Ιδέα

Ένας από τους τομείς της τεχνητής νοημοσύνης είναι η ενσωμάτωσή της σε Αυτόνομα Οχήματα, όπως αυτοκίνητα και αεροσκάφη, που οδηγούνται από μόνα τους χωρίς τη βοήθεια του ανθρώπου.
Οι αλγόριθμοι συλλέγουν στην είσοδο τους τα δεδομένα των ποικίλων αισθητήρων του οχήματος, όπως αποστασιόμετρο λέιζερ, κάμερα, θέση GPS κλπ, για τον εντοπισμό στο χώρο και τον σχεδιασμό των οδηγικών αποφάσεων στην πορεία του προς τον προορισμό του.
Σκοπός της ομάδας μας είναι η συναρμολόγηση, από έτοιμα εξαρτήματα, ενός αυτόνομου, μη-επανδρωμένου εναέριου οχήματος (drone), με κάμερα, για να χρησιμοποιηθεί για τον οπτικό έλεγχο της κεραμοσκεπής της παλιάς πτερυγας του κτιρίου μας (1958), η οποία εμφανίζει σημάδια καθίζησης. Η πτήση Θα ελέγχεται από έτοιμο ανοιχτό λογισμικό (INAV) που έχει την δυνατότητα αυτόματης οδήγησης σε χωρικά σημεία (waypoint), διατήρησης θέσης (hovering) και επαναφορας στην αφετηρία του (Return to Home), χωρίς τη βοήθεια του χρήστη. θα προσπαθήσουμε η τηλεκατεύθυνση να γίνει από κινητό τηλέφωνο μέσω wifi, για να αποφύγουμε τα ακριβά τηλεχειριστήρια και η κάμερα να προέλθει από μαθητή του σχολείου.

Eκπαιδευτικοί στόχοι

Οι μαθητές θα αναπτύξουν τις γνώσεις και δεξιότητές τους κατά την επιλογή και τον συνδυασμό των επιμ

έρους εξαρτημάτων, αλλά και κατά την συναρμολόγηση και τον έλεγχο της λειτουργίας τους. Οι γνώσεις αυτές ανήκουν στη μηχανική, τη φυσική/ηλεκτρολογία και τη ρομποτική. Επίσης θα δουλέψουν και δεξιότητες όπως την κριτική σκέψη, τη συνεργασία μεταξύ τους και την επικοινωνία των ιδεών τους.

Εισαγωγή

Τα πολυκόπτερα drone (multico

pter ή multirotor) είναι μια νέα ποικιλία τηλεκατευθυνόμενων ελικοφόρων αεροσκαφών που μπορούν να τραβούν εντυπωσιακές φωτογραφίες και βίντεο κατά τη διάρκεια της πτήσης τους. Με την προσθήκη των συστημάτων γεωγραφικού εντοπισμού (GPS), προέκυψε και ο νεότερος τύπος, με προβολή της πτήσης σε πρώτο πρόσωπο (FPV), που πρόσφερε μια εντελώς μοναδική εμπειρία πτήσης, σα να οδηγείς από τη θέση του πιλότου πάνω στο σκάφος.

Σήμερα, υπάρχουν πολλά ηλεκτρονικά καταστήματα και στην Ελλάδα που πωλούν μια μεγάλη γκάμα από έτοιμα προς χρήση πολυκόπτερα, που διαφέρουν σε χαρακτηριστικά όπως μέγεθος, σχεδιασμό, ιδιότητες και φυσικά στην τιμή.

Οι περισσότεροι θα αγοράσουν απλώς ένα έτοιμο πολυκόπτερο. Άλλοι, αν «πιάνουν τα χέρια τους», θα αγοράσουν ένα έτοιμο κιτ για να κάνουν τη τελική συναρμολόγηση των επιμέρους υλικών, κάτι που θυμίζει το ταίριασμα των κομματιών σε ένα παζλ. Με αυτόν τον τρόπο συνήθως στοιχίζει φθηνότερα.

