Download Institutionen för systemteknik Department of Electrical Engineering Konstruering och implementation av

Institutionen för systemteknik
Department of Electrical Engineering
Examensarbete
Konstruering och implementation av
kollisionsvarningsljus för UAS
Examensarbete utfört i Elektronik
vid Tekniska högskolan vid Linköpings universitet
av
Oscar Eriksson och Sebastian Strömberg
LiTH-ISY-EX-ET–15/0446–SE
Linköping 2015
Department of Electrical Engineering
Linköpings universitet
SE-581 83 Linköping, Sweden
Linköpings tekniska högskola
Linköpings universitet
581 83 Linköping
Konstruering och implementation av
kollisionsvarningsljus för UAS
Examensarbete utfört i Elektronik
vid Tekniska högskolan vid Linköpings universitet
av
Oscar Eriksson och Sebastian Strömberg
LiTH-ISY-EX-ET–15/0446–SE
Handledare:
Peter Johansson
isy, Linköpings universitet
Patric Rydberg
Etteplan
Examinator:
Michael Josefsson
isy, Linköpings universitet
Linköping, 6 september 2015
Avdelning, Institution
Division, Department
Datum
Date
Avdelningen för Elektronik
Department of Electrical Engineering
SE-581 83 Linköping
2015-09-06
Språk
Language
Rapporttyp
Report category
ISBN
Svenska/Swedish
Licentiatavhandling
ISRN
Engelska/English
Examensarbete
C-uppsats
D-uppsats
—
LiTH-ISY-EX-ET–15/0446–SE
Serietitel och serienummer
Title of series, numbering
Övrig rapport
ISSN
—
URL för elektronisk version
http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:liu:diva-XXXXX
Titel
Title
Konstruering och implementation av kollisionsvarningsljus för UAS
Författare
Author
Oscar Eriksson och Sebastian Strömberg
Construction and implementation of anti-collision light for UAS
Sammanfattning
Abstract
Syftet med detta examensarbete har varit att konstruera ett kollisionsvarningsljus till en
drönare åt Etteplan Industry AB. Företaget använder denna för att utföra tjänster åt olika
företag så som flygfotografering och 3D-modelleringar.
Svårigheterna i detta arbete har legat i bristen på plats och vikt samt att hålla effektförbrukningen så låg som möjligt för att inte påverka flygtiden för mycket. Samtidigt finns en
hel del krav från luftfartsorgan på hur ett kollisionsvarningsljus ska konstrueras.
Mycket fokus har legat på att testa och välja ut de LEDs med så mycket lumens/watt
som möjligt utan att överskrida de riktlinjer som fanns angående effektförbrukning och vikt.
För att åstadkomma detta har strömsnåla komponenter använts samtidigt som ett PCB
har designats så litet som möjligt.
Produkten har uppfyllt de krav som ställts, även om de resulterande strömmarna inte
riktigt blev enligt förväntan på grund av olika faktorer. Produkten har ännu inte testats i
luften på grund av att företages UAS varit ute på uppdrag men i slutändan blev ändå alla
parter nöjda med resultatet.
Nyckelord
Keywords
UAS, kollisionsvarningsljus, LED, eBee
Sammanfattning
Syftet med detta examensarbete har varit att konstruera ett kollisionsvarningsljus till en drönare åt Etteplan Industry AB. Företaget använder denna för att
utföra tjänster åt olika företag så som flygfotografering och 3D-modelleringar.
Svårigheterna i detta arbete har legat i bristen på plats och vikt samt att hålla
effektförbrukningen så låg som möjligt för att inte påverka flygtiden för mycket.
Samtidigt finns en hel del krav från luftfartsorgan på hur ett kollisionsvarningsljus ska konstrueras.
Mycket fokus har legat på att testa och välja ut de LEDs med så mycket lumens/watt som möjligt utan att överskrida de riktlinjer som fanns angående effektförbrukning och vikt.
För att åstadkomma detta har strömsnåla komponenter använts samtidigt
som ett PCB har designats så litet som möjligt.
Produkten har uppfyllt de krav som ställts, även om de resulterande strömmarna inte riktigt blev enligt förväntan på grund av olika faktorer. Produkten
har ännu inte testats i luften på grund av att företages UAS varit ute på uppdrag
men i slutändan blev ändå alla parter nöjda med resultatet.
iii
Abstract
The main purpose of this thesis has been to develop an anti-collision light for
a UAS to Etteplan Industry AB. The company is using this machine to generate
high altitude pictures and making 3D models.
The challenge in this work has been the lack of space and weight as well as
keeping the power consumption as low as possible to avoid affecting the flight
time. There is also a lot of rules from different aviation organisations regarding
how a anti-collision light is supposed to be constructed.
A lot of focus has been on testing and choosing LEDs with as much lumens/watt
as possible without exceeding the guidelines regarding power consumption and
weight.
To accomplish this components with low power consumption has been used
and a PCB has been designed as small as possible.
The product has fullfilled the rules even if the resulting currents was smaller
than expected. The product is yet to be tested on the UAS, but in the end everyone
was satisfied with the result.
v
Tack
Vi vill passa på att tacka Etteplan Industry AB för möjligheten att utföra detta
arbete. Vi vill speciellt tacka Erica Dahlberg, Johan Moleklint, Patric Rydberg
och Anders Olofsson för en rolig och lärorik tid.
Vi vill även passa på att tacka vår handledare Peter Johansson och examinator
Michael Josefsson vid Linköpings Universitet.
Linköping, September 2015
Oscar Eriksson och Sebastian Strömberg
vii
Innehåll
Figurer
xi
Tabeller
xiii
Notation
xv
1 Introduktion
1.1 Motivering . .
1.2 Syfte . . . . . .
1.3 Frågeställning
1.4 Avgränsningar
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
2 Bakgrund
1
1
2
2
2
3
3 Teori
3.1 Light-Emitting Diodes . . . . . . . . .
3.2 Ljusintensitet . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Candela och Lumen . . . . . . .
3.3 Kromaticitet och färgtemperatur . . .
3.3.1 Tristimulusvärden . . . . . . . .
3.3.2 Kromaticitetsdiagram . . . . . .
3.3.3 Färgtemperatur . . . . . . . . .
3.4 Kollisionsvarningsljus civila luftfartyg
3.5 Litium-Polymer-Batterier . . . . . . . .
3.6 Step-up-omvandling . . . . . . . . . .
3.7 Atmel AVR . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7.1 ATtiny85 . . . . . . . . . . . . .
3.7.2 In-System Programming (ISP) .
3.8 Mönsterkort . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
5
5
6
6
7
7
8
8
9
11
12
13
13
14
14
4 Metod
4.1 Förstudie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1 Slutsats angående regelverk . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
17
18
ix
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
x
Innehåll
4.2 Inledande LED-testning . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 LED 1 – Svagast . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 LED 2 – Medel . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3 LED 3 – Starkast . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.4 Sammanfattning av test . . . . . . . . . . . .
4.3 Strömförsörjning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1 Enkel lösning med seriemotstånd . . . . . . .
4.3.2 Kondensatorer och step-up-omvandlare . . .
4.3.3 Enklare lösning med hänsyn till strömspikar
4.4 Blixtegenskaper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1 Multi-flash . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.2 Test-riggen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.3 Problemen vid fulladdat batteri . . . . . . . .
4.4.4 Uträkningar av blixttid . . . . . . . . . . . . .
4.4.5 Spänningsdelningen . . . . . . . . . . . . . .
4.5 Val av komponenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.1 ISP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6 Design av PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7 Placering av LED på eBeen . . . . . . . . . . . . . . .
5 Resultat
5.1 Hårdvara . . . . . . . . . . .
5.2 LED-fästen . . . . . . . . . .
5.3 Batteriet . . . . . . . . . . .
5.4 Slutliga produkten . . . . . .
5.5 Tester på slutliga produkten
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
18
19
19
19
20
20
21
23
23
25
25
25
27
28
29
30
33
33
35
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
39
39
39
41
41
42
6 Avslutande kommentarer
45
A Färdigt PCB
49
B Kod
53
Litteraturförteckning
57
Figurer
2.1 eBee SenseFly. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
6
7
7
9
3.6
3.7
3.8
3.9
Energieffektivitet hos olika ljuskällor. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Candela anger ljusintensiteten i en given riktning. . . . . . . . . .
Lumen anger ljusflödet i alla riktningar. . . . . . . . . . . . . . . .
Kromaticitetsdiagram med strålningskurva för färgtemperaturer. .
Betraktningsvinklar på farkosten sedd framifrån där 0° motsvarar
horisontalplanet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Typisk urladdningskurva för ett LiPo-batteri. . . . . . . . . . . . .
Spänningsomvandlare av typen step-up. . . . . . . . . . . . . . . .
Pinout ATtiny85. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Koppling mellan PC, ISP och AVR. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1 Schema över LED-testmodulen (bilden syftar endast till att ge förståelse och överensstämmer inte med verkligheten till fullo). . . .
4.2 Exempel på hur ljus ser ut vid olika färgtemperaturer. . . . . . . .
4.3 Vinklade LEDs för en spridningsvinkel på 180°. . . . . . . . . . . .
4.4 Planerad krets för MTG2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5 Kurva över ström/spännings-förbrukning för LED MT-G2. [14] . .
4.6 Förhållandet mellan ljusstyrka och strömförbrukning för LED MTG2. [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7 Kurva över ström/spännings-förbrukning för LED XM-L2.[15] . .
4.8 Förhållandet mellan ljusstyrka och strömförbrukning för LED XML2.[15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.9 Uppkoppling av test-rigg för single/multi-flash. . . . . . . . . . . .
4.10 Överblick signaler för single/multi-flash. . . . . . . . . . . . . . .
4.11 Spänningsdelning till ATtinyn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.12 Placering av LED på eBee. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.13 Transistors drain current i förhållande till gatespänning.[16] . . .
4.14 Spänningsregularor LM3480IM3-5.0 med kondensatorer på in- och
utgång. [17] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.15 PCB-placering på eBee. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.16 Utformning av kretskort i batterifack. . . . . . . . . . . . . . . . .
4.17 Färdig PCB-layout. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.18 LED-fäste före utskrift med 3D-skrivare. . . . . . . . . . . . . . .
xi
10
12
13
14
14
19
20
21
21
22
22
24
24
26
26
30
31
32
32
34
34
35
36
xii
FIGURER
4.19 Fästpunkten som satt i ryggen på fästet. . . . . . . . . . . . . . . .
4.20 Undersidan på XM-L2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
37
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
.
.
.
.
.
.
.
39
40
40
41
42
43
43
A.1 PCB-layout med matningsplan, jordplan, footprints samt ledningar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A.2 Det slutliga kretsschemat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
51
Kretskort med monterade komponenter. . . . . .
