HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Program for elektro- og datateknikk 7004 TRONDHEIM Bacheloroppgave Oppgavens tittel: Utvikling av R/C-helikopter (toveis 2.4GHz) Project title: R/C-helicopter development (two-way 2.4GHz) Gitt dato: 08.11.10 Innlev.dato: 23.05.11 Antall sider/bilag 103/18 Nettside: http://hekta.org/~hpe1115 Gruppedeltakere: Vegard Hella (VH) tlf: 91 81 40 40 sjekk_it@hotmail.com Øyvind Andre Sandberg (ØAS) tlf: 95 90 58 16 oeasand@gmail.com Veileder: Valdemar Finanger valdemar.finanger@hist.no tlf: 95 08 94 46 Jesper Toftenes (JT) tlf: 99 53 05 63 jesper.toftenes@gmail.com Christian Wilhelmsen (CW) tlf: 45 45 98 55 christian.wilhelmsen87@gmail.com Studieretning: Elektronikk v/ program for elektro- og datateknikk. Oppdragsgiver: Nordic Semiconductor ASA Prosjektnummer: E1115 Kontaktperson hos oppdragsgiver: Runar Skogstad Kjellhaug runar.kjellhaug@nordicsemi.no tlf: 72 89 89 38 Fritt tilgjengelig x Tilgjengelig etter avtale med oppdragsgiver Rapporten frigitt etter
II
IV
Forord Bacheloroppgaven nrfcopter ble gitt av Nordic Semiconductor ASA til gruppen i november 2010. Vi skal bygge et fjernstyrt leketøyshelikopter basert på Nordic Semiconductor sin nrf24le1. Arbeidet på prosjektet startet så vidt i desember, hvor gruppen hadde første møte med oppdragsgiver og opprettet hjemmeside. I januar 2011 startet prosjektet for fullt og fortsatte til innleveringsdato 25. mai 2011. For gruppen handler oppgaven om å tilegne seg ny og relevant erfaring med elektronikk. Prosjektet utgjør 20 studiepoeng. Rapporten skal fungere som dokumentasjon for oppgaven. Vi vil henvende oss til elektronikk og telekommunikasjon ved Høgskolen i Sør-Trøndelag og Nordic Semiconductor, men alle som har interesse av rapporten kan lese og komme med tilbakemeldinger. Gruppen består av 4 tredjeårsstudenter ved elektronikk ved Høgskolen i Sør-Trøndelag. Gruppen hadde som plan å implementere høydemåler, GPS, PC-oppkobling, approksimasjonssensor og ightassistant. Disse tingene måtte gruppen dessverre gruppen gå bort fra, da gruppen var litt ivrig i hva som skulle være med i prosjektet. Vi vil gjerne rette en stor takk til vår veiledere Valdemar Finanger og Runar S. Kjellhaug, Nordic Semiconductor for utviklingsverktøy og komponenter, og til alle andre som har bidratt til prosjektet. Vi vil også gjerne takke Elektra for utlån av nrfgo Starter Kit i begynnelsen av prosjektet, og for utlån av verktøy. V
Ansvarsområder Rapport Vegard Hella Jesper Toftenes Øyvind A. Sandberg Christian Wilhelmsen 3. LiPo-batteri 4.5 Gzll og Gzp Forside Sammendrag 4.4 ESC 4.7.3 1-Wire Forord 3. Spesikasjoner 5.2 ESC 5.1.2 Helikopter 1. Innledning 4.1 Helikopter 5.3 PSU 5.4 Kompass 2. Metoder og kilder 4.2 Eksternt minne 5.7 Batterimonitoren 5.5 Gyroskop 4.7.2 I2C 4.6 8051-Timere 6.4 ESC 5.6 Akselerometer 5.1.1 Fjernkontroller 4.7.1 SPI 6.8 Batterimonitoren 6.1 HAL 6.5 Kompass 5.8 Produksjon og... 7.5.4 MOSFET 6.2 Trådløs komm... 7.2 Utviklingsverktøy 6.3 Servo 7.5.6 Batterimonitor 6.6 Gyroskop 7.4 Modulbasert arbeid 6.9 Display 7.5.7 MOSFET-støy 6.7 Akselerometer 7.5.2 Prototyping 6.10 Ekstern ash 7.5.8 Sikkerhetsrutiner 6.11 Implementering 7.5.3 Sykdom 7.5.5 Lite minne 7.1 Innkjøp 7.5.9 Debug og ISP 8. Resultat 7.5.1 Gzll 9 Konklusjon 10. Diskusjon 10.1 Videreutvikling Bruksanvisning Prosjektet Vegard Hella Jesper Toftenes Øyvind A. Sandberg Christian Wilhelmsen ESC Trådløs kommunikasjon Fjernkontroll Eksternt minne PSU 1-Wire Kompass Display Batterimonitor Gyroskop Debug og ISP Servostyring 1-Wire Akselerometer I2C Timere Innkjøp Implementering SPI Innkjøp Montering helikopterkort Gazell Reservekrets Helikopterkrets 22. mai 2011 Vegard Hella Øyvind A. Sandberg Jesper Toftenes Christian Wilhelmsen VI
