Show page

Differences

This shows you the differences between two versions of the page.

--- pm:prj2026:bianca.popa1106:nicolae.macovei1412 [2026/05/09 01:19]
nicolae.macovei1412
+++ pm:prj2026:bianca.popa1106:nicolae.macovei1412 [2026/05/25 06:20] (current)
nicolae.macovei1412
@@ Line 1: / Line 1: @@
-[[{{https://ocw.cs.pub.ro/courses/_media/pm/prj2026/bianca.popa1106/block_diagram_cristian_macovei_332ca.png}}]]
+====== M.U.S.C.A. ======
+===== Introducere =====
+**Ce face proiectul**: M.U.S.C.A. (Modular Uncrewed Self-Controlled Aircraft) este o drona cu 4 motoare controlata autonom prin intermediul unui ESP-32. In etapa curenta de dezvoltare, sistemul va fi capabil sa decoleze si sa efectueze un zbor la punct fix pentru un interval fixat de timp.
+**Scopul proiectului**: Scopul este implementarea si validarea unui sistem de control pentru drone pe un microcontroller, pentru a fi folosit in urmatoarele etape de dezvoltare a proiectului.
+**Care a fost ideea**: Ideea de la care am pornit a fost ca dronele existente de obicei au o arhitectura optimizata pentru un scop anume (cinema, militar, etc). Implementarea curenta este concentrata pe sistemul de control al dronei, scopul fiind obtinerea unui zbor stabil.
+**De ce este util**: Proiectul propune o arhitectura de tip modular, ce le permite utilizatorilor sa schimbe payload-ul transportat de drona, folosind astfel o singura drona pentru multiple activitati, reducand astfel costurile necesare testarii unei varietati de modele diferite. In implementarea curenta, proiectul demonstreaza capacitatea de zbor stabil.
+===== Descriere generală =====
+Proiectul este construit pe baza unui microcontroller ESP-32, responsabil de a citi datele de la senzori, a calcula parametrii de zbor pentru drona si de a actiona motoarele.
+Module:
+- o baterie LiPo 3s1p 2.1Ah (12V, 30C), din care sunt alimentate motoarele
+- 4 Motoare BLDC A2212, fiecare putand genera ~700g de thrust la capacitate maxima
+- 4 ESC-uri de 30A, fiecare primind semnal de la microcontroller prin GPIO si controland individual cate un motor
+- ICM-20602 este accelerometrul folosit pentru a determina inclinarea si acceleratia dronei, comunicand cu microcontroller-ul prin SPI
+- VL53L0X este un senzor de ToF, folosit pentru a estima distanta dronei pana la sol, care comunica cu microcontroller-ul prin IIC.
+{{:pm:prj2026:bianca.popa1106:block_diagram_cristian_macovei_332ca.png|}}
+===== Hardware Design =====
+{{:pm:prj2026:bianca.popa1106:circuit_cristian_macovei_332ca.png?500|}}
+===== Software Design =====
+==== Mediu de dezvoltare ====
+Firmware-ul a fost dezvoltat folosind **PlatformIO** (extensie VS Code), cu framework-ul **Arduino** pentru ESP-32. Configuratia proiectului se gaseste in ''platformio.ini'', unde sunt specificate viteza de clock a CPU-ului (80 MHz), viteza flash-ului (40 MHz) si dependintele de biblioteci.
+==== Biblioteci si surse 3rd-party ====
+  * **Arduino SPI** (built-in) — comunicatie cu accelerometrul ICM-20602; configurat la 1 MHz, MSB first, SPI Mode 3
+  * **Arduino Wire** (built-in) — linie IIC disponibila pentru senzorul ToF VL53L0X (neutilizata in implementarea curenta)
+  * **ESP32Servo** (''madhephaestus/ESP32Servo@^3.0.5'') — generare semnale PWM pentru controlul ESC-urilor; foloseste timer hardware dedicat si permite setarea perioadei la 50 Hz si a pulsului in microsecunde
+  * **INA226** (''robtillaart/INA226@^0.5.2'') — biblioteca pentru senzorul de monitorizare a tensiunii/curentului de pe magistrala de alimentare; senzorul fizic nu mai este functional, codul aferent este comentat
+==== Algoritmi implementati ====
+**1. Citirea accelerometrului (SPI burst read)**
+La fiecare iteratie a buclei principale, microcontroller-ul initiaza o tranzactie SPI si citeste in mod secvential 6 octeti incepand de la registrul ''ACCEL_XOUT_H'' (0x3B), cu bitul de citire setat (OR 0x80). Cei 6 octeti reprezinta valorile brute pe 16 biti ale acceleratiei pe axele X, Y si Z.
