Квадрокоптер своими руками: пошаговые этапы сборки

Доставка товаров

Целый ряд крупных торговых и почтовых компаний всерьез задумались об инвестициях в разработку беспилотников, занимающихся доставкой посылок, почты, медикаментов, продуктов питания. Задержка с запуском подобных проектов заключается лишь в некоторых технических проблемах в условиях плотной городской застройки, а также взаимодействия дронов с летательными аппаратами в свободной зоне.

В тех местах, где условия позволяют использовать преимущества дронов, доставка некоторых отправлений уже стала реальностью. La Poste Франции уже запустила такую программу доставк, вплотную подошли к тестированию программы швейцарские и финские почтовые службы. А почта Китая уже доставляет таким способом более 500 посылок в день в ряде своих провинций.

Торговые гиганты Amazon и Walmart уже анонсировали такой сервис своим потребителям, а компания Google провела первую тестовую беспилотную доставку. В случае успеха компания планирует с помощью своих дронов на солнечных батареях осуществлять раздачу 5G-интернета на территории всей Земли. А пока что некоторые модели со встроенным Wi-Fi, например Cheerson Wi-Fi, радуют обычных пользователей.

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.

Помощник в журналистике

События на местах боевых действий, масштабные мероприятия, спортивные состязания теперь можно наблюдать онлайн, что увеличивает степень доверия потребителя к информации и выводит современную журналистику на новый уровень.

Эпоха цифровых технологий внесла серьезные изменения в характер журналистики и эволюцию распространения информации. Оставаться в авангарде сбора и подачи информации можно, используя квадрокоптер. Концепция «беспилотной журналистики» позволяет давать зрителям мультимедийный новостной контент в режиме реального времени.

Учитывая, как и что можно сделать с помощью этого аппарата, Ассоциация фотографов Америки совместно с Лабораторией новостей Google представили инновационную программу обучения журналистов использованию беспилотников. Созданная ими школа Drone Journalism School рассматривает не только сбор информации, но и уделяет большое внимание этическим и правовым вопросам данных массовых коммуникаций.

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)

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

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.

3D принтеры можно найти во многих университетах, лабораториях, коворкингах. Зачастую доступ к ним бесплатный. Модели для печати можно создать самостоятельно, используя для этого, например, Solidworks. А можно воспользоваться уже готовыми решениями, при необходимости изменив параметры.

Для настройки акселерометра-гироскопа (I2C)мы рекомендуем использовать следующую библиотеку. Ни в коем случае не подключайте плату к напряжению 5В, иначе вы моментально ее испортите.

Вкратце расскажем, чем интересна плата I2C с датчиками. Она заметно отличается от обычной платы акселерометра с тремя аналоговыми выходами для осей X, Y, Z. I2C представляет собой интерфейсную шину, обеспечивающую передачу значительных объемов данных через логические цифровые импульсы.

Аналоговых выходов на плате не много, и в этом большой плюс I2C, ведь в противном случае нам бы пришлось использовать все порты на Arduino, чтобы получить данные от гироскопа и акселерометра.

Прежде чем плата I2C сможет обмениваться данными с Arduino, ее необходимо подключить к контроллеру.

Схема следующая:

• VDD -3.3v
• GND — GND
• INT- digital 2
• SCL — A5
• SDA — A4
• VIO – GND

Еще раз обращаем внимание на то, что для питания необходимо использовать необходимо именно 3.3В. Подключение платы к 5В скорее всего приведет к ее поломке (спасти может только регулятор напряжения, но он далеко не всегда присутствует на плате).

Если на плате присутствует контакт AD0, он подключается к земле (GND).

В библиотеке, на которую мы дали ссылку выше, используются перечисленные каналы.

Скетч для Arduino

Преимуществом выбранного для сборки дрона микроконтроллера является относительная простота работы с ним. Вам не придется читать специальные книги, документы и техническую документацию. Достаточно знать основы программирования Arduino, которые, как вы сейчас убедитесь, не так сложны.