Innhold Innhold VII 1 Innledning 1 1.1 Bakgrunn............................................ 1 1.2 Oppgavebeskrivelse....................................... 1 1.3 Mål............................................... 2 1.4 Oppbyggning av rapporten.................................. 3 2 Metoder og kilder 4 3 Spesikasjoner 5 4 Teori 6 4.1 Helikopter............................................ 6 4.1.1 Virkemåte........................................ 6 4.1.2 Fjernkontroll...................................... 7 4.2 Eksternt minne......................................... 8 4.2.1 Flash eller EEPROM?................................. 8 4.2.2 Kommunikasjon.................................... 8 4.3 LiPo-batteri........................................... 8 4.4 Electronic Speed Control (ESC)................................ 9 4.4.1 Virkemåte........................................ 9 4.4.2 MOSFET........................................ 10 4.4.3 Shunt-diode...................................... 11 4.4.4 PWM-signal...................................... 11 4.5 Gazell Link Layer og Gazell Pairing Library......................... 12 4.5.1 Generell virkemåte.................................. 12 4.5.2 Innstillinger for kommunikasjon............................ 12 4.6 8051-Timere........................................... 13 4.6.1 8051-timere og registere................................ 13 4.6.2 Hvordan fungerer en timer?.............................. 13 4.6.3 Timermoduser..................................... 14 4.7 Kommunikasjonsmetoder................................... 15 4.7.1 SPI........................................... 15 4.7.2 I2C........................................... 16 4.7.3 1-Wire.......................................... 17 VII
5 Hardware 19 5.1 Utlegg.............................................. 19 5.1.1 Fjernkontroller..................................... 19 5.1.2 Helikopter........................................ 21 5.2 Electronic Speed Control (ESC)................................ 23 5.2.1 Spesikasjoner..................................... 23 5.2.2 Utførelse........................................ 23 5.3 PSU............................................... 24 5.3.1 Spesikasjoner BEC.................................. 24 5.3.2 Spesikasjoner fjernkontroll.............................. 24 5.4 Kompass............................................. 25 5.5 Gyroskop............................................ 25 5.6 Akselerometer.......................................... 26 5.7 Batterimonitoren........................................ 26 5.7.1 Maxim Smart Battery Monitor............................ 26 5.7.2 Utlegget......................................... 27 5.8 Produksjon og montering................................... 27 6 Firmware 28 6.1 HAL............................................... 28 6.2 Trådløs kommunikasjon.................................... 28 6.2.1 Virkemåte i fjernkontroller (device).......................... 28 6.2.2 Virkemåte i helikopter (host)............................. 29 6.2.3 Innstillinger....................................... 29 6.3 Servo............................................... 31 6.4 ESC............................................... 32 6.4.1 PWM.......................................... 32 6.4.2 Rotorhastighet..................................... 32 6.4.3 Sikkerhetsfunksjoner.................................. 32 6.5 Kompass............................................. 33 6.6 Gyroskop............................................ 34 6.7 Akselerometer.......................................... 35 6.8 Batterimonitoren........................................ 36 6.8.1 Kommunikasjon.................................... 36 6.8.2 Tilbakemelding av batteristatus og klokke...................... 36 6.8.3 Kalibreringsprogram.................................. 36 6.9 Display............................................. 37 6.9.1 Skrive grakk...................................... 37 6.9.2 Animert grakk..................................... 37 6.10 Ekstern ash.......................................... 38 6.10.1 Kommunikasjon.................................... 38 6.10.2 Lagring av data..................................... 38 6.11 Implementering......................................... 39 VIII
