Geoscan पायनियर - "स्कूल" quadrocopter

लेख में, हम नए क्वाड्रोकॉप्टर जियोसन पायनियर के इलेक्ट्रॉनिक भाग पर विचार करते हैं, जिसे रोबोटिक्स सिखाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। हम एक कॉप्टर बनाने के बारे में बात करेंगे, या यों कहें कि हमें क्या अनुभव प्राप्त हुआ और हमने परियोजना में क्या बदलाव किए। अंत में - भविष्य के लिए योजनाएं साझा करें।

1. क्यों Geoscan में प्रशिक्षण के लिए एक quadrocopter बनाएँ

कई लागू समस्याओं को हल करने के लिए, मानव रहित हवाई वाहन (यूएवी), विशेष रूप से, मल्टी-रोटर सिस्टम का तेजी से उपयोग किया जाता है। उनकी उपस्थिति को कई क्षेत्रों में देखा जा सकता है, उदाहरण के लिए, एरियल फोटोग्राफी, कार्गो डिलीवरी, हवा से वीडियो शूटिंग, वस्तुओं की निगरानी, ​​साथ ही दौड़ (ड्रोन रेसिंग) में भी।

हालांकि, मानव रहित विमानों के तेजी से विकासशील उद्योग में पेशेवर कर्मियों की कमी है। तकनीकी स्टाफ स्कूल में शुरू करने के लिए सबसे अच्छा तैयार है। केवल पिछले सभी चरणों: डिजाइन से लेकर संचालन और आधुनिकीकरण तक - अपने क्षेत्र में एक सच्चे पेशेवर बन सकते हैं और उद्योग के विकास में एक और दौर दे सकते हैं, दोनों प्रौद्योगिकी के मामले में और उद्योग में संबंधित क्षेत्रों की बढ़ती संख्या को शामिल करने और लागू समस्याओं की बढ़ती संख्या को हल करने के संदर्भ में। ।

यह तर्क दिया जा सकता है कि यूएवी के विकास, संचालन और आधुनिकीकरण की मूल बातें जानने के लिए स्कूली बच्चों, छात्रों और शौकीनों द्वारा एक उड़ने वाले रोबोट के रूप में क्वाड्रोकॉप्टर का उपयोग हमारे लिए एक दिलचस्प विषय है। परिणामस्वरूप, यह एक नए शैक्षिक मानक के लिए आधार के निर्माण का कारण बन सकता है।



हम मानते हैं कि निम्नलिखित विषय अध्ययन के लिए सबसे दिलचस्प हैं:

प्रोग्रामिंग नियंत्रण प्रणाली, अंतरिक्ष में अभिविन्यास और नेविगेशन एल्गोरिदम बनाना, पर्यावरण की मान्यता;
इलेक्ट्रॉनिक्स - सेंसर को जोड़ना और उनके काम के सिद्धांतों का अध्ययन करना, विमान प्रणालियों की संरचना का अध्ययन करना;
फ्रेम और यांत्रिकी का डिज़ाइन , साथ ही साथ विभिन्न समस्याओं को हल करते समय फ्लाइट मोड को अनुकूलित करने के लिए कॉप्टर के इलेक्ट्रो-मैकेनिकल मापदंडों का अध्ययन;
पायलट मोड में और यूएवी ऑपरेटर मोड में कॉप्टर का नियंत्रण । अर्थात्, मैन्युअल या स्वचालित रूप से।

इस प्रकार, बहुत सारे दिलचस्प कार्य बन रहे हैं, जिन्हें शैक्षिक हलकों, प्रतियोगिताओं और ओलंपियाड के ढांचे के भीतर युवा पीढ़ी के लिए हल करने के लिए छोड़ा जा सकता है।
भूस्खलन में यूएवी बनाने में पूर्वगामी और मौजूदा अनुभव के आधार पर, हमने एक सॉफ्टवेयर और इलेक्ट्रॉनिक प्लेटफॉर्म बनाकर इन विचारों को व्यवहार में लाने का फैसला किया।

