cu atenție când setați parametrii (numărul de celule, celulele de încărcare, voltajul încărcat, voltajul descărcat, etc.) pe încărcătorul în cauză. Citiți instrucțiunile livrate cu încărcătorul care îl veți folosi pentru a preveni orice erori în operare. Dacă încărcați acumulatorul cu parametri greșiți, acesta va deveni inutilizabil.

Conectorul mic, alb, cu doi sau mai mulți pini este pentru egalizare. Folosiți un încărcător cu egalizator, sau egalizator extern, pentru o încărcare/descărcare sigură. Acesta monitorizează tensiunea fiecărei celule în parte și, la finalul încărcării/descărcării, le va aduce, pe cât posibil, la același nivel.

Ca o regulă generală pentru acumulatorii LiPo, diferența dintre voltajul celulelor individuale nu trebuie să fie mai mare de 0.05V. Dacă este, atunci încărcați și descărcați fiecare celulă în parte, până când acestea respectă condiția enunțată anterior.

Fiecare acumulator are specificat, de la producător, un curent maxim de încărcare. Acumulatorul se încarcă cu acest curent până când pachetul atinge 4.2 V pe celulă, după care se continuă cu voltaj constant, până când curentul de încărcare scade sub 0.1 – 0.2 A. Evitați ca acumulatorul să ajungă la un voltaj mai mare de 4.25V pe celulă. Capacitatea maximă încărcată nu trebuie să depășească 1.05x din capacitatea acumulatorului. (ex. Pentru un acumulator de 700 mAh nu încărcați mai mult de 735 mAh).

La sfârșitul încărcării, măsurați fiecare celulă din pachet. Verificați ca acestea să nu aibă mai mult de 4.2V, iar diferența dintre celule nu trebuie să fie mai mare de 0.05V. Diferențe între celule pot apărea după o perioadă de utilizare. Pentru a evita amplificarea efectului și deteriorarea pachetului, descărcați și încărcați celulele individual, astfel încât voltajul lor să fie apropiat sau identic.

Nu inversați niciodată polaritatea la încărcare. În acest caz, reacții chimice anormale vor avea loc, cauzând distrugerea celulelor, foc și fum. Pachetul va fi inutilizabil.

Temperaturile adecvate pentru încărcarea și stocarea acumulatorilor LiPo sunt de 0 – 50° C. [GENSACE]

Stocare

Când nu veți utiliza acumulatorii LiPo pentru o perioadă îndelungată de timp (ex. În sezonul rece) este cel mai bine ca aceștia să fie încărcați la o capacitate de 10-20%. Dacă voltajul pe celulă scade sub 3V, încărcații din nou la 10-20% din capacitatea lor. Stocarea acumulatorilor LiPo complet descărcați îi poate face inutilizabili după o perioadă de timp. [GENSACE]

Descărcare

Toți acumulatorii au un curent maxim de descărcare. Vedeți specificațiile producătorului și nu depășiți acest curent (pe model, sau cuplat la descărcător).

Nu descărcați acumulatorii sub 2.7 V pe celulă. Sub acest nivel acumulatorii LiPo intră în fenomenul de 'deep-discharge' care îi deteriorează iremediabil. Pentru a preveni acest fenomen, utilizați diversele accesorii disponibile care se instalează pe model și atenționează (sonor sau/și vizual) utilizatorul când acumulatorul este descărcat, în timp util. Dacă observați scăderi de performanță în timpul zborului, poate însemna că acumulatorul este descărcat. Aterizați modelul în cel mai scurt timp posibil și măsurați tensiunea celulelor.

Evitați, numaidecât, scurt-circuitul. Acumulatorii se vor încălzi, pot lua foc sau exploda, cablurile atinse se pot suda de la temperatură. Pachetul va fi inutilizabil.

În timpul descărcării (pe model, sau cuplat la descărcător), temperatura pachetului nu trebuie să depășească 70° C. [GENSACE]

Senzor ultrasonic

Modulul de măsurare cu ultrasunete HC – SR04 oferă o funcție de măsurare fără contact de 2cm – 400cm, precizia de măsurare poate ajunge la 3mm.

Modulele include transmițătoare ultrasonice, receptor și circuit de control.

Principiul de functionare:

Folosind trigger IO pentru cel puțin 10us de nivel ridicat de semnal,

Modulul trimite automat opt ​​40 kHz și detectează dacă există un semnal de impuls înapoi.

Dacă semnalul înapoi, prin nivel ridicat, timpul de ieșire mare IO este timpul de la trimiterea ultrasonicului la revenire.

Distanta de test = (timp de nivel ridicat × viteza de sunet (340M / S) / 2

Diagrama de timp

Diagrama de timp este prezentată mai jos. Trebuie doar să se furnizeze un impuls de 10uS scurt la intrarea declanșatorului pentru a începe măsurarea, iar apoi modulul va trimite o explozie de 8 cicluri de ultrasunete la 40 kHz și va ridica ecoul său.

Echo-ul este un obiect la distanță care este lățimea impulsului și intervalul roportional.

