Квадрокоптер на Ардуино своими руками: программируемый квадрокоптер

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.

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).

Значительно удобней сначала попрактиковаться и разобраться в существующих программах, что позволит четко понять принципы работы.

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).

Что такое квадрокоптер и для чего это надо

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.

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.

https://www.youtube.com/watch?v=s873edJaZpg

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.

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.

• 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.

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.

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.

Немного теории

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.

Перемещение дрона на Arduino и любом другом контролере осуществляется за счет изменения трех параметров:

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.

В итоге плата Arduino дает широкие возможности для создания различных гаджетов, среди которых дрон лишь один из примеров.

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. Одновременно большое количество типовых программ позволит быстро его освоить до уровня, которого достаточно для управления дроном. Одновременно широкий выбор библиотек сократит время запуска первого дрона, предупредив появление детских ошибок.

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.

Необходимые детали и узлы

Прежде чем приступить к сборке квадрокоптера своими руками, необходимо обзавестись всеми необходимыми деталями. Мозгом нашей самоделки станет полетный контроллер Arduino Uno. Его возможностей более чем достаточно для того, чтобы управлять беспилотником.

Помимо микроконтроллера, нам понадобятся:

• Аккумулятор (лучше несколько) на 3.7В
• Плата MPU-6050 (на ней установлены гироскоп и акселерометр)
• Транзистор ULN2003A
• Коллекторные двигатели с полым ротором 0820
• Провода

Необходимо сделать несколько замечаний. Так как мы собираем дешевый самодельный дрон, то наш выбор пал на коллекторные движки с полым ротором (так называемые coreless motors). Они далеко не так надежны, как бесколлекторные двигатели, но зато гораздо дешевле стоят. Кроме того, можно обойтись без дополнительных контроллеров скорости.

Зато невозможно обойтись без гироскопа и акселерометра. Гироскоп необходим для того, чтобы квадрокоптер мог удерживать заданное направление движения, тогда как акселерометр используется для измерения ускорения. Без этих устройств управлять коптером было бы гораздо сложнее (если вообще возможно), так как именно они предоставляют данные для сигнала, регулирующего скорость вращения винтов.

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.

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.

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.

Теория полета

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».

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.

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.

Шаг №1. делаем корпус

Проектируем на SolidWorks и распечатываем на 3D-принтере корпус будущего дрона. В качестве прототипа можно взять одну из существующих моделей квадрокоптеров, а если есть навыки, то лучше доработать параметры корпуса за счет сот, которые снижают общий вес устройства.

Обратим внимание, что желательно передние лучи или пропеллеры выполнить другим цветом.

Это позволит проще ориентироваться в пространстве и всегда понимать, где передняя часть дрона, чтобы быстрее им управлять в полете.

Если у вас нет доступа к 3D-принтеру, то альтернативой станет покупка уже готовых лучей в одном из интернет-магазинов. Еще одним вариантом станет изготовление корпуса из подручных средств. Например, раму можно изготовить из куска фанеры, а для лучей, удерживающих двигатели, подойдут пластиковые трубы.

Шаг №2. подключение arduino

Подключение платы осуществляется по схеме, но по умолчанию нужно понимать, что Arduino подключается через контакты, а если вы используете аналог другого производителя, то важно проконтролировать правильность расположения контактов. Последние маркируются одинаково, поэтому для предупреждения ошибок придерживайтесь следующей схемы:

• VDD-3.3V;
• GND-GND;
• INT-digital2;
• SCL-A5;
• SDA-A4;
• VIO-GND.

Для питания платы MPU6050 Arduino допускается использование напряжения 3,3В, а если оно составит 5В, то произойдет выход из строя. На многих платах есть встроенный предохранитель, защищающий систему от повышенного напряжения, но рисковать мы не советуем.

Шаг №3. скетч для arduino

После подключения к Arduino платы MPU-6050 необходимо загрузить скетч I2C scanner code, куда вставляется код программы. Обратим внимание, что на этом этапе пригодятся хоть минимальные познания в программировании на Arduino, поэтому при отсутствии даже них стоит сделать небольшую паузу и разобраться с особенностями.

Теперь откройте серийный монитор Arduino IDE (он находится в разделе Tools на вкладке Serial Monitors) и убедиться в наличии подключенного 9600. Если все предыдущие этапы были выполнены верно, то будет обнаружено устройство I2C с присвоенным адресом 0х69 или 0х68, который нужно записать.

Теперь можно загрузить один из скетчей, который будет постоянно обрабатывать информацию с акселерометра и гироскопа. В интернете подобных скетчей для Arduino достаточно много, поэтому выбирайте любой, но ориентируйтесь на отзывы пользователей. После скачивания подобного скетча проведите его разархивирование.

Теперь обязательно откройте файл MPU6050_DMP6. Если у вас был присвоен адрес 0х69, то обязательно нужно расскоментировать строку после #includes, так как по умолчанию присваивается 0х68. На этом этапе уже можно получить первые значения с гироскопа и акселерометра. Для этого загрузите программу и откройте с 115200 окно серийного монитора, следуя дальнейшим инструкциям.

После сборки квадрокоптера на Arduino нужно будет откалибровать параметры акселерометра и гироскопа. Для этого достаточно найти ровную плоскую поверхность и поставить на нее плату. Теперь достаточно запустить скетч для проведения калибровки, после которой имеющиеся отклонения записываться и учитываются в скетче MPU6050_DMP6.

Шаг №4. установка программы для arduino и подключение

Основной задачей платы остается управление моторами. Arduino дрон подает на выход ток малого напряжения и силы тока, поэтому для подключения моторов необходимо использовать транзисторы. При подключении необходимо обратить внимание, что транзисторы должны быть заземлены, а земля на Arduino подключается к земле непосредственно источника питания.

Шаг №5. модификация дрона

Самой большой проблемой подобных квадрокоптеров остается их вес и стоимость. Можно, конечно, подобрать более мощные моторы, но это вряд ли даст намного лучший результат. Единственным вариантом станет выбор в пользу вентильных приводов (безщеточных). По своим техническим характеристикам они будут намного лучше, но требуется дополнительное использование контроллеров скорости, что повысит стоимость всей конструкции.

Для снижения веса всего дрона лучше применять Arduino Uno из-за возможности снять чип процессора и установить на ProtoBoard. Это будет достаточно для выигрыша порядка 30 граммов веса, что при подобных масштабах весьма неплохо. Дополнительно правда понадобится несколько конденсаторов, а если нет желания возиться с дополнительной электроникой, то можете выбрать сразу Arduino Pro Mini.