Квадрокоптер на Ардуино своими руками: программируемый квадрокоптер

Как собрать программируемый квадрокоптер на Ардуино Уно своими руками?

Мультироторы, они же мультикоптеры или просто коптеры, — это беспилотные летательные аппараты, предназначенные для развлечения, съемки фото и видео с воздуха или отработки автоматизированных систем.

Коптеры обычно различают по числу используемых моторов — начиная от бикоптера с двумя моторами (как GunShip из фильма «Аватар») и заканчивая октакоптером с восемью. На самом деле число моторов ограничено только твоей фантазией, бюджетом и возможностями полетного контроллера. Классическим вариантом является квадрокоптер с четырьмя моторами, расположенными на перекрещивающихся лучах.

Такую конфигурацию еще в 1920 году попытался соорудить француз Этьен Омишен (Étienne Oehmichen), и в 1922 году у него это даже получилось. По сути, это самый простой и дешевый вариант сделать летательный аппарат, способный без особых проблем поднимать в воздух небольшие камеры вроде GoPro. Но если ты собираешься взлетать с серьезной фото- и видеотехникой, то стоит выбирать коптер с большим числом моторов — это не только увеличит грузоподъемность, но и добавит надежности, если в полете выйдет из строя один или несколько моторов.

Теория полета

Вне зависимости от формы и технических возможностей квадрокоптера у него обязательно четыре винта, которые попарно вращаются в разные стороны. Это необходимо для обеспечения стабильности положения в воздухе, так как если все винты будут вращаться в одном направлении, то дрон будет крутиться вокруг своей вертикальной оси.

Первый параметр определяет угол наклона вверх или вниз передней части квадрокоптера, позволяя выполнить снижение или подъем дрона. Крен определяет угол наклона, когда правая часть оказывает ниже или выше левой. Рыскание определяет угол поворота квадрокоптера Arduino вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр тяжести, обеспечивая дрону поворот в горизонтальной плоскости на нужный угол.

Arduino – небольшая по габаритам плата (сравнима со спичечным коробком), имеющая собственный микропроцессор и память. На нем есть большое количество контактов для подключения компонентов, а возможность загрузки программы позволяет управлять ими по заданному определенному алгоритму.

Одновременно плата Arduino очень проста в освоении, поэтому работать с ней под силу даже людям, имеющим очень смутные познания в схемотехнике и программировании. Наличие же большого числа учебников, публикаций, видеоуроков позволит освоить простейшие действия с платой всего за пару часов. Непосредственно программирование на Arduino идет с помощью языка С , имеющим большое распространение.

Не потребует Arduino и наличия при сборке паяльника, так как вполне можно обойтись макетной доской и набором перемычек, что одновременно упрощает работу, позволяет быстро исправить какие-то недочеты и ошибки при сборке.

В теории полета (аэродинамике) принято выделять три угла (или три оси вращения), которые задают ориентацию и направление вектора движения летательного аппарата. Проще говоря, летательный аппарат куда-то «смотрит» и куда-то двигается. Причем двигаться он может не туда, куда «смотрит». Даже самолеты в полете имеют какую-то составляющую «сноса», которая уводит их от курсового направления. А вертолеты вообще могут летать боком.

Три эти угла принято называть крен, тангаж и рыскание. Крен — это поворот аппарата вокруг его продольной оси (оси, которая проходит от носа до хвоста). Тангаж — это поворот вокруг его поперечной оси (клюет носом, задирает хвост). Рыскание — поворот вокруг вертикальной оси, больше всего похожий на поворот в «наземном» понимании.

 Что нам понадобится?

Перед началом работы нужно подготовить следующие комплектующие:

• комплект проводов (лучше разноцветных для упрощения монтажа);
• литиевые аккумуляторы (напряжение 3.7В);
• транзистор ULN2003A Darlington Transistor (подойдут более мощные аналоги);
• контролер Arduino Uno;
• плата MPU-6050 (совмещает в себе функции акселерометра и гироскопа).