Se poate calcula intervalul prin intervalul de timp dintre trimiterea semnalului declanșator și primirea semnalului de ecou.

Formula:

uS / 58 = centimetri sau uS / 148 = inch;

sau:

intervalul = viteza mare * viteză * (340M / S) / 2;

Se recomanda sa se utilizeze un ciclu de măsurare de peste 60 ms, pentru a preveni semnalul de declanșare a semnalului de ecou. [HCSR04]

Giroscop 3 axe L3GD20H

Specificații:

Dimensiune: 0.4 "× 0,9" × 0.1 "

Greutate: 0,6 g

Interfața: I2C, Spi2

Tensiune minimă de funcționare: 2,5 V

Tensiunea maximă de funcționare: 5,5 V

± 245, ± 500, sau ± 2,000° / s

Curent: 6 mA

Acest senzor este o placă de suport pentru giroscopul cu trei axe ST L3GD20H, care măsoară vitezele unghiulare de rotație în jurul axelor X, Y și Z. Măsurătorile de viteză unghiulară cu o gamă configurabilă de ± 245° / s, ± 500° / s sau ± 2000° / s pot fi citite printr-o interfață digitală I2C sau SPI. Placa dispune de un regulator liniar de 3,3 V și de comutatoare de nivel integrate care permit funcționarea la o tensiune de intrare cuprinsă între 2,5 V și 5,5 V, iar distanța dintre pini de 0, 1 inchi îl face ușor de utilizat cu panourile de lipit standard și cu perforații de 0,1 inchi.

Această placă este o placă compactă (0,4 "× 0,9") pentru giroscopul tri-axial cu ieșire digitală L3GD20H ST. L3GD20H este un IC excelent, dar pachetul său mic, fără plumb, LGA face dificil pentru studentul sau hobby-ul tipic să-l folosească. De asemenea, funcționează la tensiuni mai mici de 3,6 V, ceea ce poate face interfața dificilă pentru microcontrolerele care funcționează la 5 V. Această placă suportă aceste probleme prin încorporarea electronică suplimentară, incluzând un regulator de tensiune de 3,3 V și circuite de schimbare a nivelului, menținând în același timp dimensiunea globală cât mai compactă posibil. Panoul de bord este complet populat cu componente SMD, inclusiv L3GD20H.

L3GD20H are multe îmbunătățiri față de versiunile mai vechi L3GD20, incluzând o precizie și stabilitate mai bună, un consum redus de energie și un timp de pornire mult mai scurt, toate într-un pachet mai mic, care permite ca placa de bază să fie mai mică. L3GD20H oferă, de asemenea, o gamă mai largă de rapoarte de date de ieșire selectabile de utilizator, cu frecvențe mai scăzute care sunt mai potrivite pentru detecția gesturilor umane și dispune de un știft de activare a datelor (DEN) care permite citirea sincronizată cu declanșatoarele externe. În timp ce purtătorul L3GD20H nu reprezintă o înlocuire directă a drop-in-ului pentru purtătoarea L3GD20 datorită diferențelor dintre orientarea pinui și senzor, ar trebui să fie utilizabilă în continuare ca înlocuire cu modificările corespunzătoare ale cablajului și deoarece cele două circuite integrate au aceeași structură de registru Și adresa dispozitivului I2C, codul scris pentru unul trebuie să fie ușor portabil pentru celălalt.

Indiferent de interfața utilizată pentru a comunica cu L3GD20H, pinul său VIN ar trebui să fie conectat la o sursă de 2.5 V până la 5.5 V, iar GND ar trebui să fie conectat la 0 volți. (Alternativ, dacă utilizați giroscopul cu un sistem de 3,3 V, puteți lăsa VIN deconectat și treceți prin reglajul încorporat conectând 3,3 V direct la VDD.)

Pentru a utiliza modulul L3GD20H în modul I²C sunt necesare minimum două conexiuni logice: SCL și SDA. Aceștia sunt conectați la dispozitive de comutare de nivel încorporate care le fac în siguranță la tensiuni de peste 3,3 V; Acestea ar trebui să fie conectate la o magistrală I²C care funcționează la același nivel logic ca VIN. Pinii rămași nu sunt conectați la comutatoare de nivel pe placă și nu sunt toleranți la 5V, dar schimbătorul de nivel logic bidirecțional cu 4 canale poate fi utilizat extern cu acele ace pentru a obține același efect.

Pentru a utiliza modelul L3GD20H în modul SPI, în mod obișnuit sunt utilizate patru conexiuni logice: SPC, SDI, SDO și CS. Acestea ar trebui să fie conectate la o magistrală SPI care operează la același nivel logic ca VIN. Interfața SPI funcționează în modul cu 4 fire în mod prestabilit, cu SDI și SDO pe pinii separați, dar poate fi configurat să utilizeze modul cu 3 fire astfel încât SDO să împartă un pin cu SDI.

