飛翔体つくった

jonajiro が 2021年02月22日に作成 (2021年02月27日に更新)

飛翔体かっこいいよね。姿勢制御とかやってみたい。特に深い意図はない。

品名	用途	価格
Seeeduino Xiao	機体制御	584円/個
TWE-001-Lite	状態管理、無線通信	1,450円
PLA樹脂	機体外殻	2,580円/kg
リップストップナイロン	パラシュート	1,490円
バネ丁番	パラシュート放出機構	85円/個 x3個
サーボモータ	パラシュート放出、動翼	500円/個 x3個
LiPoバッテリー	駆動電源、制御電源	500円
電源管理モジュール	駆動電源、制御電源	1,489円
BNO055	機体姿勢センシング	3,930円
大気圧センサ	高度計測	600円
差圧センサ	動圧計測	800円
ADコンバータ	ゲージ圧センサのアナログ値計測	256円

システム構成について下記図参照のこと。
ざっくりと説明すると、
・ステータス管理とコマンド受信をTwe-001-Liteが担当
・ステータスに基づいた機体の制御をSeeduino Xiaoが担当

3Dプリンターでボディーを造形する。
こんな感じでボディーを作成。黒いPLAを使用したため、写真では構造がわかりづらい・・・

パラシュート放出機構は下図のように、バネ丁番ではじき出す方式を採用。

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パラシュートはリップストップナイロン(シャカシャカした手触りの布地)を型紙に沿って切り、切れ込みの部分と端部を手縫い。

ボディーにパラシュートを取り付ける。直接ラインを繋げず、間にゴムを挟むことで開傘時の衝撃を和らげる。

電子回路をはんだ付けする。ユニクラフトさんにて基板を発注した。モジュールを乗っけるだけなのでわざわざ基板自作する必要性があったのかは不明。

機体裏側にサーボとランチスイッチを取り付ける。

ノーズに圧力センサを押し込む。

ボディー内部に部品を配置して接着剤で固定。
左からパラシュート放出用のサーボ、カメラ、電源管理モジュール。

パラシュート放出用のサーボが作動すると下図のように閂(かんぬき)が出たり戻ったりして蓋側の穴に引っ掛かり、放出機構の開閉を制御できる。

バッテリーを入れる。

基板をボディーに乗せてコネクタを接続。

最後に上部のカバーを密閉して完成

プログラミング
ソースコードは本稿に示すには長すぎるため、下記リンクに公開した。
https://github.com/jonajiro/gohomeproject
全体の状態遷移と発射シーケンスの処理を紹介する。

まずは制御なしでの発射試験について述べる。投射角は60degで初速がおよそ17m/s程度になるように発射した。
下に試験の様子を示す。くるくる回ってて面白い。試験日の風速は3~4m/sほどで風が吹いていた影響も受けていると考えられる。

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次に制御有での発射試験について述べる。roll角の目標角度を0degとし、Pゲイン30 Dゲイン3、pitch角Dゲイン10のPID制御を実施した。おおむね姿勢制御に成功したと思われる。（データは後述）
複数回発射したが、パラシュートが展開できない場合もあった・・・
パラシュート展開成功パターン

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パラシュート展開失敗パターン

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計測データについては下記の通りとなった。
すべてのグラフの右軸に制御ステータスを表示しており、6から7になったタイミングで発射検知をしている。その後、7から8になったタイミングでパラシュート放出コマンドを出している。
加速度においては発射時には4Gを超える加速度がかかっていることがわかる。また、パラシュート放出コマンドからおよそ0.2secほどでy軸方向の加速度の立ち上がりが確認でき、コマンドから実際にパラシュートが放出するまでに0.2secのタイムラグがあることがわかる。
対気速度においては初速が16m/sほど出ていることが確認でき、発射から0.3secほどで0m/sと計測されている。動圧孔に対して正面に風が吹き込まなくなったことが原因と考えられる。
高度においては最大で約11mに到達していることが確認できる。
姿勢角においてはroll角は0degに収束しようとしてることが確認できる。また制御コマンドもroll角の振る舞いと整合性が取れることから正常に制御が働いたと考えられる。
制御ゲインに動圧補正掛けており対気速度が大きいときにはゲインを弱めて小さいときには強めてるので対気速度0m/sになった時、エレボン舵角コマンドが飽和してることが確認できる。