Подсоединив плату MPU-6050 к контроллеру, включите его и перейдите по ссылке.

Нас интересует скетч I2C scanner code, вернее, его код.

Скопируйте программный код, вставьте в пустой скетч, после чего запустите его. Убедитесь, что подключение установлено к 9600 (для этого запустите Arduino IDE через Tools-Serial Monitor). Должно появиться устройство I2C с адресом 0×68 либо 0×69. Запишите или запомните адрес. Если же адрес не присвоился, скорее всего проблема в подключении к электронике Arduino.

Затем нам понадобится скетч, умеющий обрабатывать данные гироскопа и акселерометра. В интернете есть множество вариантов, и найти подходящий не проблема. Скорее всего, он будет в заархивированном виде. Разархивируйте скачанный архив, отройте Arduino IDE и добавьте библиотеку (sketch-import library-add library). Нам понадобятся папки MPU6050 и I2Cdev.

Открываем MPU6050_DMP6 и внимательно просматриваем код. Никаких сложных действий производить не придется, но если был присвоен адрес 0×60, то необходимо расскоментировать строку в верхней части (ее можно найти за #includes) и написать верный адрес. Изначально таv указан 0×68.

Загружаем программу, открываем окно монитора через 115200 и просто следуем инструкции. Через несколько мгновений вы получите данные с гироскопа/акселерометра. Затем следует провести калибровку датчиков.

Установите плату на ровную поверхность и запустите скетч MPU6050_calibration.ino (легко ищется в интернете). Просмотрите код, по умолчанию в нем указан адрес 0×68. После запуска программы у вас появится информация по отклонениям (offset). Запишите ее, она нам понадобится в скетче MPU6050_DMP6.

Все, вы получили функционирующие гироскоп и акселерометр.

Транспортировка медикаментов

Квадрокоптеры доставляют кровь, трансплантаты, вакцины пациентам слаборазвитых стран – Руанды, Танзании, Папуа-Новой Гвинеи. Именно это направление использования квадрокоптеров наиболее востребованное и ценимое медиками.

Применение аппаратов в чрезвычайных ситуациях доказало их незаменимость после землетрясения на Гаити в 2012 году, тайфуна на Филиппинах и в других регионах, где инфраструктура была полностью разрушена. Лидером по спасению людей и доставке медикаментов с помощью беспилотников выступает калифорнийская компания Zipline, тесно сотрудничающая с международной организацией «Врачи без границ».

Таким образом, квадрокоптеры могут решить проблему почти 2х миллиардов человек из Африки и Азии, ограниченных в доступе к медицинским услугам, лекарствам. Огромный потенциал дронов в транспортировке лекарств или вакцин помогает в ситуациях, когда важен временной фактор. 

Как еще можно модернизировать квадрик

Узким местом коптера являются его коллекторные движки. Если поискать, можно найти чуть более крупные и более мощные моторы, чем предложены в нашей статье, но значительного выигрыша в характеристиках не произойдет.

Впрочем, у нас была цель собрать недорогой квадрокоптер своими руками, и именно поэтому использовались дешевые моторы. Бесколлекторные двигатели заметно дороже, но зато они дадут вам заметно большую мощность и надежность. К ним придется докупить еще и контроллеры скорости, но это действительно эффективная модернизация.

Выбор платы Arduino Uno обусловлен тем, что с нее можно довольно легко снять чип и поставить его на ProtoBoard. Это позволяет уменьшить вес дрона на 30 грамм, но придется включить в схему дополнительные конденсаторы. Подойдет и плата Arduino Pro Mini.

Что касается программы Arduino, то ее можно сравнительно легко изменить и дополнить новыми функциями. Главное, что с ее помощью дрон способен в автоматическом режиме стабилизовать свое положение.

На квадрокоптер могут быть установлены дополнительные модули, например, плата приемника, что позволит организовать дистанционное управление дроном.