यह ध्यान देने योग्य है कि बस एक उड़ान रोबोट को प्रोग्राम करने के लिए, आपको एक नेविगेशन सिस्टम की आवश्यकता है। और अगर सड़क पर यह समस्या उपग्रह नेविगेशन के उपयोग से हल हो जाती है, तो घर के अंदर इस समस्या का स्पष्ट समाधान नहीं है। यह देखते हुए कि मौसम, आस-पास के इलाके या सुरक्षा के कारण सड़क पर काम करना हमेशा संभव है, इनडोर नेविगेशन एक जरिया बनता जा रहा है। हमारे द्वारा चुना गया कौन सा नेविगेशन सिस्टम नीचे वर्णित किया जाएगा।

2. "स्कूल" कॉप्टर के इलेक्ट्रॉनिक्स का पहला संस्करण

एक छोटा कॉप्टर बनाने के लिए, इलेक्ट्रॉनिक्स के द्रव्यमान और आयामों को कम करना आवश्यक है। ऐसा करने के लिए, सेंसर, मोटर नियंत्रक, रेडियो संचार, बिजली की आपूर्ति और आवश्यक कनेक्टर्स के साथ एक ऑटोपायलट (एपी) युक्त एकल-बोर्ड समाधान लागू करना तर्कसंगत है। "सिंगल बोर्ड" फ्रेम के साथ इलेक्ट्रॉनिक्स के संयोजन को सरल करता है और तारों की संख्या को कम करता है।



ब्रशलेस मोटर्स की तुलना में ब्रशलेस मोटर्स का उपयोग कई फायदों के कारण किया जाता है। ऐसे मोटर्स अधिक कुशल और विश्वसनीय होते हैं, और अपेक्षाकृत हल्के वजन का बड़ा टोक़ आपको स्क्रू पर गियरबॉक्स के उपयोग को छोड़ने की अनुमति देता है। एक निश्चित कठिनाई ब्रशलेस मोटर्स के लिए गति नियंत्रकों का विकास है। लेकिन "वयस्क" यूएवी के विकास में अनुभव के लिए धन्यवाद, यह एक बड़ी समस्या नहीं बन गया। चयनित प्रोपेलर-मोटर समूह के minuses में से, केवल मोटर्स और नियामकों की लागत को नोट किया जा सकता है, लेकिन यह उड़ान के समय, प्रतिपालक की अच्छी गति विशेषताओं, एक बड़े पेलोड को स्थानांतरित करने की क्षमता और उचित मोटर्स को खरीदने और बदलने के बारे में चिंता करने के लिए कम है।

इस प्रकार, हमने एक छोटे कॉप्टर के लिए एक प्रोटोटाइप बोर्ड के निर्माण के लिए संपर्क किया। हम इस बोर्ड पर अधिक ध्यान नहीं देंगे, लेकिन केवल इसकी मुख्य कमियों पर ध्यान दें, जो कुछ नहीं हैं, मुख्य रूप से तीन सप्ताह के सबसे मामूली विकास समय के कारण।

प्रारंभिक डिजाइन में, मैं कोप्टर की अधिकतम कार्यक्षमता का प्रयास करना चाहता था, इसलिए मैग्नेटोमीटर और उपग्रह नेविगेशन मॉड्यूल को बोर्ड पर रखा गया था, जो बोर्ड के साथ अपर्याप्त विद्युत चुम्बकीय संगतता के कारण निष्क्रिय हो गया था। मैग्नेटोमीटर बिजली कंडक्टरों के बहुत करीब था और जब वर्तमान कंडक्टर से गुजरता था, तो मैग्नेटोमीटर ने गलत जानकारी दी। सिरेमिक एंटीना के अपर्याप्त स्क्रीन क्षेत्र के कारण, जीपीएस रिसीवर ने नेविगेशन के लिए उपग्रहों की अपर्याप्त संख्या पाई।

कंप्यूटर में एक क्वाड्रोकोप्टर को जोड़ने में आसानी के लिए, वाई-फाई मॉडेम का उपयोग किया गया था। टेलीमेट्री और नियंत्रण के लिए इस इंटरफ़ेस का उपयोग करना समस्याग्रस्त है यदि यह शोर वातावरण में काम करना है, उदाहरण के लिए, प्रदर्शनियों या अन्य सार्वजनिक कार्यक्रमों में जहां 2.4 गीगाहर्ट्ज़ पर बहुत सारे डिवाइस हैं। इसके अलावा, मॉड्यूल ने अस्थिर नेटवर्क ऑपरेशन दिखाया।



