RocNaV: LoRa tùy chỉnh (HC-12 sau này) và mô-đun bảng mạch theo dõi GPS

Hành trình thiết kế: Bốn lần lặp lại một bảng bay

Bảng này không xảy ra trong một cảnh quay. Phải mất bốn lần lặp lại thiết kế đầy đủ - mỗi lần dạy một bài học định hình kết quả cuối cùng.

Lặp lại 1: ATmega328 PU (KiCad) — Tường SRM-20

Máy tính bay đầu tiên được thiết kế xung quanh bộ vi điều khiển PU ATmega328 trong KiCad. Trên giấy tờ nó rất chắc chắn. Vấn đề là chế tạo trên máy nghiền PCB SRM-20 tại FabLab Rwanda:

Lần thử đầu tiên: in nghịch đảo do nhầm lẫn

Lần thử thứ hai: dấu chân chip cao độ nhỏ được hợp nhất — dấu vết hợp nhất thay vì tách ra

Lần thử thứ ba: thất bại giữa chừng do giường không san phẳng

Lần thử thứ tư: một bản in sạch — nhưng ngay lập tức tiết lộ rằng việc hàn tay các miếng đệm cao độ của ATmega sẽ gần như không thể

Chúng tôi cũng không có chip ATmega trong kho. Đã đến lúc suy nghĩ lại hoàn toàn về việc lựa chọn chip.

Iteration 2: ESP32-DEVKIT-V1 (KiCad) — Works, But Too Big<

p dir="ltr">Chuyển sang ESP32-DEVKIT-V1 đã giải quyết được vấn đề chế tạo. Dấu chân của nó lớn hơn và cách nhau hơn, làm cho cả phay và hàn tay trở nên chân thực. Nó cũng có Wi-Fi tích hợp. Bảng được thiết kế lại từ đầu trong KiCad, in thành công và được thử nghiệm tốt.

Nhưng khi chúng tôi gắn nó vào bên trong thân tên lửa, nó không vừa. Bảng quá rộng so với khung máy bay có sẵn của chúng tôi. Một ràng buộc vật lý từ thế giới thực đã giết chết một thiết kế hoạt động khác.

Lặp lại 3: RocNaV 3.3 — Phiên bản EasyEDA đầu tiên (68mm × 62mm)

Với hạn chế về kích thước rõ ràng, Lambert và tôi đã xây dựng lại bảng cùng nhau trong EasyEDA — được chọn đặc biệt vì nó làm cho bố cục cộng tác dày đặc dễ dàng hơn. Thiết kế đã được cắt tỉa đáng kể. Với 68mm × 62mm, phiên bản này phù hợp với thân tên lửa đầu tiên của chúng tôi: ống nước PVC đường kính trong 100mm.

Phiên bản này đã được thử nghiệm thành công. Đó là sự xác nhận của chúng tôi rằng thiết kế hoạt động từ đầu đến cuối.

Mặt phẳng nối đất bằng đồng đã được dọn sạch từ bên dưới ăng-ten trên bo mạch của ESP32. Đồng bên dưới ăng-ten tạo ra nhiễu điện từ làm giảm hiệu suất không dây. Khoảng trống này có thể nhìn thấy ở mặt dưới của bo mạch và rất cần thiết để đo từ xa LoRa đáng tin cậy trong quá trình bay.

Lặp lại 4: RocNaV 3.3 — Phiên bản cuối cùng (52mm × 60mm)

Đối với tên lửa thứ hai — khung máy bay bằng bìa cứng đường kính trong 75mm — bảng cần phải thu nhỏ hơn nữa. Chúng tôi đã cắt nó xuống còn 52mm × 60mm. Đây là phiên bản đã bay.