7 Gjennomføring 40 7.1 Innkjøp............................................. 40 7.2 Utviklingsverktøy........................................ 41 7.2.1 Arbeid med development kits............................. 41 7.2.2 Utviklermiljø...................................... 42 7.3 Modulbasert arbeid....................................... 42 7.4 Problemer............................................ 43 7.4.1 Gzll........................................... 43 7.4.2 Programvare...................................... 43 7.4.3 Sykdom......................................... 43 7.4.4 MOSFET........................................ 44 7.4.5 Lite minne....................................... 44 7.4.6 Batterimonitor..................................... 45 7.4.7 MOSFET-støy (ringing)................................ 45 7.4.8 Sikkerhetsrutiner batterimonitor........................... 46 7.4.9 Debug og ISP...................................... 47 8 Resultat 48 9 Konklusjon 50 10 Diskusjon 51 10.1 Videreutvikling......................................... 52 10.1.1 Trim og sikkerhet.................................... 52 10.1.2 Flight-assistant..................................... 52 10.1.3 Sensorer......................................... 53 Referanser Nomenklatur Register Tabeller Figurer Vedlegg i vi vi viii ix ix A Utlegg og kretsskjema xi A.1 Helikopter............................................ xii A.1.1 Utlegg.......................................... xii A.1.2 Kretsskjema....................................... xiii A.2 Fjernkontroll.......................................... xiv A.2.1 Utlegg.......................................... xiv A.2.2 Kretsskjema....................................... xv A.3 Batterimonitor......................................... xvi A.3.1 Utlegg.......................................... xvi IX
A.3.2 Kretsskjema....................................... xvii A.4 Reservekrets........................................... xviii A.4.1 Utlegg.......................................... xviii A.4.2 Kretsskjema....................................... xix B Antennetuning xx B.1 Smith-skjema.......................................... xxi B.2 SWR-plott........................................... xxii C Regnskap xxiii D Delelister xxv D.1 Helikopter............................................ xxvi D.1.1 Reservekrets...................................... xxvi D.1.2 Prototype revisjon 2.................................. xxvii D.2 Fjernkontroll.......................................... xxviii D.3 Batterimonitor......................................... xxviii E Innhold CD xxix F Brukermanual xxx F.1 Norsk.............................................. xxxi F.2 Engelsk............................................. xxxii G Fagartikkel xxxiii H Timelister xxxvi H.1 Individuelle........................................... xxxvii H.2 Totalt.............................................. xxxviii X
