为您的无人机构建弹道降落伞回收系统

从 2015 年 12 月 21 日开始，美国联邦航空管理局 (FAA) 开始要求业余爱好者注册他们的无人机系统——通常称为无人机。经过两天的注册，该数据库包含了 45,000 架专供个人使用的飞机。美国联邦航空管理局 (FAA) 制定了这项任务，以加强对无人机操作的问责制并减少涉及小型无人机的事故。未能注册重量在 0.55 磅之间的个人无人机。和 55 磅。可能会被处以最高 27,000 美元的罚款。一名联邦法官于 2017 年 5 月裁定反对注册要求，但可以对此事提出上诉（“Federal Appeals Court Voids FAA Registration Rule For Model Aircraft”，John Goglia，福布斯，2017 年 5 月 19 日）。

无人机无处不在；事实上，美国联邦航空局估计，到 2020 年，天空中将有大约 700 万架无人机。随着越来越多的人使用无人机，确保无人机爱好者以和平和安全的方式操作已成为美国联邦航空局的使命。您可以访问他们的网站，查看作为无人机所有者必须遵守的限制，包括重量限制、视线 (LoS) 限制和机场限制等。所有这些都已落实到位，以确保为参与和未参与飞行的人员提供安全的环境。

我们都见过一架四轴飞行器在天空中——在一个地方如此雄伟地飞行——直到它像岩石一样坠落。与固定翼飞机不同，四轴飞行器在电池耗尽时，甚至当飞行器出现故障超出其恢复能力时，都会失去升力。随着天空中越来越多的无人机，每个人都必须将飞机的安全掌握在自己的手中。该项目将探索小型无人机弹道降落伞回收系统的设计和建造。恢复系统基于 Arduino 微控制器，使用传感器确定 GPS 坐标、剩余电池电压和加速度。如果系统确定无人机的电池电量耗尽，或者它在规定的 GPS 边界之外运行，或者该装置处于自由落体状态，则恢复系统会切断电机的电源并展开降落伞，将飞机降低到以安全速度着陆。

让我们为我们的无人机建立一个恢复系统！

注意： 您可以在多个地方找到大部分这些材料。订购零件时，请考虑成本和简单性。本教程将介绍电路的简单概述。请把安全放在首位。

设计

通过使用由单独的 7.4V 锂聚合物电池供电的 Arduino Nano 微控制器，恢复系统独立于无人机的飞行计算机进行控制，以确保在主电池耗尽时恢复系统正常运行。该微控制器提供 14 个数字输入/输出引脚、8 个模拟引脚、一个带有 16MHZ 时钟的 5V 稳压电源和 2Kb 的 SRAM。通过这个单元，完成了所有的监控和决策过程。每个硬件组件都通过数字或模拟 I/O 引脚连接到微控制器。

加速度计 – 加速度计通过微控制器上的模拟输入引脚连接。根据加速度计产生的电压值读取 x、y 和 z 方向的加速度分量。由于加速度计模块不需要太多电流，模拟输出引脚是加速度计的充足电源。

全球定位系统 – GPS 模块通过专用恢复系统电池供电，并通过微控制器数字 I/O 引脚上的串行（“软件串行”）连接进行通信。 GPS 单元通过 RS232 串行连接将 NMEA 数据传输到 Arduino。

电压传感器 – 电压传感器连接到微控制器上的模拟引脚。电压传感器单元充当 4:1 分压器，在 Arduino 的模拟输入引脚上提供模数转换电路限制范围内的电压范围。

5V 继电器模块 e – 继电器模块由来自微控制器的 5V 数字信号激活，并在激活时切断无人机电机的电源。这个特殊的继电器是“Active HIGH”，为激活内部开关的模块提供 5V 信号。

伺服电机 – 展开降落伞的伺服电机由来自微控制器数字引脚的脉宽调制 (PWM) 信号控制。为了为回收系统节省能源，伺服电机设置为最初关闭，然后实际上与系统分离。这节省了电池和 Arduino 处理能力，因为降落伞释放门的压力使门保持关闭。

