آشنایی با سنسور های کوادکوپتر

آشنایی با سنسور های هلی شات

پهپاد ها و کوادکوپتر های مدرن امروزی به انواع سنسور های گوناگون مجهز شده اند تا بتوانند اطلاعات مربوط به هر لحظه از پرواز را به ثبت برسانند . تعدادی از این سنسور ها جزو ابزار های ضروری پرواز به حساب می آیند و برخی دیگر که بیشتر جنبه اختیاری دارند می توانند عملکرد پروازی را بهبود ببخشند .
ما در مقاله آشنایی با سنسور های کوادکوپتر قصد داریم این سنسور ها را به شما معرفی کنیم و توضیحاتی مختصر در رابطه با هر یک از آن ها ارائه دهیم . علاوه بر آن نگاهی به نحوه کار سنسور ها در سیستم های پروازی بدون سرنشین خواهیم داشت و اطلاعات ارائه شده توسط هر کدام را بررسی خواهیم کرد .

سنسور های کوادکوپتر

• ژیروسکوپ (Gyroscope)

ژیروسکوپ که با نام Gyro نیز شناخته می شود در واقع تنها سنسوری است که کوادکوپتر واقعا به آن نیاز دارد تا بتواند پرواز هایی با ثبات را به اجرا در آورد . این سنسور اطلاعات بسیار مهمی را در اختیار کنترل کننده پرواز قرار می دهد و سرعت چرخش کوادکوپتر حول محور های roll، pitch و yaw را مشخص می کند . در ادامه نیز این اطلاعات توسط چرخه داخلی مکانیزم کنترلی PID تجزیه و تحلیل می شوند تا ثبات مورد نیاز سیستم در طول پرواز فراهم شود .

زمانی که فرمان های کنترلی roll، pitch و yaw دست نخورده باقی می مانند و در حالت طبیعی خود هستند کوادکوپتر نباید هیچ گونه چرخشی داشته باشد . به عبارت دیگر در چنین حالتی سیستم باید رفتار فعلی خود را حفظ کند ، تلو تلو نخورد ، و چرخش های ناگهانی و بی هدف نداشته باشد .
اما در صورتی که چرخش ها و جابجایی های ناخواسته در رفتار کوادکوپتر مشاهده شود ، اطلاعات مورد نیاز از سنسور ژیروسکوپ دریافت شده و اقدامات متقابل بر اساس آن ها صورت می پذیرد تا به این ترتیب ثبات به عملکرد پروازی کوادکوپتر بازگردد و شرایط مطلوب بر وضعیت آن حاکم شود .

در مقابل زمانی که خلبان تغییراتی را در وضعیت فرمان های کنترلی به وجود می آورد ، سیگنال ها توسط گیرنده دریافت شده و در اختیار کنترل کننده پرواز قرار می گیرد . کنترل کننده پرواز نیز این دستورات را تجزیه و تحلیل کرده و نرخ چرخش را پس از اعمال تصحیحات لازم اعلام می کند .

ژیروسکوپ در تمام حالت های پروازی مورد استفاده قرار می گیرد و همچنین تمام پهباد ها و کوادکوپتر ها بدون استثنا باید از آن برخوردار باشند .
لازم به ذکر است که سنسور های gyro از طریق گذرگاه های I2C و SPI به سیستم متصل می شوند و می توانند اطلاعات جدید را با فرکانس 1kHZ یا حتی در مواردی 8kHz فراهم کنند .