De 3D-skrivna fästena. . . . . . . . . . . . . . . .
Kretskortet och färdiga fästen att sätta på eBeen.
Batteri med fastlödd kontakt och motstånd. . . .
Färdiga produkten monterad på eBeen. . . . . .
Pulser vid ett nästan fullt laddat batteri. . . . . .
Pulser vid batteriets nominella spänning 11.1 V.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Tabeller
3.1 Betraktningsvinklar i förhållande till effektiv ljusintensitet angivet
i candela där 0° representerar horisontalplanet. . . . . . . . . . . .
10
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
18
23
28
29
30
LED för testning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Egenskaper för XLamp XM-L2.[15] . . . . . . . . .
Samtliga värden med uträknad momentan effekt. .
Samtliga värden med uträknad momentan effekt. .
Digitala representation av inlästa analoga värden. .
xiii
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Notation
Några enheter
Förkortning
W
V
A
lm
cd
K
Betydelse
Watt
Volt
Ampere
Lumen
Candela
Kelvin
Förkortningar
Förkortning
uas
uav
icao
faa
easa
led
pcb
cad
pwm
cpu
risc
eeprom
sram
isp
gnd
Betydelse
Unmanned Aircraft System(s)
Unmanned Aerial Vehicle
International Civil Aviation Organization
Federal Aviation Administration
European Aviation Safety Agency
Light Emitting Diode
Printed Circuit Board
Computer Aided Design
Pulse Width Modulation
Central Processing Unit
Reduced Instruction Set Computing
Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
Static Random-Access Memory
In-System Programming
Ground
xv
1
Introduktion
1.1
Motivering
Användandet av obemannade flygfarkoster, eller UASs, har ökat kraftigt de senaste åren. I och med att ökningen sker i denna kraftiga takt har inte regelverk och
bestämmelser kring användningen hunnit fastställas. Man har i dagsläget svårt
att avgöra hur användandet ska regleras, och diskussioner och debatter kring detta pågår ständigt. Svårigheterna ligger i att man vill kontrollera det internationella luftrummet samtidigt som man inte vill begränsa utvecklingen av ny teknik.
De få regler, eller snarare riktlinjer, som idag finns på Transportstyrelsens
hemsida säger att flygningen ska ske på sådan höjd att luftfartyget är väl inom
synhåll för piloten på marken. Enligt Transportstyrelsen innebär inom synhåll:
Maximalt avstånd mellan piloten och luftfartyget inom vilket luftfartygets
position och färdriktning hela tiden kan observeras visuellt utan kamera,
kikare eller andra hjälpmedel, samt det avstånd där luftfartyget säkert kan
manövreras på så sätt att kollision med andra luftfartyg i luften och personer eller egendom på marken kan undvikas. Med andra hjälpmedel menas
i det här fallet inte glasögon eller kontaktlinser avsedda för korrektion av
nedsatt syn.
Som riktlinjer rekommenderar de att det maximala avståndet mellan farkost
och användare inte bör överstiga 500 meter i sidled och är begränsat till 120
meter i höjdled, såvida man inte har tillstånd från Transportstyrelsen. [1]
1
2
1
1.2
Introduktion
Syfte
Detta arbete är tänkt att utöka det visuella avståndet mellan UAS och användaren,
utan hjälp av visuella medel. För att lyckas med detta ska ett kollisionsvarningsljus tas fram som användaren enkelt kan montera på sin UAS. Svårigheterna i
detta ligger i att påverka vikt och strömförbrukning så lite som möjligt. Ljuset
får inte heller påverka eventuella bilder som drönaren ska ta.
1.3
Frågeställning
• Är det möjligt att konstruera ett kollisionsvarningsljus som kan drivas av
eBeens befintliga batteri, och som ändå uppfyller alla luftfartsregler?
• Hur kan applikationen på bästa sätt optimeras med hänsyn till ljusstyrka,
energieffektivitet och vikt?
• Hur bör kollisionsvarningsljuset placeras för att få så stor spridning som
möjligt?
1.4
Avgränsningar
Arbetet kommer enbart behandla UAS klass 1A, vilket enligt Transportstyrelsen
[1] innebär att
• luftfartygets maximala startvikt ska vara mindre eller lika med 1,5 kg.
• luftfartyget utvecklar en maximal kinetisk energi på högst 150 J.
• luftfartyget enbart flygs inom synhåll för piloten.
De lösningar som arbetet kommer leda till, kommer främst vara anpassade
för modell eBee från SenseFly. Arbetet syftar inte till att uppfylla alla de krav
och regelverk som rör mörkerflygning då flygning endast kommer att ske under
dagtid i detta fall. Regelverk gällande mörkerflygning kommer dock att användas som riktlinjer under arbetets gång.
Då kraven på vikt och energieffiktivitet är höga kommer detta arbete endast
fokusera på lösningar med LED-teknik som ljuskälla.
2
Bakgrund
Etteplan, företaget som examensarbetet kommer utföras åt, använder idag en
UAS för att utföra tjänster åt olika företag så som flygfotografering och
3D-modelleringar. Farkosten som används är ett UAS, klass 1A (se avsnitt 1.4),
av modellen eBee senseFly1 (se figur 2.1). Företaget har på grund av de diffusa reglerna önskat ett ljus som ska underlätta identifiering av flygfarkosten vid
flygning, samtidigt som det ska fungera som ett kollisionsvarningsljus.
Figur 2.1: eBee SenseFly.
1 https://www.sensefly.com/drones/ebee.html
3
3
Teori
En obemannad flygfarkost är en farkost utan pilot och besättning ombord. Istället
styrs den antingen via kontroll (t.ex. via en användare på marken) eller autonomt
baserat på förprogrammerad kod. Farkosten har dock många olika namn som lätt
kan skapa förvirring. I media används idag mest benämningen drönare. Då ordet
drönare ofta tyvärr kopplas till militära sammanhang i krig, föredrar förespråkare av branschen istället en mer beskrivande term, UAV. UAV och drönare anses
vara synonyma, även om många inte håller med. [2]
En UAS skiljer sig däremot från båda dessa benämningar. Istället för att bara
beskriva farkosten, är UAS en omfattande beskrivning av farkosten, kontrollen
från marken samt kommunikationssystemet som förbinder de båda. Av denna
anledning kommer vi i denna rapport kalla farkosten för UAS. [3]
3.1
Light-Emitting Diodes
Dioden är en elektrisk komponent som idealt leder ström i endast en riktning.
Ström kan bara gå från anod (pluspol) till katod (minuspol), men inte tvärtom.
Detta fungerar genom att man kombinerar två halvledare, en som driver ström
med hjälp av elektroner, och en som driver elektroner med hjälp av hål (eller
bristen av elektroner). Elektronerna kommer försöka fylla hålen, men om man
tillför spänning i rätt riktning säkerställs en konstant tillförsel av hål och elektroner, och elektricitet kommer ledas genom dioden. Elektronerna och hålen har
olika energier, så när elektronerna kombineras med hål frigör de energi. För de
flesta dioder innebär detta att energin värmer upp dioden. Genom att justera de
typer och egenskaper hos halvledarna som bildar dioderna kan man även justera
energiskillnaden. Om denna skillnad motsvarar energin av en ljusfoton kommer
energin avges i form av ljus. [4]
Så länge ljuskällan inte används som värmare är alltså värmeutvecklingen i
5
6
3
Teori
vanliga dioder bortkastad energi. LEDs genererar väldigt mycket mindre värme
än glödlampor och största delen av elektriciteten genererar istället ljus. I figur 3.1
visas exempel på hur energieffektiva olika ljuskällor är, där lumens motsvarar
ljusintensiteten (förklaras i avsnitt 3.2).
Om en LED blir för varm kommer den till slut gå sönder. För att förhindra detta kan en metallplatta användas för att leda bort värmen. En sådan metallplatta
kallas för kylfläns och tillverkas ofta i koppar eller aluminium, då dessa metaller
leder värme bra.
Figur 3.1: Energieffektivitet hos olika ljuskällor.
3.2
Ljusintensitet
Ljusintensitet (Iv ) mäts i candela (cd) och definieras som ljusstyrkan från en ljuskälla i en given riktning. Ljusintensiteten kan härledas från ljusflödet (φ) angivet
i lumen dividerat med ljusets spridning (ω) angivet i steradianer (sr) enligt 3.1.
φ
(3.1)
ω
Vid mätning av ljusflödet mäts enbart visuellt ljus, med andra ord inte all
elektromagnetisk strålning utan endast ljus som det mänskliga ögat kan uppfatta.[5]
Iv =
3.2.1
Candela och Lumen
Som beskrivet ovan anger candela ljusintensiteten i en given rikting som i figur 3.2. Lumen anger istället ljusets flöde i alla riktningar likt figur 3.3. Detta
är viktigt att ha detta i åtanke när man ser på hur ljust en ljuskälla lyser.
3.3
Kromaticitet och färgtemperatur
7
Figur 3.2: Candela anger ljusintensiteten i en given riktning.
Figur 3.3: Lumen anger ljusflödet i alla riktningar.
3.3
Kromaticitet och färgtemperatur
På grund av att färger kan uppfattas olika från person till person finns det standardiserade metoder att mäta färg på. Dessa metoder är standardiserade av CIE
(Commission Internationale de l’Eclairage) och går ut på att en färg kan beskrivas genom en färgmatchningsfunktion och som koordinater i ett kromaticitetsdiagram. Värt att notera är att det finns olika versioner av både kromaticitetsdiagram och färgmatchningsfunktioner då standarder har ändrats och förbättrats
genom åren. [12]
3.3.1
Tristimulusvärden
Färgmatchningsfunktionerna x̄(λ), ȳ(λ) och z̄(λ) representerar ögats trikromatiska färgseende, med andra ord ögats förmåga att bryta ner färger i tre specifika
våglängder. En för blått, en för rött och en för grönt. För en färg med effektspektraltätheten P (λ) gäller samband 3.2.
8
3
Teori
Z
X=
x̄(λ)P (λ)dλ
λ
Z
Y =
ȳ(λ)P (λ)dλ
λ
Z
Z=
z̄(λ)P (λ)dλ
(3.2)
λ
X, Y och Z är de tristimulusvärden som ger effekten i vart och ett av de tre
primära röda, gröna och blå ljuskällor som behövs för att matcha färgen P (λ).
[12]
3.3.2
Kromaticitetsdiagram
En ljuskällas x- och y-koordinater i kromaticitetsdiagrammet beräknas med tristimulusvärdena enligt 3.3.
X
X+Y +Z
Y
y=
X+Y +Z
x=
(3.3)
Ljuskällans z-koordinatvärde kan fås från x- och y-koordinaterna enligt 3.4.