+**2. Calculul unghiurilor de inclinare (pitch si roll)**
+Din valorile brute ale accelerometrului se calculeaza unghiurile de inclinare ale dronei folosind functia ''atan2'':
+<code>
+roll  = atan2(ay, az) * 180 / PI
+pitch = atan2(-ax, sqrt(ay*ay + az*az)) * 180 / PI
+</code>
+Aceste formule ofera o estimare stabila a inclinarii in conditii de acceleratie dominata de gravitatie.
+**3. Algoritm de control proportional (P-controller)**
+Semnalul PWM de baza pentru toate motoarele este de 1300 µs. Fiecare motor primeste o corectie proportionala cu unghiurile de pitch si roll, cu gainul ''kp = 4.0'' pe ambele axe. Semnalele sunt calculate astfel incat fiecare motor sa compenseze inclinarea in directia sa:
+^  Motor        ^  Formula semnal PWM                                ^
+| Fata-Stanga  | ''base + kp*(−pitch) + kr*roll''                   |
+| Fata-Dreapta | ''base + kp*(−pitch) + kr*(−roll)''                |
+| Spate-Stanga | ''base + kp*pitch    + kr*roll''                   |
+| Spate-Dreapta| ''base + kp*pitch    + kr*(−roll)''                |
+Semnalele sunt limitate (clamp) la intervalul [1000, 1500] µs pentru a nu depasi 50% din turatia maxima in aceasta faza de testare.
+**4. Failsafe**
+Daca unghiul de pitch sau roll depaseste 60°, sistemul intra in modul failsafe si trimite semnal de 1000 µs (oprire) tuturor motoarelor, prevenind un accident in caz de inclinare extrema.
+**5. Sincronizare non-blocking**
+Bucla principala ruleaza fara delay-uri blocante, folosind timestamp-uri (''millis()''):
+  * semnalele PWM catre ESC-uri sunt actualizate la **50 Hz** (la fiecare 20 ms)
+  * telemetria seriala (roll, pitch, semnale motoare) este afisata la **5 Hz** (la fiecare 200 ms)
+==== Surse si functii implementate ====
+  * ''spi_write(byte reg, byte data)'' — scrie un octet intr-un registru al IMU-ului prin SPI
+  * ''clip(float raw, float min, float max)'' — limiteaza o valoare in intervalul [min, max]
+  * ''setup()'' — initializeaza comunicatia SPI, scoate IMU-ul din sleep (''PWR_MGMT_1 = 0x00''), configureaza si armeaza cele 4 ESC-uri (semnal 1000 µs timp de 10 secunde pentru procedura de armare)
+  * ''loop()'' — bucla principala: citeste accelerometrul, calculeaza pitch/roll, calculeaza semnalele PWM pentru fiecare motor, scrie semnalele catre ESC-uri si afiseaza telemetria pe UART
+===== Rezultate Obţinute =====
+In urma dezvoltarii proiectului, zborul propriu-zis nu a putut fi testat din cauza defectarii a doi senzori cheie pe parcursul lucrarilor: senzorul de distanta VL53L0X (ToF) si senzorul de monitorizare a curentului INA226. Fara senzorul ToF, sistemul nu are informatie despre altitudine, deci nu poate stabiliza drona pe verticala. Fara INA226, nu exista protectie la supracurent in software.
