Квадрокоптер из кулеров своими руками

С чего начинать

Первое, что стоит уяснить начинающему, который решил сделать квадрокоптер своими руками: обойтись без покупки специальных комплектующих не получится. Летающая четырехвинтовая машина представляет собой достаточно сложную компьютеризированную систему. Поэтому приобретение специальной управляющей платы, сигналы с которой будут стабилизировать и направлять мультикоптер — является обязательным.

Несколько советов помогут собрать дрон с высокими шансами на положительный результат.

  1. Не стоит делать самодельный квадрокоптер большим. Разумно начать с надежной, устойчивой и прочной модели.
  2. Двигатели для дрона нужно выбирать с запасом. Во-первых, этим достигается большая свобода при сборке рамы. Мощные двигатели компенсируют ошибки, связанные с недостаточной грузоподъемностью. Во-вторых, характеристики большинства моторов китайского производства завышены.
  3. Минимальное количество проводки и соединений позволит как уменьшить массу, которую будет иметь самодельный дрон, так и минимизировать наводки и потери на сопротивление.

И главное — не стоит сразу пытаться делать квадрокоптер с камерой. Это устройство (если хочется получать качественное изображение) не только громоздкое и довольно тяжелое, но и неизбежно разбалансирует дрон.

Готовые комплекты

Профессиональные спортсмены, использующие гоночные дроны, предпочитают покупать готовые наборы для сборки. Это так называемые комплекты ARF. В них входит минимальный набор компонентов, чтобы сделать дрон своими руками с предсказуемыми характеристиками. При этом владельцу предлагается некоторая свобода в модификации параметров изделия путем замены лопастей, батарей и других комплектующих.

Наборы ARF обычно включают:

  • детали рамы;
  • основная печатная плата;
  • двигатели;
  • лопасти;
  • батареи;
  • соединительные шлейфы;
  • крепежные элементы.

После того, как самодельный квадрокоптер собран, на него устанавливают систему управления. Ее можно купить отдельно.

Совет! Рекомендуется приобретать комплект из пульта и приемника. Они полностью синхронизированы между собой и не требуют сложной настройки.

Еще одно достоинство комплектов ARF — широкие возможности модификации летных характеристик дрона. Можно собрать квадрокоптер с большим радиусом действия, подключая его к соответствующей системе управления. Или обеспечить хорошие характеристики маневренности, используя специальные пульты.

Сборка в домашних условиях

Квадрокоптер можно собрать самому, в домашних условиях. Без покупки сложных электронных компонентов обойтись не получится. А вот силовую раму с ногами двигателей можно сделать из подручных материалов. Есть несколько вариантов сборки. Раму можно сделать из пластиковых труб водопроводной сети или собрать конструкцию из тонкого алюминиевого профиля квадратного сечения.

Самый простой способ — выполнить раму из фанеры. Для этого потребуется квадрат, размеры которого подбираются под габариты будущего коптера. К основанию рамы из фанеры будут крепиться ноги двигателей. Это может быть как готовое изделие промышленного производства, так и вручную изготовленные детали. Пошаговая сборка силовой рамы выглядит следующим образом.

  1. Делается чертеж конструкции, вид сверху. Соблюдается угол 90 градусов между ногами, равное расстояние между двигателями по диагонали.
  2. Определяется габарит центральной части из фанеры или профиля, путем разметки необходимых мест крепления ног.
  3. Если ноги двигателей сделаны из подручных материалов, например, низкого профиля — необходимо предусмотреть надежное место для крепления двигателей.

Сделать всю работу самостоятельно получится только у людей с высоким уровнем навыка моделирования и использования ручных инструментов. Требуется максимальная точность и минимальное количество материала.

Совет! Для начинающих рекомендуется купить готовую раму для сборки. Пользователь сразу получает изделие, у которого предусмотрено место для размещения батарей, двигателей, до минимума снижена масса.

Двигатели

Рекомендуется приобретать для сборки коптера в домашних условиях готовый комплект двигателей с системой управления. Это избавит от возможных отклонений в оборотах и других сложностях балансировки. Если же хочется все собрать самому, включая систему подъемных двигателей, следует ориентироваться на:

  • диаметр пропеллеров, который вычисляется по размерам рамы;
  • габариты посадочного пространства для двигателя (площадь и высота боковой опоры-стенки).

Далее делается выбор двигателя по его маркировке. Производитель всегда указывает диаметр статора и высоту двигателя. К каждому изделию приводится тип и размер лопастей, рекомендуемых к применению. После этого, основываясь на массе беспилотника и оборотах двигателя при зависании (указывается в паспорте) — подбирается конкретная марка пропеллера.

