DIPLOMOVÁ PRÁCE. Západo eská univerzita v Plzni Fakulta elektrotechnická Katedra aplikované elektroniky a telekomunikací

Západo£eská univerzita v Plzni Fakulta elektrotechnická Katedra aplikované elektroniky a telekomunikací

DIPLOMOVÁ PRÁCE ídící jednotka pro kvadrotorovou helikoptéru

Plze¬, 2015

Bc. Milan Petrºilka

Prohlá²ení Prohla²uji, ºe jsem diplomovou práci vypracoval samostatn¥ a výhradn¥ s pouºitím citovaných pramen·.

V Plzni dne 11. kv¥tna 2015 Bc. Milan Petrºilka

Anotace Práce se zabývá vývojem °ídící jednotky pro kvadrotorovou helikoptéru. První £ást popisuje princip funkce kvadrotorové helikoptéry. Následuje popis konstrukce vlastního stroje. T°etí £ást je v¥nována realizaci funk£ního vzorku °ídící jednotky pro °ízení autonomního letu v£etn¥ BLDC m¥ni£·. tvrtá £ást popisuje princip £innosti softwaru. Záv¥r zhodnocuje nan£ní náklady na stavbu stroje a moºnosti dal²ího roz²í°ení.

Klí£ová slova Kvadrotorová helikoptéra, °ídící jednotka, BLDC motor, BLDC m¥ni£, bezsenzorový.

Abstract The thesis is focused on ight control unit for a quadrotor helicopter development. The rst part describes how the quadrotor helicopter works. The following part describes the construction of the quadrotor helicopter. Third part is dedicated to the construction of ight control unit circuit including BLDC inverters. Next part describes the software functionality. Last part evaluates the construction price and possibility of future improvements.

Keywords Quadrotor helicopter, control unit, BLDC motor, BLDC inverter, sensorless.

Obsah 1 Úvod

1

2 Popis funkce kvadrotorové helikoptéry 2.1

Popis letounu

2.2

Historie

2

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

3 Konstrukce stroje

4

3.1

K°íºový rám . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2

Motory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

3.3

Ostatní komponenty

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

3.4

Hmotnostní analýza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

4 Návrh °ídícího systému 4.1

4.2

4

6

Poºadavky na hardware

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

4.1.1

Klimatická odolnost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

4.1.2

Zdroj energie

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

4.1.3

Komunikace a ovládání . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

4.1.4

Bezpe£nost

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

Detailní °e²ení navrºeného °ídícího systému . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

4.2.1

Denice procesorové platformy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

4.2.2

Denice klí£ových komponent

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

4.2.3

Blokové schéma zapojení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

4.2.4

Mechanické provedení plo²ného spoje . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

4.2.5

Napájecí zdroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

4.2.6

Procesor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

4.2.7

Budi£ BLDC motoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

4.2.8

Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

4.2.9

GPS p°íjma£ a magnetometr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

4.2.10 Senzor zrychlení a úhlové rychlosti

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

4.3

Výpo£et st°ední doby mezi poruchami

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

4.4

Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

4.4.1

Pouºití opera£ního systému reálného £asu FreeRTOS

. . . . . . . .

22

4.4.2

Struktura programu v °ídící jednotce

. . . . . . . . . . . . . . . . .

22

4.4.3

Software pro £asova£ N2HET

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

4.4.4

Dálkové °ízení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

5 Záv¥r

27

A Schéma zapojení jednotky

30 4

B Plo²ný spoj

43

C Fotograe

44

Pouºité zkratky BLDC

Brushless DC, bezkartá£ový stejnosm¥rný motor

CAN

Controller area network, automobilová sb¥rnice

A/D

p°evodník z analogového signálu na digitální

SPI

Serial peripherial interface, sériová sb¥rnice

LDO

Low dropout regulator, lineární regulátor nap¥tí s nízkým úbytkem

RPM

Revolutions per minute, otá£ky za minutu

I2C

Inter-integrated circuit, sériová sb¥rnice

PWM

Pulse width modulation, pulzn¥ ²í°ková modulace

GPIO

General purpose input and output, vstupy a výstupy pro v²eobecné pouºití

DC/DC

stejnosm¥rný m¥ni£ nap¥tí

N2HET

High end timer, £asova£ procesoru

FLASH

nevolatilní pam¥´ s libovolným p°ístupem

RAM

Random access memory, volatilní pam¥´ s libovolným p°ístupem

JTAG

Joint test action group, standard denovaný normou IEEE 1149.1

IMU

Inertial measurement unit, inerciální senzorová jednotka

GPS

Global positioning system, globální polohovací systém

FIT

Failures in time, st°ední doba do poruchy

MTBF

Mean time between failure, st°ední doba do poruchy

Seznam obrázk· 2.1

Kvadrotorová helikoptéra s ozna£ením sm¥ru rotace motor·. Zdroj: [1] . . .

2

2.2

Kvadrotorová helikoptéra "ying octopus". Zdroj: [1]

. . . . . . . . . . . .

3

3.1

BLDC motor AXI 4120/20 GOLD LINE od rmy AXI Model Motors. . . .

5

4.1

Blokové schéma zapojení °ídící jednotky pro kvadrotorovou helikoptéru. . .

8

4.2

Blokové schéma procesoru TMS570LS3137 [4]. . . . . . . . . . . . . . . . .

10

4.3

Kongurace periferie MibSPI v prost°edí HALCoGen. . . . . . . . . . . . .

11

4.4

Sekvence pro £tení hlavních dat ze senzoru IMU. Zdroj: [7] . . . . . . . . .

11

4.5

Typické zapojení integrovaného obvodu A4960. Zdroj: [2] . . . . . . . . . .

12

4.6

Pr·b¥h nap¥tí na gate spodního tranzistoru BLDC m¥ni£e b¥hem vypínání. 13

4.7

Pr·b¥h nap¥tí na gate spodního tranzistoru BLDC m¥ni£e b¥hem zapínání.

4.8

Pr·b¥h nap¥tí na bo£níku pro m¥°ení proudu BLDC motoru o hodnot¥ 0,0025

4.9

Ω

p°i 1400 ot/min.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13 15

M¥°ení celkového proudu za°ízení z baterie p°i zkou²ce maximálních otá£ek BLDC motoru na bo£níku v sérii s bateriií o hodnot¥ 0,005

Ω.

. . . . . . .

15

4.10 M¥°ení celkového proudu za°ízení z baterie p°i zkou²ce maximálních otá£ek BLDC motoru na bo£níku v sérii s bateriií o hodnot¥ 0,005 4.11 Nap¥tí na fázi BLDC m¥ni£e.

Ω.

. . . . . . .

16

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

4.12 Graf závislosti tahu na otá£kách motoru.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

4.13 Graf závislosti otá£ek motoru na PWM.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

4.14 Plo²ný spoj s £erven¥ vyzna£enými signály rozhraní MII.

. . . . . . . . . .

19

4.15 Modul GPS-GLONASS s GPS p°íjma£em a magnetometrem od rmy PITLAB. 20 4.16 Senzor ADIS16445 od rmy Analog Devices. Zdroj: [7]

. . . . . . . . . . .

4.17 Ilustrace b¥hu proces· v opera£ním systému reálného £asu FreeRTOS. 4.18 Struktura programu v °ídící jednotce.

20

. .

22

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

4.19 B¥h programu v £asova£i N2HET Zdroj: [4].

. . . . . . . . . . . . . . . . .

4.20 Program FlightControl pro ovládání stroje vytvo°ený v jazyce C#.

24

. . . .

26

A.1

Schéma °ídící jednotky, list 1.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

A.2


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

A.3


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

A.4


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

A.5


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

A.6


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

A.7


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

A.8


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

A.9


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

A.10 Schéma °ídící jednotky, list 10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40


41

7


42

B.1

Plo²ný spoj °ídící jednotky.

43

C.1

Detail plo²ného spoje °ídící jednotky pro °ízení kvadrotorové helikoptéry,

C.2

Kvadrotorová helikoptéra p°ipevn¥ná na testovacím stanovi²ti.

C.3

Kvadrotorová helikoptéra.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

který je umíst¥ný v elektroinstala£ním boxu stroje.

. . . . . . . . . . . . .

44

. . . . . . .

45

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

Seznam tabulek 4.1

Tabulka ur£ující po£ty sou£ástek a parametry FIT.

. . . . . . . . . . . . .

21

5.1

Tabulka s nan£ními náklady.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

9

1 Úvod Cílem této práce je seznámit £tená°e s konstrukcí °ídící jednotky pro kvadrotorovou helikoptéru, která je doprovázena stavbou vlastního stroje. S rozvíjejícími se elektronickými sou£ástkami jsou multirotory snadno dostupnými a oblíbenými zejména vzhledem k velkému mnoºství vyuºití. Stroj je moºno osadit kamerou, s jejíº pomocí lze velmi levn¥ po°izovat letecké záb¥ry a´ uº pro amatérské, tak pro profesionální vyuºití nap°. bezpe£nostními sloºkami. V první kapitole se £tená° do£te o principu £innosti kvadrotorové helikoptéry a o pokusu o její realizaci v historii. Ve druhé kapitole se £tená° dozví o konstrukci kvadrotorové helikoptéry, zejména o zohotovení k°íºového rámu, parametrech motor· a váze stroje. Ve t°etí kapitole se £tená° do£te o návrhu °ídícího systému. Nejprve bude seznámen se základními poºadavky na hardware s ohledem na klimatickou odolnost, zdroj energie a zp·sob komunikace se strojem. Poté bude následovat denice klí£ových komponent °ídící jednotky. Dále bude seznámen s detaily pouºitého procesoru a s popisem pouºití BLDC budi£e, ethernetového transceiveru a senzor·. Ke konci této kapitoly se £tená° do£te o výpo£tu st°ední doby mezi poruchami °ídící jednotky. Ve £tvrté kapitole se £tená° do£te o softwaru °ídící jednotky. Bude mu vysv¥tlen princip £innosti pouºitého opera£ního systému a detailní pouºití pokro£ilého £asova£e N2HET. V dal²í £ásti se dozví o softwaru pro ovládání stroje v£etn¥ podrobného seznamu p°ená²ených dat.

1

2 Popis funkce kvadrotorové helikoptéry 2.1

Popis letounu

Kvadrotorová helikoptéra (nazývána téº kvadroptéra £i kvadrotor) je druh multirotorové helikoptéry, který je pohán¥ný pomocí £ty° rotor·. Základní stavba kvadrotorové helikoptéry se skládá z k°íºového rámu a £ty° identických rotor· umíst¥nými na konci ramen k°íºe. Sousedící vrtule jsou opa£né orientace a tím je umoºn¥na °íditelnost helikoptéry v prostoru.

Obrázek 2.1: Kvadrotorová helikoptéra s ozna£ením sm¥ru rotace motor·. Zdroj: [1]

2.2

Historie

V roce 1922 si americký armáda objednala stavbu kvadrotorové helikoptéry. Zakázku obdrºel ruský imigrant George de Bothezat. Stroj nazývaný ying octopus absolvoval n¥kolik úsp¥²ných let·. Nakonec byl ale projekt p°eru²en kv·li malému výkonu, neobratnosti stroje, velikosti nan£ních náklad· a zájm· o vírníky (autogyra)[1]. Vet²ímu zájmu

2

o kvadrotorové helikoptéry se dostává aº v poslední dob¥, kdy neustále klesající ceny moderních mikroprocesor· a ostatních elektronických sou£ástek umoº¬ují úplnou autonomní kontrolu letu.

