Контроллер квадрокоптер своими руками

Контроллер для квадрокоптера на базе Arduino своими руками

Для того, чтобы ваш квадрокоптер на Arduino благополучно взлетел, надо обеспечить минимальный вес всей конструкции.

В нем важен каждый грамм. Именно по этой причине часто используют миниатюрную Arduino Nano, которую устанавливают на монтажной плате. В этом проекте предложена конструкция платы управления для квадрокоптера с минимально необходимой обвязкой и платами Arduino Nano и GY80.

Какого-то супер концепта в предложенной конструкции нет. Ее можно сделать и получше, но надеюсь, что благодаря этим материалам у кого-то появятся собственные идеи или же вы воспользуетесь предложенным решением.

Arduino-контроллер для квадрокоптера

Ниже представлена информация о конструкции контроллера. Свободное пространство в правом верхнем углу было оставлено специально, чтобы была возможность расширить модуль. Например, установить GPS или ультразвуковой датчик расстояния.

Предложенная конструкция контроллера для квадрокоптера на Arduino Nano имеет ряд недостатков. Некоторые размышления на этот счет приведены ниже.

Вход BEC для питания квадрокоптера

Все, кроме одного контакта питания BEC (cистема питания приемника и квадрокоптера от силовой батареи и отключении мотора при достижении порогового напряжения) должны быть отключены. Порой на форумах люди заявляют, что несколько источников питания может вызывать неполадки из-за разницы в напряжениях (что очень похоже на правду, так как на них действительно разные регуляторы напряжения, хоть и очень маленькие). Отделить подключение сзади невозможно, так как там припаяно. Так что приходится отделять контакты моторов 2,3 и 4, чтобы в результате оставались только контакты сигнала и земли.

По сути эти источники питания BEC 5 В надо убрать или использовать в других целях. Например, можно предусмотреть дополнительный источник питания для контроллера, если первый перестал работать. Остальные BEC можно использовать для серводвигателей видеокамеры.

Расположение контактов для мотора и ресивера

Контакты для моторов желательно разместить в четырех различных углах для более простого доступа к ним. Контакты для ресивера (приемника) желательно располагать неподалеку от контактов питания.

Сокет для микроконтроллера

Для того, чтобы передавать данные по GPS или использовать ультразвуковой датчик расстояния с Arduino Nano, UNO или Pro Mini, нам понадобится дополнительный микроконтроллер. Он будет обрабатывать данные с GPS или сонар модулей и передавать их на плату контроллера полета через I2C.

Очень удобная фича — встроенный сокет для легкого подключения по I2C для периферийных устройств.

2 дополнительных контакта для моторов (для гексакоптера) показаны на риунке ниже.

Другие проекты контроллеров для квадрокоптеров

Ниже приведены несколько других проектов контроллеров для квадрокоптеров на базе Arduino.

Плата контроллера может использоваться для три- и квадрокоптера с возможностью дополнительной установки камеры и стабилизацией тангажа.

Для питания сенсоров используется 3.3 В постоянный ток от Arduino Nano.

Контроллер, выполненный в круглом форм-факторе. Контроллер можно использовать на три- и квадрокоптерах.

Еще один круглый контроллер. Может использоваться для три- и квадрокоптеров. Можно подключить видеокамеру. Предусмотрена стабилизация тангажа и крен.

Предусмотрена проверка питания. Если питание отсутствует, подается сигнал на динамик. Можно запитать плату от отдельного BEC. На контроллере установлен светодиод для отслеживания состояния и питания.

Есть интересные серийные контроллеры для квадрокоптера на Arduino. Например, в пердставленом ниже тоже используется круглый форм-фактор плат. Этот контроллер можно использовать для три- квадро-, гексакоптера. Поддерживаются все фичи MultiWii версии 1.6. Кроме того, на плате есть встроенный регулятор 3.3 вольт.

Оставляйте Ваши комментарии, вопросы и делитесь личным опытом ниже. В дискуссии часто рождаются новые идеи и проекты!