ऑपरेशन के दृष्टिकोण से, सब कुछ भी काफी आसानी से काम नहीं करता था। सबसे पहले, मोटर के चरण तारों को बोर्ड में मिलाप करना पड़ता था, क्योंकि उनके लिए कोई कनेक्टर नहीं थे। कठिनाई एक टांका लगाने वाले लोहे के साथ काम करने में कौशल और तारों के क्रम को मिलाने की क्षमता में निहित है, जो मोटर के रोटेशन की गलत दिशा की ओर जाता है, और असेंबली-डिससैम्फ को भी जटिल करता है। दूसरे, बोर्ड पर सुविधाजनक बढ़ते छेद बनाना संभव नहीं था, जिसने फ्रेम को बोर्ड को ठीक करने की विश्वसनीयता और व्यावहारिकता पर प्रतिकूल प्रभाव डाला। तीसरा, 2 मिमी की पिच के साथ मानक "पिन" के रूप में इंटरफ़ेस कनेक्टर हमेशा कई उपकरणों को जोड़ने पर उपयोग करने के लिए सुविधाजनक नहीं होता है।

अन्य चीजों के अलावा, तत्वों के एकतरफा अधिष्ठापन (अंडरसाइड पर नियामक तत्वों की एक छोटी संख्या के अपवाद के साथ) के कारण बोर्ड के आयाम अपेक्षा से अधिक निकले।



फिर भी, पुलिस वाला एक कार्यकर्ता निकला। फर्मवेयर ऑटोपायलट और नियामकों को हमारे "बड़े" कोप्टर से स्थानांतरित किया गया था। नियंत्रण छोरों के गुणांक को थोड़ा समायोजित करने के बाद, हमने अपने मुख्य कार्य के साथ एक उत्कृष्ट काम किया है - उड़ान भरने के लिए। 1306 3100 kV मोटर्स के साथ, 5 "स्क्रू और एक LiPo 2s 1300 mAh की बैटरी, कॉप्टर 15-16 मिनट और गोप्रो 3 (80 ग्राम) - लगभग 10 मिनट के लिए उड़ान भरता है।

Marvelmind से एक अल्ट्रासोनिक (यूएस) नेविगेशन प्रणाली में एक उड़ान को लागू किया गया था। प्रणाली में दो प्रकार के अल्ट्रासोनिक बीकन होते हैं: स्थिर और मोबाइल। इसी समय, कोप्टर पर लगे सिस्टम का मूविंग बीकन ऑटोपायलट को पर्याप्त रूप से कम सटीकता (± 5-10 सेमी) के साथ 3 पोजिशन कोऑर्डिनेट करता है और हमने जो कंट्रोल सिस्टम बनाया है, वह इस डेटा को जाइयोस्कोप और एक्सेलेरोमीटर के डेटा के साथ जोड़ता है, और कॉप्टर की स्थानिक स्थिति को नियंत्रित करता है।

3. एक नया संस्करण बनाने के लिए विचार

जब बोर्ड के नए संस्करण से संपर्क किया गया, तो यह हमारे लिए स्पष्ट हो गया कि कई सुधारों की आवश्यकता थी। हमने परियोजना की अवधारणा पर अधिक विस्तार से सोचा, कॉप्टर के उपयोग के क्षेत्रों और तरीकों की एक पूरी दृष्टि के रूप में दिखाई दिया। मुख्य विचार बोर्ड पर केवल आवश्यक घटकों को छोड़ने और एक तरह का "मदरबोर्ड" बनाने का निर्णय था, जिसमें मॉड्यूल जो कि कोप्टर के कार्यात्मक उद्देश्य को निर्दिष्ट करते हैं, जुड़ा होगा। इस तरह के एक मॉड्यूल का एक उदाहरण एक उपग्रह रिसीवर है जो सड़क नेविगेशन के लिए कम्पास के साथ है।