Выбор лопастей

Лопасти — одна из простых деталей, которым мало уделяют внимания начинающие. От конструкции данного элемента зависят летные характеристики дрона в целом. Рекомендации по выбору лопастей следующие.

  1. Если собирается квадрокоптер с камерой, нужно добиться минимальных вибраций при движении. Это позволяют сделать двухлопастные пропеллеры.
  2. Трехлопастные пропеллеры дают больше тяги, но для приведения их в действие требуется большая мощность двигателя.

Второй главный фактор выбора лопастей — материал, из которого они изготовлены. Для начинающих, при сборке первых моделей, можно купить пластиковые пропеллеры. Но стоит помнить, что они не отличаются прочностью. Пластик деформируется, высыхает (меняет жесткость). Кроме этого, в ходе эксплуатации лопасти повреждаются пылью и другими взвесями в воздухе, из-за чего растет их аэродинамическое сопротивление.

Металлические пропеллеры — оптимальный выбор, если хочется получить долговечный дрон со стабильными характеристиками. Стоят такие изделия дороже пластика, но служат гораздо дольше, показывая стабильные характеристики. Стоит помнить, что металлические пропеллеры неизбежно потребуют двигатели большей мощности для своего вращения.

Третий тип материалов, используемых для изготовления лопастей — композитные полимеры, многослойная конструкция. Такие пропеллеры легкие и прочные. Их цена высока, однако в области спортивных дронов композитные материалы лопастей не имеют конкурентов.

Важно! Если сборка квадрокоптера в домашних условиях планируется впервые, то при покупке лопастей не стоит экономить. Нужно внимательно изучать приводимую производителем разницу в массах отдельных пропеллеров в комплекте. На практике, покупая набор лопастных блоков дороже всего на 10% от средней цены, можно избавиться от работ по балансировке системы.

Система управления

Система управления, рекомендованная к покупке для начинающих, состоит из пульта и приемника, устанавливаемого на коптере. Сегодня на рынке представлено великое множество комплектов, предлагающих разный функционал. Например, может быть реализована:

  • система взаимодействия по радио или Wi-Fi каналу;
  • GPS для ориентирования и движения по маршруту;
  • схема позиционирования, работающая не в 2, а в 6 и более степенях свободы;
  • система автоматического гашения инерции, позволяющая дрону висеть полностью неподвижно и сразу останавливаться при поступлении команды баз паразитных раскачиваний.

От класса решения напрямую зависит стоимость системы управления. Поэтому рекомендуется тщательно проанализировать сферу применения и задачи коптера перед выбором того или иного комплекта его электроники.

Алгоритм сборки

Сборка квадрокоптера не представляет большой сложности.

  1. Делается рама, сборкой готового комплекта или создания конструкции из подручных материалов.
  2. На центральную пластину рамы крепится электроника управления. Это плата, регулирующая обороты двигателей и обрабатывающая сигналы с пульта.
  3. К плате управления присоединяется приемник радиосигнала. Его можно закрепить на раме термоклеем.
  4. Строго на равных расстояниях от центра рамы до оси привода, на ногах сверлятся отверстия для крепления двигателей.
  5. Прокладываются провода, силовая сеть управления двигателями. Если покупался комплект оборудования, в нем есть все нужные проводники и инструкция. В случае, когда работа делается своими руками, стоит помнить: проводка соединяется в соответствии с типом управляющей платы, схема подачи питания параллельная.

Завершается сборка тщательным изолированием мест соединения проводов термоусадкой. При необходимости защиты плат управления от влаги, они накрываются кожухами. После этого можно присоединять аккумулятор и тестировать коптер в работе.

Варианты

Перед началом стоит вспомнить – а какие же есть способы получить свой квадрокоптер? На самом деле их пять.

RTF

RTF (ready to fly) – Просто купить готовый коптер. Тебе останется его просто достать из коробки и запустить в полёт. Это хороший вариант, если тебе не интересны эти конструкторы, и ты хочешь просто удовлетворить свою потребность в БПЛА. Однако, это далеко не так весело, как оставшиеся варианты.

Комплект «всё включено»

Такой комплект подойдёт тем, кто хочет сделать дрон своими руками, но не собирается часами разбираться в документациях, калькуляторах и прочих тонкостях. Там всё так-же рассчитано производителем и подогнано. Нужно только собрать и настроить. Если ты сейчас выбираешь свой первый квадрокоптер, то это определённо твой выбор.

Комплект ARF

ARF (Almost Ready to Fly) – Тут всё слегка сложнее. Бывают разные степени «готовности». Где-то нужно докупить контроллер, а где-то в комплекте идёт только рама коптера. Собрать квадрокоптер, настроить и откалибровать придётся самому. Вариант для тех, кто хочет углубиться в тему и поковыряться в своём БПЛА.