Obrázek 2.2: Kvadrotorová helikoptéra "ying octopus". Zdroj: [1]

3 Konstrukce stroje Základní úvaha o robustnosti stroje vycházela z poºadavku na velikost umoº¬ující snadnou konstrukci a uºite£ný celkový tah motor· v °ádu kilogram·. Konstrukce velmi lehkých a malých stroj· vyºaduje velký d·raz na preciznost a efektivitu provedení. P°i konstrukci v¥t²ího stroje je moºno po£ítat s v¥t²í rezervou tahu motor· a tím i v¥t²í toleranci k hmotnostn¥ mén¥ efektivní konstrukci. Díky tomu je moºné pouºít ke stavb¥ snadno dostupné materiály.

3.1

K°íºový rám

Základní konstrukce kvadrotorové helikoptéry vychází z rámu ve tvaru k°íºe, který musí být lehký a zárove¬ dostate£n¥ pevný. Pro stavbu rámu byl zvolen hliníkový prol £tvercového tvaru s dráºkami. Délka ramena k°íºe je 74 cm. Po celé délce byly do prolu vyvrtány díry, které zajistily jeho odleh£ení, aniº by byla výrazn¥ sníºena pevnost. Ramena byla následn¥ sestavena do k°íºe pomocí hliníkových prol· ve tvaru písmene L.

3.2

Motory

Stroj vyºaduje pro sv·j provoz 4 výkonné motory, které jsou v kombinaci s vrtulemi schopny vyvinout dostate£ný tah. Proto byly vybrány BLDC motory °ady AXI 4120/20 GOLD LINE od rmy AXI Model Motors s následujícími parametry:

V−1 ,

-

otá£ky/volt

465 ot/min

-

po£et £lánk· baterie

5-6 Li-Pol,

-

max. ú£innost

87%,

-

proud p°i maximální ú£innosti

13 - 37 A (>

-

proud naprázdno p°i nap¥tí 10 V

1,5 A,

-

vnit°ní odpor vinutí

82Ω,

-

rozm¥ry (pr·m¥r x délka)

49,8 x 55,5 mm,

-

pr·m¥r h°ídele

6 mm,

-

váha motoru v£etn¥ kabel·

320 g.

%),

Pro dosaºení nejvy²²í ú£innosti výrobce doporu£uje pouºít vrtuli o rozm¥rech

1500 × 800 ,

která má zajistit tah 3,5 N p°i maximálních otá£kách. V daném p°ípad¥ byla pouºita vrtule od rmy Fiala Propellers o doporu£eném rozm¥ru.

4

Obrázek 3.1: BLDC motor AXI 4120/20 GOLD LINE od rmy AXI Model Motors.

3.3

Ostatní komponenty

Aby bylo moºno se strojem bez po²kození vrtulí vzhledem k náklonu p°i malé vý²ce vzlétat a p°istávat, byl stroj opat°en podvozkem o vý²ce 25 cm. Vzhledem k poºadované klimatické odolnosti elektroniky denované v 4.1.1 je stroj vybaven plastovou elektroinstala£ní krabicí o rozm¥rech

25×20×15×mm, která obsahuje °ídící jednotku a za°ízení pro bezdrá-

tovou komunikaci. Dále je stroj opat°en plastovými díly, které byly vyrobeny pomocí tzv. 3D tiskárny . Tyto díly slouºí k uchycení modulu s GPS p°íjma£em a magnetometrem 30 cm nad úrovní k°íºového rámu, aby nedocházelo k ovliv¬ování magnetometru elektronikou a motory. Plastové díly byly téº vyuºity pro umíst¥ní HAL £idel, které snímají reálné otá£ky motor·.

3.4

Hmotnostní analýza

Stroj je sestaven z následujících dílu o hmotnostech: -

hliníkové proly k°íºového rámu

1253 g,

-

motory

1280 g,

-

baterie

829 g,

-

p°ídavné reektory

300 g,

-

podvozek

325 g,

-

ostatní

1264 g.

Celková pohotovostní hmotnost stroje £iní 5251 g.

4 Návrh °ídícího systému 4.1

Poºadavky na hardware

4.1.1 Klimatická odolnost P°edpokládá se, ºe stroj bude schopný provozu za de²t¥ a v teplotách automotive prost°edí ◦ ◦ (od −40 C do 85 C). Je tedy nutné zajistit, aby byla ve²kerá elektronika chrán¥na proti p·sobení vody a vlhkosti. P°i prudké zm¥n¥ teploty by mohlo dojít k orosení elektroniky a tím k selhání celého °ídícího systému. Tento scéná° m·ºe nastat v p°ípad¥ p°enesení stroje z prostoru s výrazn¥ niº²í teplotou do prostoru s vy²²í teplotou.

4.1.2 Zdroj energie Jako zdroj energie je pouºita baterie Li-Pol Hyperion G3 CX 25C s kapacitou 5000 mAh a ²esti £lánky. Maximální stálý vybíjecí proud £iní 125 A a ²pi£kový vybíjecí proud 225 A. Za°ízení musí být funk£ní v rozsahu nap¥tí od 18 V do 25,2 V.

4.1.3 Komunikace a ovládání Ovládání stroje musí být bezdrátové s minimálním dosahem 100 metr· v²emi sm¥ry. Maximální p°ípustná doba odezvy stroje je 100 ms.

4.1.4 Bezpe£nost Kvadrotorová helikoptéra v p°ípad¥ selhání jednoho motoru neumoº¬uje let se zbývající motory a stroj se stává neovladatelným. Je tedy nutné stroj uvést do bezpe£ného stavu vypnutím v²ech motor·. Dal²ím moºným rizikem je nefunk£nost £lánku baterie, proto je vhodné monitorovat jejich nap¥tí, aby bylo moºno v p°ípad¥ problému v£as let ukon£it.

4.2

Detailní °e²ení navrºeného °ídícího systému

4.2.1 Denice procesorové platformy Denice procesorové platformy je zásadní pro celý návrh. P°i výb¥ru je nutno zahrnout následující kritéria, která musí procesor spl¬ovat:

• • • •

plovoucí aritmetika, velikost RAM pam¥ti na £ipu, velikost programové pam¥ti na £ipu, ethernet °adi£,

6

• • • •

SPI periferie 2x, programovatelný £asova£, bezpe£nostní funkce, výpo£etní výkon alespo¬ 120MIPS.

Za nejvhodn¥j²í byla ozna£ena procesorová platforma TMS570LS3137 od Texas Instruments s bezpe£nostním jádrem Cortex-R4. Procesor podporuje ²irokou °adu bezpe£nostních funkcí a je tedy vhodný pro aplikaci vyºadující zvý²enou bezpe£nost. Tyto funkce mohou být vyuºity jako potenciální roz²í°ení budoucího softwaru. V této práci z d·vodu £asové náro£nosti jejich implementace vyuºity nebyly.

4.2.2 Denice klí£ových komponent Vzhledem k jiº denované procesorové platform¥ je moºno p°ikro£it k denici klí£ových komponent. Jako klí£ové komponenty lze podle d·leºitosti sestupn¥ ozna£it:

• • • • • • • • • • • • • •

napájecí zdroje, 4 budi£e BLDC motoru senzor zrychlení se t°emi stupni volnosti, senzor úhlové rychlosti se t°emi stupni volnosti, ethernet °adi£, 5GHz WiFi access point MikroTik OmniTIK U-5HnD, magnetometr se t°emi stupni volnosti, GPS p°íjma£, 4 proudové zdroje pro pozi£ní a naviga£ní LED do 100 mA, barometr, CAN transceiver, p°evodník USB-to-UART, inteligentní 2. kanálový spína£ horní skupiny s maximálním proudem do 3 A, LED reektory pro orientaci.

4.2.3 Blokové schéma zapojení Hall sensor TPS54350 5V 3A DC/DC

PTN78020H 13V 6A DC/DC

TPS73733 3,3V 1,5A lin. VREG

TPS73733 1,2V 1,5A lin. VREG Fuse 80A 4x

Battery 6 Li-Pol cells

SN65VHDA542 CAN transceiver

Hall sensor

3 phase bridge

3 phase bridge

3 phase bridge

3 phase bridge

A4960 BLDC driver

A4960 BLDC driver

A4960 BLDC driver

A4960 BLDC driver

SPI4 MibSPI3

ADC

N2HET1 N2HET2

SCI I2C

MikroTIK OmniTIK U-5HnD router board 2x white led landing lights

DP83640 Ethernet PHY BTS711 4x high side driver

2x white led flashlights

2x BCR420 current source

2x white led flashlights

2x BCR420 current source

2x red and green led navigation lights

Hall sensor

AXI 4120-20 AXI 4120-20 AXI 4120-20 AXI 4120-20 BLDC motor BLDC motor BLDC motor BLDC motor

ADIS16445 IMU GPS-GLONASS GPS and magnetometer sensor

Hall sensor

TMS570LS3137PGE processor

EMAC GPIO

Flight control unit printed circuit board Plastic box

Obrázek 4.1: Blokové schéma zapojení °ídící jednotky pro kvadrotorovou helikoptéru.

4.2.4 Mechanické provedení plo²ného spoje Plo²ný spoj o rozm¥rech 220 mm x 114 mm byl navrºen v programu Eagle. Vyuºívá 4 vrstvy s plátováním 70 micro. Deska je vyrobena z materiálu FR4 o síle 2 mm. Návrh plo²ného spoje viz p°íloha B.

4.2.5 Napájecí zdroje S ohledem na denované klí£ové komponenty lze jiº rozhodnout o zdrojích nap¥tí na desce °ídícího systému. Jako první úrove¬ je pouºit modul DC/DC m¥ni£e PTN78020H. Pracovní nap¥tí na vstupu vyhovuje rozsahu pracovního nap¥tí na baterii. Výstupní nap¥tí je nastaveno na 13 V s maximálním moºným proudovým zatíºením 6 A. Následuje DC/DC m¥ni£ TPS54350 s výstupním nap¥tím 5 V a s maximálním moºným proudovým zatíºením 3 A. Pro napájení procesoru je vyuºit lineární stabilizátor TPS73701 s výstupním nap¥tím 1,2 V a TPS73733 s výstupním nap¥tím 3,3 V. Maximální zatíºitelnost t¥chto lineárních stabilizátor· je 1 A. Referenci pro A/D p°evodník o nap¥tí 3,3 V zaji²úje lineární stablizátor REG1117. Napájení senzor· zrychlení, úhlové rychlosti a digitální £ásti BLDC budi£· je realizováno pomocí dal²í instance lineárního stabilizátoru TPS73733. V²echny zmín¥né sou£ásti pochází ze sortimentu rmy Texas Instruments.

4.2.6 Procesor Procesor TMS570LS3137 v pouzd°e LQFP144 disponuje jádrem Cortex-R4 s FPU. Rychlost procesoru je 1,6 MIPS/MHz a p°i frekvenci 180 MHz poskytuje aº 288 MIPS. TMS570LS3137 podporuje zarovnání Big-endian, je vybaven 3MB integrovanou pam¥tí Flash a 256KB RAM. Nastavení procesoru a periferií probíhá primárn¥ p°es program HALCoGen (Hardware Application Layer Code Generator), jehoº výstupem jsou ve²keré inicia£ní kódy a funkce main. Tyto kódy jsou následn¥ v programu Code Composer Studio kompilovány v£etn¥ dal²ího roz²í°ení programu programátorem.

asova£ N2HET TMS570LS3137 je vybaven inteligentním £asova£em N2HET, který poskytuje sostikované funkce pro °ízení aplikací v reálném £ase. asova£ vyuºívá mikroprogramového automatu s redukovanou instruk£ní sadou, kterým je moºno ovládat I/O piny. Lze tak nap°íklad generovat PWM modulaci, vyuºívat capture nebo compare vstupy. Je zvlá²t¥ dobrý pro aplikace, které pot°ebují snímat mnoho senzor· a °ídit mnoho ak£ních £len·. Programování mikroprogramového automatu probíhá p°es program HET IDE, který umoº¬uje program kompilovat a simulovat. Výstupem programu HET IDE jsou 2 soubory v jazyce C, které jsou importovány do prost°edí HALCoGen. Vygenerovaná kongurace pro procesor nyní obsahuje spou²t¥cí sekvenci, která program pro N2HET p°i startu procesoru automaticky spustí. V °ídící jednotce je £asova£ N2HET vyuºit pro zachycení periody pulz· £idla otá£ek motoru a ke generování PWM modulace pro °ízení otá£ek motoru o 540 krocích.