अब नए बोर्ड में सेंसर के साथ मुख्य एपी नियंत्रक है - एक एक्सेलेरोमीटर, एक जाइरोस्कोप और एक बैरोमीटर। बैरोमीटर को ऊँचाई पकड़ मोड के लिए आवश्यक है, जो मैन्युअल नियंत्रण के साथ कॉप्टर के नियंत्रण को बहुत सरल करता है। उड़ान लॉग और ऑटोपायलट मापदंडों को संग्रहीत करने के लिए, हम एक अलग फ्लैश मेमोरी चिप का उपयोग करते हैं।

बोर्ड पर सभी इलेक्ट्रॉनिक घटक और विस्तार मॉड्यूल तीन वोल्टेज कन्वर्टर्स द्वारा संचालित होते हैं: 5 वी (मॉड्यूल, एलईडी, पीपीएम / एसबीयूएस रिसीवर के लिए), 3.3 वी (बोर्ड पर मॉड्यूल और माइक्रोक्रीकेट के लिए), और सेंसर के लिए अलग से 3.3 वी। इनपुट वोल्टेज 6 V से 14 V तक है, जो लिथियम-पॉलिमर बैटरी से दो से तीन "बैंकों" (2s-3s) से मेल खाती है।



एक पीसी के साथ संचार एक रेडियो चैनल या यूएसबी के माध्यम से होता है। विकास के समय को कम करने के लिए, हमने 25 mW की शक्ति के साथ तैयार किए गए 868 मेगाहर्ट्ज रेडिओक्राफ्ट रेडियो मॉड्यूल का उपयोग किया।

रेडियो मॉड्यूल बोर्ड पर एक चिप एंटीना के साथ, साथ ही एक बाहरी एंटीना को जोड़ने के लिए एक कनेक्टर प्रदान किया जाता है। हालांकि, बाहरी एंटीना कनेक्टर का उपयोग करने के लिए, आपको टांका लगाने वाले लोहे के साथ काम करना होगा। यह माना जाता है कि चिप उपयोगकर्ता के पास पर्याप्त चिप एंटेना होंगे। पीसी को रेडियो के माध्यम से कॉप्टर से कनेक्ट करने के लिए, आपको किट में दिए गए पारस्परिक यूएसबी मॉडेम का उपयोग करने की आवश्यकता है।



WS2812B RGB- नियंत्रित एल ई डी विभिन्न घटनाओं के संकेतक के रूप में कार्य करते हैं। बोर्ड पर उन लोगों को छोड़कर, अतिरिक्त एलईडी कनेक्ट करना संभव है।



मोटर गति नियंत्रक 20 ए के एक वर्तमान का सामना करने में सक्षम हैं और सक्रिय रूप से ब्रेक लगाने की क्षमता रखते हैं, जो पॉपर के नियंत्रण की गतिशीलता को सकारात्मक रूप से प्रभावित करता है।

आपूर्ति वोल्टेज 2s-3s LiPo बैटरी के भीतर है। रेगुलेटर UART के माध्यम से AP से जुड़ा है, और PWM सिग्नल के माध्यम से नहीं। इससे ध्वनि प्रतिरोधक क्षमता पर अच्छा प्रभाव पड़ता है। इलेक्ट्रॉनिक घटकों के अधिक कॉम्पैक्ट मामलों के कारण, नियामकों का आकार पहले संस्करण की तुलना में कम हो गया है। इसके अलावा, हमने घटकों की दो-तरफा स्थापना की, जिससे हमें बोर्ड के आकार को कम करने की भी अनुमति मिली।