Schema de mai sus prezintă componentele suplimentare care încorporează placa suport pentru a ușura utilizarea L3GD20H, inclusiv regulatorul de tensiune care permite alimentării plăcii de la o sursă de alimentare de la 2,5V la 5,5V și circuitul schimbătorului de nivel care permite I2C și SPI Comunicare la același nivel de tensiune logic ca VIN. [L3GD20H]

Comunicația I2C

Cu pinul CS în starea implicită (tras până la VDD), L3GD20H poate fi configurat și citirile sale de viteză unghiulare pot fi interogate prin magistrala I²C. Comutatoarele de nivel de pe liniile ceasului I²C (SCL) și de date (SDA) permit comunicarea I²C cu microcontrolere care funcționează la aceeași tensiune ca VIN (de la 2,5 V la 5,5 V. [L3GD20H]

În modul I2C, adresa slave pe 7 biți a giroscoapelor are un bit cel mai puțin semnificativ (LSb) determinat de tensiunea pe pinul SDO. Placa de transport trage SDO la VDD printr-un rezistor de 4.7 kΩ, făcând LSb 1 și setând adresa slave la 1101011b în mod implicit (aceasta este aceeași adresă slave ca și L3GD20). [L3GD20H]

Comunicarea SPI

Pentru a comunica cu modul L3GD20H în modul SPI, pinul CS (pe care placa le trage la VDD printr-o rezistență de 4,7 kΩ) trebuie să fie declanșat înainte de începerea unei comenzi SPI și permis să se întoarcă înalt după terminarea comenzii. Comutatoarele de nivel ale ceasului SPI (SPC) și datele din linia (SDI) permit comunicarea SPI cu microcontrolerele care funcționează la aceeași tensiune ca VIN (2,5 V până la 5,5 V).

În modul prestabilit cu 4 fire, giroscopul transmite date către masterul SPI pe o linie SDO (dedicated data out). Dacă interfața SPI este configurată să utilizeze modul cu 3 fire, linia SDI se dublează ca SDO și este condusă de L3GD20H atunci când transmite date către comandant. [L3GD20H]

Magnetometrul

Acest modul este o placa purtatoare/Breakout pentru ST LIS3MDL – magnetometru pe trei axe. Senzorul de masuratori asigura intensitatea campului magnetic, cu un interval configurabil de ± 4 gauss la ± 16 gauss, care pot fi citite printr-o interfata I²C sau SPI.Placa include un regulator de 3.3v.

Specificații :

Dimensiuni: 22.8 x 10 x 2.5 mm

Greutate: 0.6 g

Interfata: I2C, SPI

Tensiune minima de operare: 2.5 V

Tensiune maxima de operare: 5.5 V

Gama de masurare: ± 4, ± 8, ± 12 sau ± 16 gauss

Curent consumat: 3mA

LIS3MDL are multe opțiuni configurabile, inclusiv patru setări de sensibilitate (câștig) selectabile, o gamă largă de rate de date de ieșire și un semnal programabil de întrerupere externă. Cele trei valori ale intensității câmpului magnetic sunt disponibile printr-o interfață digitală, care poate fi configurată să funcționeze în modul I2C (TWI) sau SPI.

Indiferent de interfața utilizată pentru a comunica cu LIS3MDL, pinul său VIN ar trebui să fie conectat la o sursă de 2.5 V până la 5.5 V, iar GND ar trebui să fie conectat la 0 volți. (Alternativ, dacă utilizați placa cu un sistem de 3.3 V, puteți lăsa VIN deconectat și ocoli regulatorul încorporat conectând 3.3 V direct la VDD.)

Sunt necesare minim două conexiuni logice pentru a utiliza LIS3MDL în modul I²C (acesta este modul implicit): SCL și SDA. Acești pini sunt conectați la comutatoare de nivel încorporate care le fac în siguranță la tensiuni mai mari de 3,3 V; Acestea ar trebui să fie conectate la o magistrală I²C care funcționează la același nivel logic ca VIN. Pinii rămași nu sunt conectați la comutatoarele de nivel ale plăcii și nu sunt tolerante la 5V, dar schimbătorul de nivel logic bidirecțional cu 4 canale poate fi utilizat extern cu acele ace pentru a obține același efect. [LIS3MDL]

Tabelul 3.1.6.1 Semnificație pini magnetometru

Comunicarea I²C

Cu PIN-ul CS în starea implicită (tras până la VDD), LIS3MDL poate fi configurat și citirile sale pot fi interogate prin magistrala I²C. Comutatoarele de nivel ale ceasului I²C (SCL) și liniile de date (SDA) permit comunicației I²C cu microcontrolere care funcționează la aceeași tensiune ca VIN (2.5-5.5V). O explicație detaliată a protocolului poate fi găsită în foaia de date LIS3MDL (2MB pdf) și mai multe informații detaliate despre I²C în general pot fi găsite în specificația I2C-bus a NXP (371k pdf).

