ドローン用の緊急着陸用パラシュート回収システムを構築する
2015年12月21日以降、連邦航空局（FAA）は、愛好家に無人航空機システム（ドローンと呼ばれることが多い）の登録を要求し始めました。登録から2日後、データベースには個人使用専用に設計された45,000機の航空機が含まれていました。この任務は、ドローン操作の説明責任を高め、小型ドローンが関与する事故を減らすために、連邦航空局（FAA）によって定められました。 0.55ポンドの重さの個人用ドローンの登録に失敗しました。と55ポンド。最大27,000ドルの罰金が科せられる可能性があります。連邦判事は2017年5月に登録の要件に反対する判決を下しましたが、この問題は上訴される可能性があります（「連邦控訴裁判所は模型飛行機のFAA登録規則を無効にします」、ジョン・ゴリア、フォーブス、2017年5月19日）。
ドローンはいたるところにあります。実際、FAAは、2020年までに約700万機のドローンが空に存在すると推定しています。ますます多くの人々がドローンを使用するにつれて、ドローン愛好家が平和で安全な方法で動作することを保証することがFAAの使命になっています。彼らのウェブサイトにアクセスして、重量制限、視線（LoS）制限、空港制限など、ドローン所有者として遵守しなければならない制限を確認できます。これらはすべて、飛行に関与している人と関与していない人の安全な環境を確保するために導入されています。
私たちは皆、空にクワッドコプターが岩のように落ちるまで、1つの場所で非常に堂々と飛んでいるのを見てきました。固定翼航空機とは異なり、クワッドコプターはバッテリーが消耗したとき、または航空機が回復能力を超えて動揺したときでさえ、揚力を失います。空にはドローンがどんどん増えているので、誰もが自分の航空機の安全を手に入れなければなりません。このプロジェクトでは、小型無人航空機用の緊急着陸用パラシュート回収システムの設計と建設について検討します。 Arduinoマイクロコントローラーに基づくリカバリシステムは、センサーを使用してGPS座標、バッテリー残量、および加速度を決定します。ドローンのバッテリーが消耗している、規定のGPS境界外で動作している、またはユニットが自由落下しているとシステムが判断した場合、回復システムはモーターへの電力を遮断してパラシュートを展開し、航空機を安全な速度で接地します。
ドローンの回復システムを構築しましょう！
注： これらの資料のほとんどを見つけることができるいくつかの場所があります。部品を注文する際は、コストとシンプルさを考慮してください。このチュートリアルでは、電気回路の簡単な概要について説明します。安全を最優先にしてください。
デザイン
回復システムは、別の7.4VLiPoバッテリーを搭載したArduinoNanoマイクロコントローラーを使用して、ドローンのフライトコンピューターとは独立して制御され、メインバッテリーが消耗した場合に回復システムが適切に動作するようにします。このマイクロコントローラは、14個のデジタル入力/出力ピン、8個のアナログピン、16MHzのクロックと2KbのSRAMを備えた安定化された5V電源を提供します。このユニットを通じて、すべての監視および意思決定プロセスが完了します。各ハードウェアコンポーネントは、デジタルまたはアナログI / Oピンを介してマイクロコントローラーに接続されています。
加速度計 –加速度計は、マイクロコントローラーのアナログ入力ピンを介して接続されます。 x、y、z方向の加速度成分は、加速度計によって生成された電圧値に従って読み取られます。加速度計モジュールは多くの電流を必要としないため、アナログ出力ピンは加速度計の十分な電源でした。
GPS – GPSモジュールは、専用のリカバリシステムバッテリを介して電力を供給され、マイクロコントローラのデジタルI / Oピンのシリアル（「ソフトウェアシリアル」）接続を介して通信します。 GPSユニットは、RS232シリアル接続を介してArduinoにNMEAデータを送信します。
電圧センサー –電圧センサーはマイクロコントローラーのアナログピンに接続します。電圧センサーユニットは4：1分圧器として機能し、Arduinoのアナログ入力ピンのアナログ-デジタル変換回路の制限内の電圧範囲を提供します。
5Vリレーモジュール e –リレーモジュールは、マイクロコントローラーからの5Vデジタル信号によってアクティブ化され、アクティブ化されるとドローンのモーターへの電力を遮断します。この特定のリレーは「アクティブHIGH」であり、内部スイッチをアクティブにする5V信号をモジュールに提供しました。
サーボモーター –パラシュートを展開するサーボモーターは、マイクロコントローラーのデジタルピンからのパルス幅変調（PWM）信号を介して制御されます。回復システムのエネルギーを節約するために、サーボモーターは最初に閉じてから、システムから事実上切り離されるように設定されています。これにより、パラシュートリリースドアの圧力によってドアが閉じたままになるため、バッテリーとArduinoの処理能力が節約されます。