Спасение планеты

Что умеют беспилотники, так это искать и спасать людей, пропавших в недоступных местах – горах, лесах, океанах. Квадрокоптеры с тепловыми камерами могут найти человека, попавшего в лавину или провалившегося в пещеру. Приборы предупредят полицейских о нахождении преступников в темное время, рейнджеров – о засаде браконьеров. Во время стихийных бедствий с их помощью доставляются не только лекарства, но и средства связи.

В Австралии с помощью дронов были обнаружены и доставлены спасательные средства двум подросткам, которых отнесло в море на километр от берега. Вся операция по транспортировке спасательного плота заняла несколько минут. Также беспилотники задействованы для обнаружения акул. Кроме того, в горных районах с помощью дронов сбрасывается взрывчатка для контролируемого схода лавин.

С помощью дронов научные организациями проводят исследовательские проекты, восстановление тропических лесов, отслеживают таяния ледников в Арктике. С применением дронов ученые собирают информацию и фотокадры из интересующих их регионов, что помогает делать более точные прогнозы климатического характера.

Возникновение и распространение масштабных пожаров, изменение природных условий и глобальное потепление – все эти проблемы изучаются с помощью высокоточной аппаратуры, доставляемой беспилотниками к месту наблюдений. Изменение естественной среды обитания ведет к массовой гибели животных, и только полученная информация может содействовать переселению диких животных и спасению целых видов.

Инспектирование нефтяных вышек

Безопасность окружающей среды и обслуживающего персонала – основные параметры, принятые во внимание руководителями нефтяных и газовых компаний во время подписания контракта на осмотр и оценку технического состояния платформ и нефтяных вышек с помощью беспилотников. Преимущества использования дронов очевидны:

• Быстрый осмотр и оценка труднодоступных зон;
• Возможность оперативного реагирования на критическую ситуацию;
• Доступ к местам инспекции, представляющим опасность для людей;
• Возможность получения качественных и детальных снимков неисправностей и дефектов оборудования на любой высоте;
• Быстрое развертывание беспилотной инспекции.

Наблюдение за дикой природой

Мониторинг за популяцией животных, определение ареала их обитания в масштабах крупных географических зон становится возможным с приходом беспилотной системы инспекции. По мнению специалистов, дроны являются самой безопасной, экологически чистой и недорогой альтернативой пилотируемым самолетам.

Квадрокоптеры, которые могут снимать в нескольких режимах, (DJI Spark) могут использоваться в экстремальных ситуациях, на значительных площадях, не нервируя животных и не нарушая их ритм жизни. С их помощью исследователи следят за поведением пингвинов в Антарктиде, перемещением горбатых китов у побережья Чили, наблюдают за перелетами птиц, следят за путями миграции слонов в Индии. С помощью фото- и видеоматериала ученые нашли места обитания диких животных, находящихся на грани исчезновения, и могут предотвратить их гибель.

Интересные предложения: ТОП-5 ЛУЧШИХ ФИРМ-ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОСАМОКАТОВ

Борьба с преступностью

Безопасность сотрудников полиции существенно возросла с применением на службе квадрокоптеров (DJI Phantom 4 PRO). Эффективное использование дронов особенно целесообразно в следующих случаях:

• Анализ дорожно-транспортных происшествий. Снимки с камеры беспилотника фиксируют все детали аварий, срочность вызова медицинских служб, пути проезда к месту происшествия;

• Мониторинг толпы. Крупные мероприятия, концерты, спортивные состязания, парады обычно сопровождаются наличием огромного количества людей. Дроны дают возможность оценить угрозу, регулировать проход толпы по путям, не допускающим давки, увидеть посторонние предметы;
• Инспекция бомб. Обследование подозрительных пакетов или сумок можно осуществлять с помощью беспилотника, чтобы оценить первоначальную угрозу и принять решение о степени его опасности;
• Выслеживание преступников в темное время. Наличие тепловизоров на камере дрона помогают полиции преследовать преступников, руководствуясь данными с беспилотника.