Z-värdet innehåller därav ingen ny information och blir överflödigt i sammanhanget. [12]
z=
Z
=1−z−y
X+Y +Z
z,Z
(3.4)
Figur 3.4 visar hur ett kromaticitetsdiagram med x och y-axlar kan se ut.
3.3.3
Färgtemperatur
Färgtemperatur används för att beskriva vilken färgton ett vitt ljus har. För att
avgöra ett ljus’ temperatur (anges i Kelvin) utsätts en svartkropp för bestrålning
från den ljuskälla tänkt att mätas. Energin som svartkroppen utsänder under
strålningen av ljuset fås av Plancks strålningslag enligt 3.5.
I(λ) =
2hc2
i
hc
λ5 exp λkT
−1
h
(3.5)
Här representerar h Plancks konstant, c ljusets hastighet, T temperaturen och k
Boltzmanns konstant. Vid låga temperaturer på ca 3000 K utsänder svartkroppen till största del infraröd strålning och synligt ljus i en röd nyans. När temperaturen ökar, ökar också det för människan synliga ljuset och färgen går mot en
3.4
Kollisionsvarningsljus civila luftfartyg
9
blåare nyans. I figur 3.4 kan man se de olika färgtemperaturernas placering i ett
kromaticitetsdiagram i form av en strålningskurva.[12]
Figur 3.4: Kromaticitetsdiagram med strålningskurva för färgtemperaturer.
3.4
Kollisionsvarningsljus civila luftfartyg
Ett flygplan ska enligt §25.1401 [13] ha ett kollisionsvarningsljus som
1. består av ett eller flera godkända antikollisionsljus placerade så att ljuset
inte stör besättningens syn eller försämrar synligheten för positionsljusen.
2. uppfyller följande krav:
• Täckningsområdet. Systemet måste belysa planets viktigaste områden. Täckningsområdet måste sträcka sig 75° över och 75° under planets horisontal.
• Blixtegenskaper. Systemet ska ge en blixtfrekvens på minst 40 och
maximalt 100 blixtar/minut.
• Färg. Ska vara antingen röd eller vit enligt följande kromaticitetskoordinater:
- Aviation red
‘y’ är inte större än 0.335 och
‘z’ är inte större än 0.002.
10
3
Teori
- Aviation white
‘x’ är inte mindre än 0.300 och inte större än 0.540;
‘y’ är inte mindre än ‘x–0.040’ eller ‘y0 –0.010’, beroende på vilket som
är minst; och
‘y’ är inte större än ‘x+0.020’ eller ‘0.636–0.400x’;
Där ‘y0 ’ är ‘y’-koordinaten för Plancks strålningskurva med värdet på
‘x’ i beaktning.
3. Ljusintensitet. Kollisionsvarningsljusets intensitetsminimum uttryckt i effektiv intensitet måste uppfylla kraven i tabell 3.1. Följande samband måste
antas:
R t2
I(t)dt
t1
(3.6)
Ie =
0.2 + (t2 − t1 )
där Ie = effektiv intensitet (candela), I(t) = momentana intensiteten som
funktion av tid och t2 –t1 = tidsintervall för blixt (sekunder).
Betraktningsvinkel
0° till 5°
5° till 10°
10° till 20°
20° till 30°
30° till 75°
Intensitet
400 cd
240 cd
80 cd
40 cd
20 cd
Tabell 3.1: Betraktningsvinklar i förhållande till effektiv ljusintensitet angivet i candela där 0° representerar horisontalplanet.
I figur 3.5 förtydligas vad betraktningsvinklarna innebär.
Figur 3.5: Betraktningsvinklar på farkosten sedd framifrån där 0° motsvarar
horisontalplanet.
3.5
Litium-Polymer-Batterier
11
Den effektiva ljusintensiteten bestäms enligt Blondel-Reys formel (se ekvation
3.6). Denna metod är i grunden avsedd för kollisionsvarningsljus med roterande
varningsljus eller system som använder xenon-teknik. Vid användning av LEDteknik används ofta olika pulslängder, pulsformer och grupperingar av pulser
för att generera de intensitet- och blixtegenskaper som krävs enligt §25.1401. Då
dessa pulser inte är kontinuerliga, går det inte att ange blixtens tidsintervall (t2 −
t1 ) i Blondel-Reys formel. Av denna anledning kan formeln anses vara olämplig
för att bestämma den effektiva ljusintensiteten för ett kollisionsvarningsljus med
LED-teknologi. [6]
Detta faktum är något man bör ta i beaktan även om dessa regelverk endast
används som riktlinjer i detta arbete.
3.5
Litium-Polymer-Batterier
Ett litium-polymerbatteri (Li-Po-batteri) är uppbyggt av ett antal celler med en
nominell spänning på 3.7 V. Antalet celler ett Li-Po-batteri har beror av hur stort
batteriets totala spänning avses att vara. Till exempel består ett Li-Po-batteri med
en total nominell utspänning på 11.1 V av 3 st seriekopplade 3.7 V celler (3.7V ×
3 = 11.1V ). På grund av Li-Po-batteriets kemiska sammansättning kan batteriet
vara farligt om man hanterar det fel. Stötar, punktering, överladdnig eller för
kraftig urladdning kan resultera i brand. [7]
Fördelen med Li-Po-batterier är bland annat deras förmåga att leverera höga
strömmar. Li-Po-batteriets C-märkning, eller C rating, anger batteriets laddning
eller urladdningskapacitet. Denna innebär att batteriet säkert kan leverera strömnivåer beräknat genom C-märkningens värde multiplicerat med batteriets amperetimmar som i 3.7. I dagens Li-Po-batterier är det inte ovanligt att C-märkningen
har så pass höga värden som 90 C. I ekvation 3.7 ser vi ett Li-Po-batteri med en
urladdningskapacitet på 30 C och angivna amperetimmar på 3800 mAh, detta
innebär i exempelbatteriets fall att strömmar upp mot 114 A kan levereras.
30 C × 3800 mAh = 114 Ah
(3.7)
Moderna Li-Po-batterier har även ofta en så kallad burst capacity rating som
anger den maximala strömmen batteriet kan leverera momentant i perioder om
maximalt 10 sekunder. I ekvation 3.8 ser vi hur ett batteri med en burst rating på
40 C och antalet angivna amperetimmar på 3800 mAh momentant kan leverera
152 A.
40 C × 3800 mAh = 152 Ah
(3.8)
Detta gör Li-Po-batterier mycket användbara när effektkrävande elmotorer
ska drivas, såsom motorn på en UAS. På grund av att urladdning av batteriets
celler inte får ske under en viss spänningsnivå för att inte riskera permanenta
skador på batteriet är det viktigt att spänningsnivån i cellerna hålls under uppsikt vid användning.[7]
12
3
Teori
Figur 3.6: Typisk urladdningskurva för ett LiPo-batteri.
Figur 3.6 visar hur en typisk urladdningskurva för ett Li-Po-batteri kan se
ut. Även vid laddning av batteriet är det viktigt att cellerna övervakas så att inte
spänningen överstiger det för batteriet rekommenderade värdet (ofta ca 4.2 V per
cell). Detta innebär att det nyladdade batteriets totala spänning är högre än det
värde som batteriet är märkt med. Detta syns tydligt i figur 3.6. Spänningstoppen
försvinner dock relativt snabbt i takt med att batteriet används och laddas ur.
3.6
Step-up-omvandling
I omvandlare av typen step-up omvandlas inspänningen till en högre utspänning.
Detta sker genom att en switch växlar mellan att leda och spärra med en viss
duty cycle. Figur 3.7 visar hur detta kan se ut. Under den tid switchen leder är
spänningen över induktorn lika med likspänningen Vin och strömmen genom
spolen L ökar då linjärt. När switchen sedan spärrar kommer denna ström att gå
till kondensatorn och ladda upp den.
3.7
Atmel AVR
13
Figur 3.7: Spänningsomvandlare av typen step-up.
Denna koppling innehåller ingen reglering av utspänning. För att få önskad
utspänning måste switchens duty cycle kunna styras. Detta görs oftast med hjälp
av pulsbreddsmodifikation (PWM). [8]
3.7
Atmel AVR
AVR är en familj av mikrokontroll-kretsar tillverkade av Atmel Corporation. Namnet AVR är enligt Atmel själva ingen förkortning utan endast ett produktnamn.
AVR-processorernas CPU (Central Processing Unit) är av RISC-typ (Reduced Instruction Set Computer) byggd enligt Harvard-modellen. Detta innebär att data
och program inte lagras i samma minnesutrymme på mikrokontrollern. Detta
medför i sin tur att mikrokontrollerns CPU kan förses med maskininstruktioner
i en snabbare takt via ett program-minne med en högre hastighet än minnena för
datalagring. Då alla mikrokontrollers i AVR-familjen har en gemensam grundarkitektur och instruktionsuppsättning kan all kod skriven för en AVR-processor
användas för alla processorer i AVR-serien.
3.7.1
ATtiny85
ATtiny85 ingår i Atmels AVR-familj och är en 8-bitars CMOS mikrokontroller. ATtiny85 har 8 pinnar varav 6 stycken är I/O-pinnar (input/output). AVR-processorn
har 8 kbyte ISP (In-System Programming) flash-minne, 512 B EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) och 512 byte SRAM (Static RandomAccess Memory). Som man kan se i figur 3.8 har port PB1–PB3 samt 4 A/D-omvandlare.
A/D-omvandlingen sker med 10-bitars upplösning där referensspänningen (Vref )
kan vara intern (1.1 V–2.56 V), extern eller matningsspänningen (Vcc ) till ATtiny85. Beroende på vilket värde man väljer som Vref förändras mätområdet för
A/D-omvandlaren då minimum-värdet är GND (0 V) och maximum-värdet är
Vref . [9]
14
3
Teori
Figur 3.8: Pinout ATtiny85.
3.7.2
In-System Programming (ISP)
AVR-processorernas ISP flash-minne möjliggör programmering och omprogrammering av processorn efter att den monterats i en applikation. Detta möjliggör
enkla uppdateringar av mjukvara då man inte behöver montera bort processorn
ur systemet för att omprogrammera. Som framgår av figur 3.9 använder programmeraren sig endast av 6 kablar för programmering av AVR-processorn. [10]
Figur 3.9: Koppling mellan PC, ISP och AVR.
3.8
Mönsterkort
Mönsterkort, eller PCB (Printed Circuit Board), är en tryckt krets i form av en platta av ett isolerande material med ett mönster av elektriska ledare. Det är numera
inte bara en grön platta med etsat ledningsmönster av koppar, utan har på grund
av kraven på kompaktare och snabbare elektronik utvecklats till en mycket mer
avancerad komponent. Idag kan mönsterkort vara allt från enkelsidiga kort till
flexibla eller tredimensionella.