降落伞 – 用于回收的降落伞是 MARS Mini，它也可以作为自己的组件进行构建和设计。这个 MARS 迷你降落伞由一个伺服电机控制的门展开，可以承受背压。降落伞织物由内部弹簧和柱塞机构向外发射。可以重置设备以进行快速测试和实施。这种降落伞可以由 PVC 管、大弹簧、底板、3D 打印门和伺服电机支架以及伺服电机构成。请查看图片了解更多详情。下图为回收系统总体设计示意图：

软件

该软件持续监控三种情况以确定是否发生飞机故障：主电池电压耗尽、飞机自由落体以及根据 GPS 与飞行员的视线 (LOS) 距离超出。通过前面描述的硬件组件，可以从这些要监控的组件中获取实时值。

监测值时，需要进行特定校准才能正确用作恢复系统。需要设置加速度计值以检测自由落体。电压传感器必须校准到合适的电机截止电压。 GPS 必须从卫星获取当前位置并与微控制器中存储的预期值进行比较。一旦设置了这些组件，无人机就可以飞行了。软件设计流程如下图所示。

恢复系统软件流程图

全球定位系统

GPS 单元不断地以国家海洋电子协会 (NMEA) 183.5 文本 (ASCII) 格式传输位置信息（纬度、经度、海拔和时间）。该单元通过 RS232 串行连接以 38400 波特的波特率与 Arduino Nano 通信。

为了遵守现行的 FAA 规定，运营商和/或飞行助理必须在飞行中对飞机有完整的 LOS 视图。如果飞机离开起飞点超过预定航程，则恢复系统将接管并切断主系统的电源。一旦断电，回收系统将展开降落伞并安全着陆。

电压传感器

电压传感器软件从主电池源连续轮询一个值。无人机上经常使用的无刷直流电机是电压相关的：也就是说，电源的电压主要决定了电机是否能够继续运行。锂聚合物 (LiPo) 电池技术通常用于基于业余爱好的无人机。这些电池具有稳定的电压，直到电池充电结束。此时，电池电压迅速下降。在轮询电机电池电压后，恢复系统确定飞机的状态是否足以安全飞行。如果是，系统将继续监视。如果主电池电压不足，则恢复系统通过继电器切断飞行器电源，展开降落伞安全着陆。解决实时电池电压最适用于多旋翼系统。固定翼单元在飞行途中断电时能够滑翔。与固定翼系统不同，多旋翼需要为所有电机提供动力才能稳定飞行。通过监测电池电压，可以确定潜在的不安全飞行条件。

加速度计

连接到恢复系统的 3 轴加速度计持续监测施加在飞机上的力。加速度计的目标是监控无人机以检测自由落体。虽然作用在 UAV 上的其他力可能有助于确定方向和运动，但加速度计需要监控 UAV 可能处于不安全状态的情况。在操作员失去对飞机的控制的情况下，许多无人机无法从自由落体加速中恢复，恢复系统会部署降落伞并通过继电器切断主控制器的电源。当飞机在 x、y 和 z 方向上经历 0 加速度时，加速度计检测到自由落体（由于加速度计的工作方式）。

如何组装：

电子：

1. 收集本文前面提供的表格中列出的所有部件。如果您不使用接头的跳线，您可能还需要获得烙铁。在本教程中，我们假设所有板都安装了接头针脚。如果没有，它们的购买和安装非常便宜。您还需要将最新的 Arduino IDE 下载并安装到您的系统上。整个过程中的每一步都记录了代码。如果您以前从未使用过 Arduino，这将是一个很棒的项目！请考虑根据您的设置编辑代码。每个单独的恢复单元都需要加速度计校准和 GPS 校准。我们将首先为系统设置电子设备。

2. 从您的零件中选择带电池分接头的 T 型连接器。从无人机的主电池上剪下接地电缆（或黑色电缆）。该继电器将串联插入黑色电源线的切割端之间，用于切断主系统的电源。将剪下的黑色电缆两端剥开，一端插入NO，另一端插入5V继电器的COM口。