Εμείς προτιμήσαμε να το κατασκευάσουμε μόνοι μας, δηλαδή χωρίς τη χρήση έτοιμου κιτ, ώστε να χαρούμε την πραγματική πρόκληση της κατασκευής αυτών των οχημάτων από το μηδέν, με το πρόσθετο όφελος της απόκτησης των σχετικών δεξιοτήτων STEM. Όπως ήταν αναμενόμενο, αυτός ο τρόπος ήταν και ο πιο περίπλοκος καθώς θα έπρεπε να συνδυάσουμε τα μέρη με την ελπίδα ότι θα είναι συμβατά μεταξύ τους, αφού έχουμε από πριν φανταστεί την τελική δομή του αεροσκάφους.

Επιλογή υλικών

Αποφασίσαμε να φτιάξουμε ένα τετρακόπτερο (quadcopter), δηλαδή το πιο συνηθισμένο πολυκόπτερο, το οποίο για να πετάξει χρησιμοποιεί τέσσερις κινητήρες και φυσικά τέσσερις έλικες, με εξαρτήματα που αγοράσαμε ξεχωριστά.

Τα βασικά εξαρτήματα ήταν τα εξής:

Πλαίσιο (σκελετός):

Για πλαίσιο, υπάρχουν δύο δυνατότητες. Η πρώτη είναι να το φτιάξουμε μόνοι μας χρησιμοποιώντας ελαφριά πηχάκια, μεταλλικά (αλουμίνιο), πλαστικά ή ακόμα και ξύλινα. Δύσκολος τρόπος και με αφίβολο αποτέλεσμα.

Τελικά, ακολουθήσαμε την άλλη δυνατότητα που ήταν να αγοράσουμε έναν έτοιμο πλαστικό σκελετό, φθηνή απομίμηση του

πασίγνωστου DJI Flame 450.

Κινητήρες:

Τα τελευταία χρόνια γενικά χρησιμοποιούνται κινητήρες χωρίς ψήκτρες (brussless), διότι είναι ελαφρύτεροι και πιο αξιόπιστοι. Αγοράσαμε λοιπόν τέτοιους άψηκτρους κινητήρες, που ταιριάζουν με το πλαίσιο μας, σε μεγέθος 2212, δηλαδή με στάτορα μήκους 22 χιλ. και διαμέτρου 21 χιλ., σε ταχύτητα 1000Κv (rpm/volt).

Ηλεκτρονικός ελεγκτής ταχύτητας (ESC):

Είναι ένα απαραίτητο κομμάτι για τη λειτουργία κάθε άψηκτρου κινητήρες, καθώς είναι υπεύθυνος για την παροχή ισχύος ώστε να ελέγχεται η ταχύτητα περιστροφής τους. Ο αριθμός τους εξαρτάται από τον αριθμό των κινητήρων.

Αγοράσαμε ένα συνδυασμένο τέσσερα-σε-ένα (4-in-1), T-Motor F55A PROII, που περιλαμβάνει τέσσερεις μονάδες ESC σε μία συσκευή, με λογιστικό(firmware) τύπου BLHeli_32 και μέγιστη ένταση ρεύματος 55A.

Έλικες:

Όσο για τις έλικες (λέγονται και προπέλες), βρήκαμε αυτές που ταιριάζουν με το πλαίσιο και τους κινητήρες. Αγοράσαμε έλικες διάστασης 1045, δηλαδή διαμέτρου 10 ιντσών και βήματος προόδου 4,5 ιντσών. Οι δύο είναι σχεδιασμένες για αριστερόστροφη περιστροφή και οι άλλες δύο για δεξιόστροφη. Το υλικό κατασκευής είναι πλαστικό τύπου νάυλον.