Ett färdigt mönsterkort kallas normalt för kretskort och består av ett basmaterial samt en tunn kopparfolie. Kopparfolien används för att framställa ledningsbanor och förbindningspunkter. I dessa punkter borras hål, där komponenternas
ben sticks igenom för att sedan lödas fast. Om ytmonterade komponenter används finns lödytor där komponenternas anslutningar löds in.
För att göra korten mer kompakta och enklare att montera används även den
andra sidan. För att förbinda mönstren på båda sidor beläggs borrhålen med metall. Detta kallas genomplätering eller metallerade hål.
På grund av de krav som finns tillverkas idag flerlagerkort, vilket innebär att
flera tunna mönsterkort pressas ihop till ett enda.
3.8
Mönsterkort
15
Vid konstruktion av ett mönsterkort utgår man från ett kretsschema. Detta
schema beskriver hur alla komponenter är ihopkopplade. Varje förbindningspunkt beskriver en nod. När mönsterkortet skapas placerar man först ut samtliga
komponenter på kortet, därefter dras ledningsbanorna ut.
För att skapa både schema och layouten (mönstret) på mönsterkortet, används
idag avancerade CAD-program (Computer Aided Design). Dessa innehåller ofta
både schemaritning, simulering och ritning av mönsterkortslayout. De innehåller
stora symbol-bibliotek och en hel del verktyg. Detta då många faktorer är viktiga
så som storlek, störningar, mekanisk anpassning och kostnad. [11]
4
Metod
4.1
Förstudie
Dagens luftfarkoster har en hel del externa ljuskällor på flygplanskroppen, där
placering och färger varierar från farkost till farkost. En person som inte är insatt
i ämnet blir därför lätt förvirrad och har svårt att förstå vad varje ljuskälla är
till för. Då dessa ljuskällor faktiskt fyller viktiga funktioner och har en del krav,
ansågs det vara ett lämpligt första steg att ta reda på vad som verkligen gäller för
UAS.
Efter att alla de regelverk och riktlinjer som finns på Transportstyrelsens hemsida studerats, var det fortfarande mycket som var oklart. Tekniken är så pass ny
att inga riktiga regler har hunnit fastställas. Detta gör att de regler, eller riktlinjer,
som idag finns är ganska oklara och lätta att förbise.
För att få mer klarhet i vad som gäller utvidgades sökningarna till mer beslutsfattande organisationer. De tre som valdes lägga mest tyngd på var
• ICAO1 (International Civil Aviation Organization) – ICAO är ett specialorgan inom Förenta Nationerna (FN) vars uppgift är att bidra till ökad flygsäkerhet mellan världens länder. Idag har ICAO 191 medlemsnationer.
• FAA2 (Federal Aviation Administration) – FAA är en federal luftfartsmyndighet i USA. De har dock inte huvudansvaret för tillsynen över luftfartsskyddet i landet.
• EASA3 (European Aviation Safety Agency) – EASA är en av Europeiska Unionens (EU) byråer och den gemensamma europeiska flygsäkerhetsmyndigheten.
1 www.icao.int
2 www.faa.gov
3 www.easa.europa.eu
17
18
4
Metod
Efter att ha studerat dessa tre organisationer ansågs tillräckligt med tid vara
tillbringad till informationssökning kring regelverk.
4.1.1
Slutsats angående regelverk
Inte heller i dessa organs regelverk hittades omfattande tydliga regler. Då informationssökningen syftar till att förtydliga de regler som finns angående belysningen, är slutsatsen att det saknas en hel del detaljer. För flygning av UAS kategori 2 finns dock regelverk som säger att luftfartyget vid mörkerflygning ska vara
utrustat med kollisionsvarningsljus och navigationsljus. Detaljer om hur dessa
ljus ska konstrueras har däremot inte hittats. Vidare gäller detta alltså kategori
2, men i eBeens kategori (1A) finns inga liknande regler. Den information som
ansetts relevant för belysningen gäller därför enbart riktiga passagerarflygplan,
och kommer endast användas som riktlinjer. Dessa återfinns i avsnitt 3.4. [1]
4.2
Inledande LED-testning
De regler och bestämmelser som hittades angående belysningen var till väldigt
stor hjälp som riktlinjer. De var dock inte helt enkla att förstå utan det krävdes
en del informationssökning angående olika ljusegenskaper och vad dem innebär.
Denna förståelse visade sig senare vara av stor vikt när lysdioder skulle införskaffas.
Utan tidigare erfarenhet av ljus och olika ljusintensiteter är det väldigt svårt
att bilda sig en uppfattning om hur mycket en ljuskälla med en viss angiven
ljusintensitet verkligen lyser.
För att få en uppfattning om vad allt detta innebär i verkligheten, beslutades
därför att ett antal test-lysdioder skulle beställas. För att se tydliga skillnader
bestämdes det tillsammans med företaget att tre helt olika LED skulle att testas.
Fokus på dessa beställningar låg på luminans, färgtemperatur, spänning samt
ström. Samtliga lysdioder beställdes från RS Components AB4 , till största del på
grund av den korta leveranstiden. Dessa sammanfattas i tabell 4.1. Anledningen
till att alla LEDs som testas är vita är för att företaget önskade ett vitt kollisionsljus hellre än rött.
LED
1 - Svagast
2 - Medel
3 - Starkast
Luminans
390 lm
429 lm
750 lm
Färgtemperatur
3600 K
8300 K
5000 K
Framspänning
3.5 V
3.1 V
5.7 V
Ström (max)
1.5 A
1.5 A
3A
Tabell 4.1: LED för testning.
Testerna utfördes med hjälp av ett enkelt testprogram på en Arduino Uno5
tillsammans med en transistor (IRF520 MOSFET) och en extern spänningskälla
4 http://se.rs-online.com/web/
5 https://www.arduino.cc/
4.2
Inledande LED-testning
19
på 9 V likt figur 4.1. Denna spänningskälla motsvarar inte eBeens batteri men
ansågs räcka för detta test. För att få en uppfattning om hur väl de olika LED
syntes i förhållande till varandra, upprättades ett avstånd på ungefär 150 meter
mellan ljuskällan och en testperson.
Figur 4.1: Schema över LED-testmodulen (bilden syftar endast till att ge förståelse och överensstämmer inte med verkligheten till fullo).
4.2.1
LED 1 – Svagast
Den svagaste LED som beställdes (Osram Opto LUW CQAR-NQNS-MMMW-1)
tillverkas av OSRAM och tillhör ’OSLON square’-serien. Med svagast innebär att
den hade lägst luminans. För att även få en uppfattning om hur en varm färg vid
låga färgtemperaturer lyser, valdes avsiktligt en temperatur som är lägre än vad
kraven i avsnitt 3.4 tillåter.
Tester visade, vilket var ganska väntat, att färgtemperaturen på 3600 K är alldeles för varm för ändamålet. I förhållande till de andra två LEDs som beställdes
uppfattade testpersonen att denna fångade uppmärksamheten sämst.
4.2.2
LED 2 – Medel
Denna LED (Cree XPGBWT-L1-R250-00G51) beställdes med vetskapen om att
den hade alldeles för hög färgtemperatur och därmed var för kall för de krav
som finns. Den syntes bra för sin storlek, då den var relativt stark och väldigt
kall.
4.2.3
LED 3 – Starkast
Denna LED (Cree MTGBEZ-00-0000-0B00N050H) var den starkaste (som UASbatteriet klarar driva) som hittades. En luminans på 750 lm och en strålningsvinkel på 115° motsvarar ungefär en intensitet på 258 cd. Detta innebär att intensitetskraven för betraktningsvinkel 5° till 10° i tabell 3.5 är mer än uppnådda, vilket
kan anses som ett bra resultat relaterat till storleksskillnaden mellan ett vanligt
flygplan och vår UAS.
20
4.2.4
4
Metod
Sammanfattning av test
De två svagare dioderna var något mindre i storleken, runt 3 mm/sida, jämfört
med den starkaste som var runt 9 mm/sida. Detta visade sig vara av stor betydelse vid testning då en större yta på ljuskällan fångade uppmärksamheten på
ett bättre sätt. I och med detta upplevdes det som att LED 3 var den bästa av de
testade.
För att ge läsaren en uppfattning om vad de olika färgtemperaturerna innebär
har detta sammanfattats i figur 4.2.
Figur 4.2: Exempel på hur ljus ser ut vid olika färgtemperaturer.
4.3
Strömförsörjning
Dioderna testades alltså med ett 9 V-batteri som drev endast en LED i taget med
ett lämpligt motstånd. Det batteri som sitter på eBeen är på 11.1 V, vilket är den
spänning vi kommer behöva anpassa kretsen efter.
Sett till den starkaste LED som testades, vilken har en framspänning på 5.7
V (vid 1.1 A), visade det sig inte bli helt lätt att få en energieffektiv krets då
tillräckligt med LEDs behöver användas för att täcka alla spridningsvinklar. För
att lösa detta på bästa sätt började olika alternativ diskuteras fram.
4.3
21
Strömförsörjning
4.3.1
Enkel lösning med seriemotstånd
Det första alternativet gick ut på att använda 8 lysdioder, fyra på varje vinge
varav två sitter på ovansidan och de andra två på undersidan. För att täcka alla
spridningsvinklar vinklas lämpligen båda lysdioder på varje sida tillräckligt för
att få en spridningsvinkel på 180° likt figur 4.3.
Figur 4.3: Vinklade LEDs för en spridningsvinkel på 180°.
Då framspänningen ligger på 5.7 V vid 1.1 A, sänks spänningen till runt 5.4
V för att kunna seriekoppla två LEDs i en parallellkoppling om fyra grenar som
i figur 4.4.
Figur 4.4: Planerad krets för MTG2.
Diagrammet i figur 4.5 visar att då spänningen sänks till 5.4 V kommer strömförbrukningen sänkas till runt 0.4 A för varje diod.
22
4
Metod
Figur 4.5: Kurva över ström/spännings-förbrukning för LED MT-G2. [14]
Till en början antogs det att den synliga skillnaden i ljusintensitet knappt
skulle bli märkbar. Diagrammet i figur 4.6 visar att en ström på 400 mA skulle
motsvara omkring 40 % av den ljusstyrka som 1.1 A skulle ge.
Figur 4.6: Förhållandet mellan ljusstyrka och strömförbrukning för LED
MT-G2. [14]
För att få en uppfattning om hur stor skillnaden skulle bli beslutades att med
hjälp av ett spänningsaggregat testa ljusskillnaderna vid olika spänningar. Med
hjälp av ett spänningsaggregat och två multimetrar kopplades lysdioden in, där
den ena multimetern användes för att styra strömmen och den andra för att hålla
koll på spänningen. Tilläggas bör att testerna gjordes i normal rumstemperatur,
medan databladets kurvor gäller för 85°.