Источник

Гоночный FPV-дрон своими руками (часть 1) — сборка

Сегодня популярность гонок на дронах стремительно растёт. Любительские полетушки перерастают в серьёзные международные соревнования, а количество людей, вовлечённых в это хобби, растёт в прогрессии. Я сам недавно собрал FPV-квадрокоптер 180-го размера (расстояние в мм между осями моторов по диагонали) и спешу поделиться этим опытом.

Полностью процесс сборки и настройки я описал тут и тут, а ниже будет немного изменённая версия, содержащая больше информации из моих предыдущих статей.

Я оставлю за скобками вопрос вхождения в данное хобби и перейду непосредственно к квадрокоптеру.

Выбор размера квадрокоптера

Год назад наибольшей популярностью пользовались квадрокоптеры 250-го размера. Но сейчас пилоты предпочитают собирать аппараты меньшего размера, что весьма разумно: вес меньше, а мощность та же. Я выбрал 180-й размер не из каких-то практических причин, а как некий челлендж по сборке.

На самом деле, такой подход к выбору не совсем правилен. Гораздо разумнее выбирать сначала размер пропеллеров, а уже под них — наименьшую раму, куда влезут выбранные пропеллеры. И при таком подходе 180-й формат вообще отбраковывается. Судите сами: 210-й формат позволяет ставить те же 5-дюймовые пропеллеры, что 250-й, при этом сам квадрик получается легче, а 4-дюймовые пропеллеры влезают и в 160-е рамы. Получается, что 180-й размер — это такой промежуточный формат, который «ни нашим, ни вашим». Его также можно считать утяжелённым 160-м. Но, тем не менее я выбрал именно его. Возможно потому, что это минимальный размер, способный более-менее комфортно тягать камеру GoPro или Runcam.

Комплектующие

Начнём с моторов. «Промежуточность» 180-го размера, а также богатство их ассортимента, осложняют выбор. С одной стороны, можно брать то, что идёт на 160-е, с другой — то, что устанавливают на 210-е или даже 250-е. Исходить надо из пропеллеров и батареи (количество банок). Не вижу смысла использовать батарею 3S, а по пропеллерам общие правила таковы:

• нужна максимальная статическая тяга — увеличивай диаметр пропеллера и уменьшай шаг (в разумных пределах)
• нужна высокая скорость — уменьшай диаметр и увеличивай шаг (в разумных пределах)
• нужна высокая тяга при маленьком диаметре — добавляй количество лопастей (опять же в разумных пределах, так как если разница между двух- и трёхлопастными пропеллерами ощутимая, то между трёх- и четырёхлопастными — не такая большая)

В моём случае я имею ограничение размера пропеллеров в 4 дюйма, но не имею ограничения по моторам. Значит, разумнее всего будет использовать трёхлопастные 4045 пропеллеры bullnose. Их сложно балансировать, но с ними управление отзывчевее и предсказуемее, а звук тише. С другой стороны, с двухлопастными пропеллерами скорость у квадрокоптера выше, но мне этого точно не надо. «В народе» на 180-х рамах преобладают следующие сетапы:

• лёгкий с моторами 1306-3100KV, обычными 4045 пропеллерами и батареей 850mAh
• тяжёлый и мощный под трёхлопастные bullnose пропеллеры и экшн-камеру с моторами 2205-2600KV и батареей 1300mAh

На самом же деле, рама позволяет ставить моторы от 1306-4000KV до 22XX-2700KV. Кстати, не знаю почему, но моторы 1806-2300KV сейчас в опале и мало используются.