În modul I²C, adresa slave a senzorului pe 7 biți are cel puțin două biți semnificative determinate de tensiunea pe pinul SA1. Plăcuța de transport trage SA1 în VDD printr-un rezistor de 10 kΩ, făcând cel puțin cel de-al doilea bit semnificativ 1 și setând adresa slave la 0011110b în mod implicit. Dacă adresa slave selectată se întâmplă să se afle în conflict cu un alt dispozitiv de pe magistrala dvs. I²C sau dacă doriți să utilizați doi senzori LIS3MDL pe aceeași magistrală, puteți să conduceți SA1 low pentru a seta cel mai mic bit semnificativ la 0 (care stabilește Adresa slave la 0011100b).

Interfața I²C de pe LIS3MDL este compatibilă cu standardul I²C rapid (400 kHz). În testele noastre de la bord, am reușit să comunicăm cu cipul la frecvențe de ceas până la 400 kHz; Frecvențele mai mari ar putea funcționa, dar nu au fost testate. [LIS3MDL]

Comunicația SPI

Pentru a comunica cu LIS3MDL în modul SPI, pinul CS (pe care placa îl trage la VDD printr-o rezistență de 10 kΩ) trebuie să fie declanșat înaintea începerii unei comenzi SPI și lăsat să revină la înălțime după terminarea comenzii. Comutatoarele de nivel ale ceasului SPI (SPC) și datele din linia (SDI) permit comunicarea SPI cu microcontrolerele care funcționează la aceeași tensiune ca VIN (2,5 V până la 5,5 V).

În modul prestabilit cu 4 fire, senzorul transmite date către masterul SPI pe o linie dedicată de ieșire a datelor (SDO) care nu este deplasată pe nivel. Dacă interfața SPI este configurată să utilizeze modul cu 3 fire, linia SDI se dublează ca SDO și este condusă de LIS3MDL atunci când transmite date către comandant. [LIS3MDL]

Capitolul 4. Descrierea plăcii myRIO-1900

Placa myRIO-1900 furnizată de către National Instruments este un dispozitiv portabil reconfigurabil I/O (RIO) pe care studenții îl pot folosi pentru a proiecta sisteme de control, robotică și mecatronică.

Acest produs a fost testat și respectă cerințele de reglementare și limitele de compatibilitate electromagnetică (EMC) specificate în specificațiile produsului. Aceste cerințe și limite oferă o protecție rezonabilă împotriva interferențelor dăunătoare atunci când produsul este utilizat în mediul electromagnetic de funcționare prevăzut.

Acest produs este destinat utilizării în spații comerciale. Nu există nicio garanție că interferențele dăunătoare nu vor apărea într-o anumită instalație sau când produsul este conectat la un obiect de testare. Pentru a minimiza interferența cu recepția radio și televiziune și pentru a preveni degradarea performanțelor inacceptabile, instalați și utilizați acest produs în strictă conformitate cu instrucțiunile din documentația produsului. În plus, orice modificare a produsului care nu a fost aprobată în mod expres de către National Instruments ar putea anula autoritatea utilzatorului de a opera în conformitate cu regulile locale de reglementare. [MYRIO]

Prezentare hardware

NI myRIO-1900 oferă intrare analogică (AI), ieșire analogică (AO), intrare și ieșire digitală (DIO), audio și ieșire către un dispozitiv compact incorporat. NI myRIO-1900 se conectează la un computer gazdă prin USB și wireless 802.11b, g, n.

Figura următoare prezintă configurația și funcțiile componentelor NI myRIO-1900.

Connector Pinouts

NI myRIO-1900, conectorii de expansiune (MXP) A și B poartă seturi identice de semnale. Semnalele se deosebesc în software prin numele conectorului, ca și în cazul conectorului A / DIO1 și al conectorului B / DIO1. Consultați documentația software pentru informații despre configurarea și utilizarea semnalelor.

Următoarea figură și tabel arată semnalele conectoarelor MXP A și B. Rețineți că unii pini au funcții secundare, precum și funcții primare.

Tabelul 4.1.1 Descrierea semnalelor pe conectorii MXP A și B

Figura și tabelul de mai jos arată semnalele de pe conectorul Mini System Port (MSP) C. Rețineți că unii pini au funcții secundare, precum și funcții primare. [MYRIO]

Canale de intrare analogice

NI myRIO-1900 dispune de canale de intrare analogice pe conectorii A și B portului myRIO pentru expansiune (MXP), conectorul Mini System Port (MSP) C și un conector de intrare audio stereo. Intrările analogice sunt multiplexate într-un singur convertor analog-digital (ADC) care eșantionează toate canalele.

