Přeskočit obsah

Elektronika

Přehled

Elektronický systém dronu zajišťuje pohon, řízení, komunikaci a navigaci. Dron je řízen přes Bluetooth na krátkou vzdálenost a přes 4G/LTE modul na delší vzdálenosti prostřednictvím cloudového API.

Blokový diagram

                    ┌─────────────────────────────────────────┐
                    │              CLOUDOVÉ API                │
                    │         (řídicí aplikace)                │
                    └──────────────┬──────────────────────────┘
                                   │ 4G/LTE
                    ┌──────────────▼──────────────────────────┐
                    │          4G/LTE MODUL                    │
                    │         (SIM7600E)                       │
                    └──────────────┬──────────────────────────┘
                                   │ UART
┌──────────┐       ┌──────────────▼──────────────────────────┐
│ Bluetooth│◄─────►│        ŘÍDICÍ JEDNOTKA                   │
│  (BLE)   │  UART │      (ESP32 / Raspberry Pi Pico W)       │
└──────────┘       └───┬───────┬───────┬───────┬─────────────┘
                       │       │       │       │
                  I2C  │  PWM  │  UART │  ADC  │
                       │       │       │       │
              ┌────────▼──┐ ┌──▼────┐ ┌▼─────┐ ┌▼──────────┐
              │   IMU     │ │ Serva │ │ GPS  │ │ Monitoring │
              │ (MPU6050) │ │(5×)   │ │modul │ │  baterie   │
              └───────────┘ └──┬────┘ └──────┘ └────────────┘
                               │
                          ┌────▼─────┐
                          │   ESC    │
                          │          │
                          └────┬─────┘
                               │
                          ┌────▼─────┐
                          │  Motor   │
                          │ (BLDC)   │
                          └──────────┘

Seznam komponent

Řídicí elektronika

Komponenta Model Specifikace Cena (orientační)
Řídicí jednotka ESP32-S3 DevKit Dual-core 240 MHz, WiFi+BT, 8 MB Flash 250 Kč
IMU (gyro + akcel.) MPU-6050 (GY-521) 6-DOF, I2C, ±16g / ±2000°/s 60 Kč
Barometr BMP280 Tlak + teplota, I2C, přesnost ±1 hPa 50 Kč
GPS modul BN-880 (u-blox M8N) GPS+GLONASS, 10 Hz, kompas (HMC5883L) 350 Kč
4G/LTE modul SIM7600E-H 4G Cat-4, UART, SIM slot 800 Kč
Bluetooth Integrován v ESP32 BLE 5.0, dosah ~50 m —

Pohon

Komponenta Model Specifikace Cena (orientační)
Motor (BLDC) SunnySky X2820 800KV 800 KV, max 800 W, hmotnost 98 g 650 Kč
ESC Hobbywing Skywalker 60A 60 A, 2–6S LiPo, BEC 5V/3A 500 Kč
Vrtule APC 12×6E Průměr 12", stoupání 6", electric 120 Kč

Serva

Pozice Model Specifikace Počet
Křidélka MG90S Točivý moment 2,2 kg·cm @ 4,8 V, kovové převody 2
Výškové kormidlo MG90S Točivý moment 2,2 kg·cm @ 4,8 V, kovové převody 1
Směrové kormidlo MG90S Točivý moment 2,2 kg·cm @ 4,8 V, kovové převody 1
Přední kolo MG90S Točivý moment 2,2 kg·cm @ 4,8 V, kovové převody 1

Napájení

Komponenta Specifikace
Baterie Li-ion 18650, konfigurace 6S3P (6 sériově, 3 paralelně)
Články Samsung INR18650-35E, 3 500 mAh, 8 A continuous
Nominální napětí 22,2 V (6S)
Kapacita 10 500 mAh (3P)
Energie 233 Wh
Hmotnost baterie ~900 g (18 článků × ~50 g)
Max. proud článků 24 A continuous (3P × 8 A)
BMS 6S BMS deska, 40 A continuous, balancování
BEC (serva) Integrován v ESC: 5V / 3A (postačuje pro 5× MG90S, max. špičkový odběr ~1,8 A)
BEC (elektronika) Step-down DC-DC: 5V / 2A (pro ESP32 a moduly)

Poznámka k BMS: Motor SunnySky X2820 při plném výkonu 800 W a napětí 22,2 V odebírá ~36 A. BMS musí být dimenzován minimálně na 40 A continuous, aby napájecí větev podporovala plný výkon motoru. Při cestovním letu je odběr pouze ~6–7 A, takže 40A BMS poskytuje dostatečnou rezervu.