パラシュート –回復に使用されるパラシュートは、MARS Miniであり、独自のコンポーネントとして構築および設計することもできます。このMARSミニパラシュートは、圧力を抑えるサーボモーター制御のドアによって展開されます。パラシュート生地は、内部のスプリングとプランジャーメカニズムによって外側に発射されます。ユニットのリセットは、迅速なテストと実装のために可能です。このパラシュートは、PVCチューブ、大きなスプリング、ベースプレート、3Dプリントされたドアとサーボモーターホルダー、およびサーボモーターで構成できます。詳細については写真をご覧ください。次の図は、リカバリシステムの全体的な設計概略図を示しています。
ソフトウェア
ソフトウェアは常に3つの状態を監視して、航空機の故障が発生したかどうかを判断します。主砲電圧の低下、航空機の自由落下、およびGPSによるパイロットからの見通し内（LOS）距離を超えています。前述のハードウェアコンポーネントを使用して、監視対象のこれらのコンポーネントからリアルタイムの値を取得できます。
値を監視する場合、リカバリシステムとして適切に使用するには、特定のキャリブレーションが必要です。自由落下を検出するには、加速度計の値を設定する必要があります。電圧センサーは、モーターの適切なカットオフ電圧に合わせて校正する必要があります。 GPSは衛星から現在位置を取得し、マイクロコントローラーに保存されている期待値と比較する必要があります。これらのコンポーネントが設定されると、UAVは飛行できるようになります。ソフトウェアの設計フローの概要を次の図に示します。
GPS
GPSユニットは、位置情報（緯度、経度、高度、および時間）をNational Marine Electronics Association（NMEA）183.5テキスト（ASCII）形式で常にストリーミングします。ユニットは、RS232シリアル接続を介してArduinoNanoと38400ボーのボーレートで通信します。
現在のFAA規制に準拠するには、オペレーターおよび/または客室乗務員は、飛行中に航空機の完全なLOSビューを持っている必要があります。航空機が離陸地点から所定の範囲を超えると、回復システムが引き継ぎ、メインシステムへの電力を遮断します。電力が遮断されると、回復システムはパラシュートを展開して安全に着陸します。
電圧センサー
電圧センサーソフトウェアは、メインバッテリーソースから継続的に値をポーリングします。 UAVでよく使用されるブラシレスDCモーターは電圧に依存します。つまり、電源の電圧によって、モーターが動作を継続できるかどうかが主に決まります。リチウムポリマー（LiPo）バッテリー技術は、通常、趣味ベースのUAV航空機で使用されます。これらのバッテリーは、バッテリーが充電の終わりに達するまで安定した電圧を持っています。その時点で、バッテリー電圧は急速に低下します。モーターのバッテリー電圧をポーリングした後、回復システムは、航空機の状態が安全な飛行に適しているかどうかを判断します。そうである場合、システムは監視を継続します。主砲の電圧が不十分な場合、回復システムはリレーを介して航空機への電力を遮断し、安全な着陸のためにパラシュートを展開します。リアルタイムのバッテリ電圧への対応は、マルチローターシステムに最も適しています。固定翼ユニットには、飛行中に電源を切ると滑空する機能があります。固定翼システムとは異なり、マルチローターは安定した飛行のためにすべてのモーターに電力を供給する必要があります。バッテリー電圧を監視することで、潜在的に危険な飛行状態を特定することができます。
加速度計
回復システムに取り付けられた3軸加速度計は、航空機にかかる力を常に監視します。加速度計の目的は、UAVを監視して自由落下を検出することです。 UAVに作用する他の力は、向きと動きを決定するのに役立つ場合がありますが、加速度計は、UAVが危険な状態にある可能性があるインスタンスを監視する必要があります。多くのUAVが自由落下の加速から回復できない航空機の制御を失った場合、回復システムはパラシュートを展開し、リレーを介してメインコントロールへの電力を遮断します。加速度計は、航空機がx、y、z方向に0の加速度を経験しているときに、自由落下を検出します（加速度計の動作方法が原因です）。
組み立て方法：
電子機器：
1.この記事の前半に示した表にリストされているすべての部品を収集します。ヘッダーからジャンパーを使用しない場合は、はんだごてを入手することもできます。このチュートリアルでは、すべてのボードにヘッダーピンが取り付けられていると想定します。そうでない場合は、購入してインストールするのが非常に安価です。また、最新のArduinoIDEをダウンロードしてシステムにインストールする必要があります。コードは、途中のすべてのステップで文書化されています。これまでにArduinoを使用したことがない場合、これは最初から素晴らしいプロジェクトになります。設定に応じてコードを編集することを検討してください。加速度計のキャリブレーションとGPSキャリブレーションは、個々の回復ユニティごとに必要になります。まず、システムの電子機器をセットアップします。
2.パーツからバッテリータップ付きのTコネクタを選択します。ドローンのメインバッテリーからアースケーブル（または黒いケーブル）を切り取ります。このリレーは、黒い電源線の切断された端の間に直列に挿入され、メインシステムへの電力を切断するために使用されます。カットされた黒いケーブルの両端をはがし、一方の端をNOに挿入し、もう一方の端を5VリレーのCOMポートに挿入します。