Obrázek 4.2: Blokové schéma procesoru TMS570LS3137 [4].

Multi-buered SPI Periferie Multi-buered SPI (MibSPI) je inteligentní periferie, která usnad¬uje sloºité a mnohanásobné p°enosy po SPI. Základní výhoda je v moºnosti vyuºití tzv. p°enosových skupin, coº je pole dat, které je moºno vysílat a p°ijímat v r·zných p°eddenovaných formátech. P°íklad pouºití ur£uje obrázek 4.3, který obsahuje nastavení p°enosu pro senzor IMU v programu HALCoGen. P°enosová skupina disponuje buerem s devíti p°ijímacími a vysílacími bajty. Senzor p°i novém vzorkování dat vy²le pulz na pin procesoru GIOA2.

To spustí p°enos bueru, kde první vyslaný bajt z procesoru ur£í poºadavek £tení v²ech dat o zrychlení a úhlové rychlosti ze senzoru (Obr. 4.4).

Obrázek 4.3: Kongurace periferie MibSPI v prost°edí HALCoGen.

Obrázek 4.4: Sekvence pro £tení hlavních dat ze senzoru IMU. Zdroj: [7] Jakmile je p°enos dokon£en, jsou p°ijatá data pomocí DMA p°enosu p°esunuta z pam¥ti MibSPI do systémové pam¥ti. Následn¥ jsou zpracována aplika£ní vrstvou °ídící autonomní let.

4.2.7 Budi£ BLDC motoru Jednou z nejd·leºit¥j²ích klí£ových komponent je integrovaný obvod zaji²újící buzení bezsenzorových BLDC motor·. Po zváºení v²ech klad· a zápor· byl vybrán obvod A4960 od rmy Allegro MicroSystems. Tento integrovaný obvod zaji²újící t°ífázové bezsenzorové °ízení motoru pomocí externích výkonových tranzistor· N-MOSFET je vybaven integrovanou diagnostikou a programovatelným omezením proudu. Je tedy moºné diagnostikovat podp¥tí, p°ekro£ení teploty a závady na výkonových tranzistorech. K diagnostice a nastavení parametr· pro bezsenzorovou komutaci je moºno p°istupovat pomocí sb¥rnice SPI. Ovládání otá£ek motoru probíhá pomocí PWM signálu s výrobcem doporu£enou frekvencí st°ídy 18 KHz. Integrovaný obvod téº disponuje digitálním signálem ur£ujícím reálnou rychlost rotoru.

Obrázek 4.5: Typické zapojení integrovaného obvodu A4960. Zdroj: [2]

Výkonové tranzistory Integrovaný obvod vyuºívá 6 externích výkonových tranzistor· N-MOSFET IRFS74377PPbF. Tyto tranzistory jsou zapojeny v topologii t°í polom·stk·. Mezi nejd·leºit¥j²í parametry tranzistor· lze v dané aplikaci za°adit: -

UDS = 40 V,

-

ID (limit pouzdra) = 240 A,

-

Ciss = 10250 pF,

-

RDS(on) = 0,7 mΩ,

-

RG int = 2,2

Ω.

Maximální moºné nap¥tí UDS je udáváno bez rezervy a nesmí být p°ekro£eno ani ve ²pi£kách. Je proto vhodné zapojení dimenzovat s rezervou. Pokud by bylo maximální nap¥tí p°ekro£eno, dojde k proraºení tranzistoru a k selhání celého stroje. Pozornost je nutné v¥novat i celkové vstupní kapacit¥ gate. Tranzistor je t°eba dostate£n¥ rychle budit, aby nedo²lo k jeho selhání. Rychlost buzení ovliv¬ují rezistory v sérii s gate tranzistoru. Regulace proudu na gate je nutná s ohledem na EMC obvodu a na skute£nosti, ºe spojením budi£e a gate vznikne RLC obvod, který m·ºe p°i malé hodnot¥ R kmitat. Tento jev m·ºe téº zp·sobit selhání tranzistoru. V dané aplikaci nebylo vzhledem k omezené moºnosti chlazení vyuºito ºádné p°ídavné omezení proudu na gate a byly ponechány pouze výstupní impedance budi£e. Tyto hodnoty jsou vzhledem k teplot¥ obvodu v rozsahu:

• •

RDS(on) horní v rozsahu 9 - 27 RDS(on) spodní v rozsahu 1,8 -

Ω, 7 Ω.

Je v²ak nutné pracovat i s vnit°ním odporem gate tranzistoru RG int .

Obrázek 4.6: Pr·b¥h nap¥tí na gate spodního tranzistoru BLDC m¥ni£e b¥hem vypínání.

Obrázek 4.7: Pr·b¥h nap¥tí na gate spodního tranzistoru BLDC m¥ni£e b¥hem zapínání.

Obrázky 4.6 a 4.7 znázor¬ují nap¥tí na gate tranzistoru b¥hem zapínání a vypínání. 42 ◦ C. Pr·b¥h nap¥tí odpovídá

M¥°ení probíhalo p°i pokojové teplot¥ a teplot¥ £ipu budi£e

parametr·m RC obvodu, kde R je výstupní impedance budi£e spole£n¥ s odporem gate tranzistoru a C kapacita hradla tranzistoru. Následující výpo£et ur£uje teoretické hodnoty doby p°echodových jevu na gate tranzistoru p°i spínání za nejhor²ích podmínek.

ton ≈ 5(RDSon + RG )Ciss = 5 . (27 + 2) . 10250 . 10−12 = 1486ns toff ≈ 5(RDSon + RG )Ciss = 5 . (7 + 2) . 10250 . 10−12 = 461ns Skute£ná nam¥°ená hodnota £asu zapnutí tranzistoru pnutí tranzistoru

toff

ton

je 1280 ns a hodnota £asu vy-

je 472 ns. Parametr RDS(on) má vliv zejména na teplotní ztráty

tranzistoru. V dané aplikaci se teplota tranzistor· p°i maximálních otá£kách motoru a ◦ pokojové teplot¥ stabilizuje na 45 C.

Omezení proudu Budi£ umoº¬uje pouºít nastavitelné omezení proudu motoru pomocí snímání nap¥tí na bo£níku zapojeného do série se v²emi t°emi polom·stky. V daném p°ípad¥ jsou pouºity 2 paraleln¥ zapojené výkonové rezistory o výsledné hodnot¥

0, 0025 Ω.

Nap¥tí z bo£níku je

p°ivedeno na terminály budi£e CSP a CSM, které jsou p°ipojeny na interní opera£ní zesilova£ o hodnot¥ zesílení 10. Zesílený rozdíl nap¥tí na bo£níku je p°iveden na komparátor spole£n¥ s hodnotou nap¥tí

VRI ,

která je nastavitelná pomocí registr· p°es rozhraní SPI.

Budi£ umoº¬uje nastavit hodnotu nap¥tí

VRI

pro start a b¥h za normálních podmínek.

V p°ípad¥ p°ekro£ení maximální hodnoty proudu jsou horní tranzistory vypnuty a dolní tranzistory zapnuty po dobu nastavitelnou pomocí registru. B¥hem této doby se proud motoru sniºuje se strmostí závislou na induk£nosti motoru a impedancí tranzistor· m¥ni£e. Je zcela nezbytné nastavit dostate£ný £as ke sníºení proudu, aby nedo²lo k nasycení vinutí a velkému nár·stu proudu. Následující výpo£et znázor¬uje výpo£et proudového omezení pro b¥h za normálních podmínek,

ITRIP ≈

1, 5 VRI = = 80A AV × RSENSE 10 × 0, 0025

(4.1)

kde -

AV je zesílení vnit°ního opera£ního zesilova£e, RSENSE je odpor bo£níku, VRI je nastavitelná hodnota nap¥tí pro komparátor ITRIP je hodnota omezení proudu.

a

Obrázek 4.8 znázor¬uje pr·b¥h nap¥tí na bo£níku. Po£áte£ní ²pi£ka p°i náb¥hu proudu je zp·sobena dobou zotavení diod mezi drain a source piny tranzistor·. Tyto proudové ²pi£ky by mohly být budi£em vyhodnoceny jako p°ekro£ení maximálního proudu na fázích motoru, a proto jsou pro detekci maximálního proudu maskovány po £as nastavitelný registrem.

Obrázek 4.8: Pr·b¥h nap¥tí na bo£níku pro m¥°ení proudu BLDC motoru o hodnot¥ 0,0025

Ω

p°i 1400 ot/min.

Obrázek 4.9: M¥°ení celkového proudu za°ízení z baterie p°i zkou²ce maximálních otá£ek BLDC motoru na bo£níku v sérii s bateriií o hodnot¥ 0,005

Ω.

Pro identikaci proudové zát¥ºe baterie p°i maximálních otá£kách jednoho motoru byl do série s baterií umíst¥n bo£ník o hodnot¥ 0,005

Ω.

Obrázek 4.9 znázor¬uje pr·b¥h

nap¥tí na bo£níku b¥hem náb¥hu na maximální otá£ky motoru a jeho následného vypnutí. St°ední hodnota maximálního proudu je 32,4 A, ve ²pi£kách hodnota dosahuje 52,4 A. Na obrázku 4.10 je pr·b¥h nap¥tí na totoºném bo£níku, av²ak za bo£níkem je v tomto p°ípad¥ p°ipojen kondenzátor Epcos B41580-A5479-M s kapacitou

47000 µF a ma-

ximálním nap¥tím 25 V. V d·sledku pouºití kondenzátoru do²lo k výraznému omezení proudových ²pi£ek z baterie. St°ední hodnota maximálního proudu je stále 32,4 A, av²ak ve ²pi£kách hodnota dosahuje jiº pouze 46 A.

Obrázek 4.10: M¥°ení celkového proudu za°ízení z baterie p°i zkou²ce maximálních otá£ek BLDC motoru na bo£níku v sérii s bateriií o hodnot¥ 0,005

Ω.

Diagnostika závad Budi£ disponuje následující integrovanou diagnostikou závad a indikací: -

indikace p°íli² nízkého napájecího nap¥tí,

-

indikace "práv¥ zapnuto",

-

blíºící se kritická teplota integrovaného obvodu budi£e,

-

vypnutí budi£e v d·sledku vysoké teploty integrovaného obvodu,

-

ztráta synchronizace BEMF,

-

závada na bootcapu A,

-

závada na bootcapu B,

-

závada na bootcapu C,

-

závada na tranzistoru fáze A horní skupiny,

-

závada na tranzistoru fáze A dolní skupiny,

-

závada na tranzistoru fáze B horní skupiny,

-

závada na tranzistoru fáze B dolní skupiny,

-

závada na tranzistoru fáze C horní skupiny,

-

závada na tranzistoru fáze C dolní skupiny.

S výjimkou dvou po£áte£ních indikací mohou být tyto chyby uºivatelem jednotliv¥ aktivovány. D·sledkem aktivace je moºná detekce chyby po sériovém rozhraní a p°ípadné následné okamºité zastavení motoru samotným budi£em. Závada na tranzistoru je detekována pomocí registrem nastavitelného prahu nap¥tí, který je porovnáván s nap¥tím mezi drain a source tranzistoru po jeho zapnutí a vypnutí. Software °ídící jednotky vyuºívá detekci v²ech zmín¥ných závad. V p°ípad¥ detekce závady se stroj v p°ípad¥ letu uvede do bezpe£ného stavu, coº znamená zastavení v²ech motor·.