Testerna visade att det var ganska stor skillnad på 40 % och 100 %. De visade
dessutom att 200 % av det specifierade värdet, som faktiskt är fullt möjligt att
uppnå, absolut är att sikta på. Tyvärr visar figur 4.6 att önskad styrka på 200 %
skulle innebära en ström på 2.5 A, vilket i sin tur innebär en spänningsfall på 6.1
V/LED. Med det batteri vi ska använda kommer det alltså inte fungera att driva
två sådana seriekopplade LEDs.
4.3
23
Strömförsörjning
Denna lösning var alltså inte längre ett alternativ. Istället skapade den diskussioner som till slut ledde fram till nästa alternativ, att använda kondensatorer.
4.3.2
Kondensatorer och step-up-omvandlare
För att driva två seriekopplade lysdioder med ett spänningsfall på 6.1 V/LED
krävs en spänningskälla på minst 12.2 V. För att lyckas åstadkomma detta kan
kondensatorer laddas upp med hjälp av en step-up-omvandlare. Om detta skulle
användas i kretsen skulle den maximala momentana strömförbrukningen för två
seriekopplade lysdioder uppgå till omkring 2.5 A. För alla fyra grenar skulle det
innebära en strömförbrukning på ungefär 10 A. För att förhindra en sådan hög
strömspik vid pulserna, när kondensator och step-up ändå ska användas, ansågs
det vara bättre att höja spänningen tillräckligt mycket för att kunna seriekoppla
alla 8 LEDs. Detta skulle innebära ett totalt spänningsfall på 49.6 V (6.2 × 8 =
49.6V ).
Denna lösning skulle innebära onödiga effektförluster, tyngd och plats. Det
skulle även skapa en del störningar för övrig elektronik som visserligen skulle gå
att hantera, men i sin helhet blir lösningen onödigt invecklad.
4.3.3
Enklare lösning med hänsyn till strömspikar
Istället för att använda lösningen i föregående kapitel, gick tankarna tillbaka till
den tidigare lösningen där det endast behövdes seriemotstånd. Funderingarna
gick istället på hur denna krets skulle kunna optimeras, både gällande ljusstyrka
och strömförbrukning. Då tidigare sökningar efter lysdioder visade att framspänningen vanligtvis ligger på runt 3 V alternativt 6 V för olika lysdioder, bestämdes
att stora lysdioder till ytan, som samtidigt var starka och hade en framspänning
på runt 3 V, skulle försöka hittas. Anledningen till detta var till en början att tre
lysdioder skulle kunna seriekopplas i varje gren, där spänningskällan på 11.1 V
skulle räcka för att driva varje LED. På över 200 % av den specificerade styrkan
dessutom.
För att hitta bästa LED söktes olika sidor igenom, men då det alltid leder till
att CREE är ledande tillverkare, beslutades att söka igenom och välja den bästa
LED som fanns på deras hemsida. Sökningarna ledde till ’XLamp XM-L2’ med
egenskaper enligt tabell 4.2.
Size
Max drive current
Typ. forward voltage
Viewing angle
Color temperature
Intensity
5 x 5 x 3.02 mm
3A
2.85 V
125°
6200 K
300 lm
Tabell 4.2: Egenskaper för XLamp XM-L2.[15]
Enligt figur 4.7 från databladet ska XM-L2 släppa igenom 3 A med ett spän-
24
4
Metod
ningsfall på ungefär 3.33 V. Vidare innebär detta enligt figur 4.8 att den skulle
kunna lysa med ungefär 325 % av den specificerade styrkan. Med denna diod
skulle batteriet alltså kunna driva 3 lysdioder med en spänningsfall på 3.33
V/diod, d.v.s. ett totalt spänningsfall på 9.99 V.
Figur 4.7: Kurva över ström/spännings-förbrukning för LED XM-L2.[15]
Figur 4.8: Förhållandet mellan ljusstyrka och strömförbrukning för LED
XM-L2.[15]
Vid denna metod är alltså ljusstyrkan optimerad för vad batteriet kan driva.
Idén ligger här i att ha tre seriekopplade LEDs i fyra parallellkopplade grenar.
Detta innebär således en total momentan strömförbrukning på 3 × 4 = 12 A.
Diskussioner fördes angående hur bra batteriet skulle kunna leverera detta utan att påverka inbyggd elektronik och motor. Här var det dags att börja studera
batteriet som eBeen använder. Efter mailväxling med Sensefly, företaget som tillverkar eBee insågs snabbt att all information rörande batteriet och elektroniken
4.4
Blixtegenskaper
25
i eBeen var hemlig och något som inte lämnades ut till kunder. I och med denna
begränsning tvingades man anta att batteriet som används av eBeen liknar de
Li-Po-batterier som ofta sitter i liknande applikationer. Dessa batterier brukar
generellt sett ha hög kapacitet (C-discharge rating) och därför antogs att strömförsörjningen till denna applikation inte skulle vara ett problem.
För att undvika höga strömspikar växte en idé fram. Denna idé gick ut på att
tända grenarna i motfas, alltså endast tända en gren åt gången, och alla direkt
efter varandra. Detta skulle innebära att den momentana strömförbrukningen
aldrig överskred 3 A. Tiden som varje LED behöver lysa, och hur snabbt efter
varandra de behöver blinka för att ögat inte ska uppfatta motfasen, återstod att
ta reda på via tester.
Då både ljusstyrka och strömförbrukning nu var optimerade beställdes 14
lysdioder av XLamp XM-L2. Anledningen till att 14 beställdes var för att 12 behövdes till färdiga produkten, och risken för att bränna eller ta sönder en LED är
ganska stor, vilket ledde till att 2 extra beställdes.
4.4
Blixtegenskaper
Kollisionsvarningsljus konstruerat av LEDs lyser inte kontinuerligt utan fungerar
som en regelbunden blixt. I avsnitt 3.4 nämndes riktlinjer för vilken frekvens
denna blixt bör ha. Detta är riktlinjer som kommer följas då det inte finns någon
anledning till att inte göra det. Däremot angavs ej riktlinjer för hur länge en blixt
ska vara aktiv. Tester har därför gjorts för att blixten ska bli så energieffektiv som
möjligt, men samtidigt inte vara aktiv för kort tid för att synas.
4.4.1
Multi-flash
Informationssökning angående blixtkarakteristik visade att en dubbelblixt (multiflash) är att föredra då en sådan gör det enklare för observatören att bedöma
avstånd och position [6]. För att ta reda på om detta stämde även i eBeens förhållandevis lilla applikation, kopplades en test-rigg ihop enligt avsnitt 4.4.2.
4.4.2
Test-riggen
I test-riggen, som syns i figur 4.9, var sex lysdioder av de nya XM-L2 uppkopplade, tre seriekopplade på varje sida med ungefärligt avstånd för att motsvara
färdiga installationen på eBeen. För att strömförsörja dessa via batteriet användes två transistorer, där var och en drev tre LEDs. Transistorerna i sin tur drevs
av en ATtiny85. Denna användes då den även är tänkt att användas i den färdiga kretsen. ATtinyn är väldigt strömsnål och lätt att använda, vilket passar bra
för denna applikation. I den färdiga kretsen kommer denna mikrokontroller att
programmeras i Atmel Studio, men då brännare saknades konstruerades en tillfällig sådan med hjälp av en Arduino Uno. Så småningom kommer allt drivas
av eBeens batteri, men då inkoppling till batteriet ännu inte är löst, användes
26
4
Metod
istället ett motsvarande Li-Po-batteri som lånades av skolan. Då detta batteri levererar 11.1V och ATtinyn drivs av en mycket lägre spänning, användes en extern spänningskälla på 5 V via en Arduino eftersom spänningsregulatorer ännu
inte beställts. En tryck-knapp användes sedan för att under testning kunna ändra
mellan singel-flash och multi-flash.
Figur 4.9: Uppkoppling av test-rigg för single/multi-flash.
För att ordentligt testa de nya XM-L2 som beställts, anpassades kretsen för
att klara driva varje LED på över 300 %. Detta innebär en ström på ungefär 2.6 A
vilket i sin tur innebär ett spänningsfall på 3.25 V över varje diod. Ett full-laddat
batteri levererar 12.6 V och Ohms lag ger då ett motstånd på ungefär 1Ω.
12.6 V − 3 × 3.25 V
= 1.1 Ω
(4.1)
2.6 A
Tiden för varje blixt bestämdes till 20 ms och den skulle blinka med 1.5 sekunds mellanrum. För multi-flashen innebar detta att den första blixten var 20
ms, sedan kom en lika lång 100 ms senare. I figur 4.10 är detta lite mer förtydligat. Schemat är inte skalenligt utan endast för förståelse.
Figur 4.10: Överblick signaler för single/multi-flash.
För att utföra testerna under rätt förhållande bestämdes att dessa skulle göras
utomhus i dagsljus. Med hjälp av en optisk avståndsmätare mättes ett avstånd på
200 m upp. I detta testmoment var alla lysdioder riktade åt samma håll.
Testerna var övertygande och multi-flash var den som uppfattades bäst. Med
andra ord är det multi-flash som kommer användas, men blixt-tiden behöver optimeras. För att göra detta användes samma test-rigg, men med en ny funktion
4.4
27
Blixtegenskaper
på tryck-knappen. Istället för att byta mellan single/multi-flash styrde knappen
nu istället vilken tid blixten skulle vara aktiv. Tre olika lägen programmerades in
med pulser på 5 ms, 20 ms och 40 ms.
5 ms visade sig vara alldeles för kort tid då ögat inte riktigt hann uppfatta
ljuset. Detta gjorde att blixten kändes mycket svagare. 20 ms var den som tidigare
använts, och som visat sig fungera bra. 40 ms syntes som väntat bra, men visade
sig vara lite för lång tid då motfasen syntes ganska tydligt.
Detta innebar att värden mellan 5-20 ms skulle testas. 20 ms fungerade väldigt bra, men ifall kortare pulser fungerar lika bra skulle kretsen blir mer energieffektiv.
4.4.3
Problemen vid fulladdat batteri
Som kan ses i avsnitt 3.5 kommer Li-Po-batteriet inte förse kretsen med en konstant spänning på 11.1 V. När batteriet är fulladdat levererar det cirka 12.6 V (4.2
V/cell), vilket skulle innebära en alldeles för hög ström för samtliga LEDs. Detta
eftersom motståndet kommer vara anpassat efter batteriets nominella värde på
11.1 V, beräknat på samma sätt som 4.1 enligt följande
11.1 V − 3 × 3.25 V
= 0.52 Ω
2.6 A
(4.2)
Det uträknade värdet 0.519 Ω översätts i vårt fall till det närmast motsvarande värdet i E12-serien vilket innebär 0.47 Ω. Detta leder till att de fulladdade
batteriet enligt U = R × I teoretiskt sätt kommer att kunna leverera strömmar på
över 5 A med ett motstånd på 0.47 Ω . Information om batteriet har som tidigare
nämnts inte gått att få tag på, men då motorn har en effektförbrukning på 160 W
kan man anta att spänningen kommer minska till 11.1 V relativt snabbt.