Дополнительно понадобится 3D-принтер или хотя бы доступ к нему, а также необходимые инструмент, масса любознательности и терпения, так как не все может получиться с первого раза.

Рама

Основной момент, который нужно решить при выборе рамы, — будешь ли ты использовать готовую раму или же делать ее сам. С готовой рамой все проще, да и заказывать в любом случае придется множество деталей. При этом, учитывая цены в китайских магазинах, самодельный вариант может оказаться дороже. С другой стороны, собственную раму в случае аварии будет проще починить. Ну и, естественно, своими руками можно сделать любую, даже самую сумасшедшую конструкцию. Рассмотрим поподробнее самосборный вариант.

Сделать раму можно из любых подручных материалов (дерево, алюминий, пластик и так далее). Можно подойти чуть серьезнее и выпилить ее на ЧПУ-станке из плетеного карбона, причем можно усложнить задачу и сделать складную конструкцию.

Самый простой вариант для любителей DIY — пойти в OBI, «Леруа Мерлен» или на строительный рынок и купить квадратную алюминиевую трубу 12 × 12, а также алюминиевый лист толщиной в 1,5 мм. Для того чтобы сделать раму из таких материалов типа «четыре палки и крепеж», достаточно дрели или ножовки по металлу.

В качестве образца для твоей рамы можно взять упрощенную заводскую раму или же найти в интернете готовый чертеж. Более сложные материалы (например, углепластик) можно заменить на алюминий — если и получится тяжелее, то ненамного. В любом случае стоит обращать внимание на длину и симметричность лучей.

Длина лучей выбирается исходя из диаметра используемых пропеллеров, так, чтобы после их установки расстояние между окружностями вращающихся винтов было не менее 1–2 см, и уж тем более эти окружности не должны пересекаться. Моторы, устанавливаемые на лучах, должны быть равноудалены от центра рамы, где будет располагаться «мозг», и (в большинстве случаев) находиться на одном расстоянии друг от друга, образуя равносторонний многоугольник.

При проектировании стоит учесть, что центр рамы должен совпадать с центром тяжести, поэтому установить аккумулятор сзади между лучами — плохая идея, если он не будет скомпенсирован грузом спереди, например камерой. Продумай, на что будет приземляться твой аппарат, для новичков можно посоветовать приспособить что-то мягкое на «пузе» или концах лучей, например плотный поролон или теннисные мячики.

Моторы и пропеллеры

Из-за вращения моторов в разные стороны приходится использовать разнонаправленные пропеллеры: прямого вращения (против часовой) и обратного вращения (по часовой). Обычно используются двухлопастные пропеллеры, их легче балансировать и найти магазинах, в то время как трехлопастные дадут больше тяги при меньшем диаметре винта, но доставят много головной боли при балансировке.

Плохой (дешевый и неотбалансированный) пропеллер может развалиться в полете или вызвать сильные вибрации, которые передадутся на датчики полетного контроллера. Это приведет к серьезным проблемам со стабилизацией и вызовет сильное смазывание и «желе» на видео, если ты снимаешь что-то с коптера или летаешь с видом от первого лица.

У любого пропеллера есть два основных параметра: диаметр и шаг. Их обозначают по-разному: 10 × 4.5, 10 × 45 или просто 1045. Это означает, что диаметр пропеллера 10 дюймов, а его шаг 4,5 дюйма. Чем длиннее пропеллер и больше шаг, тем большую тягу он сможет создавать, но при этом повысится нагрузка на мотор и увеличится потребление тока, в результате он может сильно перегреться и электроника выйдет из строя.

Поэтому винты подбираются под мотор. Ну или мотор под винты, тут как посмотреть. Обычно на сайтах продавцов моторов можно встретить информацию о рекомендуемых пропеллерах и аккумуляторах для выбранного мотора, а также тесты создаваемой тяги и эффективности. Существуют и пропеллеры с изменяемым шагом, что в теории повысит маневренность, но в реальности добавит сложную механику, имеющую свойство изнашиваться и ломаться с последующим дорогостоящим ремонтом.