Sammendrag Nordic Semiconductor hadde et ønske om å få laget et leketøyshelikopter som kunne være en demonstrasjon på nrf24le1 og dens egenskaper til å utnytte mulighetene ved to-veis kommunikasjon med deres 2.4GHz radioteknologi. Dette har betydd at alt av elektronikk, både i fjernkontroll og helikopter, har blitt byttet ut på helikoptersettet vi kjøpte i starten av oppgaven. Med dette som bakgrunn har vi valgt å sette på så mange relevante sensorer som mulig på helikopteret og vise fram ved hjelp av et display på fjernkontrollen at vi får både batteri- og sensordata tilbake fra helikopteret. Denne teknologien nnes allerede på markedet, men disse fjernkontrollene er ekstremt dyre, og det nnes per dags dato ingen helikopteret i lavprisklassen som sender data tilbake til operatøren. Resultatet vårt ble et helikopteret som sender informasjon om egenrotasjon og akselerasjon i x-, y-, og z-retning, kompasskurs, gjenstående og total yvetid og batteristatus tilbake til brukeren som opererer fjernkontrollen. Oppgaven var veldig åpen og vi kk lite begrensninger fra oppdragsgiver om hvilke spesikasjoner helikopteret skulle ende opp med. Dette var en stor fordel med tanke på at vi kk satt kreativiteten på prøve og virkelig lage et produkt vi føler er like mye vårt som oppdragsgiver sitt. Det negative er at som ambisiøse, lekelystne ungdommer, kan man bli litt vel overambisiøse med tanke på hva vi kunne tenkt oss å ha med i prosjektet. Ideene som kom fram under forberedelsene til prosjektet var mange, morsomme og smarte, og vi har vært nødt til å kutte ut veldig mye med tanke på tiden det tar å utvikle de forskjellige løsningene, og samtidig sørge for at demonstrasjon av to-veis kommunikasjon har vært den røde tråden gjennom hele prosjektperioden. Det viste seg raskt at prosjektet gav oss stor glede, og det gikk veldig kort tid før helikopteret var yvedyktig med egen hardware og rmware. Selv om dette var milepælen vi så for oss å være det mest krevende, skulle det vise seg at de verste problemene dukket opp når ere sensorer og funksjoner skulle implementeres. Gruppen har hatt lite til ingen erfaring fra før med bruk av sensorer og trådløs kommunikasjon, noe som har gjort at lærekurven har vært nokså bratt. Dette har også selvfølgelig ført til at vi har måttet lære oss å virkelig gjøre research og sette oss inn i emner vi har hatt store vanskeligheter med å forstå, men med hardt arbeid og et stort ønske om å komme i mål med et godt resultat, har vi tilegnet oss informasjon fra et bredt spekter innenfor fagfeltet og sitter igjen med nyttig lærdom og gode erfaringer. XI
Abstract Nordic Semiconductor desired a toy helicopter that could function as a demonstration of their nrf24le1 microcontroller, and its abilities to use the opportunities that comes with two-way communication with their 2.4GHz radio technology. This means that all of the electronics, both in the remote controller and the helicopter, has been replaced on the original helicopter-kit we bought in the beginning of the project. With this background, we have chosen to utilize as many relevant sensors as possible, and show various data on a display attached to the remote controller. On the screen, we show that we receive both battery status and sensor data from the helicopter. This technology exists on the market already, but these remote controllers are very expensive and there are currently no similar available helicopters in the low-cost range. The result of the project is a helicopter which sends back information on selfrotation and acceleration in the x-, y-, and z-axis, compass heading, estimated and total ight time and battery status. This assignment was very versatile, and we had few limitations from our client in terms of what specications the nished product would have. This was a huge advantage considering that our creativity was put to the test, and we really got to produce a product we think is as much our product as it is the client's. The negative side is that as overambitious students, it's easy to aim too high when brainstorming about functionality. The ideas that came to light while preparing the project were many, funny and smart. We had