Schéma zapojení

Napájecí obvod

Baterie 6S3P Li-ion (22,2V, 10 500 mAh)
    │
    ├───► BMS (6S, 40A)
    │         │
    │         ├───► ESC (22,2V) ───► Motor BLDC
    │         │         │
    │         │         └───► BEC 5V/3A ───► Serva (5×)
    │         │
    │         └───► DC-DC 5V/2A ───► ESP32
    │                                  │
    │                                  ├───► GPS (3.3V via ESP32)
    │                                  ├───► IMU (3.3V via ESP32)
    │                                  ├───► Barometr (3.3V via ESP32)
    │                                  └───► 4G modul (5V, vlastní regulátor)
    │
    └───► Napěťový dělič ───► ADC ESP32 (monitoring napětí)

Zapojení pinů ESP32-S3

Pin ESP32 Funkce Připojeno k
GPIO 1 UART TX SIM7600E RX
GPIO 2 UART RX SIM7600E TX
GPIO 17 UART TX GPS RX
GPIO 18 UART RX GPS TX
GPIO 21 I2C SDA MPU-6050 SDA, BMP280 SDA
GPIO 22 I2C SCL MPU-6050 SCL, BMP280 SCL
GPIO 12 PWM Servo křidélko L
GPIO 13 PWM Servo křidélko P
GPIO 14 PWM Servo výškové kormidlo
GPIO 25 PWM Servo směrové kormidlo
GPIO 26 PWM Servo přední kolo
GPIO 27 PWM ESC (řízení plynu)
GPIO 34 ADC Monitoring napětí baterie
GPIO 35 ADC Monitoring proudu (přes ACS712)

Komunikační protokol

Bluetooth (BLE) — krátký dosah

  • Používá se pro přímé ovládání na vzdálenost do ~50 m
  • BLE GATT server na ESP32
  • Charakteristiky:
  • Řízení (Write): Throttle, Roll, Pitch, Yaw (4 × uint16)
  • Telemetrie (Notify): Rychlost, výška, napětí, GPS pozice, orientace
  • Stav (Read): Režim letu, stav baterie, GPS fix

4G/LTE — dlouhý dosah

  • ESP32 komunikuje s SIM7600E přes UART (AT příkazy)
  • SIM7600E se připojuje k cloudovému API přes HTTPS/WebSocket
  • Protokol:
  • WebSocket pro real-time řízení (latence < 200 ms)
  • HTTPS REST API pro konfiguraci a telemetrii

Cloudové API

┌──────────────┐     WebSocket      ┌─────────────────┐
│   Operátor   │◄──────────────────►│   Cloud Server   │
│  (mobilní    │     HTTPS REST     │  (Node.js/Go)    │
│   aplikace)  │◄──────────────────►│                  │
└──────────────┘                    └────────┬─────────┘
                                             │
                                    WebSocket│
                                             │
                                    ┌────────▼─────────┐
                                    │      Dron         │
                                    │  (SIM7600E +      │
                                    │   ESP32)          │
                                    └──────────────────┘

API endpointy (příklad)

Metoda Endpoint Popis
POST /api/drone/connect Registrace dronu
GET /api/drone/status Stav dronu (telemetrie)
POST /api/drone/command Odeslání řídicího příkazu
WS /ws/control Real-time řízení
WS /ws/telemetry Real-time telemetrie

Firmware — přehled architektury

┌─────────────────────────────────────────────┐
│                  Main Loop                   │
├──────────┬──────────┬──────────┬────────────┤
│ Řízení   │ Senzory  │ Komunik. │ Bezpečnost │
│ motorů   │          │          │            │
│ a serv   │ IMU      │ BLE      │ Failsafe   │
│          │ GPS      │ 4G/LTE   │ Geofence   │
│ PID      │ Baro     │ API kl.  │ Low batt   │
│ regulátor│ Napětí   │          │ RTH        │
└──────────┴──────────┴──────────┴────────────┘

Bezpečnostní funkce

  1. Failsafe — při ztrátě spojení (BT i 4G) po dobu > 5 s:
  2. Dron přejde do režimu RTH (Return To Home)
  3. Letí na GPS souřadnice startu

