드론을 위한 탄도 낙하산 회수 시스템 구축

2015년 12월 21일부터 FAA(연방 항공국)는 취미 생활을 하는 사람들에게 무인 항공기(드론이라고도 함)를 등록하도록 요구하기 시작했습니다. 등록 이틀 후 데이터베이스에는 개인용으로 설계된 전용 항공기 45,000대가 포함되었습니다. 이 명령은 무인 항공기 운영에 대한 책임을 높이고 소형 무인 항공기와 관련된 사고를 줄이기 위해 FAA(연방 항공국)에서 설정했습니다. 무게가 0.55파운드 사이인 개인용 드론을 등록하지 않은 경우. 그리고 55파운드. 최대 $27,000의 벌금이 부과될 수 있습니다. 연방 판사는 2017년 5월 등록 요건에 대해 판결을 내렸지만 이 문제는 항소될 수 있습니다("연방 항소 법원 무효 FAA 등록 규칙 모형 항공기", John Goglia, Forbes, 2017년 5월 19일).

드론은 어디에나 있습니다. 실제로 FAA는 2020년까지 약 700만 대의 드론이 하늘을 날 것이라고 추정합니다. 점점 더 많은 사람들이 드론을 사용함에 따라 드론 애호가들이 평화롭고 안전한 방식으로 작동하도록 하는 것이 FAA의 사명이 되었습니다. 웹사이트를 방문하여 무게 제한, 가시선(LoS) 제한, 공항 제한 등 드론 소유자가 준수해야 하는 제한 사항을 확인할 수 있습니다. 이 모든 것은 비행에 관련된 사람과 그렇지 않은 사람 모두에게 안전한 환경을 보장하기 위해 마련되었습니다.

우리는 모두 하늘에서 쿼드콥터가 한 곳에서 장엄하게 날아가는 것을 본 적이 있습니다. 그것이 바위처럼 떨어질 때까지입니다. 고정익 항공기와 달리 쿼드콥터는 배터리가 고갈되거나 기체가 회복할 수 없을 정도로 혼란스러워지면 양력을 잃습니다. 하늘에 점점 더 많은 드론이 있게 되면서 모든 사람이 항공기의 안전을 손에 넣어야 합니다. 이 프로젝트는 소형 무인 항공기를 위한 탄도 낙하산 회수 시스템의 설계 및 건설을 탐구할 것입니다. Arduino 마이크로 컨트롤러를 기반으로 하는 복구 시스템은 센서를 사용하여 GPS 좌표, 배터리 잔량 및 가속도를 결정합니다. 시스템이 드론의 배터리가 고갈되었거나 규정된 GPS 경계를 벗어나 작동 중이거나 유닛이 자유낙하 상태에 있다고 판단하면 복구 시스템이 모터의 전원을 차단하고 낙하산을 전개하여 기체를 지상으로 내립니다. 안전한 속도로 접지하십시오.

드론을 위한 복구 시스템을 구축합시다!

참고: 이러한 자료의 대부분을 찾을 수 있는 곳이 여러 군데 있습니다. 부품을 주문할 때 비용과 단순성을 고려하십시오. 이 튜토리얼에서는 전기 회로에 대한 간단한 개요를 다룹니다. 안전을 최우선으로 하십시오.

디자인

복구 시스템은 별도의 7.4V LiPo 배터리로 구동되는 Arduino Nano 마이크로컨트롤러를 사용하여 드론의 비행 컴퓨터와 독립적으로 제어되어 주 배터리가 고갈된 경우 복구 시스템이 올바르게 작동하도록 합니다. 이 마이크로컨트롤러는 14개의 디지털 입력/출력 핀, 8개의 아날로그 핀, 16MHZ 클록 및 2Kb의 SRAM이 있는 조정된 5V 전원을 제공합니다. 이 단위를 통해 모든 모니터링 및 의사 결정 프로세스가 완료됩니다. 각 하드웨어 구성 요소는 디지털 또는 아날로그 I/O 핀을 통해 마이크로컨트롤러에 연결됩니다.

가속도계 – 가속도계는 마이크로컨트롤러의 아날로그 입력 핀을 통해 연결됩니다. 가속도계에서 생성된 전압 값에 따라 x, y, z 방향의 가속도 성분을 읽습니다. 가속도계 모듈은 많은 전류를 필요로 하지 않기 때문에 아날로그 출력 핀은 가속도계에 대한 충분한 전원 소스였습니다.