Помощь фермерам

Беспилотники помогут при техногенных катастрофах, когда работники гуманитарных служб не могут получить доступ к зонам бедствия. Они оценят ущерб от аварий на промышленных предприятиях, железнодорожных катастроф с опасными грузами, террористических актов, определят степень загрязнения больших территорий химическими или ядерными отходами, окажут помощь пострадавшим.

Так, в 2011 году во время цунами в Японии было повреждено здание атомной станции Фукусима. Целая армия дронов оценивала ситуацию и степень разрушения станции. Эти устройства участвовали в мониторинге радиационной угрозы, следили за распространением облучения на другие территории. 

Вас может заинтересовать:ТОП-10 ЛУЧШИХ МУЖСКИХ НАРУЧНЫХ ЧАСОВ

В сельском хозяйстве беспилотники, оснащенные тепловизорами, оценивают рост растений. Многоспектральные датчики позволяют фермеру контролировать применение орошения, удобрений и пестицидов в требуемых местах. Также они могут мониторить здоровье культур, их зараженность грибковыми или бактериальными инфекциями.

Помимо этого, поля можно обрабатывать с помощью беспилотников в сложных географических ландшафтах, распыляя удобрения в тех местах, куда не может добраться самолет. Используя технологию ультразвукового эхолота, распылительные дроны точно проводят процедуру опрыскивания, избегая риска избыточного нанесения химикатов.

Съемка фантастических материалов

Наслаждаться игрой любимой команды, видеть мельчайшие нюансы игры, следить за эмоциями игроков стало возможно с помощью съемки, выполняемой дронами. Великолепные и захватывающие кадры острой борьбы дают зрителю возможность почувствовать накал игры и сопереживать игрокам. Помимо зрительского интереса, беспилотная передача помогает решить еще ряд важных задач:

1. Спортивные комментаторы получают детальную картинку происходящего, что помогает им вести репортаж безошибочно;
2. Тренерский состав имеет возможность тщательно проанализировать ход игры и внести коррективы в действия команды;
3. Рекламные агентства используют лучшие моменты игрового противостояния для создания рекламных продуктов.

Фотографы всего мира стремятся снять потрясающие кадры с беспилотников, которые ранее были просто недоступны. Лучшие из них участвуют в конкурсе Dronestagram, который проводится ежегодно. В категориях Природа, Люди, Город, Творчество фотографы представляют самые впечатляющие фотографии, что позволяет большому количеству людей насладиться завораживающими видами нашей планеты с необычного ракурса.

Летательные аппараты дают огромные преимущества, позволяют решить ряд масштабных задач. Крупные компании финансируют создание новых моделей с более серьезным функционалом, призванным увеличить прибыли от их деятельности. Государственные службы используют их в целях защиты и безопасности людей, медики с помощью беспилотников спасают жизни, армия использует их для ведения военных действий. А обычные люди наслаждаются возможностью увидеть мир с нового ракурса, насладиться красотой и неповторимым очарованием планеты.

Охрана национальных границ

Применение дронов для защиты государственных границ является востребованным и эффективным. Такие беспилотники могут оснащаться системами распознавания лиц и номерных знаков автомобилей, тепловизорами, технологией перехвата телефонных звонков. Это очень удобно для предотвращения и реагирования на инциденты на границе. К тому же, это удобный способ контроля ситуации в малодоступных приграничных районах.

С помощью беспилотников пограничники могут отслеживать контрабандистов, наркоторговцев и препятствовать незаконному пересечению границы в труднопроходимых зонах.

Папарацци

Одними из первых, кто оценил невероятные способности квадрокоптеров (PowerVision PowerEgg), стали папарацци. Они перестали сидеть в засаде на дереве или в кустах, выжидая редких кадров знаменитостей. Многие селебрити жалуются на рой дронов, преследующих их семьи во время отдыха или путешествий. К тому же их смущала опасность, которую могут причинить аппараты в руках неопытных папарацци.

Во многих странах начали приниматься законы, запрещающие съемку частной жизни. Теперь, заметив наблюдение с беспилотника, любой человек может заявить в полицию о нарушении его прав.