Ngăn xếp điện tử hàng không đầy đủ - RocNaV 3.3, mô-đun GPS, phép đo từ xa LoRa, pin LiPo và bộ điều khiển Arduino phụ - được gắn trên xe trượt tuyết điện tử hàng không bằng gỗ cắt laser và nằm bên trong ống thân, với đệm xốp để đệm chống rung khi phóng.  dir="ltr">Cả hai lần khởi chạy đều sử dụng bảng này. Trong lần phóng thứ hai, tên lửa bị tháo rời đột xuất nhanh chóng - gây ra bởi sự yếu kém vật liệu trong vỏ động cơ do cách điện không đầy đủ, không phải do bất kỳ lỗi điện tử nào. Máy tính bay đã ghi lại dữ liệu chính xác trong cả hai chuyến bay.

 

Project Function

RocNav quản lý toàn bộ trình tự bay của tên lửa mô hình một cách tự động — từ phát hiện phóng thông qua điểm cực điểm đến hạ cánh. Nó thay thế các máy tính bay có sẵn trên thị trường bằng một giải pháp thay thế mã nguồn mở, hoàn toàn có thể chế tạo được trên bất kỳ nhà máy PCB FabLab nào.
 

Chức năng chính:
 Phát hiện khởi chạy thông qua vượt ngưỡng gia tốc kế và bắt đầu ghi dữ liệu

Theo dõi độ cao trong thời gian thực bằng cách sử dụng cảm biến áp suất khí quyển với bộ lọc trung bình lăn bánh để ngăn chặn các kích hoạt sai từ áp suất tăng đột biến

Phát hiện điểm cực đại (độ cao đỉnh) khi vận tốc thẳng đứng vượt qua các đỉnh độ cao khí quyển bằng không

Ghi nhật ký tất cả dữ liệu cảm biến (độ cao, gia tốc, hướng, tọa độ GPS) vào thẻ SD trong suốt chuyến bay

Theo dõi độ dốc và phát hiện hạ cánh khi độ cao ổn định

 

Lưu ý khi thử nghiệm: Trong cả hai chuyến bay thử nghiệm, đánh lửa động cơ được kích hoạt bằng tay thông qua đầu vào màn hình nối tiếp. Tính năng phát hiện phóng tự động của máy tính bay sau đó được kích hoạt sau khi gia tốc kế đăng ký cất cánh. Các phiên bản trong tương lai sẽ tích hợp trình tự đánh lửa hoàn toàn tự động.
 

Application scenarios:

Tên lửa nghiệp dư và công suất cao

Dự án kỹ thuật hàng không vũ trụ của trường đại học và trung học

Các chương trình giáo dục hàng không vũ trụ dựa trên FabLab

Nghiên cứu tải trọng yêu cầu hệ thống

 

điện tử hàng không tùy chỉnh, chi phí thấp

Project Parameters

Vi điều khiển: ESP32-WROOM-32E (8MB Flash) — lõi kép, Wi-Fi & Bluetooth có khả năng

IMU: MPU9250 — 9-DOF (gia tốc kế 3 trục, con quay hồi chuyển 3 trục, từ kế 3 trục) qua I2C

Máy đo độ cao: Cảm biến áp suất khí quyển BMP280 qua I2C

GPS: Mô-đun GPS ăng-ten vá gốm qua UART

Telemetry: Mô-đun không dây LoRa 433MHz — đường xuống dữ liệu thời gian thực đến trạm mặt đất

Ghi dữ liệu: Thẻ MicroSD qua SPI (MOSI/MISO/SCK/CS), định dạng csv

Kênh Pyro: 2 kênh độc lập — IGNITOR và PARACHUTE

Đầu ra Servo: 2 kênh — SERVO_X và SERVO_Y để điều khiển vây hoặc vectơ lực đẩy hoạt động

Nguồn điện: Pin LiPo; đường ray 3.3V (AMS1117-3.3) và 5V (LM1117-5V) được điều chỉnh

Giao diện lập trình: Tiêu đề nối tiếp FTDI

Điều khiển người dùng: Các nút BOOT và RESET onboard

Kích thước PCB (final): 52mm × 60mm

Khả năng tương thích ống thân: Được thiết kế cho đường kính trong 75mm airframe

Phát hiện Apogee: Điều kiện kép — đỉnh khí quyển + vận tốc thẳng đứng bằng không, với bộ lọc trung bình lăn

 

Lưu ý về bảng điện tử hàng không thứ cấp: Các bức ảnh tích hợp cho thấy một Arduino cùng với RocNaV 3.3. Điều này đã được thêm vào như một bộ điều khiển phụ để nhận tín hiệu triển khai dù từ bo mạch chính và xử lý việc đánh lửa động cơ. Nó là một thành phần riêng biệt với chính thiết kế RocNaV 3.3.