С нуля

Это выбор продвинутых юзеров. Строить коптер с нуля — значит самостоятельно подбирать оптимальные компоненты, разрабатывать и изготавливать раму и так далее. Это сложный, но очень интересный путь, особенно, если не брать готовый модуль управления, а попытаться использовать Arduino или raspberry pi.

Из подручных материалов

Мы не ищем лёгких путей. Дедушкин гараж, алиэкспресс и помойка электроники – наш выбор. Путь боли, ПВХ труб и хардкора, но в результате ты получишь полностью самодельный квадрокоптер. Тут полный простор для фантазии, а все необходимые комплектующие и чертежи квадрокоптеров можно найти в интернете.

Инструкция по сборке квадрокоптера своими руками (для начинающих)

А теперь давай разберёмся с тем, как собрать квадрокоптер мечты. Сразу скажу, что это обобщённый гайд, и некоторые моменты могут отличаться. Я попытаюсь систематизировать процесс, и указать на основные моменты выбора и сборки.

Детали для сборки квадрокоптера.

Сборка квадрокоптера своими руками начинается с выбора компонентов. Это самый ответственный этап.

Комплектующие рамы

Несущая конструкция коптера крайне важна. От её характеристик зависит то, сколько лишней мощности у вас останется. Чем легче рама, тем она дороже. На счёт прочности особо напрягаться не стоит, если в ваши планы не входит постройка квадрокоптера для массивных камер. Есть три основных типа рамы – четырёхлучевая, шестилучевая и восьмилучевая. В данном случае мы будем отталкиваться от четырёхлучевой компоновки с одинарными двигателями (один движок на луч).

Также рама может быть оснащена складными лучами, но это уже очень дорого, и не очень нужно. Можно попробовать реализовать это самостоятельно.

Особенности при выборе компонентов

Моторы

Моторы советую брать чуть помощнее, чем нужно. Во-первых, если ты берёшь их в Китае, то их характеристики будут завышены. Во-вторых, это даст тебе больше простора. К примеру, если нужно будет повесить камеру потяжелее, или какой-либо другой модуль, то это не повредит лётным характеристикам.

Пропеллеры

Это тема достаточно объёмная. При выборе винтов нужно ориентироваться на свои потребности. Если это будет простенький коптер для «полетать», то можно смело брать пластиковые. Если же вы хотите настоящий рабочий агрегат для аэрофотосъёмки, или спортивный мини дрон (что не парадоксально, ибо там каждый грамм на счету) то желательно использовать композитные материалы. Ну и не жадничай. Переплата в 10 процентов может избавить от необходимости балансировки.

Пульт и приёмник

Для начала, грамотным решением будет взять пульт, у которого в комплекте есть приёмник. Тогда они будут уже спарены, и тебе останется только присоединить приёмник к управляющей плате. Пульт тоже не бери бездумно. Обычно, приличные экземпляры с большим радиусом действия начинаются от 1 000 рублей. Многие имеют кучу функций, которыми пользоваться будет невозможно. К примеру переключатели режимов есть, а плата режимов полёта и не поддерживает. Из-за этого вес и объём занимают бесполезные переключатели.

Регуляторы оборотов

Они характеризуются по мощности, виткам мотора, внутреннему сопротивлению, наличию реверса, точности работы и куче других страшных параметров. Если есть возможность – ищи комплект двигателей с контроллерами. Если так ты не хочешь, то придётся курить форумы и документацию. В принципе, если согласовать допустимый тип моторов и выдаваемую мощность, то шанс промахнуться минимален, но я этого не говорил. Перепроверь.

Батарея

Необходимая батарея рассчитывается при помощи калькулятора. Он учитывает много параметров, включая вес самого батарейного блока. Дешёвки снова не советую брать. Горит красиво, но слишком быстро. Если коптер – грузовой, и оснащён мощными моторами и прочим навесным оборудованием с высоким потреблением энергии, то не забудь проверить, хватит ли мощности аккумуляторов.

Камера

Ух, вот это самая жесть. Камера не всегда нужна, но если она нужна, то нужно внимательно подойти к её выбору. В качестве записывающей камеры стоит использовать экшн камеры- GoPro или её Китайские аналоги (они не сильно уступают в качестве видео, если даже не превосходят «фирму»). Нужно ориентироваться на вес, и на угол обзора. С весом всё понятно, а вот про угол расскажу.

Хочется, чтобы камера снимала красоты мира, но не снимала лучи коптера. Если ты промахнулся и это произошло, то придётся выбрать из двух плохих вариантов.

Опустить камеру так, чтоб она не задевала пропеллеры. Опускать, скорее всего, придётся сильно, и это вызовет массу проблем с взлётом и посадкой, а также с маневренностью, из-за смещённого центра тяжести.