  4. Automaticky přistane

  5. Geofence — nastavitelná maximální vzdálenost od startu

  6. Při překročení se aktivuje RTH

  7. Nízká baterie:

  8. Varování při < 20 % kapacity

  9. Automatický RTH při < 10 % kapacity

  10. Watchdog timer — restart systému při zamrznutí

Montážní pokyny pro elektroniku

  1. ESP32 umístěte do střední sekce trupu, chráněn proti vibracím pěnovou podložkou
  2. IMU (MPU-6050) umístěte co nejblíže těžišti dronu, pevně přilepte, orientace dle os
  3. GPS modul umístěte na horní stranu trupu s výhledem na oblohu
  4. SIM7600E umístěte v trupu, anténa vyvedena ven přes otvor v trupu
  5. BMS přilepte k baterii, zajistěte izolaci kontaktů
  6. ESC umístěte v přední sekci trupu, blízko motoru, zajistěte odvod tepla
  7. Všechny konektory zajistěte proti rozpojení vibracemi (lepidlo, stahovací pásky)
  8. Kabely veďte po stranách trupu, fixujte stahovacími páskami

Serva — technické specifikace

Rozměry a parametry MG90S

Parametr Hodnota
Rozměry těla (D × Š × V) 22,8 × 12,2 × 28,5 mm (včetně hřídele)
Rozměry těla bez hřídele 22,8 × 12,2 × 22,5 mm
Hmotnost 13,4 g
Napájecí napětí 4,8–6,0 V
Točivý moment 2,2 kg·cm @ 4,8 V / 2,5 kg·cm @ 6,0 V
Klidový odběr ~6 mA
Odběr bez zátěže ~120 mA
Stallový odběr ~360 mA
Úhel natočení 0°–180°
Délka spojovacích ramen (horn) 11–25 mm (sada 4 ramen)

Poznámka k BEC: Při 5 servech MG90S v klidovém stavu: 5 × 6 mA = 30 mA. Při maximální zátěži všech 5 serv současně: 5 × 360 mA = 1,8 A. BEC 5V/3A = 3 A — dostatečná rezerva 1,2 A.

Zapojení konektorů serv

Všechna serva MG90S používají standardní 3-pinový konektor JST-PH nebo dupont 2,54 mm:

Barva vodiče Funkce Připojení
Hnědá / Černá GND (−) Záporný pól BEC (GND)
Červená VCC (+5 V) Kladný pól BEC (+5 V)
Oranžová / Žlutá / Bílá Signál (PWM) GPIO pin ESP32

Pořadí pinů na konektoru (pohled ze strany konektoru): GND – VCC – Signal

Umístění serv v konstrukci

Servo Umístění GPIO Délka kabelu
Křidélko levé Uvnitř kridlo_stredni_dil_L nebo kridlo_koncovy_dil_L (výřez 30×20 mm při 300 mm od kořene střed. dílu) GPIO 12 ~400 mm (táhne se k trupu přes kořen)
Křidélko pravé Uvnitř kridlo_stredni_dil_P nebo kridlo_koncovy_dil_P GPIO 13 ~400 mm
Výškové kormidlo Uvnitř trup_zadni, X ≈ 320–340 mm od přední strany zadní sekce, na servo_mount_kormidla GPIO 14 ~200 mm (k řídící jednotce přes střední sekci)
Směrové kormidlo Uvnitř trup_zadni, X ≈ 320–340 mm od přední strany zadní sekce, na servo_mount_kormidla GPIO 25 ~200 mm
Přední kolo Uvnitř trup_predni, X ≈ 220–240 mm od nosu (přichyceno za přední podvozek) GPIO 26 ~300 mm

Táhla serv

Táhla (push-rody) jsou realizovány dvěma způsoby: - Vnitřní táhlo: ocelový drátek ø1,2–1,5 mm v bowdenovém pouzdru (viz voditko_tahu.stl) - Tyčové táhlo: karbonová tyčka ø2 mm s očky na obou koncích (clevis)

Servo Typ táhla Délka
Křidélka Ocelový drátek ø1,5 mm v bowdenu, vedený přes kořen křídla ~500 mm
Výškové kormidlo Ocelový drátek ø1,5 mm, veden průchodkami v zadní sekci ~280 mm
Směrové kormidlo Ocelový drátek ø1,5 mm, veden průchodkami v zadní sekci ~260 mm
Přední kolo Karbonová tyčka ø2 mm, přímé táhlo ~80 mm