 

Phân tích nguyên tắc (mô tả phần cứng)

Bo mạch RocNav được xây dựng xung quanh sáu khối chức năng:

1. Quản lý năng lượng Một tế bào LiPo cung cấp hai đường ray được điều chỉnh độc lập - 3.3V (AMS1117-3.3) cho ESP32 và cảm biến kỹ thuật số, và 5V (LM1117-5V) cho servo và mô-đun LoRa. Tụ điện tách rời (4,7μF + 1μF) trên cả hai đường ray đảm bảo nguồn điện sạch trong các sự kiện dòng điện cao như đốt lửa.

2. Máy tính bay (ESP32-WROOM-32E) Kiến trúc lõi kép của ESP32 cho phép đọc cảm biến và logic bay chạy trên một lõi trong khi truyền phép đo từ xa chạy trên lõi kia. Nó giao tiếp với các cảm biến thông qua I2C (MPU9250, BMP280) và UART (GPS, LoRa), quản lý SPI để ghi nhật ký thẻ SD và xuất tín hiệu PWM để điều khiển servo.

3. Cảm biến MPU9250 cung cấp dữ liệu quán tính 9-DOF qua I2C - được sử dụng để phát hiện khởi động, theo dõi hướng và đầu vào điều khiển chủ động. BMP280 cung cấp độ cao khí quyển - cảm biến phát hiện điểm cực đại chính. Một mô-đun GPS với ăng-ten vá gốm cung cấp tọa độ vị trí thông qua UART để đo từ xa và lập bản đồ sau chuyến bay.

4. Đo từ xa (LoRa) Mô-đun LoRa 433MHz truyền dữ liệu chuyến bay theo thời gian thực đến máy thu trạm mặt đất trong khi bay - cho phép giám sát độ cao, vận tốc và trạng thái trực tiếp.

5. Kênh Pyro Hai kênh pyro chuyển mạch MOSFET độc lập (IGNITOR và PARACHUTE) chỉ được trang bị chương trình cơ sở sau khi xác nhận phóng và không thể bắn khi dừng trên mặt đất.

6. Đầu ra điều khiển chủ động Hai đầu ra servo PWM (SERVO_X và SERVO_Y) cho phép điều khiển vectơ lực đẩy hoặc lệch vây chủ động - đặt nền móng cho việc kiểm soát thái độ vòng kín trong tương lai.

7. Ghi dữ liệu Thẻ MicroSD qua SPI lưu trữ dấu thời gian, độ cao (thô và lọc), gia tốc (X/Y/Z), con quay hồi chuyển, từ kế, tọa độ GPS, vị trí servo và trạng thái chuyến bay ở định dạng CSV trong suốt chuyến bay.

 

Software

Phần sụn đầy đủ trong C/C++ (khung Arduino). Máy trạng thái bay năm trạng thái:

Cảm biến → IDLE     khởi tạo, tính toán đường cơ sở áp suất mặt đất

LAUNCH   → tăng tốc vượt quá ngưỡng → bắt đầu ghi nhật ký, pyro armed

COAST    → burnout detected, cảm biến Theo dõi tiếp tục

APOGEE   →đỉnh khí quyển + vận tốc thẳng đứng không vượt qua → phóng điện tích kích hoạt

DESCENT  → tiếp tục ghi nhật ký cho đến khi độ cao ổn định (phát hiện hạ cánh)

 

Mã nguồn: https://gitlab.fabcloud.org/Philemon/philemon-manzi/-/blob/main/public/assets/Final%20Project%3B%20RocNaV/Flight%20Control/Software/Esp32_flight_controller_v1.2/Esp32_flight_controller_v1.2.ino

 Libraries:

Wire.h — Giao tiếp I2C (MPU9250, BMP280)

TinyGPS++.h — Phân tích cú pháp dữ liệu NMEA từ mô-đun GPS

ESP32Servo.h — Điều khiển động cơ servo

SD.h — thẻ SD đọc/ghi

SPI.h — SPI bus communication

LoRa.h — Phép đo

từ xa không dây LoRa

 

Lưu ý an toàn

Không bao giờ kết nối điện tích phóng cho đến khi bạn ở địa điểm phóng, sẵn sàng bay. Sử dụng đèn LED hoặc còi liên tục thay cho sạc pyro trong tất cả các thử nghiệm trên băng ghế dự bị.

Xác minh tính liên tục trước khi trang bị. Xác nhận chỉ báo sẵn sàng trước khi khởi chạy.

Phát hiện apogee sử dụng trung bình luân phiên trên dữ liệu khí quyển. Trong điều kiện gió lớn, hãy điều chỉnh kích thước cửa sổ bộ lọc trong chương trình cơ sở để tránh kích hoạt apogee sai.  start="4">Vấn đề hiệu chuẩn mặt đất. Áp lực cơ sở của bo mạch khi khởi động. Bật nguồn tại địa điểm phóng, ở độ cao phóng - không phải trong nhà hoặc trong phương tiện đang di chuyển.

Dung sai phay PCB: Sử dụng V-bit 0,4mm cho dấu vết và xác minh tính liên tục bằng đồng hồ vạn năng trước khi hàn. Một dấu vết bị hỏng duy nhất trên mạch kênh pyro sẽ ngăn việc triển khai khôi phục.

Cách nhiệt động cơ là rất quan trọng. Chuyến bay thử nghiệm thứ hai kết thúc với sự cố khung máy bay do cách điện không đủ trên vỏ động cơ - không phải là lỗi điện tử. Đảm bảo vỏ động cơ của bạn được cách điện đúng cách và được đánh giá theo nhiệt độ cháy của chất đẩy trước khi bay.

 

Assembly Process

Mill PCB sử dụng các tệp Gerber được cung cấp trên Roland MDX (hoặc gửi đến fab)

Kiểm tra tất cả các dấu vết để đảm bảo tính liên tục - sửa chữa mọi vết đứt gãy trước khi điền

Hàn các thành phần SMD trước (thụ động, IC) — hoạt động từ nhỏ nhất đến lớn nhất

Hàn các thành phần xuyên lỗ (đầu nối, ổ cắm SD)

Kiểm tra tất cả các mối hàn dưới độ phóng đại

Bật nguồn với nguồn điện để bàn — xác minh đường ray 3.3V và 5V

Flash firmware qua FTDI — xác nhận màn hình nối tiếp hiển thị các chỉ số cảm biến

Xác minh độ cao BMP280 khớp với độ cao đã biết của bạn (±10m chấp nhận được)

Xác minh MPU9250 hiển thị ~1.0G trên trục thẳng đứng ở trạng thái nghỉ, con quay hồi chuyển gần không<

p dir="ltr" aria-level="1">Xác minh phép đo từ xa LoRa — ghép nối với trạm mặt đất và xác nhận gói dữ liệu

Kiểm tra cả hai kênh pyro bằng đèn LED thay thế

Kiểm tra SERVO_X và SERVO_Y outputs

Gắn bảng trên xe trượt tuyết điện tử hàng không cắt laser; pad có bọt chống rung<

p dir="ltr" aria-level="1">Ghế trượt tuyết vào ống thân và xác minh độ vừa vặn trước khi đóng khung máy bay

Thực hiện kiểm tra tính liên tục trên tất cả các kênh pyro sau khi tích hợp cuối cùng

 

Finished Product

Ảnh 1 Bo mạch RocNaV 3.3 được cấp nguồn và được lập trình Bo mạch kết nối với lập trình viên FTDI. Đèn LED đỏ xác nhận nguồn điện. ESP32-WROOM-32E có thể nhìn thấy ở trung tâm. Đầu nối xung quanh chu vi cho cảm biến, servo và kênh pyro.