• شتاب سنج ( Accelerometer )

شتاب سنج همانطور که از نام آن مشخص است اطلاعاتی در رابطه با شتاب کوادکوپتر و نیروی شتاب در جهت محور های X ، Y و Z فراهم می کند .
زمانی که کوادکوپتر در حالت معمولی قرار دارد و کاملا ثابت و بدون حرکت است ، سنسور accelerometer تنها یک شتاب را گزارش می دهد که برابر با 1g جاذبه زمین است و کوادکوپتر را به سمت پایین می کشد .
اما زمانی که کوادکوپتر 90 درجه به سمت چپ گرایش پیدا می کند ، نیروی شتاب در راستای محور Z برابر با 0g می شود و در عوض محور Y نیروی شتاب برابر با 1g را گزارش می دهد .
با توجه به چنین فرایندی اطلاعات به دست آمده از شتاب سنج می توانند مورد استفاده قرار گیرند تا مشخص شود کدام قسمت از کوادکوپتر به سمت بالا قرار گرفته است ،
کدام قسمت به سمت پایین قرار گرفته است ، و به طور کلی گرایش لحظه ای آن چگونه است . جالب است بدانید سنسور ژیروسکوپ به هیچ وجه نمی تواند چنین داده هایی را در اختیار شما قرار دهد .

سنسور شتاب سنج عمدتا در حالت های پروازی تثبیت شده همچون Angle، Horizon، Attitude و … به کار گرفته می شود . در چنین حالت هایی دستورات صادر شده توسط خلبان پس از تجزیه و تحلیل به جای نرخ چرخش به گرایش (شیب) مطلوب تبدیل می شوند .
البته نباید این نکته را فراموش کنیم که حالت های پروازی تثبیت شده علاوه بر شتاب سنج به ژیروسکوپ نیز احتیاج دارند و اجرای آن ها بدون این سنسور امکان پذیر نخواهد بود .
به عبارت دیگر داده های وارد شده توسط خلبان ابتدا به گرایش مطلوب تبدیل می شوند . در ادامه این گرایش مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد  تا نرح چرخش مورد نیاز برای اجرای آن مشخص شود .

یکی دیگر از کاربرد های سنسور accelerometer بر آورد موقعیت مکانی کوادکوپتر در کوتاه مدت است . در صورتی که سیستم پروازی و شتاب سنج نصب شده روی آن به درستی کالیبره شده باشند ، بازخوانی های صورت گرفته توسط این سنسور می توانند به منظور تشخیص حرکات (سرعت و فاصله) کوادکوپتر در بازه های زمانی کوتاه مدت (حداکثر چند ثانیه) مورد استفاده قرار گیرند . بهره گیری از داده های شتاب سنج به این روش معمولا در پرواز های INAV مرسوم است .

مشکل اصلی که به سنسور های شتاب سنج نسبت داده می شود این است که از دقت بالایی برخوردار نیستند . از سوی دیگر این سنسور ها نمی توانند بین گرانش زمین و شتاب کوادکوپتر تفاوت قائل شوند . متاسفانه شتاب ناشی از حرکت می تواند توانایی accelerometer در تعیین گرایش کوادکوپتر را تحت تاثیر قرار دهد . علاوه بر آن لرزش ها نیز به راحتی می توانند تاثیرات منفی بر عملکرد شتاب سنج داشته باشند .

شتاب سنج ها در بسیاری از مواقع به همراه ژیروسکوپ داخل یک پکیج تعبیه شده اند .

• بارومتر (Barometer)

سنسور بارومتر اساسا وظیفه اندازه گیری فشار هوا را بر عهده دارد . با توجه به اینکه فشار هوا با افزایش ارتفاع کاهش پیدا می کند ، در نتیجه می توان گفت بارومتر به منظور اندازی گیری ارتفاع نیز مورد استفاده قرار می گیرد . بارومتر ها از لحاظ تئوری ابزار هایی فوق العاده دقیق به حساب می آیند ، اما متاسفانه دارای نقاط ضعفی نیز هستند :

• برای اندازه گیری دقیق ارتفاع (ASL) در هر نقطه باید فشار هوای سطح دریا در آن محل مشخص باشد . بدون چنین اطلاعاتی تنها ارتفاع نسبت به نقطه شروع پرواز قابل اندازه گیری خواهد بود .
• با توجه به اینکه فشار هوا همواره ثابت نیست ، احتمال بروز اشتباه در تخمین ارتفاع وجود دارد .
• باد یا جابجایی های سریع و پی در پی هوا می تواند باعث تغییر فشار هوا شود و فرایند اندازه گیری ارتفاع را تحت تاثیر قرار دهد .