ízení otá£ek motoru Budi£ motoru disponuje logickým vstupem, který umoº¬uje lineární regulaci otá£ek motoru PWM modulací o výrobcem doporu£ené frekvenci 18 KHz. Signál PWM je v proce-

soru generován £asova£em N2HET a lze ho regulovat v 540 krocích. Graf 4.13 znázor¬uje otá£ky motoru v závislosti na st°íd¥ PWM. Regulace otá£ek probíhá v uzav°ené smy£ce za pomoci PID regulátoru. Zp¥tnou vazbu informující o reálných otá£kách motoru lze zajistit pomocí logického výstupu budi£e. Periodu mezi zm¥nou logické hodnoty je moºno vyuºít pro výpo£et reálné rychlosti motoru. Vyuºití této zp¥tné vazby se v²ak ukázalo jako problematické, nebo´ m¥°ené otá£ky, které dosahují reálných hodnot aº 7000 ot/min byly m¥°eny s chybou

±1000

ot/min. Signál v

ur£itých £asových oknech vyuºívá detekci pr·chodu nap¥tí fáze motoru polovi£ním napájecím nap¥tím, která je zkreslena v d·sledku PWM modulace 4.11.

Obrázek 4.11: Nap¥tí na fázi BLDC m¥ni£e. P°esn¥j²ího m¥°ení bylo dosaºeno umíst¥ním HAL senzoru A1120EUA-T od rmy Allegro do blízkosti rotoru. Tyto senzory detekují zm¥ny magnetického pole v okolí rotoru s permanentními magnety. Z period logických impulz· p°ivedených do £asova£e procesoru N2HET lze vypo£ítat okamºité otá£ky motoru.

Obrázek 4.12: Graf závislosti tahu na otá£kách motoru.

Obrázek 4.13: Graf závislosti otá£ek motoru na PWM.

4.2.8 Ethernet ídící jednotka vyuºívá ke komunikaci s pilotem p°enos dat po 5 GHz WiFi. Pomocí konektor· RJ-45 a UTP kabelu je p°ipojen plo²ný spoj se za°ízením MikroTIK OmniTIK U-5HnD, které je umíst¥no v plastovém boxu stroje. Pilot vyuºívá laptop s p°ipojeným joystickem, kterým ovládá stroj. Pomocí programu FlightControl (4.4.4) má pilot k dispozici ve²keré pot°ebné údaje pro bezpe£né ovládání stroje. ídící jednotka obsahuje Ethernet °adi£ DP83640 od rmy Texas Instruments. Tento integrovaný obvod je p°ipojen k procesoru p°es komunika£ní rozhraní MII, které se skládá z 15 signál·. Signály je nutné navrhnout stejn¥ dlouhé, s nejkrat²í moºnou vzdáleností a minimálním po£tem prokov·.

Obrázek 4.14: Plo²ný spoj s £erven¥ vyzna£enými signály rozhraní MII.

4.2.9 GPS p°íjma£ a magnetometr Umíst¥ní magnetometru na stroji vyºaduje zvý²enou pozornost z d·vodu moºného ovliv¬ovaní m¥°ených dat magnetickým polem výkonové £ásti stroje. Jelikoº by bylo nezbytné pro integrovaný obvod magnetometru navrhnout samostatný plo²ný spoj, bylo rozhodnuto o pouºití modulu pod obchodním názvem GPS-GLONASS od rmy PITLAB. Tento modul obsahuje magnetometr HMC5883L od rmy Honeywell a GPS p°íjma£ s chipsetem MTK3333. Magnetometr je p°ipojen pomocí I2C sb¥rnice, která je vyvedená z °ídící jednotky dráty. GPS modul pro komunikaci s °ídící jednotkou vyuºívá RS-232 o rychlosti 9600 baud. Po d·kladném zváºení bylo vylou£eno významné bezpe£nostní riziko p°i provozu stroje související s moºnou ztrátou dat zp·sobenou prodlouºeným vedením sb¥rnice I2C a datové linky RS-232.

4.2.10 Senzor zrychlení a úhlové rychlosti Data ze senzoru zrychlení a úhlové rychlosti (IMU) jsou naprosto nezbytná pro správnou funkci kvadrotorové helikoptéry. T°íosý akcelerometr a gyroskop spole£n¥ s magnetometrem zaji²úje vstupní data pro výpo£et odhadu vektoru stavu stroje (poloha, rychlost, orientace a zm¥na orientace). Po d·kladném zváºení byl zvolen senzor ADIS16445 od rmy Analog Devices, který je vybaven diagnostikou a jednoduchým rozhraním komunikujícím

Obrázek 4.15: Modul GPS-GLONASS s GPS p°íjma£em a magnetometrem od rmy PITLAB.

po sb¥rnici SPI. Senzor je dodáván jako modul v hliníkovém pouzdru o rozm¥rech 24,1 x 37,7 x 10,8 mm s konektorem s dvaceti piny 4.16. Obnovovací frekvence dat je s pouºitím interních hodin aº 819.2 Hz. Senzor disponuje logickým signálem Data ready, který p°i kaºdé obnov¥ m¥°ených dat vytvo°í pulz, který je zpracován jako spou²t¥ní p°enosu periferie MibSPI.

Obrázek 4.16: Senzor ADIS16445 od rmy Analog Devices. Zdroj: [7]

4.3

Výpo£et st°ední doby mezi poruchami

Pro kaºdou °ídící jednotku je vhodné provést analýzu spolehlivosti. Základní ukazatel spolehlivosti je vý£et st°ední doby mezi poruchami MTBF. V praxi se ov²em obvykle uvádí hodnota FIT, pro který platí p°epo£et 4.2.

λ= Hodnoty

λ

1 −9 10 FIT MTBF

(4.2)

byly stanoveny pomocí Military Handbook [5]. Pro stanovení výpo£tu st°ední

doby poruchy platí 4.3, kde

n

je celkový po£et sou£ástek ve výpo£tu.

1 MTBF = Pn 1

(4.3)

λn

Tento výpo£et je v²ak pouze orienta£ní. Vhodn¥j²í ov¥°ení spolehlivosti °ídící jednotky lze realizovat pomocí akcelerovaných test·. Ty spo£ívají ve vystavení vzorku ur£itým podmínkám (teploty, nap¥tí, vibrace atd.), které napomohou odhalit potenciální chyby v krat²ím £ase.

10−9

P

FIT 10−9

%

Sou£ást

Po£et kus·

FIT

Rezistor

207

0,8

165,6

2,63

Rezistorová sí´

12

2,5

30

0,48

Kondenzátor keramický

133

1

133

2,11

Kondenzátor elektrolytický

78

32

2496

39,67

Dioda

33

14

462

7,34

Tranzistor

28

6

168

2,67

Integrovaný obvod

20

8

160

2,54

Procesor

1

2,6

2,6

0,04

LED

10

1,2

12

0,19

Krystal

2

18,5

37

0,59

Tlumivka

3

1

3

0,05

Tla£ítko

2

20

40

0,64

Konektor

4

25,5

102

1,62

Pájený kontakt

1868

0,14

261,52

4,16

Plo²ný spoj

1

2093,61

2093,61

33,27

Transil

2

23

46

0,73

Pojistka

4

20

80

1,27

P

2408

6292,33

Tabulka 4.1: Tabulka ur£ující po£ty sou£ástek a parametry FIT.

1 MTFB = Pn λhod λrok

1 = 0, 0001589236 6292, 33 1 λn 1 1 = = 10−9 = 158924 MTBF 0, 0001589236 8760 = = 18, 14 MTBF =

4.4

Software

4.4.1 Pouºití opera£ního systému reálného £asu FreeRTOS ídící jednotka pro autonomní let vyuºívá opera£ní systém reálného £asu FreeRTOS. Jedná se o ideální °e²ení v p°ípad¥ poºadavku na zaji²t¥ní velkého mnoºství paraleln¥ b¥ºících úkol·. Tyto paraleln¥ b¥ºící úkoly lze chápat jako nekone£né smy£ky, které b¥ºí neustále. Integrovaný plánova£ následn¥ zaji²úje vyváºené d¥lení strojového £asu. Tyto skute£nosti nabízí moºnost tvorby p°ehledn¥ strukturovaného programu.

Procesy se jeví jako paralelně běžící. Task 1 Task 2 Task 3 Skutečný běh jednotlivých procesů.

čas

Task 1 Task 2 Task 3 čas Obrázek 4.17: Ilustrace b¥hu proces· v opera£ním systému reálného £asu FreeRTOS. FreeRTOS disponuje nejen plánova£em proces·, ale také frontami, semafory, mutexy, softwarovými £asova£i £i event bity. Software °ídící jednotky vyuºívá fronty, softwarové £asova£e a event bity.

4.4.2 Struktura programu v °ídící jednotce Program v °ídící jednotce je rozd¥len do £ty° vrstev. Spodní vrstva zabezpe£uje data ze senzor·, která jsou nezbytná pro výpo£ty. Následuje vrstva obstarávající PID regulaci motor·. T°etí vrstva zaji²úje autonomní let a provádí výpo£ty autonomního °ízení, jejichº vstupem jsou data ze senzor· a výstupem jsou poºadované otá£ky motor·. Horní vrstva obstarává p°íjem a vysílání dat pot°ebných pro bezdrátové °ízení stroje.

Zpracování dat pro bezdrátové řízení

Vrstva pro příjem a vysílání dat pro řízení stroje.

Autonomní řízení

Vrstva zajištující řízení pro autonomní let.

PID regulace motoru #1




Vrstva pro regulaci motorů.

Vrstva pro konfiguraci a příjem dat ze senzorů.

Zpracování dat ze senzorů

Obrázek 4.18: Struktura programu v °ídící jednotce.

4.4.3 Software pro £asova£ N2HET asova£ N2NET je v této aplikaci vyuºit k m¥°ení délky pulz· a generování PWM modulace. V²echny tyto funkce zaji²úje software v mikroprogramovém automatu £asova£e 4.1. 1 2 3 4 5 6 7

L00 : CNT { next = L01 , reg =A , max =540 } L01 : MCMP { next = L02 , reg =A , en_pin_action = ON , hr_lr = HIGH , hr_data =0 x0 } L02 : MCMP { next = L03 , reg =A , en_pin_action = ON , hr_lr = HIGH , hr_data =0 x1 } L03 : MCMP { next = L04 , reg =A , en_pin_action = ON , hr_lr = HIGH , hr_data =0 x2 } L04 : MCMP { next = L05 , reg =A , en_pin_action = ON , hr_lr = HIGH , hr_data =0 x3 } L05 : PCNT { next = L06 , type = RISE2RISE , pin = CC18 } L06 : PCNT { next = L00 , type = RISE2RISE , pin = CC20 }

pin = CC1 , action = PULSELO , order = REG_GE_DATA , data =0 x0 , pin = CC4 , action = PULSELO , order = REG_GE_DATA , data =0 x0 , pin = CC14 , action = PULSELO , order = REG_GE_DATA , data =0 x0 , pin = CC16 , action = PULSELO , order = REG_GE_DATA , data =0 x0 ,

Zdrojový kód 4.1: Program £asova£e N2HET Program obsahuje 7 instrukcí. Tyto 96 bitové instrukce jsou vykonány frekvencí, kterou lze v prost°edí HALCoGen nastavit jako High Resolution Loop. Program se v²ak musí vejít do periody Low Resolution Loop, po jejímº uplynutí se b¥h programu vrátí na za£átek. Tato skute£nost ur£uje základní rozdíl mezi obvyklým programováním a programováním £asova£e N2HET. Je t°eba také brát ohled na pot°ebný po£et cykl· pro vykonání instrukce. V¥t²ina instrukcí je vykonána v jednom cyklu, av²ak n¥které z nich pot°ebují dva nebo t°i cykly.

Obrázek 4.19: B¥h programu v £asova£i N2HET Zdroj: [4].