Также чем больше винт, тем больше его инерция. Если нужна маневренность, лучше выбрать винты с большим шагом или трехлопастные. Они при том же размере создают тягу в 1,2–1,5 раза больше. Понятно, что винты и скорость их вращения нужно подбирать так, чтобы они смогли создать тягу большую, чем вес аппарата.

И наконец, бесколлекторные моторы. У моторов есть ключевой параметр — kV. Это количество оборотов в минуту, которые сделает мотор, на поданный вольт напряжения. Это не мощность мотора, это его, скажем так, «передаточное число». Чем меньше kV, тем меньше оборотов, но выше крутящий момент. Чем больше kV при той же мощности, тем больше оборотов и ниже момент.

На что обратить внимание?

Пытаясь собрать дрон своими руками на Arduino возникает мысль полностью написать программное обеспечение. От этой мысли нужно избавиться, во всяком случае, на первых этапах.

Например, для управления полетным контроллером сейчас достаточно готовых решений. Если же вы сразу решите писать что-то свое, то высок риск повреждения квадрокоптера. Причина в том, что математика полета составляет минимальную часть всего кода программы, а для управления квадрокоптером без барометра и системы GPS требуется хорошая практика (особенно она понадобится при некорректной реакции дрона Arduino на управляющие команды, что происходит почти всегда).

Если вы решите писать программу для контроллера своими руками, то готовьтесь к большим временным затратам, которые неразумны при отсутствии соответствующего академического интереса. Во всяком случае, имеющиеся программы и решения для квадрокоптеров на базе Arduino вполне могут выполнять все стандартные действия (снимать видео, фотографировать, летать свободно и по заданию).

Питание и контроллеры питания

Капитан подсказывает: чем больше мощность мотора, тем больше батарейка ему нужна. Большая батарейка — это не только емкость (читай, время полета), но и максимальный ток, которая она отдает. Но чем больше батарейка, тем больше и ее вес, что вынуждает скорректировать наши прикидки относительно винтов и моторов.

На сегодняшний день все используют литий-полимерные батарейки (LiPo). Они легкие, емкие, с высоким током разрядки. Единственный минус — при отрицательных температурах работают плохо, но если их держать в кармане и подключать непосредственно перед полетом, то во время разряда они сами слегка разогреваются и не успевают замерзнуть. LiPo-элементы вырабатывают напряжение 3,7 В.

При выборе батареи стоит обращать внимание на три ее параметра: емкость, измеряемую в миллиампер-часах, максимальный ток разряда в емкостях аккумулятора (С) и число ячеек (S). Первые два параметра связаны между собой, и при их перемножении ты узнаешь, сколько тока сможет отдавать этот аккумулятор продолжительное время.

Например, твои моторы потребляют 10 А каждый и их четыре штуки, а батарея имеет параметры 2200 мА · ч 30/40C, таким образом, коптеру требуется 4 • 10 A = 40 A, а батарея может выдавать 2,2 A • 30 = 66 A или 2,2 А • 40 = 88 А в течение 5–10 секунд, что явно будет достаточно для питания аппарата. Также эти коэффициенты напрямую влияют на вес аккумулятора. Внимание!

Если тока будет не хватать, то в лучшем случае батарея надуется и выйдет из строя, а в худшем загорится или взорвется; это же может произойти при коротком замыкании, повреждении или неправильных условиях хранения и зарядки, поэтому используй специализированные зарядные устройства, аккумуляторы храни в специальных негорючих пакетах и летай с «пищалкой», которая предупредит о разрядке.

Элементы батареи объединяют последовательно или параллельно. При последовательном включении увеличивается напряжение, при параллельном — емкость. Схему подключения элементов в батарее можно понять по ее маркировке. Например, 3S1P (или просто 3S) — это три последовательно подключенных элемента. Напряжение такой батареи будет 11,1 В. 4S2P — это восемь элементов, две группы, подключенных параллельно по четыре последовательных элемента.