Вынести камеру вперёд. Тоже беда. Снова сместится центр тяжести (в этом случае можно попытаться уравновесить при помощи АКБ). Ещё сильнее утяжелит конструкцию, ибо придётся придумывать очень мощный фиксатор. Иначе никакими бюджетными виброгасителями делу не поможешь, и эффект желе обеспечен.

Можно попробовать использовать ориентировочную формулу L= 2 * tg (A /2) х D, где:

  • L — Область обзора камеры на расстоянии D
  • Α — Угол обзора камеры
  • D – расстояние до объекта (в нашем случае, до пропеллеров)

Ты получишь диаметр круга, но так как камера снимает прямоугольное изображение, то этот диаметр будет диагональю. Там уж можно примерно прикинуть- задевает, или нет.

Компоненты выбираем, руководствуясь необходимым результатом. Не нужно брать самое лучшее, если в этом нет необходимости. Возможности своей сборки ты можешь приблизительно рассчитать при помощи калькулятора.

Китайские детали

Сразу говорю – в Китае брать можно, но стоит намного серьёзнее подойти к вопросу. Китайцы постоянно завышают характеристики. Так что, нужно примерно понимать, как и что работает, и не вестись на россказни Китайца о небывалых параметрах и чудесном качестве. Короче говоря – можно, но с пониманием дела и на свой страх и риск.

Контроллер

Контроллер, это мозг твоего мультикоптера. Их можно разделить на два вида.

Универсальный: Например, DJI NAZA. Такой контроллер можно использовать с абсолютно любой сборкой. Будь то квадрокоптер, гексакоптер или октокоптер. Он не заточен под управление чем-то конкретным. На него можно подвесить кучу оборудования, он обладает многими функциями и датчиками.

Есть и минусы. Первый минус, это цена. Тот же DJI Naza-M V2 стоит 17 000 рублей. Второй минус- необходимость настройки. Для этого используется специальная программа, написанная под конкретный контроллер. Там можно заменить и отрегулировать практически всё, но это требует определённых сил, знаний и времени.

Специализированный: Как в последующем примере. Он уже заточен под работу с конкретной компоновкой коптера. Конечно, он даёт некоторый простор, но мощность на каждом двигателе вы не настроите. Стоит недорого, умеет мало. Самое то, для начала.

Пошаговая инструкция по сборке

Давайте условимся на том, что ты прочитал нашу статью про выбор набора для сборки квадрокоптера ,и воспользовался ценнейшем советом – брать раму с платой распределения. Если нет, то провода подключаем сразу к модулю управления.

Для примера рассмотрим сборку из следующих комплектующих:

  • Каркас квадрокоптера Diatone Q450 Quad 450 V3 PCB Quadcopter Frame Kit 450mm
  • Мотор DYS D2822-14 1450KV Brushless Motor. 4 штуки
  • Регулятор DYS 30A 2-4S Brushless Speed Controller ESC Simonk Firmware
  • Пропеллеры DYS E-Prop 8×6 8060 SF ABS Slow Fly Propeller Blade For RC Airplane
  • Модуль управления квадрокоптером KK2.1.5 kk21evo
  • Аккумуляторная батарея литий-полимерного типа Turnigy nano-tech 2200mah 4S ~90C Lipo Pack
  • Устройство для зарядки аккумуляторов Hobby King Variable6S 50W 5A
  • Коннектор для подключения аккумулятора XT60 Male Plug 12AWG 10cm With Wire
  • Коннекторы 20 Pairs 3.5mm Bullet Connector Banana Plug For RC Battery / Motor
  • Пульт управления квадрокоптером Spektrum DX6 V2 with AR610 Receiver (в комплекте с приёмником и передатчиком)

Примерная цена- 20 000 рублей

Размазываем компоненты по столу ровным слоем, и начинаем.

Этап первый. Сборка

  1. Примерно прикидываешь необходимую длину проводов контроллера, прибавляешь небольшой запас «на криворукость» и обрезаешь их до нужной длины
  2. Припаиваешь коннекторы к выходам регуляторов, чтобы потом проще было подключать моторы
  3. Припаиваешь регуляторы к плате разводки
  4. Припаиваешь коннектор аккумуляторного блока к плате разводки
  5. Прикручиваешь двигатели на лучи коптера. При установке моторов постарайся не сорвать резьбу
  6. Если коннекторов на двигателях нет, то припаиваешь и их
  7. Привинчиваешь лучи с двигателями к плате
  8. Крепишь регуляторы к лучам дрона. Не важно чем, но удобнее всего пластиковыми хомутами
  9. Подключаем провода регуляторов к двигателям в произвольном порядке. Если будет нужно – потом изменим
  10. Закрепляешь на корпусе модуль управления (предварительно сфотографировав тыльную часть. Пригодится). Снова хоть на жвачку, но советую пока использовать мягкий двухсторонний скотч
  11. Подключаешь регуляторы оборотов к контроллеру. В те порты, которые отмечены (+ — пусто), обычно подключается белым проводом к экрану
  12. Остатками скотча закрепляешь приёмник как можно ближе к блоку управления, и подключаешь нужные каналы к нужным портам. Используй документацию своего приёмника и фото тыльной стороны платы, чтобы разобраться какая пачка проводов за что отвечает
  13. Подключишь питание устройства от батареи, через коннектор
  14. Profit! Ты собрал свой квадрокоптер