to cut down on a lot, considering the time it would take to develop the dierent solutions, while also ensuring that demonstration of two-way communication has been the common thread throughout the project. The project quickly gave us great joy, and it wasn't long until the helicopter was able to y on its own, with custom hardware. Although this milestone was assumed to be the most demanding task, it appeared that the biggest problems arose when several sensors and functions was implemented. The group has had little to no experience with work like this before, which had made the learning curve fairly steep. This meant that we had to learn to do our research thoroughly, and put ourselves into topics we have had great diculty understanding. With hard work and a great desire to reach the goal with a good result, we have gained information from a wide range in the eld and are left with useful lessons and good experiences. XII
Kapittel 1 Innledning 1.1 Bakgrunn I ere tiår har fjernstyrte leketøy i lav/middelspris-segmentet vært dominert av enkle en-veis radioløsninger som opererer på 27MHz/35MHz/40MHz eller IR, og utviklingen på dette området har vært meget begrenset. Med dagens fjernstyrte leketøy, hvis man skal operere ere enheter innenfor et begrenset område, må hver enkelt aktør bestemme frekvenskanal ved fysisk å plugge inn et krystall med en bestemt frekvens for å på denne måten unngå at leketøyene forstyrrer hverandre. I tillegg har hver aktør ofte bare 2-4 kontrollkanaler tilgjengelig. Med Nordic Semiconductor sin 2.4GHz to-veis radioteknologi nnes ikke slike begrensninger. Et tilnærmet ubegrenset antall aktører kan operere i samme område og antall kontrollkanaler for hvert leketøy er mye høyere. I tillegg åpner to-veis kommunikasjon for muligheten for feedback fra leketøyet. Dette kan for eksempel være informasjon om batteristatus, fart, høyde og generelle data fra innebygde sensorer. Nordic Semiconductor holder til på Valentinlyst i Trondheim og er en verdensledende bedrift på det trådløse markedet. Nordics produkter nnes i alt fra trådløse tastatur og mus, treningsutstyr, fjernkontrollere, 3D-briller, leketøy og lyskontrolleringssystem. 1.2 Oppgavebeskrivelse Oppgaven gikk ut på å la studentene lage et leketøyshelikopter som fjernstyres ved hjelp av 2.4GHz radioteknologi (nrf24le1) fra Nordic SemiConductor. Det skal tas utgangspunkt i et eksisterende helikopter/fjernkontrollsett hvor man bytter ut hardwaren med en 2.4GHz radio/mikrokontroller-løsning fra Nordic SemiConductor. Studentene har fått frie tøyler til å gjøre oppgaven slik de vil. Begrensningen ligger i prisen på helikopter, som oppdragsgiver vil ha i prisklasse 1000-1500 kr. Dette er en oppgave med muligheter for lek og alvor. Studentene gis muligheter til å utfolde seg i en verden med R/C-leker, design og utlegg av kretskort, utvikling av rmware og skru litt mekanikk. 1
1.3. MÅL KAPITTEL 1. INNLEDNING 1.3 Mål Ved starten av prosjektet denerte vi følgende mål i forprosjektet: Eektmål ˆ Lage et fungerende radiostyrt helikopter som styres med Nordic Semiconductors 2.4GHz NRF24LE1+ mikrokontrollere. ˆ Minimalisert batteriforbruk. ˆ Lavest mulig pris. ˆ Morsomt og enkelt å bruke. Resultatmål ˆ Opprette kommunikasjon til/fra helikopteret Styre helikopteret via kontrolleren ved å endre servo og motorverdier. Lage utlegg for krets på helikopteret og til kontrolleren. ˆ Batteristatus og andre sensorer til transmitter. Sende gyroskop-, akselerometer- og kompass-avlesninger tilbake til kontroller. Display eller PC-program for avlesning og logging av sensordata in-ight. ˆ Flight Assistant. Et automatisert system for å gjøre yvningen enklere. Bruke høydemåler, approksimasjonssensor, gyroskop og akselerometer automatisk i kontrolleren. ˆ Ca 450 arbeidstimer per person. ˆ Prosjektet er avsluttet innen 5.Mai 2011. Prosessmål Vi forventer av oss selv å få et ferdig prototyp av helikopteret yvende. Det må kunne utføre de egenskapene helikopteret hadde før vi startet arbeidet på det. I tillegg ønsker vi selv å få på så mye av sensorer og tilleggsutstyr som mulig for å ytterligere øke underholdningsverdien og yveegenskapene til helikopteret. Personlig utbytte av prosjektet vil være faglige kunnskaper, praktiske erfaringer av prosjektarbeid, en god karakter og selvfølgelig at vi har det gøy under prosjektet. 2