Conectorii MXP A și B au patru canale de intrare analogice cu un singur capăt per conector, AI0-AI3, pe care le puteți utiliza pentru măsurarea semnalelor de 0-5 V. Conectorul MSP C are două canale de intrare analogice cu înaltă impedanță, AI0 și AI1, pe care le puteți utiliza pentru măsurarea semnalelor de până la ± 10 V. Intrările audio sunt intrări de intrare stereo de stânga și dreapta cu o tensiune de ± 2,5 V. [MYRIO]

Canale de ieșire analogice

NI myRIO-1900 are canale analogice de ieșire pe conectorii A și B portului de expansiune myRIO (MXP), conectorul Mini System Port (MSP) C și un conector de ieșire audio stereo. Fiecare canal de ieșire analogic are un convertor digital-analogic dedicat (DAC), astfel încât acestea să poată fi actualizate simultan. DAC-urile pentru canalele analogice de ieșire sunt controlate de două magistrale de comunicație seriale de la FPGA. Conectorii MXP A și B împărtășesc o singură magistrală, iar conectorul MSP C și ieșirile audio partajează oa doua magistrală. Prin urmare, rata de actualizare maximă este specificată ca cifră agregată în secțiunea Analog Output a Specificațiilor. Conectorii MXP A și B au două canale analogice de ieșire pentru fiecare conector, AO0 și AO1, pe care le puteți utiliza pentru a genera semnale de 0-5 V. Conectorul MSP C are două canale de ieșire analogice, AO0 și AO1, pe care le puteți utiliza pentru a genera semnale de până la ± 10 V. Ieșirile audio sunt iesiri de ieșire stereo de stânga și dreapta, capabile să conducă căști. [MYRIO]

Accelerometrul

NI myRIO-1900 conține un accelerometru cu trei axe. Accelerometrul prelevează fiecare axă continuu și actualizează un registru lizibil cu rezultatul. Consultați secțiunea Accelerometru din Specificațiile pentru ratele de eșantionare a accelerometrului. [MYRIO]

Convertirea valorilor datelor prime la tensiune

Puteți utiliza următoarele ecuații pentru a converti valorile datelor brute în volți:

V = Valoarea datelor prime * LSB Greutate

LSB Greutate = Intervalul nominal ÷ 2ADC Rezoluție

Unde valoarea datelor prime este valoarea returnată de Nodul I/O al FPGA, greutatea LSB este valoarea în volți a incrementului dintre valorile datelor;

Intervalul nominal este valoarea absolută în volți a intervalului nominal maxim, vârf-vârf al canalului, și rezoluția ADC este rezoluția ADC în biți. (Rezoluția ADC = 12). [MYRIO]

Pentru canalele AI și AO pe conectorii MXP,

Greutate LSB = 5 V ÷ 212 = 1.221 mV

Viteză maximă = 4095 * 1.221 mV = 4.999 V

Pentru canalele AI și AO de pe conectorii MSP,

Greutate LSB = 20 V ÷ 212 = 4.883 mV

Citirea maximă pozitivă = +2047 * 4.883 mV = 9.995 V

Citire maximă negativă = -2048 * 4.883 mV = -10.000 V

Pentru intrare / ieșire audio,

Greutate LSB= 5 V ÷ 212 = 1.221 mV

Citirea maximă pozitivă = +2047 * 1.221 mV = 2.499 V

Citire maximă negativă = -2048 * 1.221 mV = -2.500 V

Pentru accelerometru,

Greutate LSB = 16 g ÷ 212 = 3,906 mg

Citire maximă pozitivă = +2047 * 3.906 mg = +7.996 g

Citire maximă negativă = -2048 * 3.906 mg = -8.000 g

Linii DIO

NI myRIO-1900 are linii DIO de uz general de 3,3 V pe conectorii MXP și MSP. Conectorii MXP A și B au 16 linii DIO pe fiecare conector. La conectorii MXP, fiecare linie DIO de la 0 la 13 are o rezistență de tracțiune de 40 kΩ la 3.3 V, iar liniile DIO 14 și 15 au rezistențe de tracțiune de 2.1 kΩ la 3.3 V. Conectorul MSP C are opt linii DIO. Fiecare linie MSP DIO are o rezistență de 40 kΩ la sol. DGND este referința pentru toate liniile DIO. Puteți programa toate liniile ca intrări sau ieșiri. Funcțiile digitale secundare includ Serial Peripheral Interface Bus (SPI), I2C, modulația cu lățimea impulsurilor (PWM) și intrarea encoderului de tip quadrature. Consultați documentația software NI myRIO pentru informații despre configurarea liniilor DIO. [MYRIO]

Atunci când o linie DIO plutește, plutește în direcția rezistenței de tracțiune. O linie DIO poate să plutească în oricare dintre următoarele condiții:

când dispozitivul myRIO este pornit

când linia este configurată ca intrare

când dispozitivul myRIO se oprește

Puteți adăuga o rezistență mai puternică la o linie DIO pentru a face să plutească în direcția opusă. [MYRIO]

Linii UART

NI myRIO-1900 are o linie de intrare UART și o linie de transmitere UART pe fiecare conector MXP. Liniile UART sunt identice din punct de vedere electric cu liniile DIO de la 0 la 13 ale conectorilor MXP. Ca și acele linii, UART.RX și UART.TX au rezistoare pullup de 40 kΩ la 3.3 V. Utilizați LabVIEW Real-Time pentru a citi și scrie peste liniile UART. [MYRIO]

Capitolul 5. Modelare matematică

Structura quadcopter-ului

Structura quadcopter-ului este prezentată în figura următoare , incluzând vitezele unghiulare corespunzătoare, cuplurile și forțele create de cele patru rotoare (numerotate de la 1 la 4).