Συνδέσεις:

Για την σύνδεση τόσο των κινητήρων με το ESC, όσο και των μπαταριών, χρησιμοποιήσαμε καλώδια χαλκού με περίβλημα σιλικόνης, σε διαφορετικά πάχη ανάλογα με τη χρήση τους (12-16-22 AWG) και συνδέσμους XT60 και MR30.

Ελεγκτής πτήσης ή «πιλότος»:

Κάθε ιπτάμενο drone πρέπει να διαθέτει σύστημα ελέγχου, το οποίο είναι το ηλεκτρονικό σύστημα που του επιτρέπει να έχει μια σταθερότητα ενώ πετάει στον αέρα και να επεξεργάζεται όλες τις αλλαγές στην κατεύθυνση και προσανατολισμό, είτε από τον χειρισμό του χρήστη του, είτε από τον άνεμο. Είναι ο ενσωματωμένος σε πλακέτα υπολογιστής που συνδέει τα ασύρματα ηλεκτρονικά χειριστήρια και που δίνει τις κατάλληλες εντολές στον ελεγκτή ταχύτητας. Ταυτόχρονα, μοιράζει την ισχύ από την μπαταρία στους κινητήρες, μέσω μιας πλακέτας διανομής ισχύος (PDB). Διαλέξαμε τον Matek F405-WTE, ο οποίος απευθύνεται κυρίως σε αεροπλάνα, αλλά δυστυχώς δεν είχαμε καλύτερη επιλογή στα προτεινόμενα καταστήματα αυτού του διαγωνισμού.

Μαξιλαράκι απόσβεσης:

Είναι απαραίτητο υπόστρωμα στον ελεγκτή πτήσης ώστε να μειώνε

ι τους κραδασμούς και έτσι βελτιώνει την ευστάθεια της πτήσης. Επίσης χρησιμεύει, στη βελτίωση της ευκρίνειας στις φωτογραφίες και τα βίντεο.

Μπαταρίες:

Οι συνηθισμένες μπαταρίες για το σκοπό αυτό είναι Λιθίου-Πολυμερών (Li-Po) με μεγάλη ποικιλία τάσης και χωρητικότητας στην αγορά. Εμείς, όμως, διαλέξαμε τύπου Λιθίου-Ιόντων (Li-Ion) για λόγο μεγαλύτερης διάρκειας ζωής και ασφάλειας στη χρήση. Ο τύπος είναι Molicel INR21700-P45B και η χωρητικότητα 4500 mAh. Αγοράσαμε τρία στοιχεία και τα συνδέσαμε σε σειριακή διάταξη (3S), ώστε να παρέχουν ονομαστική τάση 3 x 3,7v = 11,1v και μέγιστη 3 x 4,2v = 12,6v.

      

Πομπός και Δέκτης τηλεχειρισμού (RC):

Δεν αγοράσαμε τηλεχειριστήριο διότι δεν έφτασαν τα διαθέσιμα χρήματα του διαγωνισμού. Όμως δανειστήκαμε μια πολύ καλής ποιότητας εξακάναλη ψηφιακή τηλεκατεύθυνση FlySky FS-i6 με τον αντίστοιχο δέκτη FS-iA6B. Διαθέτει εργονομικά σχεδιασμένο χειριστήριο για τις απαραίτητες ρυθμίσεις, είναι ελαφριά και σχετικά μεγάλης εμβέλειας.

Δέκτης γεωγραφικού προσδιορισμού θέσης (GPS):

Επιλέξαμε έναν ευαίσθητο δέκτη Matek M10Q-5883, τελευταίας γενιάς, με δυνατότητα λήψης γεωγραφικού προσδιορισμού θέσης από δορυφόρους διαφόρων χωρών (Αμερική, Ευρώπη, Κίνα, Ρωσία). Περιλαμβάνει και μαγνητόμετρο για προσδιορισμό κατεύθυνσης στο χώρο.