بنابراین بدون کالیبره کردن بارومتر در بازه های زمانی نزدیک به هم و منظم ، این سنسور تنها می تواند اندازه گیری های دقیق را در مدت زمان کوتاه ارائه دهد . از سوی دیگر در شرایط خاص تغییرات آب و هوایی تنها چند دقیقه پس از شروع پرواز می تواند باعث به وجود آمدن اختلافات چند متری در اندازه گیری و حفظ ارتفاع شود .

سنسور های بارومتر فقط به منظور اجرای قابلیت Altitude hold (حفظ ارتفاع به صورت خودکار) و حالت های پروازی خودکار همچون return to home (بازگشت به خانه) مورد استفاده قرار می گیرند .
در حال حاضر مدل های BMP180/085، BMP280 و MS5611 جز معروف ترین بارومتر های موجود در بازار به حساب می آیند. لازم به ذکر است که بارومتر ها نیز با استفاده از گذرگاه I2C به سیستم متصل می شوند .

امیدواریم این مطلب توانسته باشد اطلاعات مفیدی را در رابطه با کوادکوپتر های دوربین دار و اجزای تشکیل دهنده آن ها در اختیار شما عزیزان قرار داده باشد . توصیه می کنیم به منظور آشنایی با چهار سنسور باقی مانده به قسمت دوم این مقاله مراجعه نمایید . جهان آرسی مفتخر است تا با ارائه مدل های متنوع پروازی پاسخ گوی نیاز های متعدد کاربران باشد .

آشنایی با سنسور های کوادروتور

پهباد ها و کوادکوپتر های دوربین دار و مدرن امروزی به انواع سنسور های گوناگون مجهز شده اند تا بتوانند اطلاعات مربوط به هر لحظه از پرواز را به ثبت برسانند .
تعدادی از این سنسور ها جزو ابزار های ضروری پرواز به حساب می آیند و برخی دیگر که بیشتر جنبه اختیاری دارند می توانند عملکرد پروازی را بهبود ببخشند . ما در مقاله آشنایی با سنسور های کوادروتور | بخش دوم قصد داریم سنسور های مورد استفاده در کوادکوپتر را به شما معرفی کنیم و توضیحاتی مختصر در رابطه با هر یک از آن ها ارائه دهیم .
علاوه بر آن نگاهی به نحوه کار سنسور ها در سیستم های پروازی بدون سرنشین خواهیم داشت و اطلاعات ارائه شده توسط هر کدام را بررسی خواهیم کرد .

• فاصله سنج (Rangefinder)

مهم ترین کاربرد فاصله سنج ها در صنایع هوایی و پهباد ها در اندازه گیری ارتفاع از سطح زمین (AGL) خلاصه می شود . در حال حاضر معروف ترین سنسور های فاصله سنج مدل های سونار هستند .
این نوع فاصله سنج ها بهترین مدل موجود به حساب نمی آیند ، اما به دلیل قیمت مقرون به صرفه بیشتر مورد استقبال قرار می گیرند . لازم به ذکر است که فاصله سنج های سونار دارای رنج محدود هستند (معمولا چند متر) و نوع سطوح نیز روی عملکرد آن ها تاثیر می گذارد .
در مقابل فاصله سنج های لیزری رنج وسیع تری را ارائه می دهند ، دقت بالاتری دارند ، و قیمت در نظر گرفته شده برای آن ها نیز بیشتر است .

وظیفه سنسور فاصله سنج در یک کوادکوپتر کاملا ساده است . این ابزار فاصله کوادکوپتر تا سطح زمین زیر آن را مشخص می کند و اطلاعات مربوطه را در اختیار کنترل کننده پرواز قرار می دهد . چنین عملکردی تا حدودی به کاربرد سنسور بارومتر شباهت دارد ، اما با کمی دقت می توان تفاوت های این دو سنسور را مشخص کرد .