3. 剪断连接到电池 T 型连接器的两根小“嗅探器”线并剥去每根线。这两条线为我们的 UAS 主电源检测电池电压提供了途径。将两根线插入电压传感器上的两个端口，将黑线作为 GND，将红线作为 VCC。这将确保在实现我们的设计时正确估计极性和值。

4. 由于我订购的特定组件，这是我的系统所需的一个步骤。您可能需要相应地进行调整。

构建一个 5pin-5pin 母头针连接器。焊料水平地从一个引向另一个，以便来自一组垂直连接器的输入对应于下一组的相邻输入。请参阅母头引脚连接.jpg 以获取表示。此设置与 5 线母-母跳线装置的工作原理相同，我只是不想要额外的一组电线。

5. 现在，取一排 8 针母头针连接器并将引线焊接到彼此。这将为 5V 电源构建一个连接集线器。这样做两次以构建一个用于 GND 连接。

6. 使用母-母跳线将 5V 继电器 EN 引脚连接到 Arduino 板引脚 D5。然后，使用母-公跳线将 VCC 和 GND 连接到相应的集线器。 注意： 集线器不需要连接到 Arduino 5V 和 GND 连接。

7. 使用母-母跳线将电压传感器上的 S 引脚连接到 Arduino A7 引脚。将“-”引脚连接到 GND 连接集线器。该电压传感器充当分压器单元，用于检测更高的电压。

8. 将一组 2 根母-母跳线连接到 GPS 模块上的 VCC 和 GND 引脚，将一组 2 根母-公跳线连接到 RXD 和 TXD 引脚。然后，将 VCC 和 GND 连接到各自的集线器。另外，将TXD端连接到Arduino板上的引脚D2，RXD端连接到引脚D3。

9. 最后，我们需要将加速度计连接到我们的系统。使用我们在步骤 4 中构建的 5pin-5pin 连接器系统将加速度计插入 Arduino Nano 上的模拟引脚 A1-A5。请确保遵循以下连接：

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

您可以更改此配置，但如果您这样做，您必须修改代码以使用您所做的引脚分配。为了使您的加速度计更稳定，建议将 VCC 引脚连接到 5V nano 的源极，将 GND 引脚连接到 nano 的 GND。这可以作为您未来迭代和校准的一个步骤。

10. 最后一步是将提供的 Arduino 程序 (Ballistic_Parachute_System.ino) 上传到您的 Arduino 微控制器。加载到 Arduino IDE 后，选择您的开发板和 COM 端口，然后点击上传。

降落伞：

注意： 我鼓励你看看这个降落伞设计，如果你愿意的话，可以自己制作。降落伞只不过是一块材料（尼龙效果很好），用一些绳子把它们绑在一起。将降落伞从高处抛下以进行测试，以确保正确调整。

1. MARS 迷你降落伞将很容易连接到系统。由于代码已经写在我们的 Arduino 程序中，我们只需要将它连接到我们的系统。为此，我们有一根电线可以连接到 Arduino Nano 上的引脚 D4。

2. 将降落伞上伺服电机的红线和黑线连接到本教程前面制作的 5V 和 GND 集线器。这应该会完成您的连接。

校准和测试：

在 Arduino 代码中，找到加速度计的平衡（x、y 和 z 中的所有力都相同），测试您的 GPS 信号和位置数据，并找到您的 LiPo 开始下降的电池电压。这种校准可能需要一些时间，但最终，它将使您的飞行对所有直接参与和未直接参与的人来说更安全。

快乐制作！

结论和未来工作

可以对系统进行一些改进。首先，可以对加速度计数据进行更复杂的处理，检测异常姿态，例如旋翼机倒置，而不是简单地检测自由落体。特别是对于固定翼飞机，如果机身空气动力学稳定，高度足以从失速中恢复，降落伞的展开可能会延迟一段时间，让机身有机会自行从失速中恢复或在飞行员的帮助下。其次，可以定义更复杂的 GPS 地理围栏，可能基于 FAA COA 或其他操作规则，而不是简单地检测距起飞点的距离。

阅读更多信息......

为你的无人机建立一个弹道降落伞回收系统