Ảnh 2 Khe hở ăng-ten (mặt dưới) Mặt phẳng nối đất bằng đồng được tháo ra bên dưới ăng-ten tích hợp của ESP32 ("Không gian ăng-ten"). Nếu không có khe hở này, mặt phẳng đồng sẽ ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu LoRa.

Ảnh 3 Cận cảnh chip ESP32-WROOM-32E Espressif ESP32-WROOM-32E hiển thị ăng-ten PCB tích hợp (dấu vết ngoằn ngoèo ở trên cùng). Chú thích màu xanh lam đánh dấu vùng ăng-ten yêu cầu khe hở bằng đồng trên PCB máy chủ.

Ảnh 4 Xe trượt tuyết điện tử hàng không cắt laser Giá treo điện tử hàng không hình trụ được chế tạo trên máy cắt laser tại FabLab Rwanda. Xe trượt tuyết này chứa tất cả các thiết bị điện tử tập trung bên trong ống thân và bản thân nó là một thành phần do FabLab chế tạo - không có nguồn gốc thương mại.

>Ảnh 5 Ống thân: ràng buộc Ống thân bìa cứng đường kính trong 75mm trống. Hạn chế vật lý này là điều thúc đẩy mọi quyết định thu nhỏ trong thiết kế PCB - bo mạch phải thu nhỏ xuống 52mm × 60mm để phù hợp với đây.

Ảnh 6 Tích hợp pin với keo nóng Pin LiPo được cố định bên trong khoang điện tử hàng không bằng keo nóng, với bảng RocNaV 3.3 có thể nhìn thấy ở trên và đệm xốp bên dưới. Một kỹ thuật lắp ráp thực tế để cách ly rung động.

Ảnh 7 Khoang điện tử hàng không có nhãn Khoang điện tử mở ra, hiển thị máy tính bay (bảng đồng RocNaV 3.3), miếng đệm xốp và pin LiPo xếp chồng lên nhau bên trong phần cắt khung máy bay.

Ảnh 8 Tên lửa được lắp ráp hoàn chỉnh Khung máy bay hoàn chỉnh: hình nón mũi màu xanh lam in 3D (khoang dù), ống thân PVC màu đen và phần khoang điện tử hàng không hiển thị thiết bị điện tử qua phần cắt. Các dây dù màu vàng có thể nhìn thấy trong hình nón mũi - sẵn sàng để phóng ra ở điểm đỉnh.

Ảnh 9  Lần phóng đầu tiên (tên lửa PVC 100mm) Tên lửa thử nghiệm đầu tiên cất cánh khỏi đường ray phóng. Điều này sử dụng phiên bản 68mm × 62mm của bo mạch bên trong khung máy bay PVC 100mm lớn hơn - một chuyến bay xác nhận cho thiết kế điện tử.

Ảnh 10  Lần phóng thứ hai (tên lửa bìa cứng 75mm) Lần phóng thứ hai với tấm ván 52mm × 60mm cuối cùng bên trong khung máy bay bằng bìa cứng 75mm. Chuyến bay kết thúc trong một cuộc tháo rời đột xuất nhanh chóng do lỗi cách điện của vỏ động cơ - không phải là lỗi điện tử. Máy tính bay đã ghi lại dữ liệu một cách chính xác cho đến khi mất tín hiệu.

Ảnh 11  Mảnh vỡ sau chuyến bay Tphần còn lại của phần gắn động cơ sau khi vỏ động cơ bị hỏng. Vây in 3D có thể bị nóng chảy một phần. Máy tính bay và hệ thống điện tử hàng không đã được thu hồi riêng biệt. Bài học rút ra: cách điện vỏ động cơ của bạn đúng cách.

 

https://www.linkedin.com/posts/manzi-mucyo-philemon-0343831b2_1percentmakerchallenge-atomm-xtool-ugcPost-7478523569975652352-QG4z/?utm_source=share&utm_medium=member_desktop&rcm=ACoAADGIYGgBNq2h_Hud_o65cXQdCXy4NpmjBac