Βιντεοκάμερα:

Για αεροφωτογράφιση και βιντεοσκόπηση υψηλής ποιότητας, χρειάζεται μια κάμερα 4K και επίσης ένα αντίζυγο (gimbal) για την ευστάθεια της κάμερας. Ούτε για αυτά έφτασαν τα διαθέσιμα χρήματα του διαγωνισμού. Ίσως μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα παλιό κινητό τηλέφωνο με κατάλληλη βάση στήριξης.

Υπόλοιπα:

Εκτός από τα προαναφερθέντα εξαρτήματα, χρειαστήκαμε: μπαταριοθήκη, φορτιστή μπαταριών, καλώδια σήματος, πλαστικά δεματικά στραπ, ταινίες σκρατς, κόλλα σπειρώματος, και φυσικά αρκετά εργαλεία όπως κολλητήρι, πριόνι, κατσαβίδια, πένσες κλπ.

ΟΔΗΓΙΕΣ ΣΥΝΑΡΜΟΛΟΓΗΣΗΣ

ΒΗΜΑ 1: ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΠΛΑΙΣΙΟΥ

Συναρμολογήσαμε το πλαίσιο που αποτελείται από τέσσερα μπράτσα και δυο κεντρικές πλάκες. Η ένωση έγινε με πολλές μικρές βίδες τύπου άλεν και κόλλα σπειρώματος.

ΒΗΜΑ 2: ΣΥΝΑΡΜΟΛΟΓΗΣΗ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ

Το επόμενο πράγμα που να κάναμε ήταν να βιδώσουμε τους τέσσερις κινητήρες στο πλαίσιο. Τοποθετήσαμε τον κάθε κινητήρα στην κατάλληλη θέση στο πλαίσιο, στις έτοιμες τρύπες των άκρων των μπράτσων και στερεώσαμε χρησιμοποιώντας τις μεγαλύτερες βίδες άλεν (που έρχονται μαζί με τους κινητήρες) με ένα κατάλληλο κατσαβίδι.

ΒΗΜΑ 3: ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ

Μετά την τοποθέτηση των κινητήρων, έπρεπε επίσης να τοποθετήσουμε τον ελεγκτή ταχύτητας. Από κάθε κινητήρα οδηγήσαμε μια τριάδα από καλώδια σιλικόνης στον ελεγκτή και τα συγκολλήσαμε στις αντίστοιχες υποδοχές, με ασημοκόλληση και ένα ηλεκτρικό κολλητήρι. Επίσης, στερεώσαμε καλά το ESC στη άκρη του κάτω επιπέδου του πλαισίου, χρησιμοποιώντας πλαστικά δεματικά, ώστε να είναι καλά ασφαλισμένο κατά την πτήση και στερεώσαμε τα καλώδια με ταινίες σκρατς.

ΒΗΜΑ 4: ΕΛΙΚΕΣ

Τοποθετήσαμε τους αντίστοιχους σφηνωτούς προσαρμογείς στην κορυφή των τεσσάρων αξόνων πάχους 3 χιλ. των κινητήρων, μαζί με το μεταλλικό δακτύλιο-σφιγκτήρα. Μετά  τοποθετήσαμε τις έλικες στον άξονα (πάχους 5 χιλ.) του προσαρμογέα, μαζί με το κατάλληλο πρόσθετο πλαστικό δακτυλίδι μετατροπής. Τέλος βιδώσαμε όλες τις κεφαλές σφικτά χρησιμοποιώντας ένα περαστό καρφί από την τρύπα του.

ΒΗΜΑ 5: ΤΟΠΟΘΕΤΗΣΗ ΕΛΕΓΚΤΗ ΠΤΗΣΗΣ

Τον τοποθετήσαμε στο εσωτερικό του σκελετού, πάνω σε υπόστρωμα από απορροφητικό μαξιλαράκι-σφουγγάρι για να απορροφά και να μειώνει τους κραδασμούς από τους κινητήρες. Τον σταθεροποιήσαμε με ταινίες βέλκρο και τον συνδέσαμε με καλώδια σήματος, στον ελεγκτή ταχύτητας.