Этап второй. Отладка

  1. Запускаешь двигатели (тут обычно всё по-разному, так что снова смотри документацию)
  2. Немного прибавляешь газ, и смотришь в какую сторону вращаются пропеллеры. Они должны вращаться так, как указано в схеме, которая прилагается к контроллеру. Иначе управление будет инвертироваться. Если что-то не так, то просто переворачиваешь коннектор, который соединяет двигатель и контроллер
  3. Когда всё вращается правильно – прикручиваешь верхнюю деталь рамы. Не заталкивай её на своё место. Если она встаёт туго, значит что-то пошло не так. Ослабь нижние винтики, а после установки затяни всё равномерно
  4. Закрепляешь блок с аккумуляторами
  5. Монтируешь адаптеры для пропеллеров на моторы
  6. Устанавливаешь пропеллеры, учитывая направление вращения моторов. Приподнятая часть лопасти должна смотреть в направлении вращения
  7. Готово.Твой коптер готов пережить первое включение!

Это был один из простейших примеров, с которого стоит начать. Конечно, если ты хочешь использовать камеру, GPS или более сложный контроллер, то конструкция будет сложнее. Поэтому, если вы не уверены в своих силах, то стоит начать с малого. Всё остальное можно прикрутить потом.

Однако, не стоит переоценивать сложность самоделки. Если нет цели собрать мультикоптер из ПВХ труб на базе ардуино (а такое тоже бывает), то в этом нет ничего, что не смог бы рядовой пользователь. Главное не теряться, читать и спрашивать, если что-то не понятно.

Напоследок хочется внести в этот текст немного морали. Любое подобное занятие, будь то проектирование, или просто сборка – является мощнейшим образовательным инструментом. Главное, это просто начать. Ты начнёшь понимать многие тонкости, и научишься концентрировать внимание на важных моментах. Это относится не только к сборке коптеров.

Тебе придётся научиться искать информацию, гуглить, и разбираться в массе вещей. Они тебе не пригодятся в жизни, но ими ты не слабо прокачаешь интеллект. Дерзай, учись, развивайся, и не бойся экспериментировать!

Квадрокоптер на Arduino

Главная задача, которую поставил перед собой автор самоделки — сделать недорогой квадрокоптер, полет которого будет стабилизироваться за счет Arduino. Еще квадрокоптер имеет автономное питание. Итоговая стоимость такой самоделки порядка 60$.
Если есть более солидная сумма, то перспективнее оснастить самоделку моторами без щеток с соответствующими контроллерами.
Для стабилизации полета используется гироскоп и акселерометр. Гироскоп нужен для того, чтобы определить угол наклона квадрокоптера относительно земной гравитации. Акселерометр нужен для того, чтобы вычислять ускорение.
Материалы и инструменты:
— литиевые аккумуляторы (на 3.7 В);
— провода;
— транзистор ULN2003A Darlington Transistor (можно использовать и более мощные транзисторы);
— двигатели типа 0820 Coreless Motors;
— микроконтроллер Arduino Uno;
— плата MPU-6050 (это одновременно и гироскоп и акселерометр);
— наличие 3D-принтера или доступ к нему;
— необходимые инструменты.
Процесс изготовления:
Шаг первый. Создаем корпус квадрокоптера
Корпус делается очень быстро и просто. Он распечатывается с помощью 3D-принтера. Создание каркаса, таким образом, хорошо тем, что он выходит легким, все это благодаря печати «сотами». Проектирование деталей происходило в программе Solidworks. С помощью этой программы можно отредактировать параметры корпуса, внести в него свои изменения, если это нужно.
После того как каркас квадрокоптера будет распечатан, можно устанавливать двигатели и припаивать к ним провода.
Шаг второй. Подключаем Arduino
Как подключать плату MPU6050 можно увидеть на схеме ниже. Важно понимать, что библиотека Arduino подразумевает подключение именно через эти контакты. Если используется схема другого производителя, то важно проследить, чтобы контакты располагались в такой же последовательности.
Для питания платы используется напряжение только 3.3 В, если запитать ее от напряжения 5 В, она испортится. На некоторых платах MPU6050 имеется предохранитель, который защищает систему от высокого напряжения, но лучше не рисковать. Если на плате имеется контакт AD0, его нужно подключить к земле (GND). В данном случае VIO подключен к выходу AD0 непосредственно на плате, поэтому подключать контакт AD0 не нужно.
Чтобы Arduino могла управлять двигателями, понадобятся транзисторы, благодаря ним можно будет подавать большое напряжение на двигатели. Более подробно увидеть, как подключаются все элементы, можно на схеме.
Шаг третий. Скетч для Arduino
После того как MPU-6050 будет подключен к Arduino, его нужно включить и загрузить скетч I2C scanner code. Далее нужно скопировать код программы и вставить его в пустой скетч. После этого нужно открыть серийный монитор Arduino IDE (Tools->Serial Monitor) и убедится в том, что подключен 9600.
Если все сделано верно, будет обнаружено устройство I2C, ему будет присвоен адрес 0x68 или же 0x69, его нужно записать.