مزایای فاصله سنج نسبت به بارومتر :

• فاصله سنج دقت به مراتب بالاتری دارد
• شرایط آب و هوایی تاثیری روی عملکرد فاصله سنج ندارد
• سنسور فاصله سنج می تواند فاصله دقیق تا سطح زمین را اندازه گیری کند تا اجرای حالت های پروازی terrain following امکان پذیر شود .

معایب سنسور فاصله سنج :

• برای دستیابی به نتیجه مطلوب سطح زمین باید در محدوده رنج سنسور فاصله سنج قرار داشته باشد .
• در تمام طول پرواز سنسور فاصله سنج باید به سمت زمین نشانه گرفته شده باشد .

لازم به ذکر است که در بسیاری از کوادکوپتر ها به منظور کنترل ارتفاع از سنسور های بارومتر استفاده می شود و بهره گیری از سنسور فاصله سنج تنها در بعضی از حالت های پروازی خاص صورت می پذیرد .

• سیستم موقعیت یابی ماهواره ای (GPS)

درک عملکرد و کاربرد سیستم موقعیت یابی ماهواره ای نسبت به سایر سنسور های موجود در این لیست ساده تر است . Ground Positioning System یا به طور مختصر GPS موقعیت جغرافیایی کوادکوپتر را مشخص می کند و اطلاعات مربوط به سرعت و ارتفاع مطلق را در اختیار کنترل کننده پرواز قرار می دهد .
این سنسور همچنین یکی از پیش نیاز های اصلی برای تقریبا تمامی حالت های پروازی خودکار نظیر mission، return to home و position hold به حساب می آید . خوشبختانه اطلاعات متنوعی در رابطه با سیستم های GPS و کاربرد آن در اینترنت منتشر شده است، به همین دلیل ما فقط نکاتی را به طور خلاصه برای شما بیان می کنیم :

• با وجود پیشرفت هایی که صورت پذیرفته است سیستم های GPS هنوز هم به طور صد در صد قابل اطمینان نیستند . این نوع سنسور ها به راحتی می توانند تحت تاثیر فعالیت های خورشیدی قرار گیرند و گاهی اوقات نقص هایی در عملکرد آن ها مشاهده می شود .
• سیستم موقعیت یابی ماهواره ای GPS برای استفاده در محیط های باز طراحی شده است و زمانی که کوادکوپتر در فضای بسته قرار می گیرد موانعی همچون سقف ممکن است باعث مسدود شدن مسیر سیگنال های GPS شود .
• در کوادکوپتر هایی مجهز به سیستم GPS موقعیت یابی عمودی با دقت کمتری نسبت به موقعیت یابی افقی صورت می پذیرد .
• زمانی که سنسور GPS به منظور مسیریابی مورد استفاده قرار می گیرد در واقع کنترل کننده پرواز موقعیت مکانی مقصد را با موقعیت مکانی فعلی کوادکوپتر مقایسه می کند و تشخیص می دهد کدام مسیر برای رسیدن کوادکوپتر به هدف باید در پیش گرفته شود .
• تمام حالت های پروازی وابسته به GPS به اطلاعات مربوط به جهت یابی نیز نیاز دارند . به عبارت دیگر کنترل کننده پرواز باید بداند شمال در کدام جهت قرار گرفته است تا بتواند کوادکوپتر را به موقعیت مکانی مورد نظر انتقال دهد .
  گاهی اوقات ممکن است عملیات جهت یابی به کمک سنسور GPS صورت پذیرد ، اما شرط لازم برای چنین حالتی این است که کوادکوپتر همواره در حرکت باشد . بنابراین می توان گفت این روش مناسب پهباد هایی است که دارای بال های ثابت هستند و نمی توانند پرواز شناور در یک نقطه را اجرا کنند . در سایر مولتی روتور ها نظیر کوادکوپتر یک سنسور اضافی به نام قطب نما مورد استفاده قرار می گیرد تا عملیات جهت یابی به درستی انجام شود .