ΒΗΜΑ 6: ΑΣΥΡΜΑΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΗΛΕΧΕΙΡΙΣΜΟΥ (RC TX-RX)

Για το σύστημα τηλεχειρισμού που απαιτείται για τον έλεγχο του τετρακόπτερου, έπρεπε να τοποθετήσουμε τον δέκτη του χειριστήριου. Υπήρχαν διάφοροι τρόποι για να το τοποθετήσουμε, εμείς επιλέξαμε το κάτω επίπεδο του πλαισίου προς την μπροστινή κατεύθυνση πτήσης. Το σταθεροποιήσαμε με δεματικά στραπ και το συνδέσαμε με μια τριάδα καλωδίων στις αντίστοιχες υποδοχές του ελεγκτή πτήσης.

Το ρυθμίσαμε ώστε στο πρωτόκολλο iBUS να χρησιμοποιεί τέσσερα κανάλια για εκτροπή (pitch), κύλιση (roll), γκάζι (trust) και περιστροφή (yaw), καθώς και πρόσθετα κανάλια για όπλιση (arm) και λειτουργίες αυτόματης σταθεροποίησης πτήσης.

ΒΗΜΑ 7: ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΕΛΕΓΚΤΗ ΠΤΗΣΗΣ

Για το λογισμικό, κατεβάσαμε σε ένα λάπτοπ την ειδική εφαρμογή iNAV-Configurator (στην τελευταία έκδοση 7.1 που έχει ειδικεύεται σε αυτόνομη λειτουργία πτήσης) και μεταφορτώσαμε το ανοικτού εκτελέσιμο κώδικα (firmware) στον ελεγκτή πτήσης. Το επόμενο πράγμα που κάναμε ήταν να διαμορφώσουμε και να ρυθμίσουμε το firmware του ελεγκτή ταχύτητας (ESC) με το λογισμικό BLHeliSuite32, μέσω του πιλότου.

ΒΗΜΑ 8: ΕΛΕΓΧΟΣ ΚΑΙ ΔΟΚΙΜΗ

Πριν χρησιμοποιήσουμε το τετρακόπτερο, έπρεπε να είμαστε σίγουροι ότι όλα λειτουργούν καλά. Επομένως, έπρεπε να ελέγξουμε όλες τις λειτουργίες πριν από την πρώτη πτήση. Κάναμε δοκιμές λειτουργίας στους αισθητήρες, καθώς και σε άλλα εξαρτήματα του τετρακόπτερου, χρησιμοποιώντας το Configurator. Ήταν απαραίτητο να δοκιμάσουμε τα πάντα λεπτομερώς πριν πετάξουμε πραγματικά. Πριν την απογείωση, η μπαταρία έπρεπε να είναι σταθερά συνδεδεμένη και όλα τα εξαρτήματα να είναι στερεωμένα στη θέση τους.

Όταν βεβαιωθήκαμε ότι όλα λειτουργούν καλά, κάναμε μια μικρή δοκιμή μέσα στο αμφιθέατρο του σχολείου, για να δοκιμάσουμε ότι επικοινωνεί με το τηλεχειριστήριο, χωρίς να διακινδυνεύσουμε ατύχημα κατά την πτήση. Το αεροσκάφος σηκώθηκε για πρώτη φορά από το πάτωμα.

Για την επόμενη πτητική δοκιμή, έπρεπε να βρούμε ένα κατάλληλο μέρος και για να πετάξουμε με μεγαλύτερη εμβέλεια τηλεχειρισμού. Δοκιμάσαμε στο ανοικτό γήπεδο μπάσκετ του σχολείου και όταν όλα ήταν εντάξει, είμασταν έτοιμοι να πετάξουμε ψηλότερα!