Далее загружается скетч, который обрабатывает информацию с гироскопа и акселерометра. Их в интернете есть много, но лучше всего использовать вот этот.
На заключительном этапе нужно будет откалибровать значения гироскопа и акселерометра. Для этого нужно найти плоскую поверхность и поставить на нее MPU6050. Далее запускается скетч для калибровки, полученные данные отклонения записываются и используются затем в скетче MPU6050_DMP6 .
Шаг четвертый. Программа для Arduino
благодаря программе, которая выложена , квадрокоптер стабилизируется и зависает в стабильном состоянии. Далее с помощью этой программы происходит управление квадрокоптером.
Для стабилизации квадрокоптера используется два ПИД-контроллера. Один нужен для тангажа, а второй для крена. Контроллер измеряет скорости вращения винтов и на основе этого происходит управление квадрокоптером.
Шаг пятый. Модификация квадрокоптера
Главная проблема маленького и дешевого квадрокоптера — это его вес. Чтобы решить эту проблему, нужно установить более мощные и легкие двигатели, лучше всего подойдут безщеточные, их еще называют вентильными. Они на много лучше щеточных, но к ним нужно покупать еще и контроллеры скорости, поэтому стоимость самоделки резко возрастает.
Чтобы конструкция была легче, лучше всего использовать контроллер Arduino Uno, с нее можно снять уже прошитый чип микропроцессора и затем поставить его непосредственно на ProtoBoard. В итоге получится выиграть около 30-ти грамм веса, что довольно неплохо. В качестве альтернативного варианта можно использовать Arduino Pro Mini.
Программа, которая была создана для управления самоделкой, может быть легко расширена. Но самая главная задача — стабилизация квадрокоптера в полете, на этом этапе была полностью решена. Чтобы управлять самоделкой удаленно, можно использовать модуль bluetooth или же присмотреться к трансмиттерам/ресиверам.

Что такое квадрокоптер?

Уверен, что большинство читающих эту статью уже знают, что такое квадрокоптер. Если нет, привожу краткое описание этих замечательных устройств.

Квадрокоптер — это летающее устройство с четырьмя «ногами», на каждой из которых установлен мотор с пропеллером. Квадрокоптеры по своей сути схожи с вертолетами, но перемещение, поворот, наклон у них обеспечивается за счет синхронной работы четырех пропеллеров. Кроме того, у квадрокоптеров существует такое понятие как “pitch” (“тангаж”) – поворот вокруг продольной оси. Для того, чтобы стабилизировать полет квадрокоптера, два пропеллера вращаются в одно направлении (по часовой стрелке), а два — в противоположном направлении (против часовой стрелки). Благодаря этой возможности — зависать в одном положении в воздухе, квадрокоптеры в первую очередь используются для фотографии с воздуха и видеосъемки. Конечно же, квадрокоптеры и остальные подобные устройства со множеством двигателей, используются в спасательных операциях, полицией, военными и т.п. В последнее время стоимость компонентов для производства квадрокоптеров значительно уменьшилась и многие компании принялись за их производство. Купить готовое изделие на сегодняшний день не составит проблем.

Итак, вы уже немного сориентировались, что такое квадрокоптер, давайте теперь перейдем к краткому описанию процесса его изготовления.

Первое, что было сделано: гуглинг по магазинам в поисках компонентов, которые нам понадобятся для его изготовления.