Однако моторы подключаются к батарее не напрямую, а через так называемые регуляторы скорости. Регуляторы скорости (они же «регули» или ESC) управляют скоростью вращения моторов, заставляя твой коптер балансировать на месте или лететь в нужном направлении. Большинство регуляторов имеют встроенный стабилизатор тока на 5 В, от которого можно питать электронику (в частности, «мозг»), можно использовать отдельный стабилизатор тока (UBEC).

Выбираются контроллеры скорости исходя из потребления мотором тока, а также возможности перепрошивки. Обычные регули довольно медлительны в плане отклика на поступающий сигнал и имеют множество лишних настроек для коптеростроительства, поэтому их перепрошивают кастомными прошивками SimonK или BLHeli.

Китайцы и тут подсуетились, и часто можно встретить регуляторы скорости с уже обновленной прошивкой. Не забывай, что такие регули не следят за состоянием аккумулятора и могут разрядить его ниже 3,0 В на банку, что приведет к его порче. Но в то же время на обычных ESC стоит переключить тип используемого аккумулятора с LiPo на NiMH или отключить уменьшение оборотов при разрядке источника питания (согласно инструкции), чтобы под конец полета внезапно не отключился мотор и твой беспилотник не упал.

Моторы подключаются к регулятору скорости тремя проводами, последовательность не имеет значения, но если поменять любые два из трех проводов местами, то мотор будет вращаться в обратном направлении, что очень важно для коптеров.

Два силовых провода, идущих от регулятора, надо подключить к батарейке. НЕ ПЕРЕПУТАЙ ПОЛЯРНОСТЬ! Вообще, для удобства регуляторы подключают не к самой батарейке, а к так называемому Power Distribution Module — модулю распределения энергии. Это, в общем-то, просто плата, на которой припаяны силовые провода регуляторов, распаяны разветвления для них и припаян силовой кабель, идущий к батарее. Конечно, батарею не надо припаивать, а надо соединить через разъем. Ты же не хочешь перепаивать батарею каждый раз, как она сядет.

Несколько советов новичкам

Решая заняться созданием квадрокоптера на Arduino, обратите внимание на следующие советы:

• Не усложняйте первую конструкцию, устанавливая экшен-камеру. Вашей задачей остается создание дрона, который сможет взлететь и уверенно держаться в воздухе, а не упасть на землю, сломавшись при первом полете. Если же последнее произойдет, то легко можно разбить экшен-камеру, а это большие расходы.
• Не гонитесь за большими масштабами, так как на первый раз достаточно создать небольшой рабочий Arduino дрон, над конструкцией которого можно будет дальше работать, совершенствуя и усложняя.
• Сократите до минимума количество дополнительных элементов и соединений, так как большое число датчиков и всевозможных контролеров не всегда повышает надежность дрона в полете. Значительно лучше создать базовую конструкцию и постепенно ее усложнять, добавляя новые функции и возможности. Это будет значительно разумней и позволит в будущем проектировать «специализированные» дроны.
• Если вы хотите изготовить квадрокоптер Arduino с камерой, то вам потребуется основание достаточно больших размеров, что снижает устойчивость всей конструкции.

В завершение обратим внимание, что программирование и создание квадрокоптера на базе Arduino – увлекательное, но достаточно сложное дело для новичков, поэтому не опускайте руки, если у вас не получается. Сделать на Arduino дрон вполне реально каждому и поможет в этом масса дополнительной информации и видео, которое вы легко найдете в интернете.

Бортовой компьютер и сенсоры

• гироскоп позволяет удерживать коптер под определенным углом и стоит во всех контроллерах; • акселерометр помогает определить положение коптера относительно земли и выравнивает его параллельно горизонту (комфортный полет); • барометр дает возможность удерживать аппарат на определенной высоте. На показания этого датчика очень сильно влияют потоки воздуха от пропеллеров, поэтому стоит прятать его под кусок поролона или губки;

• компас и GPS вместе добавляют такие функции, как удержание курса, удержание позиции, возврат на точку старта и выполнение маршрутных заданий (автономный полет). К установке компаса стоит подойти внимательно, так как на его показания сильно влияют расположенные рядом металлические объекты или силовые провода, из-за чего «мозги» не смогут определить верное направление движения;

• сонар или УЗ-дальномер используется для более точного удержания высоты и автономной посадки; • оптический сенсор от мышки используется для удержания позиции на малых высотах; • датчики тока определяют оставшийся заряд аккумулятора и могут активировать функции возврата на точку старта или приземление.