अब फ्रेम पर आसान माउंटिंग के लिए बोर्ड पर "मानव" बढ़ते छेद हैं।
अधिक उपयोगी कनेक्टर हैं। अब आपको बोर्ड को मोटर्स के तारों को मिलाप करने की आवश्यकता नहीं है। विस्तार मॉड्यूल बोर्ड के शीर्ष पर दो कनेक्टर के माध्यम से जुड़े हुए हैं, और आप पिन की अलग-अलग संख्या और कनेक्टर के डिजाइन के कारण मॉड्यूल स्थिति को भ्रमित नहीं कर सकते। TE माइक्रो- MaTch कनेक्टर को यांत्रिक क्षति से सुरक्षा के लिए चुना जाता है। 2.54 मिमी पिंस के विपरीत, वे इतनी आसानी से क्षतिग्रस्त नहीं होते हैं यदि गिराया या गलत तरीके से हटाया गया हो। आप मॉड्यूल को बाहर निकालने की अनुमति देने के लिए एक एक्सटेंशन केबल के माध्यम से मॉड्यूल को भी कनेक्ट कर सकते हैं, उदाहरण के लिए, कॉपीर के नीचे। निम्नलिखित कनेक्टर इन कनेक्टरों से जुड़े होते हैं: UART, SPI, I2C, कई GPIO, अतिरिक्त नियंत्रित एलईडी और 3.3 V और 5 V की बिजली आपूर्ति को जोड़ने के लिए एक संकेत। इंटरफेस का तार्किक स्तर डिफ़ॉल्ट रूप से 3.3 V है, लेकिन यदि वांछित है तो इसे 5 V में बदला जा सकता है।



बटन को उपयोगकर्ता द्वारा प्रोग्राम किया जाता है या स्क्रिप्ट चलाने के लिए डिफ़ॉल्ट रूप से उपयोग किया जाता है।
मंच के सॉफ्टवेयर घटक के बारे में थोड़ा। STM32F4 ऑटोपायलट माइक्रोकंट्रोलर फर्मवेयर C ++ में लिखा गया है और यह RTOS NuttX पर चलता है। फर्मवेयर बंद हो गया है, लेकिन उपयोगकर्ता अपना कोड स्क्रिप्टिंग भाषा लुआ में लिख सकता है।

सामान्य तौर पर, हमने कई स्क्रिप्टिंग भाषाओं में से चुना: पायथन, जावास्क्रिप्ट ( IoT.js ) और लुआ। मानक पायथन कार्यान्वयन एमके के तहत उपयोग करना मुश्किल है, इसके बहुत बड़े आकार के कारण। हमने MicroPython के साथ विकल्प पर विचार किया, लेकिन कोडांतरक निर्देशों तक सीधी पहुंच की संभावना के कारण यह काम नहीं किया। और हम उन्हें औसत उपयोगकर्ता तक पहुंच प्रदान नहीं करना चाहेंगे। जावास्क्रिप्ट में निरर्थक कार्यक्षमता है और, अतिरिक्त को हटाने के लिए, काम करना होगा। Lua एक बहुत लोकप्रिय भाषा है, C ++ का उपयोग करके आसानी से एक्स्टेंसिबल है, और हमारे लिए उपयुक्त कार्यान्वयन है।

स्क्रिप्ट में नियंत्रण एल्गोरिदम या बस एक अनुक्रम हो सकता है, सेंसर, पेलोड प्रबंधन आदि से डेटा प्राप्त करना और संसाधित करना। सामान्य तौर पर, फ्लाइंग रोबोट के साथ इंटरैक्शन फ़ंक्शन की एक विस्तृत श्रृंखला प्रदान की जाती है, जिसका उपयोग अनुसंधान, प्रतिस्पर्धी या शौकिया कार्यों के लिए किया जा सकता है। स्क्रिप्ट को एक विशेष एप्लिकेशन का उपयोग करके पुलिस को लिखा और अपलोड किया जा सकता है, लेकिन आप Google ब्लॉकली का उपयोग करके भी कोड उत्पन्न कर सकते हैं।

आप एक यूएसबी वायर या एक रेडियो चैनल के माध्यम से स्क्रिप्ट डाउनलोड कर सकते हैं। पीसी पर आवेदन टेलीमेट्री जानकारी प्रदर्शित करता है, जो आपको कॉप्टर की स्थिति का न्याय करने की अनुमति देता है। और, ज़ाहिर है, रोबोट के लिए नियंत्रण और सेटिंग्स हैं।

फ्रेम, इस समय, प्लेटों के मिलिंग द्वारा कार्बन फाइबर या फाइबर ग्लास से बना है। यह कम संख्या में भागों से इकट्ठा होता है और इसमें एक बैटरी कम्पार्टमेंट होता है।

वैकल्पिक रूप से, आप चेसिस और स्क्रू सुरक्षा रख सकते हैं। अब प्लास्टिक से बने एक फ्रेम के विकास में, जिसे इंजेक्शन तकनीक का उपयोग करके निर्मित किया जाएगा।