Poziția absolută liniară a quadcopterului este definită în axele inerțiale x, y, z cu ξ. Atitudinea, adică poziția unghiulară, este definită în cadrul inerțial cu trei unghiuri Euler η. Unghiul de unghi θ determină rotația quadcopterului În jurul axei y. Unghiul de rotire φ determină rotirea în jurul axei x și unghiul de înclinare ψ în jurul axei z. Vectorul q conține vectorii de poziție liniar și unghiular.

Originea cadrului corpului este în centrul masei quadcopterului. În cadrul cadrului, vitezele liniare sunt determinate de VB și vitezele unghiulare de către v.

Matricea de rotație de la cadrul corpului la cadrul inerțial este:

în care Sx = sin (x) și Cx = cos (x). Matricea de rotație R este ortogonală astfel încât R-1 = RT care este matricea de rotație din cadrul inerțial la cadrul corpului.

Matricea de transformare pentru vitezele unghiulare de la cadrul inerțial la cadrul cadrului este Wη, iar din cadrul cadrului până la cadrul inerțial este W -1η. [SAMI]

În care Tx = tan (x). Matricea Wη este inversibilă dacă θ (2k – 1) ɸ/ 2, (k ∈ Z). Se presupune că quadcopterul are o structură simetrică cu cele patru brațe aliniate cu axele x și y ale caroseriei. Astfel, matricea de inerție este matricea diagonală I în care Ixx = Iyy.

Viteza unghiulară a rotorului i, notată cu ωi, creează forța fi în direcția axei rotorului. Viteza unghiulară și accelerația rotorului creează de asemenea un cuplu τMi în jurul axei rotorului.

Forțele combinate ale rotoarelor creează forța T în direcția axei z. Momentul constă din cuplurile , și în direcția corespunzătoare nghiurilor cadrului corpului.

Ecuațiile Newton-Euler

Quadcopterul este presupus a fi un corp rigid și astfel ecuațiile Newton-Euler pot fi folosite pentru a descrie dinamica sa. În cadrul cadrului, forța necesară pentru accelerarea m și forța centrifugă ν × (m) sunt egale cu RTG-ul gravitațional și forța totală a roților TB.

În cadrul inerțial, forța centrifugă este anulată. Astfel, numai forța gravitațională și magnitudinea și direcția forței de tracțiune contribuie la accelerarea quadcopterului.

În cadrul cadrului, accelerația unghiulară a inerției Iν˙, forțele centripetale ν × (Iν) și forțele giroscopice Γ sunt egale cu cuplul exterior τ.

în care ωΓ = ω1 -ω2 + ω3 -ω4. Accelerațiile unghiulare în cadrul inerțial sunt apoi atrase de la accelerațiile cadrului corpului cu matricea de transformare W-1η și derivatul său de timp.

Ecuațiile Euler-Lagrange

Lagrangianul ℒ este suma energiilor transversale Etrans și de rotație Erot minus energia potențială Epot.

Așa cum se arată în [CA05], Ecuațiile Euler-Lagrange cu forțe și cupluri externe sunt:

Componentele liniare și unghiulare nu depind una de cealaltă, astfel încât acestea pot fi studiate separat. Forța externă liniară este forța totală a rotoarelor. Ecuațiile liniar Euler-Lagrange sunt:

care este echivalentă cu ecuația (10).

Matricea Jacobiană J(η) de la ν la este:

Astfel, energia rotativă Erot poate fi exprimată în cadrul inerțial ca:

Forța unghiulară exterioară este cuplul roților. Ecuațiile unghiulare Euler-Lagrange sunt:

în care matricea C (este termenul Coriolis, care conține termenii giroscopici și centripetali.

Matricea C ( are forma, după cum se arată în [RA10],:

Ecuația (18) conduce la ecuațiile diferențiale pentru accelerațiile unghiulare echivalente cu ecuațiile (11) și (12).

Stabilizarea quadcopter-ului

Pentru a stabiliza quadcopterul, se utilizează un controler PID. Avantajele controlerului PID sunt structura simplă și implementarea ușoară a controlerului. Forma generală a controlerului PID este:

în care u (t) este intrarea de control, e(t) este diferența dintre starea dorită xd(t) și starea actuală x(t), iar KP, KI și KD sunt parametrii pentru elementele proporțional, derivativ și integrator ale controlorului PID.

Într-un quadcopter, există șase stări, pozițiile ξ și unghiurile ᶯ dar numai patru intrări de comandă, vitezele unghiulare ale celor patru rotoare ωi. Interacțiunile dintre stări și forța totală T și momentele t create de rotoare sunt vizibile din dinamica quadcopter-ului definită de ecuațiile (10), (11) și (12). Forța totală T afectează accelerația în direcția axei z și menține quadcopterul în aer. Momentul τɸ are un efect asupra accelerației unghiului ɸ, cuplul Tθ afectează accelerarea unghiului θ, iar cuplul τψ contribuie la accelerarea unghiului ψ.