För att testa hur en LED av den typen vi införskaffat klarar av så höga strömmar som ett fulladdat batteri levererar, användes test-riggen i figur 4.9. För att
kunna ställa in önskad spänning användes ett spänningsaggregat istället för LiPo-batteriet. Inga mätningar behövde göras under detta test då värmeutvecklingen tydligt kunde kännas med fingret. Med andra ord behövde detta åtgärdas.
Första idén var att använda en strömregulator. En sådan skulle göra det väldigt lätt ha full koll på vilken ström som samtliga LEDs matades med. Sökningar
efter strömregulatorer visade dock att dessa var onödigt stora och hade en hel del
onödiga funktioner.
Istället diskuterades en ny lösning fram, där spänningsdelning skulle utnyttjas för att med ATtinyn kunna mäta av vilken spänning batteriet har i realtid. Genom att få ner batterispänningen i ATtinyns mätområde beskrivet i avsnitt 3.7.1
kunde mätningar göras. Inprogrammerade förbestämda gränsvärden skulle sedan låta ATtinyn bestämma vilken tid lysdioden skulle vara aktiv. Vid ett fulladdat batteri skulle denna tid minskas, vilket med rätt värden skulle innebära att
lysdioderna skulle klara de höga strömmarna, genom att den totala effekten över
dessa blir den samma.
I avsnitt 3.7.1 beskrivs hur ATtinyn kan läsa av den analoga spänningen och
omvandla den till en digital representation, via något av fyra möjliga ben. Då det
28
4
Metod
bara återstår ett ledigt ben på ATtinyn (ben 3) användes detta för A/D-omvandlingen.
För att få ett så stort spann som möjligt på inspänningen och därmed öka noggrannheten för avläsningen, bestämdes att ATtinyns matningsspänning skulle
användas som referensspänning. Till en början användes en spänningsregulator
som tog ner denna spänning till 3.3 V. Mätningar visade dock att denna spänning
låg och skiftade med 0.1 V, vilket i och för sig förmodligen inte skulle skapa några större problem. På grund av anledningar som diskuteras vidare i avsnitt 4.5
byttes dock denna regulator ut mot en regulator som reglerade spänningen till
5 V. Detta hade även den positiva bieffekten att regulatorns utspänning endast
avvek med cirka 0.01 V vid mätningar.
4.4.4
Uträkningar av blixttid
För att kunna styra att den totala effektförbrukningen för en periodtid blev konstant behövdes beräkningar på den momentana effektförbrukningen göras, det
vill säga när LED är aktiva. För att kunna göra detta användes ett spänningsaggregat för att kunna variera matningsspänningen mellan 11.1-12.6 V. Genom att
använda ett oscilloskop kunde vi då räkna ut strömmen i kretsen över ett motstånd. Detta gjordes i 8 steg med anledningen att det blev ungefär 0.2 V/steg,
vilket ansågs vara tillräckligt noggrant i sammanhanget. Mätningarna gjordes
på det färdiga PCB-kortet med de rätta komponenterna. Mer om kretskortet beskrivs i avsnitt 4.6.
Med värden på spänningen och strömmen i kretsen för samtliga 8 steg kunde den momentana effektförbrukningen beräknas med hjälp av Pmom = U × I.
Samtliga värden är listade i tabell 4.3.
Spänning [V]
12.6
12.4
12.2
12.0
11.8
11.6
11.4
11.1
Ström [A]
3.02
2.87
2.79
2.62
2.47
2.30
2.15
1.92
Pmom [W]
38.05
35.59
34.04
31.44
29.15
26.68
24.51
21.31
Tabell 4.3: Samtliga värden med uträknad momentan effekt.
Den totala effektförbrukningen som eftersträvas är den som förbrukas när
batteriet ger 11.1 V, eftersom detta är batteriets nominella värde. För att räkna
ut den totala effektförbrukningen användes ekvation 4.3, där 1640 ms motsvarar
en periodtid. Periodtiden räknades ut genom att addera blixtarna på 20 ms, tiden
mellan blixtarna på 100 ms samt tiden till nästa period på 1500 ms. Alltså blir
periodtiden 20+20+100+1500=1640 ms. Eftersom att periodtiden kommer att
ändras i och med att blixttiden tblixt ändras måste dettas kompenseras för. Detta
4.4
29
Blixtegenskaper
görs genom att förlänga tiden mellan blixtarna i takt med att tblixt blir kortare,
periodtitden blir där igenom alltid densamma.
Ptot =
tblixt × Pmom
1640
(4.3)
Med batteriets nominella spänning blev detta alltså enligt 4.4.
Ptot =
(20 + 20) × 21.312
= 0.52W /cykel
1640
(4.4)
När Ptot var känd blev det möjligt att räkna ut blixt-tider för samtliga 8 blixtar.
Ekvation 4.5 användes för detta.
tblixt =
Ptot × 1640
Pmom
(4.5)
Samtliga uträknade värden syns i tabell 4.4.
Spänning [V]
12.6
12.4
12.2
12.0
11.8
11.6
11.4
11.1
Tid [ms]
11
12
13
14
15
16
17
20
Tabell 4.4: Samtliga värden med uträknad momentan effekt.
4.4.5
Spänningsdelningen
ATtinyn omvandlar som tidigare nämnts mätspänningen till ett digitalt värde
vilket sker enligt ekvation 4.6 där Vin är mätspänningen och Vref är matningsspänningen (5 V) till ATtinyn.
ADC =
Vin × 1024
Vref
(4.6)
Spänningsdelningen, som syns i figur 4.11, räknades ut så att spannet på spänningen till ATtinyn, Vread , skulle bli så stort som möjligt. Genom att testa olika
värden i ekvation 4.7 valdes de som gav en spänning så nära 5 V som möjligt.
30
4
Metod
Figur 4.11: Spänningsdelning till ATtinyn.
(Vin ∗ R4) + (0 ∗ R3)
(4.7)
R3 + R4
Uträkningarna ledde, som syns i figur 4.11, fram till 270 kΩ på R3 och 150 kΩ
på R4 enligt ekvation 4.8 (fulladdat batteri) samt ekvation 4.9 (11.1 V i batteriet).
Vread =
Vread =
12.6 ∗ 150
= 4.50 V
270 + 150
(4.8)
11.1 ∗ 150
= 3.96 V
(4.9)
270 + 150
ATtinyn kommer genom spänningsdelningen alltså läsa av och omvandla värden mellan 3.96 V–4.5 V. Med hjälp av ekvation 4.6 omvandlas spänningen till
motsvarande digitalt värde.
I tabell 4.5 är således alla värden som används listade.
Vread =
Spänningsområde [V]
>4.43
4.36–4.43
4.29–4.36
4.21–4.29
4.14–4.21
4.07–4.14
3.96–4.07
<3.96
ADC-värde
>907
893–907
879–893
862–879
848–862
834–848
811–834
<811
Tabell 4.5: Digitala representation av inlästa analoga värden.
4.5
Val av komponenter
Som tidigare nämnts i avsnitt 4.4.2 anvädes en mikrokontroller av typen ATtiny
från Atmel. Denna valdes på grund av dess lilla formfaktor och låga strömför-
4.5
Val av komponenter
31
brukning. Den erbjuder även den ADC-omvandling som behövs för vår övervakning av Li-Po-batteriets spänning. Pulserandet av lysdioderna görs med hjälp av
4 transistorer av typen VISHAY SILICONIX SI2306BDS-T1-E3. Varje transistor
pulserar en gren med 3 lysdioder placerade på UAS-kroppen likt figur 4.12. Placeringen beskrivs i avsnitt 4.7.
Figur 4.12: Placering av LED på eBee.
Transistornerna styrs av 4 pinnar på ATtinyn. ATtinyn matas i sin tur med
5 V via en spänningsregulator av typen LM3480IM3-5.0 från Texas Instruments.
Kraven på denna komponent var inte speciellt höga i detta fall så att valet föll på
just denna komponent berodde till största del på tillgänglighet och storlek. Till
en början valdes en regulator med utspänningen på 3.3 V. Tester som gjordes i ett
tidigt skede visade dock att de införskaffade transistorerna inte släppte igenom
tillräckligt med ström med en gatespänning VGS på 3.3 V. Detta visas tydligt i
figur 4.13 då drain-strömmen ID ökar avsevärt med en VGS på 5 V. [16] Detta
faktum hade förbisetts vid beställningarna av komponenter för den första testriggen, misstaget var dock enkelt att korrigera i slutändan.
32
4
Metod
Figur 4.13: Transistors drain current i förhållande till gatespänning.[16]
ATtiny85 har en rekommenderad inspänning mellan 2.7 V – 5.5 V vid 0 – 10
MHz, [9] Bytet av spänningsregulator var därför inget som påverkade resterande
komponenter. För ökad stabilitet och minskade störningar på spänningsregulatorns in- och utgång sattes en kondensator mellan Vin och jord och en annan
mellan Vout och jord. Värdena på dessa är valda utifrån rekommendationer i
spänningsregulatorns datablad, dessa värden har vi sedan ökat för att försäkra
oss om att stabiliteten kommer att vara god.
Figur 4.14: Spänningsregularor LM3480IM3-5.0 med kondensatorer på inoch utgång. [17]
Som man senare kan läsa i avsnitt 4.6 fanns det gott om plats för de komponenter som ämnats att användas på kretskortet. Detta gjorde det möjligt för oss
att i valet av resistor till lysdioderna välja en resistor som hade en högre märkef-
4.6
Design av PCB
33
fekt och därför var större till ytan. Resistorn som valdes hade en märkeffekt på
2 W, vilket bedömdes vara mer än tillräckligt i sammanhanget då vår totala effektförbrukning under en periodtid beräknades vara runt 0.5 W enligt ekvation
4.4. För att ytterligare öka stabiliteten på ATtinyns matningspinne (Vcc ) sattes en
kondensator på 0.1 µF i direkt anslutning till pinnen. Så kallade pull-down resistorer sattes mellan jord och trasistorns gate. Detta för att försäkra oss om att
spänningen över transistorernas gate förblev 0 V så länge ATtinys utsignal var
den samma.