GPS – GPS 모듈은 전용 복구 시스템 배터리를 통해 전원이 공급되고 마이크로컨트롤러의 디지털 I/O 핀에서 직렬("소프트웨어 직렬") 연결을 통해 통신합니다. GPS 장치는 RS232 직렬 연결을 통해 Arduino에 NMEA 데이터를 전송합니다.

전압 센서 – 전압 센서는 마이크로컨트롤러의 아날로그 핀에 연결됩니다. 전압 센서 장치는 4:1 전압 분배기 역할을 하여 Arduino의 아날로그 입력 핀에서 아날로그-디지털 변환 회로의 한계 내에서 전압 범위를 제공합니다.

5V 릴레이 모듈 e – 릴레이 모듈은 마이크로컨트롤러의 5V 디지털 신호에 의해 활성화되고 활성화되면 드론 모터의 전원을 차단합니다. 이 특정 릴레이는 내부 스위치를 활성화하는 모듈에 5V 신호를 제공하는 "Active HIGH"였습니다.

서보 모터 – 낙하산을 전개하는 서보 모터는 마이크로컨트롤러의 디지털 핀에서 나오는 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 통해 제어됩니다. 복구 시스템의 에너지를 절약하기 위해 서보 모터는 초기에 닫히도록 설정되어 있다가 시스템에서 가상으로 분리됩니다. 낙하산 해제 도어의 압력으로 도어가 닫히기 때문에 배터리와 Arduino 처리 전력을 절약할 수 있습니다.

낙하산 – 복구에 사용되는 낙하산은 MARS Mini이며 자체 구성 요소로 구성 및 설계할 수도 있습니다. 이 MARS Mini 낙하산은 배압을 유지하는 서보 모터 제어 도어에 의해 배치됩니다. 낙하산 직물은 내부 스프링과 플런저 메커니즘에 의해 바깥쪽으로 발사됩니다. 빠른 테스트 및 구현을 위해 단위 재설정이 가능합니다. 이 낙하산은 PVC 튜브, 대형 스프링, 베이스 플레이트, 3D 인쇄 도어 및 서보 모터 홀더, 서보 모터로 구성할 수 있습니다. 자세한 내용은 사진을 참조하십시오. 아래 그림은 복구 시스템의 전체 설계 개략도를 나타냅니다.

소프트웨어

이 소프트웨어는 항공기 고장이 발생했는지 확인하기 위해 세 가지 조건을 지속적으로 모니터링합니다. 주 배터리 전압의 고갈, 항공기의 자유 낙하, GPS에 따른 조종사로부터 가시선(LOS) 거리 초과. 앞에서 설명한 하드웨어 구성 요소를 통해 모니터링할 구성 요소에서 실시간 값을 얻을 수 있습니다.

값을 모니터링할 때 복구 시스템으로 적절하게 사용하려면 특정 보정이 필요합니다. 자유 낙하를 감지하려면 가속도계 값을 설정해야 합니다. 전압 센서는 모터의 적절한 차단 전압으로 보정되어야 합니다. GPS는 위성에서 현재 위치를 가져와 마이크로컨트롤러에 저장된 예상 값과 비교해야 합니다. 이러한 구성 요소가 설정되면 UAV를 비행할 수 있습니다. 소프트웨어 설계 흐름은 아래 그림에 요약되어 있습니다.

복구 시스템의 소프트웨어 흐름도

GPS

GPS 장치는 NMEA(National Marine Electronics Association) 183.5 텍스트(ASCII) 형식으로 위치 정보(위도, 경도, 고도 및 시간)를 지속적으로 스트리밍합니다. 이 장치는 RS232 직렬 연결을 통해 Arduino Nano에 38400 보드 속도로 통신합니다.

현행 FAA 규정을 준수하기 위해 운영자 및/또는 조수는 비행 중에 항공기에 대한 완전한 LOS 보기를 가지고 있어야 합니다. 항공기가 이륙 지점에서 미리 결정된 범위를 초과하면 복구 시스템이 인계받아 주 시스템의 전원을 차단합니다. 전원이 차단되면 복구 시스템이 낙하산을 펼치고 안전하게 착륙합니다.