Сейчас существует три основных открытых проекта: MultiWii, ArduCopter и его портированная версия MegaPirateNG. MultiWii самый простой из них, для запуска требует Arduino с процессором 328p, 32u4 или 1280/2560 и хотя бы одним датчиком-гироскопом. ArduCopter — проект, напичканный всевозможным функционалом от простого висения до выполнения сложных маршрутных заданий, но требует особого железа, основанного на двух чипах ATmega.

С железом для открытых проектов аналогичная ситуация, как и с рамами для коптера, то есть ты можешь купить готовый контроллер или собрать его самостоятельно с нуля или на основе Arduino. Перед покупкой стоит всегда обращать внимание на используемые в плате датчики, так как развитие технологий не стоит на месте, а старье китайцам как-то надо распродать, к тому же не все сенсоры могут поддерживаться открытыми прошивками.

Наконец, стоит упомянуть еще один компьютер — PX4, отличающийся от клонов Arduino тем, что у него есть UNIX-подобная операционная система реального времени, с шеллом, процессами и всеми делами. Но надо предупредить, что PX4 — платформа новая и довольно сырая. Сразу после сборки не полетит.

Настройка полетных параметров, как и программы настройки, очень индивидуальна для каждого проекта, а теория по ней могла бы занять еще одну статью, поэтому вкратце: почти все прошивки для мультикоптеров основаны на PID-регуляторе, и основной параметр, требующий вмешательства, — пропорциональная составляющая, обозначаемая как P или rateP.

Безопасность

Все новички, думая о безопасности, вспоминают AR.Drone и его защиту винтов. Это хороший вариант, и он работает, но только на мелких и легких аппаратах, а когда вес твоего коптера начинает приближаться к двум килограммам или давно перевалил за эту цифру, то спасти может только прочная железная конструкция, которая будет весить очень много и, как ты понимаешь, сильно уменьшит грузоподъемность и автономность полета.

Поэтому лучше сперва тренироваться подальше от людей и имущества, которое можно повредить, а уже по мере улучшения навыков защита станет и не нужна. Но даже если ты пилот со стажем, то не забывай о технике безопасности и продумывай возможные негативные последствия твоего полета при нештатных ситуациях, особенно при полетах в людных местах.

Не стоит забывать, что сбой контроллера или канала связи может привести к тому, что аппарат улетит от тебя далеко, и тогда для поиска может пригодиться GPS-трекер, установленный заранее на коптер, или же простая, но очень громкая пищалка, по звуку которой ты сможешь определить его местоположение. Настрой и заранее проверь функцию fail safe твоего полетного контроллера, которая поможет приземлиться или вернуть коптер на точку старта при потере сигнала с пульта.

Управление

Немного про радиоаппаратуру. Сейчас практически все передатчики для летающих моделей работают на частоте 2,4 ГГц. Они достаточно дальнобойные, и этот частотный диапазон не так зашумлен, как, например, 900 МГц. Для полета вообще-то достаточно четырех каналов: газ, рыскание, тангаж, крен. Ну а восьми каналов точно хватит и на что-нибудь еще.

Комплект обычно состоит из самого пульта и приемника. На приемнике находятся ручки управления и дополнительные кнопки. Обычно выбирают аппаратуру Mode2, когда левый стик управляет газом и поворотом, а правый — наклонами коптера. Все ручки, кроме газа, подпружинены и возвращаются в начальное положение при отпускании.

Также стоит обращать внимание на количество каналов. Для беспилотника потребуется четыре канала управления и один канал для переключения режимов полета, кроме того, могут потребоваться дополнительные каналы для управления камерой, для настройки или для особых режимов полетного контроллера. При выборе пульта стоит также учитывать возможность смены радиомодуля, чтобы в будущем его можно было легко обновить.