KAPITTEL 1. INNLEDNING 1.4. OPPBYGGNING AV RAPPORTEN 1.4 Oppbyggning av rapporten Hovedprosjektrapporten starter med en innledning hvor leseren blir presentert med oppgavebakgrunn, beskrivelse og oppbygning. Videre går rapporten gjennom kilder og metoder for arbeidet gjort i prosjekttiden, deretter spesikasjoner for oppgaven. Rapporten er så delt opp i teori, rmware og hardware. Dette er den tekniske delen av oppgaven, hvor leser først får en innføring i de litt spesielle tingene med R/C helikopteret. Hardware tar for seg utlegg og komponenter, mens rmware tar for seg programmeringsbiten. I kapittelet gjennomføring har vi valgt å legge det administrative. Dette vil være innkjøp, utviklingsverktøy som har blitt brukt, prototyping, individuelle arbeidsmetoder og til slutt problemer vi har opplevd gjennom prosjektet. Resultater, konklusjon og en diskusjon kommer til slutt. I diskusjonen drøfter vi ulike problemstillinger som har oppstått. Vedlegg A har kretsskjema, utlegg og tekniske ting. Vedlegg B har administrative ting. Faguttrykk er forklart i nomenklaturen. 3
Kapittel 2 Metoder og kilder På Internett har vi funnet det meste av vårt sto, det innebærer datablad, applikasjonsnoter og lignende prosjekter. Vi var tidlig ute med å ta kontakt med de butikkene her i byen som tilbyr radiostyrte leketøy, her kk vi gode tips og forslag. Wikipedia har vært en god kilde, men dette er en kilde som gruppen har vært klar over kan endres av hvem som helst. Det meste av stoet har blitt dobbelsjekket før det har blitt tatt i bruk. Datablader og applikasjonsnoter vi har brukt kan sies å være vår hovedkilde. Vi har også hatt god kontakt med oppdragsgiver for informasjon rundt mikrokontroller. Diverse forum har blitt brukt når det er ting vi er usikre på rundt helikopterbiten eller generell programmering. 4
Kapittel 3 Spesikasjoner ˆ Toveis trådløs kommunikasjon nrf24le1 (mikrokontroller og sender/mottaker) 2.4GHz radiokommunikasjon 1mbps air datarate 100m rekkevidde ~15cm dynamic proximity pairing ˆ Periferienheter 3-akse akselerometer 3-akse gyroskop 2-akse kompass Batterimonitor Display ˆ Helikopter Vingespenn: 340 mm. Lengde: 435 mm. Høyde: 185 mm. Bredde: 95 mm. Det brukes en nrf24le1 mikrokontroller med innebygd sender/mottaker til å utføre to-veis kommunikasjon mellom fjernkontroll og helikopter. All data fra periferienhetene vises på displayet som er montert på fjernkontrollen der man får informasjon om helikopterets yvetid, egenrotasjon og akselerasjon, kompasskurs og batteristatus hos begge enhetene. Batteripakken er et LiPo på 7.4VDC og er beskyttet mot underspenning ved hjelp batterimonitoren som er montert som et mellomledd mellom batteri og helikopter. Fjernkontrollen benytter 8 stk AA batterier og har innebygget antenne. Helikopteret må parres med fjernkontrollen før kommunikasjon blir opprettet. Dette gjør at man unngår uønskede forstyrrelser fra andre kilder, da de parrede enhetene kun kan kommunisere med hverandre. Oppstart av helikopterets motorer før parring vil ikke forekomme. 5