4.5.1
ISP
Som förklarat i avsnitt 3.7.2 kan man möjliggöra omprogrammering av mikrokontrollern efter denna har monterats i en applikation. Denna egenskap var något
som efterstävades då man genom detta undviker att bli begränsad av mjukvara som skall färdigställas innan monteringen kan göras. Det finns en ytterligare
stor fördel med att kunna ändra i mjukvaran i efterhand. Genom att man efter
montering kan ändra felaktig kod, korrigera buggar eller uppdatera och lägga
till funktioner i mjukvaran kan man undvika många fel och underlätta vidareutveckling. För att implementera ISP-funktionen på mönsterkortet sattes kontaktytor som möjliggör detta på mönsterkortet. För att undvika att ATtinyn gör en
reset under pågående programmering sattes en pull-up resistor mellan matningsspännningen (5 V) och ATtinyns reset-pinne. Storleken på denna var 47 kΩ efter
rekommendationer från datablad. [10]
4.6
Design av PCB
Kretskortet med själva styrkretsen för LED-blixtarna sattes i direkt anslutning
till eBeens egna batteri i fronten på farkosten som i figur 4.15. Detta på grund
av att kabelvägen mellan batteri och kretskort skulle bli så kort som möjligt. På
grund av bristen på utrymme på eBeen var även detta en av de få möjliga platser
man kunde placera ett kretskort på utan att behöva göra onödiga modifieringar
på befintlig hårdvara.
34
4
Metod
Figur 4.15: PCB-placering på eBee.
Noggranna mätningar gjordes på utrymmet tänkt att placera kretskortet i.
Detta för att ta reda på hur mycket utrymme det fanns att tillgå. Dessa mätningar
resulterade i följande utformning av kretskortet.
Figur 4.16: Utformning av kretskort i batterifack.
Med kännedom om dessa begränsningar och att alla komponenter var fastställda, påbörjades nu designen av kretskortet.
Komponentplaceringen gjordes så kompakt och så långt ner på kortet som
möjligt. Anledningen till detta var att kunna trycka ner kontaktdonet som lysdioderna kopplas in i så långt ner som möjligt, och på så förhindra att locket
inte går att stänga. Kontaktdonet för spänningsmatningen placerades långt ut på
ena kanten för att kopplingen till batteriet skulle kunna få plats utmed batteriets
långsida. Den färdiga komponentplaceringen syns i figur 4.17.
4.7
Placering av LED på eBeen
35
Figur 4.17: Färdig PCB-layout.
För att förhindra effektförluster i ledningarna gjordes dessa tjockare mellan
strömförsörjning och lysdioder. Färdig PCB med ledningar återfinns i Appendix
A.
4.7
Placering av LED på eBeen
Placeringen av krets och lysdioder var egentligen ett av de första problem som
diskuterades. Då det var alldeles för tidigt för att veta både storlek och utseende
på den färdiga produkten, fick detta förbli tankar och idéer tills vidare.
Med tiden blev mer och mer färdigt och rätt lysdioder beställdes, vilket gjorde det enklare att börja fundera på hur lösningen skulle sitta på eBeen. Då eBeen
’krasch-landar’ diskuterades hur samtliga lysdioder bäst skulle placeras för att
inte ta för mycket skada. Skulle de placeras under eBeen eller långt ut på vingarna skulle de vid varje landning skrapas i marken och risken skulle vara stor att de
gick sönder. Om de istället placerades så nära kroppen som möjligt skulle de vara
mer skyddade. Av denna anledning, och med anledning av att spridningsvinkeln
skulle maximeras, bestämdes att tre dioder skulle sitta på varje sida på både ovanoch undersidan (se figur 4.12). Varje fäste såg till slut ut enligt figur 4.18.
36
4
Metod
Figur 4.18: LED-fäste före utskrift med 3D-skrivare.
Den lysdiod som sitter i mitten är riktad 90° ut från vingen. Då varje lysdiod
har en spridningsvinkel på 125°, och den totala spridningsvinkeln ska maximeras, har resterande två lysdioder lutats 27.5° i både x-led och y-led. Se figur 4.18.
På detta sätt kommer alla 12 LEDs på de totalt 4 fästena ge en 360-graders spridningsvinkel.
För att få fästena att sitta fast utnyttjades vingens kontakter till flygkroppen
(se figur 4.19). Eftersom ett fäste skulle sitta på både ovan- och undersidan kunde
dessa sitta ihop med en form av rygg som fick plats mellan vingen och kroppen.
På denna rygg kunde sedan ett hål göras som passade in på vingens kontakter.
Varje fäste böjdes sedan mot varandra så att de klämdes på vingen.
Figur 4.19: Fästpunkten som satt i ryggen på fästet.
Fästet som syns i figur 4.18 ritades först upp i SketchUp6 . Med denna färdig
ritades en mer noggrann modell upp i CAD med hjälp från Etteplan, där vinklar
och hål var exakta. Anledningen till att samma modell ritades om i CAD var att en
3D-skrivare fanns tillgänglig att använda på ett av Etteplans kontor i Halmstad.
6 http://www.sketchup.com/
4.7
Placering av LED på eBeen
37
För att skydda varje LED gjordes en liten nedsänkning i fästet där bottenplattan fick plats. I denna nedsänkning gjordes sedan två avlånga hål i enlighet med
lödytorna figur 4.20. Detta är ytorna som kablarna löddes fast på. På undersidan
av fästet lämnades plats för dessa kablar, så att fästet ändå skulle kunna ligga
platt mot vingen. I resultat-delen finns bilder på de färdiga fästena, vilket kan
underlätta förståelsen.
Figur 4.20: Undersidan på XM-L2.
5
Resultat
5.1
Hårdvara
Kretskort i figur 5.1 levde upp till de storlekskrav som fanns för att få plats i
batteriluckan på eBeen. De färdiga kretsschemat finns i Appendix A
Figur 5.1: Kretskort med monterade komponenter.
5.2
LED-fästen
De 3D-skrivna fästena blev bättre än förväntat, trots att en del finputsning behövde göras. Nedsäkningarna skyddade bottenplattan och höll lysdioderna på plats.
De utskrivna fästena såg ut som i figur 5.2. För att lysdioderna skulle sitta så hårt
som möjligt limmades de fast på baksidan. På undersidan gjordes sedan ett hål
där kablarna enkelt kunde dras ut från fästet.
39
40
5
Resultat
Figur 5.2: De 3D-skrivna fästena.
De två ryggplattorna som skulle få två fästen att sitta på varje vinge, var tvungna att vara väldigt tunna för att inget mellanrum skulle skapas mellan vinge och
flygkropp. På grund av tidsbrist och det faktum att produkten endast är en prototyp, fick denna ryggplatta bestå av en bit plast som värmdes och böjdes. På denna
plastbit limmades sedan fästena på. Resultatet syns i figur 5.3.
Figur 5.3: Kretskortet och färdiga fästen att sätta på eBeen.
5.3
5.3
41
Batteriet
Batteriet
Information angående batteriet var som tidigare nämnts inget som gick att få
tag på. Ett sista försök gjordes att kontakta Etteplans batterigrupp i Stockholm,
men det var för dom svårt att dra några dra några specifika slutsatser med den
knapphändiga informationen batteriet gav.
För att lösa problemet med inkoppling till eBeens batteri fick matingskablar
till kretskortet lödas in på batteriets befintliga kablar, se figur 5.4. Detta utfördes av elektronik-konsult Johan Moleklint på Etteplan. För att förhindra hastig
urladdning vid en eventuell kortslutning vid inkoppling av kontakter och annat, användes ett temperaturberoende motstånd. Dessa motstånds resistans ökar
i takt med att värmen ökar och skyddar på så sätt mot höga strömmar. Detta
tog plats i batteriluckan som egentligen inte fanns tillgänglig. För att göra plats
användes en kniv för att skära ut en del frigolit ur locket.
Figur 5.4: Batteri med fastlödd kontakt och motstånd.
5.4
Slutliga produkten
Den färdiga produkten såg ut som i figur 5.5.
42
5
Resultat
Figur 5.5: Färdiga produkten monterad på eBeen.
Samtliga krav som fanns på kollisionsvarningsljus och som angavs i avsnitt 3.4
har försökt uppnås och resulterat i följande.
• Täckningsområdet. Genom att de samtliga tolv lysdioderna sitter vinklade
åt olika håll har täckningsområdet maximerats till 360°. Kraven på 75° är
därmed mer än uppfyllda.
• Blixtegenskaper. Blixtfrekvensen skulle ligga mellan 40 och 100 blixtar/minut.
Med den aktuella periodtiden på 2 blixtar var 1.5:e sekund kommer blixtfrekvensen vara 80 blixtar/minut. Kravet är alltså uppfyllt trots användandet
av multiflash.
• Färg. Då färgtemperaturen på XM-L2 ligger på 6200 K så kan man i figur 3.4 se att även kravet på färgtemperaturen är uppfyllt.
• Ljusintensitet. Att få samma ljusintensitet som ett kollisionsvarningsljus
på ett riktigt flygplan är inte rimligt att uppnå då krav på effektförbrukning
och vikt skiljer avseväert. Resultatet anses dock vara bra med avseende på
eBeens storlek och kraften på batteriet.
Vikten på den färdiga produkten (PCB, kablage och fästen) uppmättes till
24.5 gram vilket var lägre än förväntat.
Ett annat krav på produkten var att den inte fick påverka de bilder som eBeen
tar. Detta är inget som har kunnat testas då eBeen har varit ute på uppdrag i princip hela tiden och inte kunnat testas med produkten. Kameran är dock nedsänkt
i flygplanskroppen och blixtarna bör därmed inte påverka bilderna.
5.5
Tester på slutliga produkten
När produkten var färdig var det dags att testa vilka strömmar kretsen gav, samt
hur regleringen av blixt-tiderna fungerade. Likaså var det viktigt att testa om den
färdiga kretsen bidrog till någon tydlig värmeutveckling.
Mätningar på den färdiga produkten visade som angavs i tabell 4.3 att strömmen genom lysdioderna, vid batteriets nominella spänning, är omkring 1.92 A.
Detta är lägre än målet, men det finns många saker som påverkar strömmen:
5.5
Tester på slutliga produkten
43
• Kablarna som används mellan lysdioderna och kretskortet är långa och
även ganska tunna. Brist på tid gjorde att de kablar som fanns att tillgå
fick duga.
• Nödlösningen med det temperaturberoende motståndet vid batteriet var
inget som togs med vid mätningarna av strömmen men det är helt säkert
något som påverkade strömmen negativt.
• Eventuella resistanser i lödpunkterna mellan lysdiod och anslutande kabel.
Trots att strömmarna var lägre än förväntat så lyser dioderna mer än tillräckligt starkt för att uppnå de krav som fanns. Resultatet är därmed mer än godkänt
även om kretsen går att optimera.
För att prova blixt-tiderna löddes två kontakter in på kortet. Därefter kopplades Li-Po-batteriet in och pulserna granskades på ett oscilloskop. För att tydligt
visa skillnaden syns i figur 5.6 och figur 5.7 två bilder med olika blixt-tider, men
med samma effektförbrukning.