전압 센서

전압 센서 소프트웨어는 주 배터리 소스에서 지속적으로 값을 폴링합니다. UAV에 자주 사용되는 브러시리스 DC 모터는 전압 의존적입니다. 즉, 전원의 전압은 주로 모터가 계속 작동할 수 있는지 여부를 결정합니다. 리튬 폴리머(LiPo) 배터리 기술은 일반적으로 취미 기반 UAV 항공기에 사용됩니다. 이 배터리는 배터리가 충전이 끝날 때까지 일정한 전압을 유지합니다. 이 시점에서 배터리 전압이 급격히 떨어집니다. 모터 배터리 전압을 폴링한 후 복구 시스템은 항공기 상태가 안전한 비행에 적합한지 결정합니다. 그렇다면 시스템이 계속 모니터링합니다. 주함포의 전압이 부족할 경우 복구 시스템이 계전기를 통해 항공기 전원을 차단하고 안전한 착륙을 위해 낙하산을 전개한다. 실시간 배터리 전압을 처리하는 것은 멀티 로터 시스템에 가장 적합합니다. 고정익 유닛은 비행 중 전원이 꺼지면 활공할 수 있습니다. 고정익 시스템과 달리 멀티 로터는 안정적인 비행을 위해 모든 모터에 전원을 공급해야 합니다. 배터리 전압을 모니터링하여 잠재적으로 안전하지 않은 비행 조건을 결정할 수 있습니다.

가속도계

복구 시스템에 부착된 3축 가속도계는 항공기에 가해지는 힘을 지속적으로 모니터링합니다. 가속도계의 목표는 자유낙하를 감지하기 위해 UAV를 모니터링하는 것입니다. UAV에 작용하는 다른 힘은 방향과 움직임을 결정하는 데 유용할 수 있지만 가속도계는 UAV가 안전하지 않은 상태에 있을 수 있는 인스턴스를 모니터링해야 합니다. 많은 UAV가 자유 낙하 가속에서 복구할 수 없는 운영자가 항공기 제어를 잃는 경우 복구 시스템은 낙하산을 전개하고 릴레이를 통해 주 제어 장치의 전원을 차단합니다. 가속도계는 항공기가 x, y, z 방향으로 가속도가 0일 때 자유 낙하를 감지합니다(가속도계 작동 방식으로 인해).

조립 방법:

전자제품:

1. 이 기사의 앞부분에 나와 있는 표에 나열된 모든 부품을 수집합니다. 헤더에서 점퍼를 사용하지 않을 경우 납땜 인두를 얻을 수도 있습니다. 이 자습서에서는 모든 보드에 헤더 핀이 설치되어 있다고 가정합니다. 그렇지 않은 경우 구입 및 설치 비용이 매우 저렴합니다. 또한 최신 Arduino IDE를 다운로드하여 시스템에 설치해야 합니다. 코드는 그 과정의 모든 단계에 대해 문서화되었습니다. 이전에 Arduino를 사용한 적이 없다면 시작하기에 좋은 프로젝트가 될 것입니다! 설정에 따라 코드를 편집하는 것을 고려하십시오. 가속도계 보정 및 GPS 보정은 각 개별 복구 단위에 필요합니다. 먼저 시스템의 전자 장치를 설정합니다.

2. 부품에서 배터리 탭이 있는 T 커넥터를 선택합니다. 드론의 주 배터리에서 접지 케이블(또는 검은색 케이블)을 자릅니다. 이 계전기는 검은색 전원선의 절단된 끝 사이에 직렬로 삽입되어 주 계통의 전원을 차단하는 데 사용됩니다. 자른 검은색 케이블의 양 끝을 벗기고 한쪽 끝을 NO에 삽입하고 다른 쪽 끝을 5V 릴레이의 COM 포트에 삽입합니다.

3. 배터리 T-커넥터에 연결된 두 개의 작은 "스니퍼" 와이어를 자르고 각각을 벗겨냅니다. 이 두 전선은 UAS 주 전원의 배터리 전압을 감지하는 방법을 제공합니다. 검은색 선을 GND로, 빨간색 선을 VCC로 유지하면서 두 개의 선을 전압 센서의 두 포트에 삽입합니다. 이것은 우리의 디자인을 구현할 때 적절한 극성과 가치 추정을 보장할 것입니다.

4. 이것은 내가 주문한 특정 구성 요소로 인해 내 시스템에 필요한 단계입니다. 그에 따라 조정해야 할 수도 있습니다.

5pin-5pin 암 헤더 핀 커넥터를 구성합니다. 한 수직 커넥터 세트의 입력이 다음 커넥터 세트의 인접한 입력에 해당하도록 납땜이 수평으로 연결됩니다. 표현은 Female Header Pin Connection.jpg를 참조하십시오. 이 설정은 5-와이어 암-암 점퍼 장치와 동일하게 작동하지만 추가 와이어 세트가 필요하지 않았습니다.

5. 이제 8핀 암 헤더 핀 커넥터의 단일 행을 가져 와서 리드를 서로 납땜하십시오. 이것은 5V 전원을 위한 연결 허브를 구성할 것입니다. 이 작업을 두 번 수행하여 GND 연결용도 구성합니다.