Jako první se p°i startu programu spustí instrukce CNT, která inkrementuje hodnotu v registru A. Jakmile je v registru A dosaºeno hodnoty 540, je registr vynulován. Následuje instrukce MCMP, která porovnává hodnotu registru A s hodnotou datového registru instrukce. V p°ípad¥, kdy je hodnota registru A rovna nebo v¥t²í neº hodnota datového registru instrukce, následuje akce v podob¥ nastavení I/O pinu procesoru na logickou nulu. Tato operace je dále provedena pro zbylé PWM výstupy ovládající otá£ky motor· stroje. Následuje instrukce PCNT, která provádí záchyt periody logického pulzu z HAL £idla, které ur£uje momentální otá£ky motoru. Instrukce m¥°í periodu mezi náb¥ºnými hranami logického signálu a údaj uschovává v datové oblasti instrukce. Aby bylo dosaºeno generování PWM pomocí instrukcí CNT a MCMP s maximálním rozli²ením, je nutno provozovat co nejkrat²í program. Z tohoto d·vodu a z d·vodu obsazenosti pin· procesoru bylo zpracování otá£ek zbylých dvou motor· pomocí instrukcí PCNT p°esunuto do druhé instance £asova£e N2HET2.

4.4.4 Dálkové °ízení Za°ízení komunikuje s pilotem pomocí bezdrátové sít¥ Ethernet. ídící jednotka v intervalu 80 ms odesílá soubor dat, který je obrazem momentálního stavu stroje. Tento soubor dat je v programu nadenován jako struktura s názvem "fcuDiagChannels"a obsahuje 91 prom¥nných. Struktura je následn¥ pomocí UDP protokolu periodicky odesílána na IP adresu 192.168.10.255, coº zap°í£iní doru£ení dat v²em uzl·m v lokální síti. V programovacím jazyku C# byla pro ovládání stroje vytvo°ena aplikace FlightControl. Tato aplikace p°ehledn¥ zobrazuje d·leºitá data pot°ebná pro °ízení stroje. Jedná se o absolutní rychlost stroje, um¥lý horizont, vý²ku stroje nad mo°em, kompas a vertikální rychlost. Tato data jsou zobrazena pomocí palubních p°ístroj·, které byly získány z projektu pod názvem "C# Avionic Instrument Controls"z http://www.codeproject.com. Dále jsou ve form¥ textu zobrazeny údaje o celkovém nap¥tí baterie, £asu letu, tlaku, otá£kách motor·, teplotu £idla IMU, poºadovaných otá£kách motor· a chyb na m¥ni£ích. Teplota £idla IMU reprezentuje teplotu uvnit° plastového boxu stroje.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94

typedef struct { float Rotor1RPMNonFiltered ; uint32 Rotor1RPMFiltered ; uint32 Rotor1RPMSetPWMValue ; uint32 Rotor1RPMSetRPMValue ; float Rotor1TachoPulseWidth ; float Rotor1CutOffCode ; float Rotor1ErrorCode ; float Rotor1RegulationError ; uint32 Rotor2RPMNonFiltered ; uint32 Rotor2RPMFiltered ; uint32 Rotor2RPMSetPWMValue ; uint32 Rotor2RPMSetRPMValue ; float Rotor2TachoPulseWidth ; float Rotor2CutOffCode ; float Rotor2ErrorCode ; float Rotor2RegulationError ; uint32 Rotor3RPMNonFiltered ; uint32 Rotor3RPMFiltered ; uint32 Rotor3RPMSetPWMValue ; uint32 Rotor3RPMSetRPMValue ; float Rotor3TachoPulseWidth ; float Rotor3CutOffCode ; float Rotor3ErrorCode ; float Rotor3RegulationError ; uint32 Rotor4RPMNonFiltered ; uint32 Rotor4RPMFiltered ; uint32 Rotor4RPMSetPWMValue ; uint32 Rotor4RPMSetRPMValue ; float Rotor4TachoPulseWidth ; float Rotor4CutOffCode ; float Rotor4ErrorCode ; float Rotor4RegulationError ; float AmbientPressureFiltered ; uint32 LightsStatus ; float MainBatteryVoltageNonFiltered ; float MainBatteryVoltageFiltered ; float MainBatteryTotalCurrentNonFiltered ; float MainBatteryTotalCurrentFiltered ; float MainBatteryCell1NonFiltered ; float MainBatteryCell1Filtered ; float MainBatteryCell2NonFiltered ; float MainBatteryCell2Filtered ; float MainBatteryCell3NonFiltered ; float MainBatteryCell3Filtered ; float MainBatteryCell4NonFiltered ; float MainBatteryCell4Filtered ; float MainBatteryCell5NonFiltered ; float MainBatteryCell5Filtered ; uint32 TotalLifetime ; uint32 TotalFlighttime ; uint32 TimeFromTakeoff ; uint32 TimeFromLastTurnOn ; float AccelerationXCoordNonFiltered ; float AccelerationXCoordFiltered ; float AccelerationYCoordNonFiltered ; float AccelerationYCoordFiltered ; float AccelerationZCoordNonFiltered ; float AccelerationZCoordFiltered ; float AccelerationAbsValue ; float AngularRateXCoordNonFiltered ; float AngularRateXCoordFiltered ; float AngularRateYCoordNonFiltered ; float AngularRateYCoordFiltered ; float AngularRateZCoordNonFiltered ; float AngularRateZCoordFiltered ; float EarthMagFieldXCoordNonFiltered ; float EarthMagFieldXCoordFiltered ; float EarthMagFieldYCoordNonFiltered ; float EarthMagFieldYCoordFiltered ; float EarthMagFieldZCoordNonFiltered ; float EarthMagFieldZCoordFiltered ; float EarthMagFieldAbsValue ; float AltitudeGPS ; float AltitudePressure ; float AltitudeFiltered ; float VerticalSpeed ; float AbsoluteSpeed ; float Heading ; float AngularTiltX ; float AngularTiltY ; float GPSAlpha ; float GPSLambda ; float AmbientTemperature ; float IMUTemp ; uint32 AutopilotOn ; uint32 DeviceInAir ; uint32 HighSeverityFault ; uint32 HighSeverityFaultErrorCode ; uint32 Test1 ; uint32 Test2 ; uint32 Test3 ; uint32 Test4 ; } fcuDiagChannels_t ;

Zdrojový kód 4.2: Denice prom¥nných pro diagnostiku p°ená²ené ze stroje do PC.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

typedef struct { uint32 Mode ; uint32 Throttle ; uint32 SteeringZ ; uint32 SteeringY ; uint32 SteeringX ; uint32 Lights ; uint32 Rotor3RpmSet ; uint32 Rotor2RpmSet ; uint32 Rotor1RpmSet ; uint32 Rotor0RpmSet ; } fcuRxChannels_t ;

Zdrojový kód 4.3: Denice prom¥nných pro dálkové °ízení p°ená²ené z PC do stroje.

Obrázek 4.20: Program FlightControl pro ovládání stroje vytvo°ený v jazyce C#. Pod záloºkou Debug se skrývá moºnost manuálního nastavení otá£ek motor·. Tato moºnost byla vyuºívána ke zkou²kám PID regulace otá£ek motor·.

5 Záv¥r Stavba kvadrotorové helikoptéry v této velikosti a o tomto výkonu byla náro£ným úkolem. Konstrukce stroje za£ala v zá°í roku 2013, kdy byl vytvo°en k°íºový rám. Následoval nákup a montáº motor· s vrtulemi. S návrhem plo²ného spoje se zapo£alo v prosinci roku 2013. Spole£n¥ s tím probíhal výb¥r a nákup sou£ástek. První prototyp plo²ného spoje byl vyroben a osazen v srpnu roku 2014. První osazení sou£ástkami se potýkalo s problémy zp·sobené pájením, v jejichº d·sledku do²lo ke zni£ení n¥kolika procesor·. Opakované vým¥ny procesoru zp·sobily mechanické po²kození pájecích plo²ek a nepájivé masky v okolí pin·. I skrze tyto problémy bylo moºno za°ízení testovat. Plo²ný spoj byl umíst¥n do plastového boxu stroje. Poté byly p°ipojeny a testovány motory. Následovalo velmi dlouhé období lad¥ní nastavení BLDC budi£·, které skon£ilo v únoru 2015. V nastavení budi£· byla chyba, která zp·sobovala sporadické proraºení výkonových tranzistor· BLDC m¥ni£e. Ve snaze odhalit problém byly vytvo°eny dal²í dv¥ revize hardwaru s odli²nými výkonovými tranzistory. Chyba, která dlouhé období znehodnocovala za°ízení, spo£ívala v p°íli² malé dob¥ odpojení tranzistor· horní skupiny b¥hem p°ekro£ení maximálního proudu bo£níkem m¥ni£e. To m¥lo za následek p°esycení vinutí motoru, a proto p°es výkonové tranzistory tekl p°íli² velký proud a do²lo k jejich zni£ení. Spole£n¥ s p°edchozím problémem bylo náro£né nalézt zp·sob °e²ení nep°esného £tení momentálních otá£ek motoru. Od druhé revize plo²ného spoje byly pro Hallovy sondy, umíst¥né v blízkosti rotor·, p°idány £ty°i vstupy spole£n¥ se Schmittovými klopnými obvody. Ty zaji²újí p°ipojení k £asova£·m, které m¥°í periodu mezi pulzy. Odhadovaná cena

Cena funk£ního

Náklady b¥hem

prototypu [K£]

vývoje [K£]

Senzor IMU

18000

0

18000

Sou£ástky

2000

5000

4400

Plo²ný spoj

2500

6000

4500

Motory

8800

0

14000

Vrtule

880

220

7000

200

300

1500

Baterie

3800

0

3800

Podvozek

400

0

400

1000

0

3500

37580

11520

57100

Elektroinstala£ní materiál

Bezdrátová komunikace

funk£ního prototypu bez slev a vzork· [K£]

Tabulka 5.1: Tabulka s nan£ními náklady. Tabulka 5.1 p°ibliºuje nan£ní náklady na vývoj stroje. První sloupec obsahuje £ástky,

27

které by bylo pot°eba vynaloºit pro stavbu koncového funk£ního prototypu. Druhý sloupec obsahuje náklady, které byly vynaloºeny p°i vývoji. Ve t°etím sloupci jsou odhadované maloobchodní ceny bez slev a poskytnutých vzork·. Nejv¥t²í poloºkou na seznamu cen je senzor IMU. Tento senzor byl zvolen nejen kv·li vynikajícím parametr·m, ale téº z d·vodu moºnosti rychlého a snadného pouºití, coº u²et°ilo mnoho cenného £asu. Jelikoº se jedná pouze o výrobu jednoho kusu prototypu, nebyl v celkovém °e²ení stroje i z £asových d·vodu brán ohled na optimalizaci náklad·. Do cen se v²ak promítly slevy a vzorky, které jednotliví prodejci poskytli. Firma AXI Model Motors poskytla slevu na motory 5200 K£, rma Vrtule Fiala poskytla slevu 500 K£ na nákup vrtulí a rma Printed poskytla slevu 5000 K£ p°i výrob¥ plo²ných spoj·. Následovaly rmy které bezplatn¥ poskytly vzorky svých produkt·. Firma Allegro Microsystems poskytla 8 kus· BLDC budi£· v cen¥ 1920 K£, rma Texas Instruments poskytla procesory a ostatní sou£ástky v hodnot¥ 5000 K£, rma AVX poskytla kondenzátory v hodnot¥ 1000 K£ a rma Epcos poskytla kondenzátory v hodnot¥ 2000 K£. Ov²em ne v²echny zakoupené £i poskytnuté sou£ástky byly v koncovém °e²ení pouºity. B¥hem dokon£ení psaní této práce je naprogramován software zaji²újící p°íjem a vysílání dat pro °ízení stroje, PID regulátory motor· a p°íjem dat ze senzor·. V sou£asné chvíli se intenzivn¥ pracuje na implementaci °ízení navrºeným Bc. Zde¬kem Bou£kem z Katedry kybernetiky Fakulty aplikovaných v¥d na Západo£eské univerzit¥ v Plzni. Práce nabízí °e²ení ve form¥ odlad¥né platformy i pro jiné stroje podobného typu. Se £ty°mi výkonnými BLDC m¥ni£i, Ethernetem, CAN budi£em a procesorem s bezpe£nostním jádrem poskytuje jistou univerzálnost. Díky komunika£ním rozhraním je moºné p°idat obvody s dal²ími BLDC m¥ni£i, m¥°ícími za°ízeními environmentálních hodnot, kamerou atd. Stavbu °ídící jednotky pro kvadrotorovou helikoptéru lze hodnotit jako úsp¥²nou. Zdroje, procesor, p°ipojené senzory a BLDC m¥ni£e pracují bez problém·. Práce m¥la p°ínos ve form¥ zku²enost s návrhem takto sloºitého obvodu. Po implementaci °ízení bude práce i nadále roz²i°ována.