• قطب نما (Magnetometer)

Magnetometer یا همان قطب نما در کنار GPS جزو ابزار های اصلی اجرای پرواز های خودکار به حساب می آید . متاسفانه در بسیاری از مواقع این قطعه فراموش می شود و یا حداقل به اندازه کافی مورد توجه قرار نمی گیرد .
گاهی اوقات سیستم های پروازی بدون سرنشین به پهلو پرواز می کنند و یا در هنگام بازگشت به خانه (RTH) نمی توانند روی یک جهت ثابت تمرکز داشته باشند .
در چنین حالت هایی معمولا قطب نما متهم ردیف اول محسوب می شود که به احتمال فراوان دچار نقص فنی شده است ، فرایند کالیبره کردن آن قبل از شروع پرواز به درستی صورت نپذیرفته است ، و یا در اثر نزدیک شدن به خطوط انتقال برق یا فلزات عملکرد مطلوب ندارد . در نتیجه کنترل کننده پرواز نمی تواند جهت ها را تشخیص دهد و پرواز ها به درستی صورت نمی پذیرند .

عبارت Magnetometer معرف وسیله ای است که وظیفه اندازه گیری میدان مغناطیسی را بر عهده دارد . در این مبحث میدان مغناطیسی در واقع همان میدان مغناطیسی زمین است .
به لطف سه محور موجود در قطب نما ، این ابزار نه تنها می تواند قدرت میدان مغناطیسی زمین را اندازه گیری کند ، بلکه از توانایی تشخیص جهت های گوناگون نیز برخوردار است .
برای تشخیص جهت ها قطب نما ابتدا باید تحت تاثیر میدان مغناطیسی زمین شمال مغناطیسی را محاسبه کند . اما اگر هر منبع یا میدان مغناطیسی دیگری (کابل برق، موتور و …) در مجاورت قطب نما قرار داشته باشد ، عملیات جهت یابی نتیجه مطلوبی نخواهد داشت .
به عبارت دیگر در چنین شرایطی قطب نما قادر نخواهد بود میدان های مغناطیسی گوناگون را از یکدیگر متمایز نماید و تنها گزینه مورد نظر ما را ملاک کار خود قرار دهد . به همین دلیل همواره توصیه می شود قطب نما های مورد استفاده در کوادکوپتر ها تا جایی که امکان دارد دور از موتور ها، کابل ها و قسمت های فلزی نصب شوند .

در حال حاضر معروف ترین قطب نما در میان کوادکوپتر ها مدل HMC5883L است که به کمک گذرگاه I2C به سیستم متصل می شود .

• سنسور جریان نوری (Optical Flow Sensor)

سنسور جریان نوری در مقایسه با سایر سنسور های موجود در این لیست کمتر شناخته شده است و استفاده از آن چندان رایج نیست . به منظور آشنایی هر چه بیشتر می توان گفت Optical Flow Sensor در واقع همان سنسوری است که در موس های اپتیکال تعبیه شده است .
این سنسور از طریق بررسی سطح زمین می تواند جابجایی کوادکوپتر و سرعت آن را با دقت فوق العاده بالایی اندازه گیری کند . البته سطوح نیز باید از شفافیت و وضوح کافی برخوردار باشند تا سنسور بتواند آن ها را شناسایی نماید .
علاوه بر آن سنسور جریان نوری در مواقعی که کوادکوپتر شیب داشته باشد واکنش مطلوبی نخواهد داشت . بنابراین شیب به وجود آمده در وضعیت بدنه کوادکوپتر در هنگام شروع حرکت می تواند مشکلاتی را برای این سنسور به وجود آورد .

با ما همراه باشید تا در مطلب بعدی اطلاعات لازم پیرامون سنسور های کوادکوپتر ها به صورت جامع و کامل توسط کارشناسان فنی جهان آرسی در اختیار شما عزیزان قرار بگیرد .