6. 암-암 점퍼 와이어를 사용하여 5V 릴레이 EN 핀을 Arduino 보드 핀 D5에 연결합니다. 그런 다음 암-수 점퍼 와이어를 사용하여 VCC 및 GND를 각 허브에 연결합니다. 참고: 허브는 아직 Arduino 5V 및 GND 연결에 연결할 필요가 없습니다.

7. 암-암 점퍼 와이어를 사용하여 전압 센서의 S 핀을 Arduino A7 핀에 연결합니다. '-' 핀을 GND 연결 허브에 연결합니다. 이 전압 센서는 더 높은 전압 감지를 위한 분압 장치 역할을 합니다.

8. 2개의 암-암 점퍼 와이어 세트를 GPS 모듈의 VCC 및 GND 핀에 연결하고 2개의 암-수 점퍼 와이어 세트를 RXD 및 TXD 핀에 연결합니다. 그런 다음 VCC와 GND를 각각의 허브에 연결합니다. 또한 Arduino 보드의 TXD 끝을 핀 D2에 연결하고 RXD 끝을 핀 D3에 연결합니다.

9. 마지막으로 가속도계를 시스템에 연결해야 합니다. 4단계에서 구성한 5핀-5핀 커넥터 시스템을 사용하여 Arduino Nano의 아날로그 핀 A1-A5에 가속도계를 삽입합니다. 다음 연결을 따라야 합니다.

A1:VCC
A2:X_OUT
A3:Y_OUT
A4:Z_OUT
A5:GND

이 구성을 변경할 수 있지만 변경하는 경우 만든 핀 할당을 사용하도록 코드를 수정해야 합니다. 가속도계를 보다 안정적으로 만들려면 VCC 핀을 5V nano의 소스에 연결하고 GND 핀을 nano의 GND에 연결하는 것이 좋습니다. 이는 향후 반복 및 보정을 위한 단계가 될 수 있습니다.

10. 마지막 단계는 제공된 Arduino 프로그램(Ballistic_Parachute_System.ino)을 Arduino 마이크로 컨트롤러에 업로드하는 것입니다. Arduino IDE에 로드할 때 보드와 COM 포트를 선택하고 업로드를 누르기만 하면 됩니다.

낙하산:

참고: 이 낙하산 디자인을 보고 원하는 경우 직접 제작하는 것이 좋습니다. 낙하산은 모든 것을 함께 묶는 끈이 달린 재료(나일론이 효과적임)일 뿐입니다. 낙하산이 제대로 조정되었는지 확인하기 위해 높은 곳에서 낙하산을 시험해 보세요.

1. MARS 미니 낙하산은 시스템에 연결하기가 매우 쉽습니다. 코드는 이미 Arduino 프로그램에 작성되어 있으므로 시스템에 연결하기만 하면 됩니다. 이를 위해 Arduino Nano의 핀 D4에 연결할 전선이 있습니다.

2. 낙하산에 있는 서보 모터의 빨간색과 검은색 선을 이 자습서의 앞부분에서 만든 5V 및 GND 허브에 연결합니다. 이렇게 하면 연결이 완료됩니다.

교정 및 테스트:

Arduino 코드에서 가속도계의 평형을 찾고(x, y 및 z의 모든 힘은 동일함), GPS 신호와 위치 데이터를 테스트하고, LiPo가 떨어지기 시작하는 배터리 전압을 찾으십시오. 이 보정에는 시간이 걸릴 수 있지만 결국 직접 관련된 사람과 그렇지 않은 사람 모두에게 더 안전한 비행이 될 것입니다.

즐거운 시간 보내세요!

결론 및 향후 작업

시스템에 많은 개선이 이루어질 수 있습니다. 첫째, 가속도계 데이터를 보다 정교하게 처리하여 단순히 자유낙하를 감지하는 것보다 회전익이 거꾸로 된 것과 같은 비정상적인 자세를 감지할 수 있습니다. 특히 고정익 항공기의 경우 기체가 공기역학적으로 안정적이고 고도가 실속에서 회복하기에 충분한 경우 낙하산 전개가 잠시 지연되어 기체가 스스로 실속에서 회복할 수 있는 기회를 제공할 수 있습니다. 또는 조종사의 도움으로. 둘째, 단순히 이륙 지점에서 범위를 감지하는 것보다 FAA COA 또는 기타 운영 규칙을 기반으로 보다 정교한 GPS 지오펜스를 정의할 수 있습니다.

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