4. हम मॉड्यूल के साथ कार्यक्षमता का विस्तार करते हैं

जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, बोर्ड में प्लग-इन का उपयोग करके विस्तार करने की क्षमता है। मुख्य मॉड्यूल निम्नलिखित हैं:

नेविगेशन मॉड्यूल इनडोर अल्ट्रासाउंड के लिए अपने स्वयं के पोजिशनिंग सिस्टम के लिए एक रिसीवर है।



जीपीएस मॉड्यूल - सड़क पर उपग्रह की स्थिति। इसमें पाठ्यक्रम उन्मुखीकरण के लिए बोर्ड पर एक मैग्नेटोमीटर भी है।



ToF मॉड्यूल - विभिन्न दिशाओं में निर्देशित कई ToF दूरी सेंसर से जानकारी प्राप्त करता है, जो बाधाओं का पता लगाने की अनुमति देता है।



लोड मॉड्यूल - संकेत और प्रकाश प्रभाव के लिए विद्युत चुम्बकीय लोड कैप्चर और एलईडी से लैस।



Marvelmind मॉड्यूल Marvelmind पोजिशनिंग सिस्टम के लिए एक अडैप्टर है।



OpenMV मॉड्यूल कंप्यूटर के लिए कैमरा विज़न OpenMV का एक एडॉप्टर है।
सोनार मॉड्यूल - एक अल्ट्रासोनिक सेंसर का उपयोग करके ऊंचाई प्राप्त करने की क्षमता प्रदान करता है।
वाईफाई मॉड्यूल - एक वाईफाई इंटरफेस जोड़ता है।
ब्लूटूथ मॉड्यूल - एक ब्लूटूथ इंटरफ़ेस जोड़ता है।
बेशक, कई अन्य मॉड्यूल जिन्हें हम भविष्य में बनाने की योजना बनाते हैं, वे संभव हैं।

5. व्यावहारिक अनुप्रयोग और भविष्य की योजना

प्रोमो वीडियो जियोसन पायनियर

हमने विभिन्न शिक्षण संस्थानों को पायनियर की कई डिलीवरी दी। उन्हें बोर्ड के पहले संस्करण के आधार पर बनाया गया था, इसलिए वितरण प्रकृति में अधिक प्रयोगात्मक थे। फिर भी, कॉप्टर एक विधानसभा डिजाइनर के रूप में और पायलटिंग कौशल सिखाने के लिए काफी उपयुक्त था।



एयरोनेट 2016 सम्मेलन के दौरान अलफेरियो में पायनियर्स की भागीदारी के साथ पायलट प्रतियोगिताओं का आयोजन किया गया था।

फ्लाइंग रोबोट पायनियर ने रोबोटिक्स के रोबोफिनिस्ट उत्सव पर कैसे ध्यान आकर्षित किया। आठ की उड़ान के साथ एक परीक्षण होता है, जो वास्तव में, कोप्टर का सफलतापूर्वक मुकाबला करता है। सिस्टम ने अल्ट्रासाउंड के माध्यम से नेविगेशन के आधार पर काम किया।



ग्रिड के साथ फ्रेम के रूप में एक सुरक्षित स्थान के साथ एक मंच बनाया गया था, जहां उत्सव के सभी आगंतुकों को कोप्टर को नियंत्रित करने का अवसर मिला। उसी समय, नियंत्रण प्रणाली ने पुलिसकर्मी को अनुमत क्षेत्र से बाहर ले जाने की अनुमति नहीं दी।

आज हम पायनियर्स के पहले बैच के उत्पादन पर काम कर रहे हैं, हम नए विस्तार मॉड्यूल विकसित कर रहे हैं, हम मोल्डिंग के लिए एक प्लास्टिक फ्रेम डिजाइन कर रहे हैं और हम अपने अल्ट्रासाउंड नेविगेशन सिस्टम के निर्माण को पूरा कर रहे हैं। हमारे पायनियर की एक प्रस्तुति की भी योजना है। आप जियोस्कैन वेबसाइट पर जगह और समय के बारे में पता कर सकते हैं।