Literatura [1] BOUEK, Zden¥k. Návrh simula£ního modelu a °ízení kvadrotorové helikoptéry. Plze¬, 2013. Bakalá°ská práce (Bc.). Západo£eská univerzita v Plzni, Fakulta aplikovaných v¥d. Vedoucí práce Miroslav Flídr. [2] Allegro

MicroSystems, [online].

Controller

LLC.

Automotive,

2011.

[cit.

Sensorless

2015-05-05].

BLDC

Dostupné

z:

http://www.allegromicro.com/ /media/Files/Datasheets/A4960-Datasheet.ashx [3] International Rectier. IRFS7434-7PPbF [online]. 2014. [cit. 2015-05-05]. Dostupné z: http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irfs7434-7ppbf.pdf [4] Texas

Instruments.

Technical

TMS570LS31x/21x

Reference

Manual

[online].

16/32-Bit

2013.

RISC

[cit.

Flash

2015-05-05].

Microcontroller

Dostupné

z:

http://www.ti.com/lit/ug/spnu499b/spnu499b.pdf [5] Ministerstvo lity

obrany

prediction

of

Washington

electronic

DC

equipment

20301. [online].

Military

1991.

Handbook

[cit.

Reliabi-

2015-05-05].

Do-

stupné z: http://snebulos.mit.edu/projects/reference/MIL-STD/MIL-HDBK-217FNotice2.pdf [6] POLÁEK, Libor. ídicí systémy pro m¥ni£ové aplikace pracující v extrémních podmínkách

Plze¬, 2014. Diserta£ní práce (Ph.D.). Západo£eská univerzita v Plzni,

Fakulta elektrotechnická. Vedoucí práce Ji°í Hammerbauer. [7] Analog Devices. Compact, Precision Six Degrees of Freedom Inertial Sensor. 2013. [cit. 2015-05-05]. Dostupné z: http://www.analog.com/media/en/technicaldocumentation/data-sheets/ADIS16445.pdf

29

A Schéma zapojení jednotky

30

Obrázek A.1: Schéma °ídící jednotky, list 1.

D

C

B

VBAT-ALL

5V

FUSE 2A 1206

1

1 3 FUSE 2A 1206 5 SDA 7 GPSRX-CPUTX 9 11 CANH 13 CELL0 15 CELL2 17 CELL4 19

U$11

U$9

TDI TMS TCK RTCK TDO

2

10K

R56 22R R55 22R R54 22R R45 22R R44 22R

3

GND 13V SCK GPSTX-CPURX FUSE 2A 1206 MAG_DRDY ONBOARD_DEVICES_VCC CANL CELL1 CELL3 CELL5

U$7

TCK LOW PASS FILTER AS CLOSE AS POSSIBLE TO MCU

10K R47

5103309-5

P2

GND

22p

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

R46 R49 C63

10K R48 100

3V3 R50 0R

JTAG_NTRST

JTAG_NTRST JTAG_TDI JTAG_TMS JTAG_TCK JTAG_RTCK JTAG_TDO JTAG_NRST

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

5103309-5

P1

D

S

G

4

Die FlugKontrollEinheit

5

3V3

NTRST

22R

R58

Flight control unit

2

1

JTAG_NRST

U10

IRLML6346TRPBF

3

GND

5

CONNECT JTAG_NRST AND NRST

POWER ON RESET MUST BE STABLE TO PASS NTRST FROM DEBUGGER

22R

R52

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

4

3V3 R51

3

4K7

2

GND

1uF

C64

R57

A

1

500R

R53

10K

6

NPORRST

NRST

6

D

C

B

A


D

C

B

A

1

GND

GND

2

C52 100nF

100nF

C40 100nF

C39

100nF

2

100nF

C41

100nF

C53

FRAYTX2 FRAYRX2 MIBSPI3NCS[3] MIBSPI3NCS[2] FRAYTXEN2 N2HET1[11] FLTP1 FLTP2 GIOA[2] VCCIO_2 VSS_2 CAN3RX CAN3TX GIOA[5] N2HET1[22] GIOA[6] VCC_2 OSCIN KELVIN_GND OSCOUT VSS_3 GIOA[7] N2HET1[01] N2HET1[03] N2HET1[0] VCCIO_3 VSS_4 VSS_5 VCC_3 N2HET1[02] N2HET1[05] MIBSPI5NCS[0] N2HET1[07] TEST N2HET1[09] N2HET1[4]

C51

COREVCC

VCCIO

Uses N2HET2 pin 14

SCK SDA

3 4 5 6 MIBSPI3_NCS4 7 8 9 GIOA2 10 VCCIO 11 GND NRST_2 12 13 RED_STROBE_EN 14 GIOA5 15 A4960_TACHO1 MAG_DRDY 16 17 COREVCC 18 XTAL1 KELVIN_GND 19 20 XTAL2 21 GND 22 ACC1_DRDY 23 A4960_PWM0 24 SPI4_NCS0 25 SPI4_CLK 26 VCCIO 27 GND 28 GND 29 COREVCC 30 SPI4_SIMO 31 SPI4_SOMI 32 S0 33 A4960_TACHO0 34 GND 35 S1 36 A4960_PWM1

MAG_DRDY deprecated A4960_TACHO1 and MAG_DRDY connected additionaly at PCB 1 -> TACHO1 uses N2HET2 pin 4 2

PROCESSOR

1

C43

72 71 70 69 68 67 66 65 64 63 62 61 60 59 58 57 56 55 54 53 52 51 50 49 48 47 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 2 3 4

1

3

100nF

C45

100nF

C56

100nF

C44

100nF

C55

100nF 100nF

C42

100nF

C54

AD1IN[10]/AD2IN[10] AD1IN[01] AD1IN[09]/AD2IN[09] VCCAD VSSAD ADREFLO ADREFHI AD1IN[21]/AD2IN[05] AD1IN[20]/AD2IN[04] AD1IN[19]/AD2IN[03] AD1IN[18]/AD2IN[02] AD1IN[07] AD1IN[0] AD1IN[17]/AD2IN[01] AD1IN[16]/AD2IN[0] VCC VSS MIBSPI3NCS[0] MIBSPI3NENA MIBSPI3CLK MIBSPI3SIMO MIBSPI3SOMI VSS_9 VCC_6 VCC_5 VSS_8 NPORRST VCC_4 VSS_7 VSS_6 VCCIO N2HET1[15] MIBSPI1NCS[2] N2HET1[13] N2HET1[06] MIBSPI3NCS[1]

100nF

C46

7 6 5

8

C47

100nF

C48

100nF

TOTAL_CURR COREVCC GND MIBSPI3_NCS0 A4960_TACHO0 MIBSPI3_CLK MIBSPI3_SIMO MIBSPI3_SOMI GND COREVCC COREVCC GND NPORRST COREVCC GND GND VCCIO MIBSPI1_NCS4 MDIO I2 I1 MDCLK

PCBTEMP

ADVCC GND GND ADVCC RN15A 22R RN15C 22R RN15B 22R RN15D 22R

U1A TMS570LS3137_PGE_144

3

C49

4

100nF

C50

100nF

C2 C1 C0 C5 C4 C3 MII_RX_ER COREVCC GND CANTX CANRX MII_RXD0 MII_RXD1 MIBSPI1_SIMO MIBSPI1_SOMI MIBSPI1_CLK MII_RXD2 MII_RXD3 MII_TXD0 MII_TXD1 MII_TXEN COREVCC GND GND VCCIO MII_TXD2 MII_TXD3 MII_RX_CLK TMS

RAD2TEMP RAD1TEMP

4

AD1IN[02] AD1IN[03] AD1IN[11]/AD2IN[11] AD1IN[04] AD1IN[12]/AD2IN[12] AD1IN[05] AD1IN[13]/AD2IN[13] AD1IN[06] AD1IN[22]/AD2IN[06] AD1IN[14]/AD2IN[14] AD1IN[08]/AD2IN[08] AD1IN[23]/AD2IN[07] AD1IN[15]/AD2IN[15] AD1EVT VCC_2 VSS_2 CAN1TX CAN1RX N2HET1[24] N2HET1[26] MIBSPI1SIMO MIBSPI1SOMI MIBSPI1CLK MIBSPI1NENA MIBSPI5NENA MIBSPI5SOMI[0] MIBSPI5SIMO[0] MIBSPI5CLK VCC_3 VSS_3 VSS_4 VCCIO_2 MIBSPI1NCS[0] N2HET1[08] N2HET1[28] TMS


5

Flight control unit

73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108

5

VSS VCC FRAYTXEN1 N2HET1[20] N2HET1[18] N2HET1[16] VSS_9 VCC_6 VCCIO VSS_8 VCCP FRAYTX1 LINTX LINRX MIBSPI1NCS[1] CAN2RX CAN2TX N2HET1[30] FRAYRX1 N2HET1[14] N2HET1[12] VCC_5 VSS_7 VSS_6 VCCIO_3 ECLK N2HET1[10] NERROR NRST VSS_5 VCC_4 RTCK TCK TDO TDI NTRST

144 143 142 141 140 139 138 137 136 135 134 133 132 131 130 129 128 127 126 125 124 123 122 121 120 119 118 117 116 115 114 113 112 111 110 109

