Как сделать дрона на arduino
Как собрать и настроить квадрокоптер на базе Ардуино (Arduino)?
Здравствуйте, наши уважаемые читатели. В этой статье мы поговорим про то, как собрать квадрокоптер на Ардуино. Это не самая простая, хотя и очень увлекательная задача, результатом решения которой станет появление небольшого беспилотника, спроектированного, собранного, и настроенного собственными руками. Сразу оговоримся, что речь идет о максимально дешевом дроне из наиболее доступных по цене комплектующих.
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:
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.
Мы не указали в списке необходимых деталей раму. Ее можно приобрести, а можно распечатать на 3D принтере каркас, лучи и крепления для двигателей. Второй вариант нам кажется более предпочтительным, тем более, что в интернете можно без труда найти проекты квадрокоптера.
Распечатанная на принтере рама окажется не только легкой, но и прочной. Но если доступа к 3D принтеру нет, раму можно заказать.
Пошаговая инструкция по сборке
Как напечатать раму и крепеж
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.
Как настроить акселерометр гироскопа
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.
Схема подключения к Arduino
Прежде чем плата I2C сможет обмениваться данными с Arduino, ее необходимо подключить к контроллеру.
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.
Программа для Arduino
По ссылке вы сможете скачать программу для Arduino, с помощью которой коптер будет стабилизирован в полете и сможет зависнуть над землей. В дополнение к программе обязательно скачайте библиотеку с Arduino PID по ссылке.
Программа поможет вам управлять дроном. Алгоритм, используемый для стабилизации, основан на двух PID-контроллерах. Один предназначен для крена, другой – для тангажа.
Разница в скоростях вращения пары винтов 1 и 2 равна разнице в скоростях пары винтов 3 и 4. Тоже самое справедливо и для пар 1, 3 и 2, 4. PID-регулятор производит изменение разницы в скорости, после чего крен и тангаж становятся равными нулю.
Обратите внимание на цифровые пины Arduino для моторов и не забудьте изменить скетч.
Подключение к контроллеру
Для того, чтобы управлять коптером, нам необходимо получить контроль над моторами, подключив их к Arduino. Контроллер дает на выходе лишь небольшое напряжение и силу тока, поэтому подключение двигателей напрямую лишено смысла. Вместо этого можно поставить несколько транзисторов, позволяющих увеличить напряжение.
Для составления схемы нам необходимы:
Все это собирается на монтажной плате и соединяется коннекторами.
На первом этапе следует подсоединить 4 ШИМ выхода (обозначены
) к транзистору. Затем подсоедините коннекторы к движкам, подключенным к питанию. В нашем случае мы используем аккумулятор на 5В, но подойдет и аккумулятор на 3-5В.
Транзисторы должны быть заземлены, а земля на плате Arduino должна быть подключена к земле аккумулятора. Двигатели должны вращаться в правильном направлении, то есть работать на подъем коптера, а не на его крен.
Переключив контакт двигателя с напряжения 5В на транзистор, вы увидите, что ротор изменит направление вращения. Единожды совершив настройку, больше возвращаться к изменению направления вращения ротора не придется. Теперь нас интересует скорость.
Запустив и проверив акселерометр, мы устанавливаем нашу схему на ProtoBoard. За ее неимением, можно использовать и обычную монтажную плату, предварительно напаяв на ней рельсы для контроллера.
Перед тем, как припаивать акселерометр к плате, необходимо выполнить его калибровку на горизонтальной поверхности. Это поможет добиться более точной работы сенсора в будущем.
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.
На этом мы завершаем статью о создании беспилотника на Arduino. Подписывайтесь на наши обзоры и делитесь полезными материалами в социальных сетях. До новых встреч.
