В статье рассмотрены электронные компоненты для метеорологического БПЛА, приведены их назначения и некоторые технические характеристики.
Ключевые слова: БПЛА, датчик, микроконтроллер, интерфейс, погода, модуль.
Прогнозирование погоды очень важно на сегодняшний день. Погода вносит коррективы в работу многих областей деятельности человека (и это не только транспорт). Ущерб от природных катаклизмов с развитием и удорожанием технологий год от года растет. Исходя из этого, требования к точности прогнозов повышаются.
Для повышения качества прогнозов следует увеличивать количество точек фиксации метеоданных. Строит и обслуживать метеостанции в большом количестве, тем более в труднодоступных районах, экономически дорого. К тому же необходимо получать данные с разных высот. Раньше такие данные получали с помощью метеозондов, которые дрейфуют где-то вдали от метеостанции, обратно не возвращаются, и, достигая определенной высоты, шары лопаются и приборы падают на землю. Беспилотники имеют ключевое преимущество перед метеозондами, поскольку ими можно управлять на малых и больших высотах, с помощью них можно увеличить частоту и расширить зону измерений.
Ниже представлены электронные компоненты для метеорологического БПЛА исключая системы энергопитания, управления двигателями и передача видео (при необходимости). Микроконтроллер с достаточными функциональными возможностями может взять управление/обслуживание всех компонентов БПЛА в том числе энергопитание и управление двигателями. Как правило видео передается отдельным каналом.
Zigbee-модуль . Технология связи Zigbee обладает определенными преимуществами: уровень безопасности соединения; большие расстояния передачи данных; низкое энергопотребление и возможность работы в условиях сильного помехозащищенного радиошума.
Модуль беспроводной последовательной связи DL-20 TTL ZigBee представляет собой полнодуплексный беспроводной модуль передачи данных с портом UART, работающий в общедоступном диапазоне частот 2400–2450 МГц. Модуль использует чип CC2530. Легко подключается к микроконтроллеру.
Рис. 1. Модуль DL-20 TTL ZigBee
СВЧ-усилитель. Для увеличения расстояния связи дрона с пользователем можно применить СВЧ-усилитель.HMC451LP3E — это эффективный усилительсредней мощности на арсенид-галлиевых полупроводниковых структурах. Работая в диапазоне от 5 до 18 ГГц, усилитель обеспечивает 18 дБ усиления. Соответствует RoHS.
Рис. 2. Внешний вид СВЧ-модуля на HMC451LP3E
Усилитель не требует внешних компонентов и имеет один номинал энергопитания в +5 В.
Датчик атмосферного давления SMD500 . Является миниатюрным датчиком с диапазоном измерения атмосферного давления 300–1100 гПа (225–825 мм рт. ст.). При разработке датчиков использована APSM технология (Advanced Porous Silicon Membrane), которая позволяет добиться более компактных габаритных размеров по сравнению с обычными технологиями производства датчиков давления.
Рис. 3. Датчик SMD500
Двухпроводной интерфейс I2C делает подключение датчика к микроконтроллеру быстрым и удобным.
Датчики SMD500 разработаны по пьезорезистивной технологии, они имеют малые электромагнитные помехи, высокую точность и линейность, а также долгий срок службы.
Рис. 4. Подключение датчика к микроконтроллеру
Датчик влажности и температуры HIH-6130. В основе датчика лежит емкостный полимерный сенсор, не чувствительный к конденсации влаги, пыли, грязи и многим химическим веществам. Диапазон измерения влажности от 0 до 100 %RH, а температуры от -25 до 85 °C с точностью не хуже ± 5 %. Имеются модификации как с интерфейсом I2C, так и с интерфейсом SPI. Подключение по шине I2C аналогично показанному на рисунке 4.
Рис. 5. Датчик HIH-6130
Датчик магнитного поля MMC5603NJ. Однокристальный интегрированный трехосевой датчик имеет миниатюрные размеры0.8x0.8x0.4 мм. Устройство можно подключать напрямую к микроконтроллеру по интерфейсам I2C/I3C, устраняя необходимость в АЦП или в схемах синхронизации.
Рис. 6. Датчик MMC5603NJ
Датчик измеряет магнитное поле в диапазоне полной шкалы ±30 Гс (G) с разрешением до 0,0625 мГс на LSB в 20-битном режиме работы. Температурный дрейф MMC5603NJ составляет всего ±0,01 мкТл/℃, что намного ниже, чем у аналогичных продуктов конкурентов. Таким образом, MMC5603NJ может поддерживать постоянную точность измерений и стабильную и надежную работу в различных суровых условиях от -40 до +50°.
Аннемометр. CG-Anem — универсальный анемометр модульного формфактора. В качестве чувствительного элемента в модуле используется NTC- термисторы, применяемые в широком диапазоне промышленных устройств.
Рис. 7. Датчик скорости потока воздуха CG-Anem
Устройство поддерживает измерение и расчет скорости воздушного потока с использованием трех различных диапазонов нагрева, в зависимости от скорости потока. Также модуль измеряет температуру воздуха. Измерение температуры, алгоритмы расчета и передача данных по I2C с частотой работы шины до 200 кГц реализованы на установленном на плате микроконтроллере Atmega8. В целях повышения энергоэффективности модуль может быть переведен в режим глубокого сна. Обеспечена возможность получать по I2C текущее состояние устройства, что позволяет определить неисправность при работе модуля.
Расчет скорости потока выполняется путем преобразования разности температур горячего и холодного концов термоанемометра. Для расчета температуры окружающего воздуха применяется уравнение Стейнхарта — Харта:
где T — температура в кельвинах;
R — сопротивление терморезистора;
A,B,C — коэффициенты Харта.
При установке датчика на БПЛА следует предпринять меры по устранению воздушного потока от винтов на сам датчик (экранирование винтов, помещение датчика в трубу).
Модуль GNNS . С выходом спутниковой навигации на потребительский рынок стало актуальным использование нескольких систем в одном устройстве. UM620N — это двухчастотный навигационный модуль GNSS, разработанный компанией Unicore Communications для применения в автотранспорте, дронах, робототехнике, поддерживает мультисистемное двухчастотное совместное позиционирование или односистемное автономное, обеспечивая высокую точность позиционирования даже в сложных условиях, таких как многолучевое окружение, или погодные плохие условия, приводящие, например, к сильной рефракции радиосигналов. Модуль имеет размеры 16.0 x 12.2 x 2.4 мм.
Рис. 8. Модуль GNNS UM620N
Для подключения к микроконтроллеру имеются несколько наиболее применяемых портов.
Рис. 9. Структура модуля GNNS UM620N.
Литература:
- Датчики: справочное пособие / В. М. Шарапов, Е. С. Полищук, Н. Д. Кошевой, Г. Г. Ишанин. — Москва: Техносфера, 2012. — 624 с.
- Шаошань, Л. Разработка беспилотных транспортных средств / Л. Шаошань; научный редактор В. С. Яценков; перевод с английского П. М. Бомбаковой. — Москва: ДМК Пресс, 2021. — 246 с.
- Беспилотные летательные аппараты: учебное пособие / С. Н. Денисенко, А. Ю. Смирнов, А. М. Хрусталев, И. Г. Штеренберг. — Санкт-Петербург: СПбГТИ (ТУ), 2023. — 115 с.
- Алла Кулюшина, А. Н. Беспилотники и погода / а.н. кулюшина // Компания « MicroStep-MIS »: сайт . URL: https://www.microstep-mis.ru/web/about-us?tab=Cooperation (дата обращения: 25.10.2024). — Режим доступа: свободный.