Kapittel 4 Teori 4.1 Helikopter Radiostyrte helikoptere er noe av det mest avanserte man nner i hobbybutikkene, i både funksjonalitet og i bruk. Vanskelighetsgraden i bruken av helikopteret er høyt, da det kan bevege seg i seks retninger: framover, bakover, til venstre, høyre, opp og ned. 4.1.1 Virkemåte I de mest vanlige helikoptere er det en hovedrotor og en halerotor. Hovedrotoren sørger for oppdrift, og halerotoren motvirker rotasjonskraften hovedrotoren skaper. Helikopteret vi bruker er et kontraroterende helikopteret. Dette vil si at det har to hovedrotorer over hverandre som roterer i hver sin retning. Dette gjør helikopteret meget stabilt og lett å bruke for nybegynnere. Da de kontraroterende bladene motvirker hverandres rotasjonskraft, vil helikopteret ideelt sett hovere perfekt uten å manuelt måtte justere for egenrotasjon. I stedet for å bruke en halerotor for å snu helikopteret rundt sin egen akse, gjøres dette ved å skru opp eller ned kraften på en av rotorene. Teoretisk sett har disse helikopterene heller ikke bruk for et gyroskop som måler egenrotasjonen. Dette gjør at man slipper unna mye justering av helikopteret før det er klart til å y. Rotorhastighetene styres ved hjelp av hver sin motor, og rotorbladenes vinkel justeres ved hjelp av to servoer. Når man ønsker å y fram og tilbake eller til sidene gjøres dette ved at to servoarmer justerer på en såkalt swash-plate, som tilter rotorbladene i sine respektive retninger. Dessverre er ikke kontraroterende helikoptere helt perfekte. Helikopteret er veldig sensitiv til at begge rotorene må bevege seg i nøyaktig samme hastighet for å ikke rotere rundt seg selv. Økt stabilitet går dessverre på bekostning av helikopterets responstid. 6
4.2. EKSTERNT MINNE KAPITTEL 4. TEORI 4.2 Eksternt minne Når man har behov for ekstra lagringsplass kan man benytte seg av eksternt minne. Dette kan brukes til å lagre loggført data og til grakk som skal brukes til display. Slike minnemoduler nner man gjerne i USB-pinner, SSD, minnekort og MP3-spillere. 4.2.1 Flash eller EEPROM? Når man skal velge hvilken type eksternt minne man skal bruke, er egenskaper som pris, kapasitet, forsyningsspenning, strømforbruk og hastighet viktige[24]. EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) har muligheten til å slette og skrive individuelle bytes, og mister ikke dataene ved strømtap. EEPROM brukes gjerne i applikasjoner der man har behov for å lagre mindre data som må ligge lagret selv om strømmen til brikken blir kuttet. Flash-minne er meget lik EEPROM. Forskjellen ligger i at det er delt opp i områder, eller pages, og kan derfor kun skrive til hele dataområder. Fordelen med å bruke ash er at det er billigere og tar opp mindre fysisk plass. Flash-minne har også mye større kapasitet til samme pris som en EEPROM. Fra ash kan man også lese og skrive til individuelle bits. Problemet er at hvis en bit skal endres individuelt må den være høy, eller '1' for å kunne endres. Skal man endre en bit som fra før er '0' er eneste løsning å slette hele området og skrive informasjonen inn på nytt igjen. I vårt tilfelle har vi ikke bruk for å endre biter av minnet, men kun ha et statisk område man kan lese informasjon fra. På bakgrunn av dette har vi valgt å bruke ekstern ash til prosjektet, der det også kan brukes til å loggføre eksempelvis ydata. 4.2.2 Kommunikasjon Når man skal kommunisere med eksterne minnemoduler bruker man gjerne I2C eller SPI. Til ashen vi bruker kommuniserer vi ved hjelp av SPI. Her må man huske å sjekke hvor høy frekvens slaven støtter, og hvilke SPI-kongurasjoner man kan bruke. Modulen er styrt med en rekke instruksjoner som blir sendt fra masterenheten. Som man kan se i seksjon 6.10.1 på side 38, er brikken delt opp i forskjellige minneområder, og man må derfor oppgi adressen til området man ønsker å aksessere før man kan lese eller skrive data[3]. 