Stanford  APM:Plane  Overview  

Trent  Lukaczyk  April  7,  2014  

1  

The  Problem  

Fly  Autonomously  Airframe  Construc@on  

State  Es@ma@on  

Algorithm  Processing  

Control  Actua@on  

Ground  Monitoring  

2  

The  Components  

•  Autopilot  Unit  •  Wireless  Telemetry  

•  Remote  Control  Radio  

•  GPS  Radio  •  Compass  Magnetometer  

•  Airspeed  Sensor    •  BaKery  Monitor  

•  Servos,  ESC,  Motor  

3  

Autopilot  Unit  

•  Auto  Pilot  Module  (APM)    •  ArduPilot  Mega  (APM)  2.6  •  Based  on  Arduino    •  16MHz  Atmega2560  processor  •  16  MB  dataflash  memory    

~  2hours  of  logging    (download  oWen)  

•  Needs:  to  point  forward                              to  be  securely  aKached                              accelerometer  calibra@on  if  relocated  

4  

Wireless  Telemetry  

•  Wireless  Telemetry  •  915  MHz,  100mW  

•  Shares  a  “NetID”  •  “MAVLink  Protocol”  

5  

Wireless  Telemetry  

6  

USB  Micro  B  

USB  A  

DF13  6-­‐Pin  

DF13  5-­‐Pin  

DF13  Connectors  

7  

•  Pain  and  a  Half  to  use  •  Easy  to  break  •  But  small,  reconfigurable  

•  Be  careful  when  disconnec@ng!  

Can  shave  these  hooks  off  with  a  knife    

Can  add  hot  glue  at  the    wire-­‐connector  joint.  

Do  not  use  super  glue  here.  

LiC  this  lip  gently    with  a  screwdriver  

Radio  Control  Setup  

•  RC  TransmiKer,  2.4  GHz  •  “Binds”  with  Receiver  – Always  carry  the  bind  plug  

•  Four  axes  +  mode  switch  

•  Turn  on  first,  before  plane  

8  

Autopilot  Mode  Switch  

Radio  Control  

9  

3pin  Servo  Wires  x5  

Radio  Control  Setup  

10  

Autopilot  Mode  Switch  

The  order  of  these  vary  with  receiver  

Servo  Wires  

Mixing  up  signal  and  ground  can    fry  electronics  

Look  for  markings    like  this  -­‐    

11  

GPS  +  Compass  

•  1.57  GHz  GPS  radio  – 5Hz  posi@on  update  – Needs  clear  sight  of  sky  

•  Magnetometer  – Provides  heading  es@mate  – Needs  to  be  clear  of    high-­‐current  electronics  

– Needs:  to  point  forward                                    calibra@on  if  relocated  

12  

GPS  and  Compass  

13  

DF13  6pin  GPS   DF13  5pin  

DF13  4pin  MAG   DF13  4pin  

Remember  to  point  GPS  and  APM  forward  

Airspeed  Sensor  

•  Pitot  tube  measures  difference  in  “Sta@c”  and  “Total”  pressure,  which  is  related  to  airspeed.  

•  Airspeed  is  rela@ve  to  wind    – will  be  higher  or  lower  if  you  travel  against  or  with  the  wind  

14  

Airspeed  Sensor  

15  

Silcone  Tubing  

3pin  Servo  Wire  

A1  

Power  Module  

•  Records  current  and  voltage  from  baKery    •  Integrate  for  energy  usage,  and  baKery  level  •  Powers  APM,  Receiver,  Radios,  and  Servos  

16  

Lithium  Polymer  BaKeries  

•  3.7  Volts  per  Cell  •  Metrics:  – N-­‐Cells  (2S  =  2  Cells  =  7.4V)  – Capacity  (C  =  1100  mAh)  – Discharge  Rate  (25C  =  27.5A)  – Charge  Rate  (2C  =  2.2A)  

•  Can  catch  fire  or  leak  during  charging  – Always  be  present  during  charging  

•  Capacity  loss  or  Bricking  if  over-­‐discharged    –  i.e.  leaving  plugged  in  over  night  

17  

LiPo  Discharge  

•  LiPo’s  die  suddenly  around  3.4Volts/Cell  •  Be  ready  to  land  around  3.5Volt/Cell  

18  traxxas.com  

Higher  Current  

Speed  Controller  

•  Rated  by  Max  Current  and  Max  Voltage  •  Direct  Current  Power  in,  Three-­‐phase  Alterna@ng  Current  out  

•  “Opto”  vs  “BEC”  – BEC  can  power  RC  gear,  Opto  can’t  

19  

Brushless  Outrunner  Motor  

•  “Outrunner”  -­‐  magnets  rotate  around  stator  •  Rated  by  kV  =  no  load  rpm/V  – High  kV  =  fast  rpm,  low  torque  

– Low  kV  =  low  rpm,  high  torque  

•  Too  much  power  melts  windings,    burns  out  motor  

20  

Power  Electronics  Setup  

21  

DC  Power  

DC  Power  

3  Phase  AC  

DF13  6-­‐Pin  

Carbon  Folding  Props  

•  More  rigid,  more  efficient,  more  expensive    (vs  plas@c  props)  

•  More  dangerous  –  they  are  spinning  knives  

•  Spinner  cap  lets  them  fold  on  landing,  or  if  motor  braking  is  on  (more  efficient  glide)  

22  

Servos  

•  Drive  Motor    +  Rota@on  Sensor    +  PID  Control  board          …  in  8-­‐grams  

•  Forcing  the  control  arms    by  hand  wrecks  gears  

23  

www.twf8.ws  

Servo  Setup  

24  

Ailerons  

Elevator   Rudder  

ThroQle  

Servo  Wire  “Y”  

3pin  Servo  Wires  

The  Components  

•  Autopilot  Unit  •  Wireless  Telemetry  

•  Remote  Control  Radio  

•  GPS  Radio  •  Compass  Magnetometer  

•  Airspeed  Sensor    •  BaKery  Monitor  

•  Servos,  ESC,  Motor  

25  

Telemetry  Ploqng  

•  Two  types  of  logs    – Telemetry  log  

– Dataflash  log  •  store  at  higher  log-­‐rates  •  Download  from  APM  over  USB  Cable  

•  Mission  Planner  can  dump  matlab  data  files  

26  

The  Problem  

Fly  Autonomously  Airframe  Construc@on  

State  Es@ma@on  

Algorithm  Processing  

Control  Actua@on  

Ground  Monitoring  

27  

Resources  

•  FliteTest:  youtube  channel  •  DIY  Drones:  forum  

•  RC  groups:  forum  

•  GrabCAD:  community  CAD  models  

•  3DRoboVcs:  Store  and  Manuals  

•  GitHub:  Stanford_ArduPlane  Code  

28