Proiectul Drone Stabilizer reprezintă construcția unei drone (quadcopter), bazată pe motoare cu perii (brushed), capabilă să își mențină echilibrul în aer în mod autonom. Nucleul proiectului din punct de vedere software este implementarea unui algoritm de control de tip PID (Proportional-Integral-Derivative) care procesează datele de la un senzor inerțial pentru a ajusta viteza motoarelor în timp real.

Functionalități principale:

• stabilizarea automată pe axele Pitch, Roll și Yaw folosind giroscopul și accelerometrul
• recepția comenzilor de zbor (throttle, direcție) prin protocol wireless de 2.4GHz
• controlul turației celor 4 motoare prin semnale PWM transmise către punțile H
• monitorizarea orientării dronei în timp real
• gestionarea energiei pentru a asigura stabilitatea electronicii în timpul căderilor de tensiune ale motoarelor

Laboratoare folosite: UART (Lab 1), Intreruperi (Lab 2), Timere/PWM (Lab 3), SPI (Lab 5 - NRF24), I2C (Lab 6 - MPU).

Module si interactiuni:

Drona:

• ATmega328PB: unitatea centrală de procesare. Citește datele de orientare de la MPU6050, calculează unghiurile de înclinare, rulează algoritmii PID de stabilizare și ajustează viteza motoarelor în timp real prin semnale PWM. Primește comenzi de la distanță prin modulul NRF24 și gestionează comenziile primite de la remote controller.

• MPU6050: senzorul IMU (Inertial Measurement Unit) care combină un giroscop pe 3 axe cu un accelerometru pe 3 axe. Giroscopul măsoară viteza unghiulară (grade/secundă), iar accelerometrul măsoară forțele liniare, inclusiv gravitația. La pornire, MCU-ul efectuează o calibrare pe 1000 de eșantioane pentru a elimina offset-urile statice. În zbor, datele brute sunt combinate printr-un filtru complementar: 96% giroscop (precizie pe termen scurt) și 4% accelerometru (corecție drift pe termen lung), rezultând unghiurile de roll, pitch și yaw. Comunicare prin I2C. Timer2 genereaza intreruperi o data la o milisecunda, cand se ruleaza PID-ul pentru a se corecta directia dronei.

• NRF24: modulul de comunicație wireless care operează pe banda de 2.4GHz. Drona funcționează în modul receptor (listening), așteptând comenzi de la un remote controller. Prima comandă obligatorie este m — aceasta declanșează calibrarea MPU și permite pornirea motoarelor. Ulterior, avem comenzi de urcare, coborare, stanga, dreapta, fata si spate, dar si o comanda pentru oprire instanta a elicelor. Comunicare cu MCU-ul prin SPI.

• Drivere MX1616H (x2): drivere de motor cu punte H dublă, fiecare controlând câte două motoare brushed. Primesc semnalul PWM de la MCU prin registrele OCR (Output Compare Register) ale timerelor hardware (Timer0 pentru motoarele stânga, Timer1 pentru motoarele dreapta) și translatează comenzile digitale în tensiune aplicată direct pe bobinele motoarelor. Direcția de rotație (CW/CCW) este setată la inițializare prin pinii de direcție ai porturilor C și D.

• 4 motoare brushed: dispuse în configurație quad — față-stânga (CCW), față-dreapta (CW), spate-stânga (CW), spate-dreapta (CCW). Sensurile alternante de rotație sunt esențiale pentru anularea momentului girroscopic și controlul yaw-ului. Viteza fiecărui motor este ajustată independent de algoritmul de stabilizare, câte 15 unități PWM per pas, clamped între 0 și 255.

• LiPo 1S 3.7V: alimentează direct driverele MX1616H și motoarele. Tensiunea de 3.7V este ridicată la 5V prin buck converter pentru alimentarea MCU-ului, MPU6050 și NRF24.

Telecomanda:

• Arduino Nano V3: joaca rolul de Remote controller, care este conectat la laptop si primeste comenziile din laptop prin protocolul UART, care de asemenea este conectata la un modul NRF24.

Pinii PC4 și PC5 au fost aleși pentru MPU6050 deoarece sunt pinii dedicați pentru I2C pe ATmega328PB. Comunicarea se face la 400kHz (fast mode) pentru a minimiza latența citirii datelor IMU.

Pentru NRF24L01+ am folosit pinii hardware SPI (PB3, PB4, PB5) deoarece SPI hardware este semnificativ mai rapid decât bit-banging. CE pe PD3 și CSN pe PD7 sunt pini digitali obișnuiți, aleși să nu intre în conflict cu timerele folosite pentru motoare.

Timer2 este configurat în mod CTC cu un prescaler de 64 și OCR2A = 249, ceea ce generează o întrerupere la fiecare 1ms. În ISR-ul acestui timer se incrementează contorul checkMpu. În bucla principală, la fiecare 50 de incrementări (adică la fiecare 50ms) se citesc datele de la MPU6050, se calculează unghiurile prin filtrul complementar și se rulează cei 3 controlleri PID. Timer2 a fost ales pentru această sarcină tocmai pentru că Timer0 și Timer1 sunt ocupați cu PWM-ul motoarelor.

Timer0 este configurat în mod Fast PWM cu prescaler 8, generând semnal PWM pe OC0A (PD6) și OC0B (PD5) — folosiți pentru motoarele din stânga. Registrele OCR0A și OCR0B controlează direct ciclul de lucru, adică viteza fiecărui motor.

Timer1 este configurat similar în mod Fast PWM pe 8 biți cu prescaler 64, generând semnal PWM pe OC1A (PB1) și OC1B (PB2) — folosiți pentru motoarele din dreapta. Registrele OCR1AL și OCR1BL sunt cele scrise de algoritmul de stabilizare la fiecare iterație PID.

Direcția de rotație a fiecărui motor este setată o singură dată la inițializare prin pinii de direcție ai driverelor MX1616H, nu prin PWM. Algoritmul PID modifică doar viteza (registrele OCR), nu și direcția — motoarele brushed pe o dronă nu își inversează sensul în zbor normal.

Mediu de dezvoltare: PlatformIO / Arduino IDE.

Librării și surse 3rd-party planificate:

* RF24 - pentru gestionarea comunicației cu modulul NRF24L01 * Wire - pentru comunicația I2C cu senzorul MPU6050 * PID_v2 (sau implementare custom) - pentru calculul buclelor de stabilizare * MPU6050_light - pentru filtrarea datelor brute din accelerometru și giroscop

Algoritmi și structuri planificate:

* Filtru Complementar: Combină datele de la giroscop (precis pe termen scurt) cu cele de la accelerometru (precis pe termen lung) pentru a obține unghiul real de înclinație. * Bucle PID: Trei instanțe separate de PID (pentru Roll, Pitch și Yaw). * Mixer de Motoare: Algoritm care combină output-ul de Throttle (comanda utilizatorului) cu corecțiile PID pentru a seta valorile finale PWM pe fiecare motor.

Functii principale planificate:

* readIMU() - citește și filtrează datele de orientare * computePID() - calculează corecția pentru fiecare axă * updateMotors() - scrie valorile PWM către driverele DRV8833 * receiveData() - verifică dacă au sosit pachete noi de la telecomandă * failsafeCheck() - oprește motoarele dacă nu există semnal radio

* Datasheet DRV8833 * Datasheet MPU6050 * Info NRF24L01

* Biblioteca RF24 * PM Lab 3 - PWM pentru control motoare * PM Lab 4 - I2C pentru IMU

Export to PDF