6

A4960_PWM2 MII_CRS COREVCC GND GND VCCIO BUZZER MII_TX_CLK NERROR NRST GND COREVCC RTCK TCK TDO TDI NTRST

HIGH_SIDE_SW_2 LANDING_LIGHT_EN MII_COL NAV_LIGHT_EN WHITE_STROBE_EN MII_RX_DV

A4960_TACHO3 A4960_TACHO2 A4960_PWM3 GND COREVCC VCCIO GND VCCP

GND COREVCC

U1B TMS570LS3137_PGE_144

6

D

C

B

A


E

D

C

B

A

GND

R210

3V3_2

GND 100nF

C173

GND

3V3_2

CS 22R MIBSPI3_CLK MIBSPI3_SOMI MIBSPI3_SIMO NRST

ACC1_DRDY

100nF GND

C73

VCCP

22uF

0R02

R63

GND

100nF

C71

ADVCC

C72

52745-1590

X2-15 X2-14 X2-13 X2-12 X2-11 X2-10 X2-9 X2-8 X2-7 X2-6 X2-5 X2-4 X2-3 X2-2 X2-1

3V3

0R02

R62

GND

100nF

22uF

GND

C69

COREVCC

C68

0R02

R61

GND

100nF

GND

C67

VCCIO

22uF

0R02

R60

2

C66

VCC_ADC0

1V2

3V3

+

+

+

I1

VBAT3

VBAT2

VBAT1

VBAT0

D30

4.7uF

C105

MBRS340T3 D32 MBRS340T3 D33 MBRS340T3

0R R200 0R

MBRS340T3 D31

4.7uF

C108

22R

NOP R209

R136

22R

NOP R208

R137

0R R199

0R R120

R119

VBAT-ALL

GPSTX-CPURX

RXD-USB_UART

I2

GPSRX-CPUTX

TXD-USB_UART

3

4.7uF

C107

VBAT-ALL

4.7uF

C106

GND

4

7 1 2

5V

+

VIN VOUT

R70 VOADJUST *INHIBIT VOSENSE VO

R71

1

GND

4.7uF

C109

GND

51700

R103

4.7uF

C111

2

R69 340 1%

Flight control unit Die FlugKontrollEinheit

GND_2 GND VI

4 3 5 6

GND

IC3 REG1117

224 1%

U$4 PTN78020H_EUK_7

GND

10uF

C31

3

5

22uF 16V

C110

GND

113 1% +

1

+

GND

13V

22uF 16V

C155

10uF

C32

VCC_ADC0

6

+

E

D

C

B

A


D

C

B

A

5V

+

13V

GND

3V3

1

GND

10uF 16V

C12

GND

GND

2

NOP

R2

1uF

10uF 6,3V

GND

C2

C3

BLM41P750SPT

L3

10uF 6,3V

C4

+

1 2 9 EN NR/FB GND

5 4 3

1 2 3 4 5 6 7 8

R3

C7 10pF

5.9k 1%

VIN_2 EPAD VIN BOOT UVLO PH PWRGD PH_2 RT LSG SYNC VBIAS ENA PGND COMP AGND VSENSE

C8 100nF

GND

3

GND

100nF

R4

1uF

C5

PH_2

4.64 1%

7.5k 1% R5

C6

GND

R6 1k

EPAD 16 15 14 13 12 11 10 9

10nF

C1

GND

U3 TPS54350_PWP_16

3V3 only for processor

IN OUT PAD

U2 TPS73733_DCQ_6

1K

R1

3

GND

4700pF

C9

1V2

4

R10

T1 BC846 1k

10uF 6.3V

C11

GND

5


5

Flight control unit

220uF 6.3V

C10

L1 IHLP5050CEER100M01

4

1k LED3

5V R11 +

3V3_2 R131 D1

560

3V3 R12

5V GND

R13

BLM41P750SPT

L2

GND

LED2

POWER SUPPLY

+

GND

560 LED6 MBRS340T3

2

+

1k5 LED1

6

GND

220uF 6.3V

C13

5V

NERROR

6 3V3 R135

1

+

560 LED4

D

C

B

A

D

C

B

3V3

+

10K

R40

1

1 2 3

1V2

10uF 6,3V

C20

*RESET GND *MR

VDD SENSE CT

6 5 4

1 2 9

2

GND

100nF

NOT-POP

3V3

EN NR/FB GND

C61

IN OUT PAD

5 4 3

U4 TPS73733_DCQ_6

3

GND

3V3

R14 R15

1k

10K

R35

100nF

C18

4

22R

4

GND

1uF

C59

R115

10K

R43

*RESET GND *MR

VDD SENSE CT

6 5 4

U5 TPS3808G09_DBV_6

3V3

5

NOT-POP

C57

GND

22R


5

Flight control unit

GND Sense threshold for TPS3808G09 is 0.84 VOLTS

GND

GND

1 2 3

NRST_2

10K

R16

C60

GND

10uF 6,3V

C19

U9 TPS3808G09_DBV_6

+

GND Sense threshold for TPS3808G09 is 0.84 VOLTS

GND

NPORRST

GND

10uF 6,3V

C21

3V3

R41

3V3

2K2

0 NOP

A

R36 R37

3V3 25K2 10K

S2

3

S1

R42 1 2 3 4

2

3V3

GND

6

100nF

C58

1uF

C62

NRST

6

GND

R28 R29

1V2 2K2 10K

1

R30 1 2 3 4


D

C

B

A


E

D

C

B

1 10 11 12 15 16 19 20

IC8P

T4 BC857

3V3

4K7 R74

SCK SDA

D34

GND

GIOA5

1206L

F1

100

100

GND GND

3V3

D40 3V3 TVS 1k

R178

1k

R179

RED_STROBE_EN

1

4

6

2 3 5

U$16 BCR420U

BTS711

GND

ST1/2

IN1 IN2

IC8B

GND

2

4

3 5

BTS711

GND

ST1/2

IN1 IN2

GND IC8A

6

8

7 9

T3 MMBT3904

GND

HIGH_SIDE_SW_2 LANDING_LIGHT_EN

BUZZER

VBAT

5V

T5 BC857

3V3_2 D41 3V3 TVS

GND

GND

3V3

100nF

100nF

R161

RED_STROBE

OUT2

OUT1

OUT2

OUT1

17

18

13

14

1

4

6

2 3 5

U$15 BCR420U

GND

1 2 3 4 5 6

SV2

NAV_LIGHT_EN

WHITE_STROBE

RED_STROBE WHITE_STROBE LANDING_LIGHT NAV_LIGHT_GREEN NAV_LIGHT_RED PARACHUTE LANDING_LIGHT

R64 22R R26 22R

1

10uF 6,3V

C178

4

GND

+

SPI4_NCS0 GND SPI4 CHIP SELECT DEMUX There is not enough nCS at SPI4 S1 and S0 controlled through GPIO

GND S1

U$1

POLYSWITCH 0.5A 5V

ONBOARD_DEVICES_VCC

PARACHUTE

WHITE_STROBE_EN

GND

3V3_2

A4960_CS0 A4960_CS1 A4960_CS2 A4960_CS3

C70

C65

3

10K 10K 10K 10K RN7A RN7B RN7C RN7D

R72

R205

SCK

8 1

4K7

R203

R204

R207

3300

300

R201

7 2

A

F/QMBIII

1000 R206

SDA

4K7 R202

+ -

5 4

10uF 6,3V

C177

GND

1uF

C176

5

1 2 9

3V3

*1OE S1 1B4 1B3 1B2 1B1 1A GND

+VBB

GND

NAV_LIGHT_EN

NAV_LIGHT_RED

GND

1

1 2 3 4

5 4 3

MPL115A

4

6

2 3 5

GND

6

8 7 6 5

NRST_2

SCK SDA

GND

10nF

C175

GND

NAV_LIGHT_GREEN

VDD SCLK CAP SDA/DIN GND NC/DOUT SHDN RST/CS

U12

EN NR/FB GND

U$12 BCR420U

GND

IN OUT PAD

U7 TPS73733_DCQ_6

1K

R125


4

6

2 3 5

GND

1uF

1uF 100nF

S0

C83

GND

3V3 3V3

C82

16 15 14 13 12 11 10 9

C81

GND

VCC *2OE S0 2B4 2B3 2B2 2B1 2A

U11 SN74CB3T3253_D_16 R27 22R

GND

U$6 BCR420U

1 2 3 4 5 6 7 8

3V3_2 +

3V3

4K7

SG1

6 3

R160

2

R158

1

R159

E

D

C

B

A


E

D

C

X1

PN61729-S

USB

GND

GND

GND

1 2 3 4

GND

CELL3

100nF

C104

GND

CELL2

B

CELL0

R101

C0

R102

10k 1%

10k 1%

CELL1

R105

C1

R106

33k 1%

10k 1%

R107

C2

R108

56k 1%

10k 1%

R109

C3

GND

R110

56k 1%

6k8 1%

GND

GND

25 GND

USBDP USBDM

3V3OUT

OSCI OSCO

RESET

VCC VCCIO

GND

GND

13V

GND FT232RL

100nF

C103

15 16

17

27 28

19

20 4

IC6

7 18 21

26

23 22 13 14 12

1 5 3 11 2 9 10 6

GND

NOP NOP NOP NOP 6 7 8 5

3 2 1 4

IMU_IRQ

R99 RN6C RN6B RN6A RN6D

220R

R127

A4960_TACHO0 A4960_TACHO1 A4960_TACHO2 A4960_TACHO3

GIOA2

TXD-USB_UART RXD-USB_UART

X3-1 X3-2 X3-3

22-23-2031

XTAL1

15pF

C142

Y3

XTAL2

15pF KELVIN_GND

C143

4

HALL1_F HALL2_F HALL3_F HALL4_F

R100

IN CASE OF HARSH READING OF ROTOR RPM WITH BEMF IS POSSIBLE TO CONNECT HALL SENSORS PLACED NEARLY TO ROTOR MAGNETS

GND GND GND

TEST

CBUS0 CBUS1 CBUS2 CBUS3 CBUS4

TXD RXD RTS CTS DTR DSR DCD RI

5V

560 LD1

3

560 LD2

2

3V3_2

2 4 6 8 10 12

U6

7

GND

3V3_2

3V3_2 GND GND

1 3 5 9 11 13

3V32_F

GND

1A 2A 3A 4A 5A 6A

VCC

STB/S CANH CANL 3V3

8 7 6 5

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

GND


1 2 3 4 5 6

SV1

5103309-5

P3

3V3

3V3_2

HALL1 HALL2 HALL3 HALL4 GND

MIBSPI3_CLK MIBSPI3_SIMO IMU_IRQ

14

TXD GND 5V RXD

FUSE 5A 1206SFF500F/32-2

U$17

74HC14D

1Y 2Y 3Y 4Y 5Y 6Y

GND

3 5V CANRX 4

2

CANTX 1

U13 SN65HVDA542-Q1_D_8

5

R117

6

CANH

CANL

R177 10k

R176 10k

R175 10k

R174 10k

100nF

C174

HALL4

HALL3

HALL2

HALL1

GND

3V3_2

MIBSPI3_SOMI MIBSPI3_NCS4 NRST_2 3V3_2 3V3_2 GND

R118

5V

R112

C4

R111 CELL4 100k 1% 10k 1%

C116

A

R114

C5

R113 CELL5 150k 1% 10k 1%

30R 30R

1

GND

E

D

C

B

A


D

C

B

3V3

3V3

3V3A

1

10nF

10nF

GND

C86

R20

C22

3

1

2

6

7

J0026

CTT

TD+

TD-

CTR

RD+

RD-

J1

C24

8

C25

R19

A

R18

R17 RJ45

C26

S1 S2

CG1 CG2

RA RC

LA LC

C27 TP3

2

S1 S2

GND

12 LED_ACT_A 11 LED_ACT_C

4 5

3V3A

8 7 6 5

GND

TP4 TP5 TP6 TP7 TP8

R24 4,87K 1%

1 2 3 4

9 LED_LINK_A 10 LED_LINK_C

GND

R23 2K2 GND R22 2K2

3V3

MII_TX_CLK MII_TXEN MII_TXD0 MII_TXD1 MII_TXD2 MII_TXD3 3V3

RN1A 22R RN1B 22R RN1C 22R RN1D 22R R38 22R R39 22R R21 10K 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

LED_ACT

LED_LINK

3V3

3V3

GND

L5

GND

5

22R 22R 22R 22R 22R 22R 22R 22R 22R 8 7 6 5 8 7 6 5

RN2A RN2B RN2C RN2D RN3A RN3B RN3C RN3D R25 1 2 3 4 1 2 3 4

TP1

3


5

Flight control unit

GND

C28

3V3A

R33 22R R34 22R

100nF 100nF

3V3

C84

C23

4

3V3

15p

360R

3V3

48 47 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25

4

15p

360R R78

R75

IO_VDD TX_CLK IO_VSS TX_EN RXD_0 TXD_0 RXD_1 TXD_1 RXD_2 TXD_2 RXD_3 TXD_3 COL PWRDOWN/INTN RX_ER TCK CRS/CRS_DV TDO TMS RX_DV *TRST RX_CLK TDI GPIO9 RDGPIO8 RD+ IO_CORE_VSS CD_VSS X1 TDX2 TD+ IO_VDD_2 ANAVSS MDC ANA33VDD MDIO VREF RESET_N GPIO1 LED_LINK GPIO2 LED_SPEED/FX_SD GPIO3 LED_ACT CLK_OUT GPIO4