Prin urmare, controlerul PD pentru quadcopter este ales , similar [DI09]

în care sunt luate în considerare și gravitația g și masa m și momentele de inerție I ale quadcopterului. Vitezele unghiulare corecte ale rotoarelor ωi pot fi calculate din ecuațiile (7) și (8).

Performanța regulatorului PD este testată prin simularea stabilizării unui quadcopter. Parametrii controlerului PD sunt prezentați în Tabelul 2. Condiția inițială a quadcopterului este pentru poziția ξ = (0 0 1) T în metri și pentru unghiurile η = (10 10 10) T în grade. Poziția dorită pentru altitudine este zd=0.

Scopul stabilizării este fixarea stabilă, astfel încât ηd = (0 0 0) T.

Tabelul 5.4.1 Parametrii controlerului PD

Controlul traiectoriei

Scopul controlului traiectoriei este de a muta quadcopterul de la locația inițială în locația dorită prin controlul vitezelor rotorului quadcopterului. Găsirea unei traiectorii optime pentru un quadcopter este o sarcină dificilă din cauza dinamicii complexe. Totuși, o metodă simplă de control este capabilă să controleze în mod adecvat quadcopterul. Astfel, o abordare euristică este studiată și dezvoltată aici. Baza dezvoltării unei metode de control este studiul interacțiunilor și dependențelor dintre stări, derivate de stare și intrări de control. Aceste interacțiuni și dependențe sunt definite prin ecuațiile (7), (8), (20) și prezentate in figura 5.5.1.

Intrările de control date ωi definesc forța totală T și cuplurile τφ, τθ și τψ.

Cuplurile afectează accelerațiile unghiulare în funcție de unghiurile și vitezele unghiulare actuale. Unghiurile η pot fi integrate de la vitezele unghiulare , care sunt integrate de la accelerațiile unghiulare . Accelerațiile liniare depind de forța totală T, unghiul η și viteza liniară . Poziția liniară ξ este integrată de la accelerațiile liniare prin vitezele liniare .

Prin urmare, pentru a găsi intrări de control adecvate ωi pentru anumite stări ξ, această linie de gândire trebuie făcută invers.

O metodă este de a genera accelerații liniare care realizează traiectoria dorită în funcție de pozițiile x, y și z pentru fiecare timp t.

în care ξ¨, ξ˙, și ψ sunt valori ale traiectoriei dorite, precum și unghiurile ɸ și θ și forța totală T sunt valori necunoscute care trebuie rezolvate.

Din această ecuație, unghiurile necesare ϕ și θ și forța totală T pentru fiecare timp t pot fi calculate, așa cum se arată în [ZU10],

în care

Atunci când valorile unghiurilor ɸ și θ sunt cunoscute, vitezele și accelerațiile unghiulare pot fi calculate de la acestea cu derivare simplă. Cu vitezele și accelerațiile unghiulare, cuplurile τ pot fi rezolvate din ecuația (20). Atunci când sunt cunoscute cuplurile și forța de tracțiune, intrările de control ωi pot fi calculate din ecuația (23).

Controler PD integrat

O altă metodă de a lua în considerare posibilele abateri în unghiuri este de a integra un controler PD în metoda euristică. Aceasta este o versiune simplificată a metodei de control . Valorile dorite dx, dy și dz în ecuația (25) sunt date de controlerul PD ținând cont de deviațiile dintre valorile curente și cele dorite (indicele d) ale pozițiilor ξ, vitezele , accelerațiile .

Apoi, unghiurile comandate ϕc și θc și forța T sunt date de ecuația (25). Momentele τ sunt controlate de către controlerul PD în ecuația (28), la fel ca în ecuația (22). Intrările de comandă pot fi rezolvate prin forța și cuplurile calculate folosind ecuația (23).

Simularea este realizată cu parametrii PD prezentați în Tabelul 5.6.1.

Tabelul 5.6.1 Valori parametrii lege

Capitolul 6. Implementarea sistemului de reglare

Pentru implementarea sistemului de reglare am utilizat mediul de programare grafica LabVIEW.

Comanda PWM către motoare

În figura 6.1.1 este implementat programul pentru generarea PWM-ului unui motor de curent continuu. Am setat frecvența de 440 Hz. Ciclul de funcționare este dat cu ajutorul unui potenționetru care se incrementează cu valoarea de 0.001. Pentru punerea în funcțiune a celor patru motoare ale dronei, în program se folosesc patru PWM-uri diferite, pentru fiecare setându-se frecvența și canalul corespunzător.

Implementarea și citirea datelor furnizate de către accelerometru

Pentru a măsura accelerația unghiulară am folosit accelerometrul integrat plăcuței myRIO-1900. Senzorul accelerometru are la bază o infimă structură mobilă de siliciu care se deplasează în interior în funcție de mișcările aplicate dronei. În funcție de mărimea deplasării și de direcția acționării, senzorul produce variația cumulată a mai multor valori capacitive.