3.バッテリーTコネクターに接続されている2本の小さな「スニファー」ワイヤーを切断し、それぞれを剥がします。これらの2本のワイヤーは、UAS主電源のバッテリー電圧を検出するための手段を提供します。電圧センサーの2つのポートに2本のワイヤーを挿入し、黒いワイヤーをGNDとして、赤いワイヤーをVCCとして保持します。これにより、設計を実装するときに適切な極性と値の見積もりが保証されます。
4.これは、注文した特定のコンポーネントのために、システムで必要な手順です。それに応じて調整する必要があるかもしれません。
5ピン-5ピンメスヘッダーピンコネクタを作成します。コネクタの1つの垂直セットからの入力が次の隣接する入力に対応するように、はんだは水平方向にリードします。表現については、メスヘッダーピンConnection.jpgを参照してください。このセットアップは、5線式のメス-メスジャンパーユニットと同じように機能します。余分なワイヤーのセットは必要ありませんでした。
5.ここで、8ピンメスヘッダーピンコネクタの1列を取り、リードを互いにはんだ付けします。これにより、5V電源用の接続ハブが構築されます。これを2回実行して、GND接続用にも1つ作成します。
6.メス-メスジャンパー線を使用して、5VリレーENピンをArduinoボードピンD5に接続します。次に、メス-オスのジャンパー線を使用して、VCCとGNDをそれぞれのハブに接続します。 注： ハブはまだArduino5VおよびGND接続に接続する必要はありません。
7.メス-メスジャンパー線を使用して、電圧センサーのSピンをArduinoA7ピンに接続します。 「-」ピンをGND接続ハブに接続します。この電圧センサーは、より高い電圧を検出するための分圧器ユニットとして機能します。
8. 2本のメス-メスジャンパー線のセットをGPSモジュールのVCCピンとGNDピンに接続し、2本のメス-オスジャンパー線のセットをRXDピンとTXDピンに接続します。次に、VCCとGNDをそれぞれのハブに接続します。さらに、ArduinoボードのTXD端をピンD2に接続し、RXD端をピンD3に接続します。
9.最後に、加速度計をシステムに接続する必要があります。手順4で構築した5ピン-5ピンコネクタシステムを使用して、Arduino NanoのアナログピンA1〜A5に加速度計を挿入します。必ず次の接続に従ってください。
A1：VCC
A2：X_OUT
A3：Y_OUT
A4：Z_OUT
A5：GND
この構成は変更できますが、変更する場合は、作成したピン割り当てを使用するようにコードを変更する必要があります。加速度計をより安定させるために、VCCピンを5V nanoのソースに接続し、GNDピンをnanoのGNDに接続することをお勧めします。これは、将来の反復と調整のステップになる可能性があります。
10.最後のステップは、提供されたArduinoプログラム（Ballistic_Parachute_System.ino）をArduinoマイクロコントローラーにアップロードすることです。 Arduino IDEにロードしたら、ボードとCOMポートを選択し、アップロードを押すだけです。
パラシュート：
注： このパラシュートのデザインを見て、必要に応じて自分で作ることをお勧めします。パラシュートは、それをすべて一緒に結ぶためのいくつかのひもを備えた一片の材料（ナイロンは素晴らしい働きをします）にすぎません。パラシュートを高い位置に投げてテストし、適切に調整されていることを確認します。
1.MARSミニパラシュートはシステムへの接続が非常に簡単になります。コードはすでにArduinoプログラムで記述されているため、システムに接続するだけで済みます。そのために、ArduinoNanoのピンD4に接続するワイヤーがあります。
2.パラシュートのサーボモーターからの赤と黒のワイヤーを、このチュートリアルの前半で作成した5VハブとGNDハブに接続します。これで接続が完了します。
キャリブレーションとテスト：
Arduinoコードで、加速度計の平衡状態を見つけ（x、y、zのすべての力は同じです）、GPS信号と位置データをテストし、LiPoが低下し始めるバッテリー電圧を見つけます。このキャリブレーションには時間がかかる場合がありますが、最終的には、直接関与している人と関与していない人すべてにとって、飛行がより安全になります。
ハッピーメイキング！
結論と今後の作業
システムに多くの改善を加えることができます。まず、単に自由落下を検出するのではなく、回転翼航空機が逆さまになっているなどの異常な姿勢を検出して、加速度計データのより高度な処理を行うことができます。特に、固定翼機の場合、機体が空力的に安定しており、高度が失速からの回復に十分である場合、パラシュートの展開が一時的に遅れ、機体が自力で失速から回復する機会が与えられる可能性があります。またはパイロットの支援を受けて。次に、離陸地点からの距離を単に検出するのではなく、おそらくFAA COAまたはその他の運用ルールに基づいて、より高度なGPSジオフェンスを定義できます。
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製造プロセス