4.3 LiPo-batteri Litium-ion-Polymer har størst energikapasitet per vektenhet når vi ser på kommersielt tilgjengelige batteriteknologier. De vanligste batteripakkene kommer med enten 2 eller 3 celler. Èn celle leverer nominelt 3,7V, derav kommer batteripakkene på 7,4V og 11,1V. Maksspenning per celle er 4,23V, og ved utlading burde ikke cellespenningen falle under 3,0V[45]. Hvis LiPo-celler utlades til mindre enn 3,0V, taper de kapasitet og kan bli ustabile under opplading. LiPo-batteri krever en mer sostiskert lademetode enn de eldre batteriteknologiene. De er svært følsomme for overlading, ladespenning og ladestrøm. LiPo kan kun lades med spesielle ladere som begrenser strømmen og beskytter mot overlading. Disse laderne balanserer også cellene ved å tappe strøm fra de cellene som ligger på et høyere potensiale enn de andre. Altså må laderen ha tilgang til hver enkelt celle. Overlades en LiPo-celle kan den eksplodere eller ta 8
KAPITTEL 4. TEORI 4.4. ELECTRONIC SPEED CONTROL (ESC) fyr[19]. For å minske eksplosjonsfaren er LiPo-celler pakket i myk plast og ikke metall. Det medfører økt fare for punktering og man burde være obs på bulker i LiPo-pakningen. På en LiPo-batteripakke er det vanlig å angi kapasitet i milliampère timer, nominell spenning i volt og kontinuerlig utladingskapasitet, C-rating[20]. Mengden strøm som kan trekkes fra batteriet er avhengig av indreresistans på grunn av varmeutviklingen som oppstår. C-ratingen forteller oss hvor mye av den totale kapasiteten til batteriet som kan trekkes ut kontinuerlig, uten å skade batteriet. I ampère blir dette: I[A] = C-rating[C] Kapasitet[Ah] (4.1) Til sammenligning er vanlige AA-batterier alkaliske, eller laget av sink-karbon. Disse har en nominell cellespenning på 1,5V, der spenningen varierer fra 1,65V fulladet til mellom 0,8V og 1,0V utladet. 4.4 Electronic Speed Control (ESC) En ESC har som formål å styre hastigheten på en elektrisk motor ved hjelp av et styresignal. Den kan ha revers, brems og ulike sikkerhetsfunksjoner, for eksempel strømbegrenser og sikker oppstart. En sostikert ESC har i tillegg regenerativ brems som lader batteriene, og en reguleringssløyfe som forsikrer hastigheten 1. En ESC kan være laget for motorer med og uten børster. Enkelte ESC-er, beregnet på R/C-modeller, inneholder også en BEC 2. BEC-en er PSU-kretsen mellom driftsbatteri og mottaker. Den har gjerne en sikkerhetsfunksjon som deaktiverer motorene ved lavt batterinivå for å fortsatt kunne forsyne styringsenhet og servoer.[44] Vi skal forholde oss til teorien bak en enkel ESC, der vi kun varierer hastigheten over en DC-motor med børster. 4.4.1 Virkemåte I en DC-motor er hastigheten proporsjonal med spenningen, og strømmen proporsjonal med lasten[14]. For å variere hastigheten ønsker vi da å kontrollere spenningen over motoren. For å unngå unødvendige eekttap er spenningsdeling uaktuelt. En mer eektiv måte å justere likespenningen er med et PWMsignal. Det er forutsatt at frekvensen er høy nok så lasten ser gjennomsnittet av spenningen og oppfører seg tilsynelatene upåvirket. Variasjon i duty-cycle vil da variere gjennomsnittspenningen. Om man vil switche spenningen over en motor må man ta hensyn til at den er induktiv. Spolene og momentet i motoren vil drive strøm videre selvom vi kutter spenningen. For at det da ikke skal oppstå et destruktivt spenningsfall over bryteren plasser vi en shunt-diode over motoren. Da vil spolen drive strømmen igjennom dioden og rundt i motoren igjen, se gur 4.3 på neste side[11]. ESCen utfører altså en DC-DC-konvertering, ikke ulikt prinsippet i en Buck-Converter[43]. For å beskytte mot støy som oppstår i motoren kan en shunt-kondensator tilkobles mellom hver av motorpolene og jord. 1 Closed loop ESC. 2 BEC-navnet (Battery Eliminator Circuit) kommer opprinnelig fra adaptere som lar deg bruke batteridrevet utstyr rett fra lysnettet. 9