Самодельный летающий дрон с камерой, который следует за вами на автопилоте (на основе Arduino)
Шаг 1: Основные свойства
Дрон работает почти полностью автоматически, вам не нужно управлять им, потому что он следует за вашим телефоном, который обычно находится всегда с вами, ультразвуковой датчик помогает обходить деревья, здания и другие препятствия, а GPS выдает очень точные данные о местоположении, но давайте посмотрим, что мы имеем в итоге:
— Аккумулятор 1000 мАч, хватает на 16-18 минут непрерывного полета;
— ультразвуковой датчик, чтобы избежать препятствий в воздухе;
— Модуль Bluetooth для получения данных с телефона;
— Микроконтроллер на основе Arduino;
— встроенный гироскоп;
— регулируемая максимальная высота (5 м);
— при низком заряде батареи, дрон автоматически падает на телефон; (желательно держать телефон в руках)
— затраты на постройку дрона около 100 долларов;
— можно запрограммировать на что угодно;
— с помощью GPS можно отправить беспилотник по любым координатам;
— дизайн в стиле квадрокоптера;
— оборудован 2-мегапиксельной видеокамерой 720p HQ;
— весит 109 г;
— Паяльник;
— Клей-пистолет;
— резец;
— Кусачки;
— Супер клей;
— Двухсторонняя клейкая лента;
— Резинки;
— MultiWii 32kB Flight Conroller;
— Модуль последовательного GPS;
— Серийный I2C конвертер;
— Модуль Bluetooth;
— Ультразвуковой датчик;
— Кусок жесткой пластмассы;
— Соломинки из кафе;
— зубчатая передача;
— Двигатели;
— Пропеллеры;
— Винты;
— L293D Motor Driver (это был неудачный выбор драйвера, будет исправлено во второй версии);
— 1000 мАч литий-ионный аккумулятор;
Шаг 3: Сборка пропеллеров
Мастер купил эти пропеллеры с моторами на Алиэкспресс, они являются запасными частями для дрона Syma S5X, но они оказались полезными и для данной самоделки.
Шаг 4: Принципиальная схема
Всегда смотрите на схему во время работы и будьте осторожны со связями.
Шаг 5: Пайка двигателей к драйверу управления
Теперь вам нужно спаять все кабели от двигателей до ИС драйвера двигателя L293D. Посмотрите на картинки, они говорят гораздо больше. Вы должны подключить черный и синий провода к заземлению и положительные провода к выходам 1-4. L293D может управлять этими двигателями, но мастер рекомендует использовать силовые транзисторы, потому что этот чип не может работать со всеми четырьмя двигателями при высокой мощности (более 2 А).
Пожалуйста, обратите внимание на вторую картинку, на которой показано, как оборудовать пропеллеры. Используйте крепкие трубочки-соломинки из кафе и кусок пластмассы для сборки рамы. Используйте немного горячего клея и супер клея для всех четырех винтов, затем проверьте соединения. Очень важно, чтобы пропеллеры находились на одинаковом расстоянии друг от друга.
Шаг 7: Добавление проводов к драйверу L293D
Припаяйте провода к оставшимся контактам микросхемы. Это поможет подключить контакты Arduino к входам / выходам. Теперь пришло время построить схему.
Все модули включены в комплект контроллера полета, который мастер заказывал заранее, так что просто нужно соединить их вместе. Bluetooth идет к последовательному порту, сначала GPS в преобразователе I2C, затем в порту I2C. Теперь данную схему можно установить на свой дрон.
Шаг 9: Крепление электрической цепи к раме
Используйте двустороннюю ленту и сначала добавьте GPS. Эта губчатая лента удерживает все на месте, поэтому приклейте каждый модуль один за другим на пластиковую деталь. По окончанию следует подключить контакты привода двигателей к MultiWii.
Шаг 10: Соединение двух цепей
Входные контакты поступают на D3, D9, D10, D11, остальные должны быть подключены к контактам VCC + и GND.
Мастер использовал несколько резиновых лент, чтобы прикрепить батарею к дрону. Держится довольно крепко.
Шаг 12: Ультразвуковой датчик
Датчик гидролокатора закреплен на дроне резиновой лентой и подключен к контактам D7 и D6 контроллера MultiWii.
Шаг 13: Программирование чипа
Вы должны использовать модуль Serial FTDI для программирования чипа. В комплект чипа входит модуль программатора.
Шаг 14: Программное обеспечение
Если вы можете запрограммировать Arduino или следовать инструкциям мастера, то сможете создать свой собственный дрон, который будет следовать за вами повсюду.
Шаг 15: Изменение кода
Мастеру пришлось изменить код датчиков и контроллера, который давал подсказки для ATMega328, но теперь модуль Bluetooth выдает три GPS-координаты, и в зависимости от них движется дрон.
Шаг 16: Приложение для телефона
Мастер использовал приложение SensoDuino, которое можно загрузить из плей маркет гугла. Подключитесь к дрону через Bluetooth и включите GPS TX и регистрацию данных. После этого приложение телефона готово.
В качестве камеры использована дешевая китайская камера. Эта камера использовалась во многих проектах мастера и всегда показывала отличные результаты. Весит она всего 15 г и может снимать хорошее видео.
Расстояние соединения составило около 8 м, что более чем достаточно для такого беспилотника, как этот.