U8 DP83640_PT_48

3

2K2 2K2 2K2 2K2 2K2 2K2 RN4B RN4A RN4D RN4C R31 R32

ETHERNET PHY

R77 LED_ACT

7 8 5 6 2 1 4 3

Y1 25MHz

2

C85

1

R76 LED_LINK

GND

3V3_2

MDCLK MDIO

MII_RXD0 MII_RXD1 MII_RXD2 MII_RXD3 MII_COL MII_RX_ER MII_CRS MII_RX_DV MII_RX_CLK

100nF

C30

6

GND

6

D

C

B

A


GND

C150

3V3_2

22R

R167

1k5

R166

3V3_2

C88 100µF

5 6 7 8

R165 22R

0R

GND

100nF

C212

GND

C87 100µF

RESETN

C76

1uF

1uF

2

NRST_2

REF

DIAG

PWM

TACHO

STRN SDI SCK SDO

C77

3

5

6

7

11 10 9 8

3V3_2

A4960_DIAG0

A4960_VBAT0

VREG0

A4960_DIAG0

A4960_PWM0

A4960_TACHO0

R73

4 3 2 1

R81

A4960_CS0 SPI4_SIMO SPI4_CLK SPI4_SOMI

560

LD3 RED

3V3_2

VCC

29

CP1

4

AGND

31

GND

1uF

C75

GND

30

PAD

PAD

28 CP2

32

100nF

C17

VBB

27 VREG

1 VBRG CSM CSP LSS

GLA GLB GLC

SA SB SC

CA CB CC

GHA GHB GHC

PHA0 PHB0 PHC0 GLA0 GLB0 GLC0 GND_SENSE_0

25 21 16 23 19 15 14

R193 10R

1uF

C35 1000uF 35V

C29

C113

GND

1000uF 35V

C34

1uF

C79

C156 C36

100nF

C16

220nF 220nF 220nF C112

R153 10R

CA0 CB0 CC0

26 22 17

C102

GHA0 GHB0 GHC0

GND

100nF

24 20 18

VBAT0

C15

100nF

Isolate CSM wire from ground up to sense resistor

12 13

C78

0R005 R8

A4960_VBAT0

+

0R005

470nF

R148 0R

VBAT0

GLA0

+

R147 0R

C38

GHA0

D8

C37

1uF

C80

Discharge resistor

R79

VREG0

2200

C74

C124

R9 100k

PHA0

R66 100k

VBAT0

C14 1000uF 16V

GLB0

R151 0R

Q1 NMOSFET-D2PAK-7

GHB0

Q25 NMOSFET-D2PAK-7 R152 0R

R59 100k

PHB0

R67 100k

VBAT0

VBAT0

PHB0

PHA0

GLC0

R150 0R

D6

D5

D3

D2

Q2 NMOSFET-D2PAK-7

Q3 NMOSFET-D2PAK-7 R149 0R GHC0

R65 100k

+

C115

VBAT0

PHC0

GND

D7

D4

GND

2200

+

PHC0

3V3_2

100uF 35V

C140

100nF

C164

GND

GND

100uF 35V

C139

GND_SENSE_0

Discharge resistor


PHB0

PHA0

GND_SENSE_0

C130

+

100uF 35V 100uF 35V 100uF 35V

C131

Q5 NMOSFET-D2PAK-7

GND_SENSE_0

PHC0

R68 100k

Q4 NMOSFET-D2PAK-7

+

22R 22R 22R 22R

470pF

R80

RN8D RN8C RN8B RN8A

R7 +

+


GND

C101

3V3_2

C135 100µF

5 6 7 8

3V3_2

22R

R91

1k5

R90

R89 22R

0R

GND

100nF

C213

GND

C134 100µF

RESETN

C128

1uF

1uF

2

NRST_2

REF

DIAG

PWM

TACHO

STRN SDI SCK SDO

C129

3

5

6

7

11 10 9 8

3V3_2

A4960_DIAG1

A4960_VBAT1

VREG1

A4960_DIAG1

A4960_PWM1

A4960_TACHO1

R121

4 3 2 1

R124


560

LD4 RED

3V3_2

VCC

29

CP1

4

AGND

31

GND

1uF

C127

GND

30

PAD

PAD

28 CP2

32

100nF

C121

VBB

27 VREG

1 VBRG CSM CSP LSS

GLA GLB GLC

SA SB SC

CA CB CC

GHA GHB GHC


25 21 16 23 19 15 14

R92 10R

R88 10R

CA1 CB1 CC1

26 22 17

C91

GHA1 GHB1 GHC1

GND

C92

1uF

C122 1000uF 35V

C119

C93

GND

1000uF 35V

C120

1uF

C132

C100 C123

100nF

C118

220nF 220nF 220nF

100nF

24 20 18

VBAT1

C117

100nF


12 13

C89

0R005 R94

A4960_VBAT1

+

0R005

470nF

D15

+

R83 0R

VBAT1

GLA1

R82 0R

C126

GHA1

C125

1uF

C133

Discharge resistor

R122

VREG1

2200

C33

C95

R95 100k

PHA1

R98 100k

VBAT1

C114 1000uF 16V

GLB1

R86 0R

Q7 NMOSFET-D2PAK-7

GHB1


VBAT1

VBAT1

PHB1

PHA1

R96 100k

PHB1

R104 100k

D13

D12

D10

D9

GLC1

R85 0R

Q8 NMOSFET-D2PAK-7

Q9 NMOSFET-D2PAK-7 0R GHC1 R84

PHB1

PHA1

VBAT1

+

C94

D14

D11

GND

GND

2200 PHC1

GND_SENSE_1

Discharge resistor


GND_SENSE_1

PHC1

C96

+

100uF 35V 100uF 35V 100uF 35V

C97

Q11 NMOSFET-D2PAK-7

GND_SENSE_1

R97 100k

PHC1

R116 100k

Q10 NMOSFET-D2PAK-7

+

22R 22R 22R 22R

470pF

R123

RN5D RN5C RN5B RN5A

R93 +

+

3V3_2

100uF 35V

C99

100nF

C90

GND

02

GND

100uF 35V

C98

+


GND

5 6 7 8

3V3_2

22R

R141

1k5

R140

R139 22R

0R

GND

100nF

C214

GND

C179 100µF

RESETN

REF

C169

1uF

1uF

2

DIAG

PWM

TACHO

STRN SDI SCK SDO

C170

3

NRST_2

5

6

7

11 10 9 8

3V3_2

A4960_DIAG2

A4960_VBAT2

C180 100µF

3V3_2

C154

VREG2

A4960_DIAG2

A4960_PWM2

A4960_TACHO2

R162

4 3 2 1

R168


560

LD5 RED

3V3_2

VCC

29

CP1

4

AGND

31

GND

1uF

C168

GND

30

PAD

PAD

28 CP2

32

100nF

C162

VBB

27 VREG

1 VBRG CSM CSP LSS

GLA GLB GLC

SA SB SC

CA CB CC

GHA GHB GHC


25 21 16 23 19 15 14

R142 10R

1uF

C163 1000uF 35V

C160

C145

GND

1000uF 35V

C161

1uF

C171

C153 C165

100nF

C159

220nF 220nF 220nF C144

R134 10R

CA2 CB2 CC2

26 22 17

C141

GHA2 GHB2 GHC2

GND

100nF

24 20 18

VBAT2

C158

100nF


12 13

C137

0R005 R144

A4960_VBAT2

+

0R005

470nF

D22

+

R128 0R

VBAT2

GLA2

R126 0R

C167

GHA2

C166

1uF

C172

Discharge resistor

R163

VREG2

2200

C136

C147

R145 100k

PHA2

R155 100k

VBAT2

C157 1000uF 16V

GLB2

R132 0R

Q13 NMOSFET-D2PAK-7

GHB2


VBAT2

VBAT2

PHB2

PHA2

R146 100k

PHB2

R156 100k

D20

D19

D17

D16

GLC2

R130 0R

Q14 NMOSFET-D2PAK-7


PHB2

PHA2

VBAT2

+

C146

D21

D18

GND

GND

2200 PHC2

GND_SENSE_2

Discharge resistor


GND_SENSE_2

PHC2

C148

+

100uF 35V 100uF 35V 100uF 35V

C149

Q17 NMOSFET-D2PAK-7

GND_SENSE_2

R154 100k

PHC2

R157 100k

Q16 NMOSFET-D2PAK-7

+

22R 22R 22R 22R

470pF

R164

RN9D RN9C RN9B RN9A

R143 +

+

3V3_2

100uF 35V

C152

100nF

C138

GND

02

GND

100uF 35V

C151

+


GND

C194

3V3_2

C211 100µF

5 6 7 8

3V3_2

22R

R184

1k5

R183

R182 22R

0R

GND

100nF

C215

GND

C210 100µF

RESETN

REF

C206

1uF

1uF

2

DIAG

PWM

TACHO

STRN SDI SCK SDO

C207

3

NRST_2

5

6

7

11 10 9 8

3V3_2

A4960_DIAG3

A4960_VBAT3

VREG3

A4960_DIAG3

A4960_PWM3

A4960_TACHO3

R195

4 3 2 1

R198


560

LD6 RED

3V3_2

VCC

29

CP1

4

AGND

31

GND

1uF

C205

GND

30

PAD

PAD

28 CP2

32

100nF

C200

VBB

27 VREG

1 VBRG CSM CSP LSS

GLA GLB GLC

SA SB SC

CA CB CC

GHA GHB GHC


25 21 16 23 19 15 14

R185 10R

1uF

C201 1000uF 35V

C198

C186

GND

1000uF 35V

C199

1uF

C208

C193 C202

100nF

C197

220nF 220nF 220nF C185

R181 10R

CA3 CB3 CC3

26 22 17

C184

GHA3 GHB3 GHC3

GND

100nF

24 20 18

VBAT3

C196


12 13

100nF

0R005 R187

A4960_VBAT3

+

0R005

C182

D29

+

R170 0R

VBAT3

GLA3

R169 0R

C204

GHA3

C203

1uF

C209

Discharge resistor

R196

470nF

2200

VREG3

C188

R188 100k

PHA3

R191 100k

VBAT3

C195 1000uF 16V

GLB3

R173 0R

Q19 NMOSFET-D2PAK-7

GHB3


VBAT3

VBAT3

PHB3

PHA3

R189 100k

PHB3

R192 100k

D27

D26

D24

D23

GLC3

R172 0R

Q20 NMOSFET-D2PAK-7


PHB3

PHA3

VBAT3

+

C187

D28

D25

GND

GND

2200 PHC3

GND_SENSE_3

Discharge resistor


GND_SENSE_3

PHC3

C189

+

100uF 35V 100uF 35V 100uF 35V

C190

Q23 NMOSFET-D2PAK-7

GND_SENSE_3

R190 100k

PHC3

R194 100k

Q22 NMOSFET-D2PAK-7

+

C181

470pF

R197

RN10D22R RN10C22R RN10B22R RN10A22R

R186 +

+

3V3_2

100uF 35V

C192

100nF

C183

GND

02

GND

100uF 35V

C191

+

B Plo²ný spoj

Obrázek B.1: Plo²ný spoj °ídící jednotky.

43

C Fotograe

Obrázek C.1: Detail plo²ného spoje °ídící jednotky pro °ízení kvadrotorové helikoptéry, který je umíst¥ný v elektroinstala£ním boxu stroje.

44

Obrázek C.2: Kvadrotorová helikoptéra p°ipevn¥ná na testovacím stanovi²ti.

Obrázek C.3: Kvadrotorová helikoptéra.

DIPLOMOVÁ PRÁCE. Západo eská univerzita v Plzni Fakulta elektrotechnická Katedra aplikované elektroniky a telekomunikací

Recommend Documents