Figur 5.6: Pulser vid ett nästan fullt laddat batteri.
Figur 5.7: Pulser vid batteriets nominella spänning 11.1 V.
En ordentlig mätning på värmeutvecklingen med hjälp av en värmekamera
eller liknande hade varit att föredra, men avsaknad av utrustning gjorde detta
44
5
Resultat
omöjligt. För att testa kretsen och därmed kunna säkerställa att värmen inte kommer vara några problem, användes ett fullt laddat Li-Po-batteri. Detta kopplades
in i kretsen som sedan fick stå på i över en timme. Med jämna mellanrum gjordes
tester på om lysdioderna var något varma. Lysdioderna blev inte märkbart varma,
trots att batteriet knappt förlorat någon spänning, och värmen kommer därmed
inte vara något problem. Applikationen kommer dessutom sitta på en flygande
eBee där vinden kommer hjälpa till att kyla ner. Batteriet kommer inte heller att
ge en så hög spänning under lång tid vid flygning då motorn har en relativt hög
effektförbrukning.
Då produkten inte kunnat testas på eBeen finns inget resultat på huruvida
flygtiden påverkas eller inte. Men då testerna på värmeutvecklingen visade att
batteriet knappt förlorat någon spänning på en timme, kan man anta att flygtiden
inte kommer påverkas avsevärt mycket.
6
Avslutande kommentarer
Med lite distans till arbetet finns det en del saker som skulle kunna gjorts annorlunda trots att arbetet i stora drag blev lyckat.
Anordningen som gjordes för att fästa dioderna på flygplanskroppen har en
del förbättringspotential. Fästet som visas i figur 5.3 blev större än vi tänkt oss
till en början och det finns där med en hel del yta som skulle kunna tas bort för
att göra anordningen mindre och lättare. Ryggen på fästet är idag tillverkat av en
mjukare fom av plast, något som man eventuellt skulle kunna byta ut till något
mer tåligt material. Kablagen som är dragna mellan kretskortet och lysdioderna
på vingarna är idag som beskrivits i avsnitt 5.5 för tunna för detta ändamål. Man
skulle kunna tänka sig att uträkningar på kabelresistans skulle behöva göras för
att få en mer riktig bild om hur kretsens totala resistans ser ut och med den
vetskapen dimentionera kablaget efter kabelresistans.
I avsnitt 4.3.3 och avsnitt 5.3 beskrivs det hur information kring batteriet som
användes i applikationen var svår eller omöjlig att få tag i vilket resulterade i en
lösning som avvek från den tanken som fanns till en början. Om information
funnits kring kontaktdon och kablage på batteriet skulle det istället var möjligt
att lösa själva inkopplingen av LED-modulen i eBeen genom någon form av honahane kontakt som skulle sättas mellan batteriets kontakt och den kontakt eBeen
använder för strömförsörjning. Detta skulle resulterat i en till storleken mindre
lösning som skulle vara mer användarvänlig. Eventuellt skulle man även sluppit
de temperaturberoende motstånd som beskrivs i avsnitt 5.3 och där med minskat
resistansen i kretsen.
Regelverk och bestämmelser kring UAS är som tidigare nämnts ganska nya
och säkerligen något som kan komma att ändras, möjligheten att omprogramera applikationen är något vi hoppas kan framtidssäkra vår produkt en aning så
den kan anpassas efter regelverk med mera. LED-tekniken är på kraftig framfart
och det kommer med all säkerhet komma lysdioder med högre effekt inom en
45
46
6
Avslutande kommentarer
snar framtid. Om produkten skulle uppgraderas så kan det relativt enkelt göras
förutsatt att man använder samma kontaktdon som används i dagsläget.
Appendix
A
Färdigt PCB
Här finns den färdiga ritningen på kretskortet samt det färdiga kretsschemat.
49
50
A
Färdigt PCB
Figur A.1: PCB-layout med matningsplan, jordplan, footprints samt ledningar.
51
Figur A.2: Det slutliga kretsschemat.
B
Kod
Koden är skriven i avr studio och används i ATtiny85 för att styra kretsen tillsammans LED-blixtarna.
53
54
B
Kod
55
56
B
Kod
Litteraturförteckning
[1] Transportstyrelsen. Transportstyrelsens föreskrifter om obemannade luftfartyg (UAS) [Internet]. Transportstyrelsen Sverige: Transportstyrelsen;
2009. Available from: http://www.transportstyrelsen.se/TSFS/
TSFS_2009_88.pdf Cited on pages 1, 2, and 18.
[2] Barnhart RK., Hottman SB., Marshall DM., Shappee E. Introduction to Unmanned Aircraft Systems. CRC Press; 2011. Cited on page 5.
[3] What is the difference between a Drone, a UAV and a UAS? [Internet].
UAV Insider; 2013. Available from: http://www.uavinsider.com/
what-is-the-difference-between-a-drone-a-uav-and-a-uas/
Cited on page 5.
[4] Benge RM. Light-Emitting Diodes (LED). Salem Press Encycl Sci [Internet]. Salem Press Encyclopedia Of Science; 2015; Available from:
http://eds.b.ebscohost.com.e.bibl.liu.se/eds/detail/
detail?sid=29491c55-bcb4-4a43-b6a7-6508a323a906 Cited on
page 5.
[5] Laughton
MA,
Warne
DJ,
Warne
DF.
Electrical
Engineer’s
Reference
Book
[Internet].
16th
ed.
Newnes.
Elsevier;
2003
[cited
2015
Apr
15].
Available
from:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780750646376500009
Cited on page 6.
[6] Yakopcic C, Puttmann J, Kunz B, Ang C, McPherson A, Santez D, et al. Experimental Effective Intensity of Steady And FLashing Light Emitting Diodes for Aircraft Anti-Collision Lighting [Internet]. 2013 [cited 2015 Apr 7].
Available from: http://www.faa.gov/data_research/research/
med_humanfacs/oamtechreports/2010s/media/201315.pdf Cited on pages 11 and 25.
[7] Pistoia G. Lithium-Ion Batteries: Advances and Applications [Internet]. 1st ed. 2013 [cited 2015 Sep 5]. 664 p. Available from:
https://books.google.se/books/about/Lithium_Ion_
Batteries.html?id=wWciAQAAQBAJ&pgis=1 Cited on page 11.
57
58
Litteraturförteckning
[8] Molin B. Analog elektronik. 2nd ed. Studentlitteratur; 2009. Cited on page
13.
[9] Attiny85 Datasheet [Internet]. Atmel Corporation. 2013 [cited 2015
Jun 8]. p. 226. Available from: http://www.atmel.com/images/
atmel-2586-avr-8-bit-microcontroller-attiny25-attiny45-attiny85_
datasheet.pdf Cited on pages 13 and 32.
[10] Atmel-ICE [User Guide] [Internet]. Atmel Corporation. 2014 [cited 2015 Sep 5]. Available from: http://www.atmel.com/images/
atmel-42330-atmel-ice_userguide.pdf Cited on pages 14 and 33.
[11] Johansson E. Mönsterkort: från CAD till kort. 2nd ed. Industrilitteratur AB;
2002. Cited on page 15.
[12] Schubert FE. Light-Emitting Diodes [Internet]. 2nd ed. Cambridge
University Press; 2006 [cited 2015 Apr 21]. 432 p. Available from:
http://library.books24x7.com.e.bibl.liu.se/toc.aspx?
bookid=44013 Cited on pages 7, 8, and 9.
[13] EASA. Certification Specifications and Acceptable Means of Compliance for Large Aeroplanes [Internet]. 16 European Union: EASA; 2015. Available from: https://www.easa.europa.eu/system/
files/dfu/CS-25Amdendment16.pdf Cited on page 9.
[14] MT-G2 Datasheet [Internet]. CREE. 2015 [cited 2015 Jun 8].
Available
from:
http://www.cree.com/~/media/Files/
Cree/LEDComponentsandModules/XLamp/DataandBinning/
XLampMTG2.pdf Cited on pages xi and 22.
[15] XM-L2 Datasheet [Internet]. CREE. 2015 [cited 2015 Jun 8].
Available
from:
http://www.cree.com/~/media/Files/
Cree/LEDComponentsandModules/XLamp/DataandBinning/
XLampXML2.pdf Cited on pages xi, xiii, 23, and 24.
[16] Siliconix
V.
N-Channel
30-V
(D-S)
MOSFET
Datasheet [Internet]. 2012. [cited 2015 Jun 5]. Available from:
http://www.farnell.com/datasheets/1866459.pdf
Cited on pages xi,
31, and 32.
[17] LM3480 Datasheet [Internet]. Texas Instruments. 2015 [cited 2015 Jul 15].
Available from: http://www.farnell.com/datasheets/1888854.pdf Cited
on pages xi and 32.
Upphovsrätt
Detta dokument hålls tillgängligt på Internet — eller dess framtida ersättare —
under 25 år från publiceringsdatum under förutsättning att inga extraordinära
omständigheter uppstår.
Tillgång till dokumentet innebär tillstånd för var och en att läsa, ladda ner,
skriva ut enstaka kopior för enskilt bruk och att använda det oförändrat för ickekommersiell forskning och för undervisning. Överföring av upphovsrätten vid
en senare tidpunkt kan inte upphäva detta tillstånd. All annan användning av
dokumentet kräver upphovsmannens medgivande. För att garantera äktheten,
säkerheten och tillgängligheten finns det lösningar av teknisk och administrativ
art.
Upphovsmannens ideella rätt innefattar rätt att bli nämnd som upphovsman
i den omfattning som god sed kräver vid användning av dokumentet på ovan
beskrivna sätt samt skydd mot att dokumentet ändras eller presenteras i sådan
form eller i sådant sammanhang som är kränkande för upphovsmannens litterära
eller konstnärliga anseende eller egenart.
För ytterligare information om Linköping University Electronic Press se förlagets hemsida http://www.ep.liu.se/
Copyright
The publishers will keep this document online on the Internet — or its possible replacement — for a period of 25 years from the date of publication barring
exceptional circumstances.
The online availability of the document implies a permanent permission for
anyone to read, to download, to print out single copies for his/her own use and
to use it unchanged for any non-commercial research and educational purpose.
Subsequent transfers of copyright cannot revoke this permission. All other uses
of the document are conditional on the consent of the copyright owner. The
publisher has taken technical and administrative measures to assure authenticity,
security and accessibility.
According to intellectual property law the author has the right to be mentioned when his/her work is accessed as described above and to be protected
against infringement.
For additional information about the Linköping University Electronic Press
and its procedures for publication and for assurance of document integrity, please
refer to its www home page: http://www.ep.liu.se/
© Oscar Eriksson och Sebastian Strömberg