ΒΗΜΑ 9: ΑΠΟΓΕΙΩΣΗ

Το τελευταίο και το πιο σημαντικό βήμα.

Για την τελική πτήση, χρειαζόμασταν μια ανοιχτή επίπεδη περιοχή. Έτσι επιλέξαμε το μεγάλο προαύλιο ώστε το τετρακόπτερο να μην έρθει σε επαφή με κοντινά αντικείμενα και πέσει και καταστραφεί, ή προκαλέσει σοβαρές ζημιές. Οι έλικες περιστρέφονται με χιλιάδες στροφές το δευτερόλεπτο και μπορούν να τραυματίσουν σοβαρά κάποιον. Προφανώς το προαύλιο ήταν άδειο από μαθητές.

Επίσης, έπρεπε να διασφαλίσουμε ότι έχουμε οπτική επαφή με το αεροσκάφος, κάθε στιγμή.

Το τοποθετήσαμε στο έδαφος, το θέσαμε σε λειτουργία συνδέοντας την μπαταρία, πήραμε το τηλεχειριστήριο στα χέρια μας, οπλίσαμε και ξεκινήσαμε την πρώτη μας κανονική πτήση. Ανεβάσαμε αργά το γκάζι και αρχικά πετάξαμε σε χαμηλό ύψος, έτσι ώστε αν άρχιζε να πέφτει εκτός ελέγχου, η ζημιά του να μην ήταν τόσο σημαντική.

Παρατηρήσαμε πως η πτήση του δεν ήταν πολύ σταθερή, άρα έπρεπε να χρησιμοποιήσουμε τους μοχλούς των χειριστηρίων για να κάνουμε τις απαραίτητες διορθώσεις στην πτήση. Επίσης, δοκιμάσαμε διαφορετικές τιμές ρύθμισης της ευστάθειας των κινήσεων (PIDs), μέχρι να πάρουμε σταθερότερη πτήση και σε μεγαλύτερο υψόμετρο.

ΕΠΙΛΟΓΟΣ

Σε αυτό το κείμενο, πιστεύουμε ότι καταφέραμε να καλύψουμε επαρκώς τα βήματα που χρειάστηκε να κάνουμε για να φτιάξουμε ένα μη επανδρωμένο αεροσκάφος από την αρχή. Είναι γεγονός ότι λόγω του πλήθους των τύπων drone, εξαρτημάτων, προγραμμάτων και αξεσουάρ, υπάρχουν πολλοί τρόποι κατασκευής, ανάλογα με την πολυπλοκότητα του drone. Σε κάθε περίπτωση, εμείς σαν ερασιτέχνες δεν μπορούμε να ανταγωνιστούμε τα έτοιμα εμπορικά προϊόντα της αγοράς, ανεξάρτητα από την απόδοση μπορεί να έχει το τελικό αποτέλεσμα της κατασκευής μας. Όμως είναι απερίγραπτη η χαρά μας όταν απογειώνουμε το αεροσκάφος που έχουμε κατασκευάσει μόνοι μας!

Το συνολικό κόστος για ολόκληρο το έργο ήταν 370€ χωρίς το κόστος του τηλεχειρισμού. Οι ρυθμίσεις στο λογισμικό πτήσης βρίσκεται στο: https://github.com/amachg/drone

 

Ομάδα @robot7gymchai (instagram): Αναστασιάδης Αντώνης, Κούσουλα Μαρία

Υ.Γ. Δυστυχώς, λόγω του λίγου χρόνου και του περιορισμένου προϋπολογισμού, δε μπορέσαμε να βάλουμε κάμερα για τη δυνατότητα FPV στο σκάφος μας. Επίσης δε μπορέσαμε να το προγραμματίσουμε να κάνει αυτόνομες πτήσεις. Ίσως του χρόνου το συνδυάσουμε με έναν υπολογιστή πτήσης Raspberry Pi 5.