+In schimb, a fost realizata si validata o **simulare de zbor pe banc**, in care drona este tinuta fixata si se testeaza raspunsul sistemului de control:
+  * Accelerometrul ICM-20602 citeste corect datele prin SPI si calculeaza unghiurile de pitch si roll in timp real
+  * La inclinarea manuala a placii (tilt), motoarele de pe partea ridicata cresc turatia, iar cele de pe partea coborata o reduc, ceea ce reprezinta comportamentul corect al unui controller proportional pentru stabilizare
+  * Mecanismul de failsafe functioneaza: la inclinari mai mari de 60° pe orice axa, toate motoarele sunt oprite imediat
+  * Semnalele PWM sunt generate stabil la 50 Hz catre toate cele 4 ESC-uri
+  * Telemetria seriala afiseaza in timp real valorile de roll, pitch si semnalele trimise fiecarui motor
+===== Concluzii =====
+Proiectul a demonstrat ca un controller proportional de baza pentru stabilizarea unei drone poate fi implementat si validat pe un microcontroller ESP-32, chiar si in absenta unui zbor real. Logica de control raspunde corect la variatiile de inclinare, ceea ce confirma ca arhitectura software este functionala.
+Principala lectie invatata este legata de robustetea hardware: senzorii periferici sunt vulnerabili in contextul unui sistem alimentat la 12V cu motoare BLDC, iar izolarea galvanica sau protectia la supratensiune pe liniile de semnal sunt necesare intr-o iteratie viitoare.
+Ca directii de continuare:
+  * Inlocuirea senzorilor defecti si validarea zborului real
+  * Adaugarea datelor de la giroscop (disponibil tot pe ICM-20602, neutilizat momentan) pentru un controller PID complet, care sa elimine deriva acumulata in timp ce apare la controlul bazat exclusiv pe accelerometru
+  * Implementarea controlului de altitudine pe baza senzorului ToF
+===== Download =====
+[[https://static.cristimacovei.dev/pm-musca.zip|pm-musca.zip]] — arhiva cu sursele firmware (''src/main.cpp'', ''platformio.ini'') si schemele hardware ale proiectului.
+===== Jurnal =====
+  * **Saptamana 1 (28 apr – 4 mai)**: Sosirea componentelor, documentare datasheet-uri, definirea arhitecturii generale a sistemului.
+  * **Saptamana 2 (5 – 11 mai)**: Primul test hardware: un motor conectat la un ESC, motorul a pornit si a raspuns corect la semnal PWM. Conectarea IMU-ului (ICM-20602) prin SPI, verificarea datelor brute prin monitor serial. Tentativa de conectare a senzorului ToF (VL53L0X) — defectat in urma unei conexiuni gresite de alimentare.
+  * **Saptamana 3 (12 – 18 mai)**: Montarea tuturor celor 4 motoare pe cadru. Conectarea ESC-urilor si a senzorului de curent INA226; sistemul functional, senzorul raporta date corecte. Defectarea INA226 prin descarcare electrostatica (ESD) la atingerea cu mana neizolata — codul aferent comentat. Dezvoltarea algoritmului de control proportional.
+  * **Saptamana 4 (19 – 25 mai)**: Implementarea failsafe-ului si a sincronizarii non-blocking. Teste de simulare pe banc: tilt al IMU-ului si observarea raspunsului diferentiat al motoarelor. Ajustarea gainurilor. Finalizare firmware si documentatie.
+===== Bibliografie/Resurse =====
+- datasheet motor A2212: [[https://cdn.robotshop.com/rbm/a00a7635-653b-4220-aac9-b0c23c5c5e2c/5/520795f9-301f-4e66-a0a3-019811d1f78b/222c434c_a2212-brushless-motor.pdf]]
+- datasheet accelerometru: [[https://bluerobotics.com/wp-content/uploads/2022/05/ICM20602-DATASHEET.pdf]]
+- datasheet senzor ToF: [[https://cdn-learn.adafruit.com/downloads/pdf/adafruit-vl53l0x-micro-lidar-distance-sensor-breakout.pdf]]