В большинстве случаев используются микроконтроллеры и безщеточные (вентильные) моторы. В качестве контроллера было решено использовать Arduino, так как это идеальная платформа с точки зрения цены. Первая проблема, которая возникла — безщеточные двигатели. Помните, мы ведь ориентируемся на бюджет в 60 $. А стоимость одного безщеточного двигателя, который можно использовать в нашей конструкции квадрокоптера, колеблется в диапазоне от 20 $ до 60 $! Кроме того, использование этих моторов предполагает установку дополнительных контроллеров — speedcontrollers. Так что было решено использовать щеточные двигатели. Габариты нашего квадрокоптера небольшие, так что были куплены моторы с относительно маленьким крутящим моментом. Гугл подсказал, что квадрокоптеры с подобными приводами существуют. Найденные моторы могут поднять до 55 грамм веса, что нас вполне устроило. Следующий шаг — решение проблем стабилизации моторов с помощью гироскопов и акселерометров. Гироскоп — это устройство, которое использует гравитацию Земли для определения угла наклона (ориентации) в пространстве. Классическая конструкция гироскопа состоит из свободно вращающегося диска, который называется ротором. Ротор установлен на оси, которая расположена по центру большего, более стабильного колеса. При вращении оси ротор остается в статичном состоянии, которое соответствует центру гравитации. Акселерометр же представляет из себя компактное устройство, которое используется для измерения ускорения. Когда объект выходит из состояния покоя (начинает двигаться) акселерометр фиксирует вибрации, которые возникают при этом движении. В акселерометрах используются микроскопические кристаллы, которые генерируют напряжение при ударах. Это напряжение снимается и формируется значение ускорения. Эти два сенсора обязательны в квадрокоптере. Именно на основании их показаний формируется управляющий сигнал, который регулирует скорость вращения двигателей для обеспечения крена, перемещения или стабилизации нашего квадрокоптера.

Схема подключения Arduino

Схема подключения платы MPU6050 приведена ниже. Обратите внимание, что библиотека для Arduino предполагает использование именно этих контактов. Как правило, даже если у вас плата от другого производителя, контакты обозначены одинаково, следовательно, схема подключения остается такой же.

VDD -> 3.3v

GND -> GND

INT-> digital 2

SCL -> A5

SDA -> A4

VIO -> GND

Если вы запитаете от 5 В, плата может испортиться, так что будьте внимательны и используйте именно 3.3 В. На некоторых платах MPU6050 есть регулятор напряжения, который выполняет роль предохранителя, но рисковать все равно не стоит. Если на вашей плате есть контакт AD0, его надо подключить к земле (GND). В нашем случае контакт VIO подключен к AD0 на самой плате, так что подключать пин AD0 не надо.

Скетч для Arduino

На этом этапе вам понадобятся некоторые знания в программировании Arduino. Если вы чего-то не понимаете, остановитесь на этом моменте и постарайтесь с ним разобраться. Приведенные ниже пояснения помогут вам со многими вопросами, но описать все возможные нюансы невозможно.

После того как вы подключили MPU-6050 к вашему Arduino, включите его и загрузите скетч I2C scanner code.

Скопируйте код программы, вставьте его в пустой скетч и запустите. Откройте серийный монитор Arduino IDE (Tools->Serial Monitor) и убедитесь, что вы подключены к 9600 (нижний левый).

Если вы все сделали правильно, должно обнаружиться устройство I2C и ему присвоиться адрес 0x68 ил 0x69. Запишите его. Если появились ошибки, проверьте подключение.

Теперь вам надо загрузить скетч, который обрабатывает информацию с акселерометра/гироскопа. По сети гуляет не один вариант подобных скетчей, рекомендуем использовать вот этот. После перехода по ссылке, нажмите “Download Zip”. После скачки, разархивируйте архив. Потом этого откройте Arduino IDE. Перейдите в sketch->import library -> add library. Вам надо будет добавить обе папки: I2Cdev и MPU6050.

После того как вы установили библиотеки, откройте файл MPU6050_DMP6 (MPU6050 -> Examples). Рекомендую вам его просмотреть, даже если вы не особо ориентируетесь в коде. Если у вас присвоился адрес 0x69, вам надо раскомментировать одну строку в верхней части кода (после #includes), так как по умолчанию стоит 0x68. Теперь программа должна компилироваться.

Загрузите программу, откройте окно серийного монитора (в этот раз с 115200) и следуйте инструкциям. Поздравляю, так как сейчас вы должны были получить значения с акселерометра/гироскопа через Arduino!

Прежде чем двигаться дальше, надо откалибровать ваш гироскоп/акселерометр. Найдите плоскую горизонтальную поверхность и поставьте на нее плату MPU6050.

Теперь запустите скетч для калибровки, который можно скачать здесь: MPU6050_calibration.ino (опять-таки, по умолчанию установлен порт 0x68, но вы можете его изменить). Запишите данные отклонений (offset), которые вы получите. Эти данные вы будете использовать в скетче MPU6050_DMP6 (и в дальнейшей программе для квадрокоптера).