Accelerometrul este sensibil pe toate axele la accelerația gravitațională a Pământului, care are întotdeauna direcția verticală. Deoarece accelerometrul lucrează concomitent pe toate axele fizice (x, y și z), aplicația software va ști în orice moment care sunt unghiurile de înclinație ale dronei și care sunt accelerațiile instantanee produse pe axe de către fiecare mișcare în parte.

În figura 6.2.2 sunt afișate accelerațiile unghiulare pe cele 3 axe fizice (x, y, z).

Implementarea și citirea datelor furnizate de către giroscop

Funcționarea giroscopului se bazează pe conservarea impulsului unghiular; un corp care se rotește în jurul propriei axe tinde să își păstreze această axă de rotație și se va opune unui impuls perturbator cu un altul, de-a lungul unei axe perpendiculare pe axa de rotație și pe axa impulsului perturbator.

Conexiunea gisoscopului cu placa myRIO-1900 s-a făcut prin magistrala I2C. Adresa slave a giroscopului este 107. Pentru fiecare axă sunt citiți doi byți. Datele rezultate citirii celor 6 byți sunt indexate într-un subvector. Subvectorii obținuți sunt integrați obținându-se deplasările unghiulare pentru fiecare axă in parte.

CONCLUZII

Conform obiectivelor stabilite, am urmărit proiectarea unui sistem de control al unei drone. Pentru a realiza acest lucru am început prin a mă documenta despre industria și aplicabilitatea dronelor. Am accesat diverse cărți și pagini web pentru a aprofunda cât mai bine acest subiect.

Pentru atingerea obiectivelor stabilite lucrarea a fost împărțită în cinci capitole. În primul capitol este prezentată o scurtă introducere care face referire la „Ce sunt dronele?” și domeniile în care sunt utilizate, tipurile și legislația acestora. Următorul capitol prezintă o scurtă descriere a componentelor hardware, urmând ca în capitolul trei să fie descrisă mai amănunțit placa myRIO-1900 de la National Instruments. În capitolul al patrulea am dezvoltat un model matematic dorindu-se a fi implementat în proiect.

Așa cum era de așteptat, în momentul implementării software am întâmpinat câteva dificultăți peste care am reușit să trecem în urma unor studii mai amănunțite urmate de o serie de teste.

Ȋn urma rezultatelor obținute pot spune că obiectivele propuse au fost parțial atinse.

BIBLIOGRAFIE

[CA05] – P. Castillo, R. Lozano, and A. Dzul, “Stabilisation of a mini rotorcraft with four rotors,” IEEE Control Systems Magazine, pp. 45–55, Dec. 2005.

[DI09] – I. C. Dikmen, A. Arısoy, and H. Temelta¸s, “Attitude control of a quadrotor,” 4th International Conference on Recent Advances in Space Technologies, pp. 722– 727, 2009.

[PO17] – M. I. Popescu, “Sisteme de control distribuit”, curs 2017.

[RA10] – G. V. Raffo, M. G. Ortega, and F. R. Rubio, “An integral predictive/nonlinear H∞ control structure for a quadrotor helicopter,” Automatica, vol. 46, no. 1, pp. 29–39, 2010.

[SAMI] – T. S. Alderete, “Simulator aero model implementation.” NASA Ames Research Center, Moffett Field, California, http://www.aviationsystemsdivision.arc.nasa.gov/publications/hitl/rtsim/Toms.pdf.

[ZU10] – Z. Zuo, “Trajectory tracking control design with command-filtered compensation for a quadrotor,” IET Control Theory Appl., vol. 4, no. 11, pp. 2343–2355, 2010.

REFERINȚE WEB

[CRAR] – https://criticarad.ro/ce-trebuie-sa-stii-daca-ai-o-drona-in-primul-rand-ca-este-aproape-ilegal-sa-o-folosesti/

[DI11] – http://gizmodo.com/5871086/sea-shepherd-now-using-drones-to-hunt-japanese-whalers

[DJI] – http://www.dji.com/e300

[GENSACE] – https://www.sierra.ro/Acumulator-LiPo-GENS-ACE-11-1-V–2200-mA–25C-p4505p.html

[HCSR04] – https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Proximity/HCSR04.pdf

[L3GD20H] – https://www.pololu.com/file/download/L3GD20H.pdf?file_id=0J731

[LA12] – http://www.bbc.com/news/world-europe-16545333

[LIS3MDL] – https://www.pololu.com/file/download/LIS3MDL.pdf?file_id=0J1089

[MYRIO] – http://www.ni.com/pdf/manuals/376047c.pdf

[VISAE] – http://www.visionaerial.com/blog/benefits-of-a-tri-rotor-drone/

[W-QUADCOPTER] – https://en.wikipedia.org/wiki/Quadcopter

[W-HELICOPTER] – https://en.wikipedia.org/wiki/Helicopter

[WO15] – https://www.theatlantic.com/international/archive/2015/05/america-first-drone-strike-afghanistan/394463/

CD / DVD