Теперь у вас есть рабочий, безусловно полезный, акселерометр/гироскоп.

Подключение к Arduino

Подключение акселерометра мы рассмотрели. Следующий шаг — заставить Arduino управлять моторами. Плата Arduino предоставляет на выход небольшое значение силы тока и напряжения, так что вместо того, чтобы подключать моторы напрямую к цифровым выходам платы, мы используем транзисторы для «усиления» напряжения.

Начнем сборку электросхемы. На этом этапе нам понадобятся Arduino, моторы, транзисторы (монтажная плата и коннекторы). Схема подключения приведена ниже, под необходимыми текстовыми пояснениями. Подключите четыре ШИМ выхода (отмечены на Arduino знаком ~ ) к транзистору, как это показано на рисунках. После этого подключите коннекторы к моторам, которые подключены к источнику питания. В приведенном проекте квадрокоптера использовался источник питания 5 В, но должна подойти и батарея 3-5 В.

Убедитесь, что транзисторы заземлены, и земля на Arduino подключена к земле от источника питания. Убедитесь, что роторы двигателей вращаются в правильном направлении (они должны обеспечивать подъем квадрокоптера, а не крен). Если вы переключите контакт мотора с 5 В на транзистор, ротор двигателя начнет вращаться в противоположном направлении. После настройки изменять направление вращение двигателей больше не придется. Изменять мы будем только скорость.

После запуска акселерометра и его проверки, необходимо установить все на ProtoBoard (можно использовать монтажную плату, на которую напаять рельсы для установки на Arduino. Можно пойти по более элегантному пути и приобрести Proto Shield). Не стоит припаивать транзистор на плату для прототипирования. Лучше использовать для него сокет с контактами, чтобы вы могли его в любой момент заменить.

В нашем случае мы припаяли акселерометр к плате и только после этого провели калибровку. Но практика показывает, что это не совсем правильно. Для увеличения точности показаний гироскопа/акселерометра, его лучше сначала откалибровать на ровной поверхности и только потом припаять.

Программа для Arduino

Программа, которая , стабилизирует квадрокоптер и позволяет ему зависнуть в стабильном состоянии. Программа является основой для дальнейшего управления и перемещения квадрокоптера. Помимо основной программы вам надо будет скачать библиотеку Arduino PID .

Можете почитать по поводу ПИД-регулирования на Вики, если вы не знакомы с этими регуляторами. PID класс для Arduino использует три входа: заданное положение, измерение и выход. Выход зависит от текущего положения и измерений. ПИД-регулятор старается изменить выход таким образом, чтобы измерения соответствовали заданному положению. В алгоритме используется интересная математика. Алгоритм ПИД-регулирования старается отработать таким образом, чтобы значения оставались максимально стабильными.

В нашем алгоритме для стабилизации используется два ПИД-контроллера: один для тангажа и другой для крена. Разница в скорости вращения пропеллеров 1 и 2 будет такой же как и разница в скорости пропеллеров 3 и 4. Аналогично для пар 1,3 и 2,4. После этого ПИД-регулятор изменяет разницу в скорости, выводя тангаж и крен в нуль.

Не забудьте проверить какие цифровые пины с Arduino идут к моторам и соответственно изменить скетч.

Дальнейшая модернизация квадрокоптера на Arduino

Основные проблемы с маленьким квадрокоптером — его стоимость и вес. Можете поискать моторы побольше и помощнее, но это особо не улучшит его характеристики. Что вам действительно поможет, (если вы готовы отдать больше денег) — это безщеточные (вентильные) моторы. По характеристикам они на порядок лучше, но в довеску к ним надо использовать контроллеры скорости, что сделает квадрокоптер дороже.

Для уменьшения веса конструкции лучше всего использовать именно Arduino Uno, так как к этой модели контроллера можно снять «прошитый» чип микропроцессора и установить его непосредственно на вашу ProtoBoard. В результате вы выиграете около 30 грамм веса, что немало при таких масштабах. Дополнительно вам надо будет использовать еще несколько конденсаторов и т.п. Или, как альтернативный вариант, можно использовать Arduino Pro Mini.

Программа для Arduino, которая написана и представлена в предыдущем разделе, может быть легко расширена и обогащена дополнительным функционалом. Самое главное, что на этом этапе квадрокоптер уже может автоматически стабилизировать полет. Если вы хотите настроить дистанционное управление, можете посмотреть в сторону трансмиттеров/ресиверов или bluetooth модулей. В общем, основа у вас теперь есть, а пространства для дальнейшей модернизации — еще больше.