Для своего квадрика моторы я взял — RCX H2205 2633KV. Во-первых, хотелось иметь запас по мощности (хотя с моими скромными навыками пилотирования, непонятно зачем). Во-вторых, мои сетапы никогда не получались сверхлёгкими, вдобавок я ещё и экшн-камеру таскать планирую. Конкретно моторы RCX — вариант компромиссный. Они дёшевы, но и нареканий по качеству много. На момент покупки комплектующих это были одни из немногих моторов 2205-2600KV на рынке. Сейчас (на момент написания статьи) ассортимент значительно больше и лучше выбрать что-нибудь другое.
С остальными комплектующими действовал по принципу «больше челленджа»:

• Рама RC180 V2. Недорогая (брендовые аналоги в 2-3 раза дороже), лёгкая, с хорошей компановкой и нижней пластиной 3мм. К сожалению, отдельно запчастей к ней не купить, но, учитывая цену всей рамы, вполне можно купить 1-2 комплекта на запчасти.
• Приёмник FrSky D4R-II. Поначалу хотелось попробовать FrSky X4R-SB, но в этом случае пришлось бы менять модуль на передатчике, а этого делать совсем не хотелось. Забегая вперёд скажу, что разумнее брать версию приёмника без припаянных разъёмов. У себя я всё равно их отпаял.
• Регуляторы FVT LittleBee 20A — недорогие и проверенные, но сейчас уже устаревшие. Когда я их покупал только-только появились в продаже FVT LittleBee 20A PRO на чипе Silabs F396 (та версия, что у меня использует чип Silabs F330), а на момент написания статьи уже принимались предзаказы на FVT LittleBee 20A-S, заточенные под BLHeli_S. Здесь можно почитать о технических стороне регуляторов LittleBee 20A.
• Видеопередатчик Foxeer FX799T — компактный, популярный и с микрофоном.
• Камера Sony Super HAD CCD 600TVL (IR Block, NTSC, объектив 2.8). Можно было и Foxeer XAT600M, но мне нужна без корпуса.
• Держатель камеры Diatone.
• Антенна-«клевер» BeeRotor и кабель-удлинитель.
• MICRO MinimOSD.
• В комплекте с рамой уже есть плата распределения питания, но я не хочу её использовать. Поэтому заказал Matek Mini Power Hub, она намного удобнее. Кстати, при использовании батарей 3S, эта PBD издаёт громкий свист и это никак не лечится.
• Несколько батарей Turnigy nano-tech 1300mAh 4S 45

90C.

Подсветка с пищалкой ZG 12Bit WS2812B LED Board. Позднее выяснилось, что пищалка либо не работает, либо есть какие-то неизвестные (никакой документации не прилагалось) нюансы в подключении. В итоге поставил другую.

Несколько комплектов пропеллеров DYS 3-blade 4040 Bullnose.

Выбор полётного контроллера

Вы наверное заметили, что в списке нет полётного контроллера. Хочу описать его выбор подробнее. В недорогие наборы для сборки часто включают контроллер CC3D, так сейчас это, пожалуй, самый дешёвый ПК. Сегодня нет совершенно никакого смысла покупать CC3D. Он устарел и не имеет таких необходимых вещей, как контроль заряда батареи и «пищалка». Его преемник CC3D Revolution — это уже совсем иной продукт с богатыми возможностями, но и ценой свыше 40€.
Современные полётные контроллеры уже перешли с процессоров F1 на F3, что сделало Naze32 ПК прошлого поколения и ощутимо снизило его цену. Сейчас это поистине народный контроллер, который имеет почти всё, что душа желает при цене от 12€.
Из ПК нового поколения наиболее популярен Seriously Pro Racing F3, причём в первую очередь, из-за наличия недорогих клонов. Сам контроллер ничем не уступает Naze32, вдобавок имеет быстрый процессор F3, большое количество памяти, три UART-порта, встроенный инвертор для S.Bus. Именно SPRacingF3 Acro я и выбрал. Остальные современные ПК не рассматривались из-за цены, либо каких-то специфических особенностей (закрытая прошивка, компоновка и т.д.)
Отдельно отмечу модную ныне тенденцию объединять несколько плат в одну. Чаще всего ПК и OSD или ПК и PDB Я не поддерживаю данную идею за парой исключений. Мне не хочется менять весь полётный контроллер из-за сгоревшей OSD. К тому же, как показывает практика, иногда такое объединение приносит проблемы.

Схема проводки

Понятное дело, что все компоненты, которым нужно питание 5В или 12В, будут получать его от BEC`ов платы распределения питания. Камеру теоретически можно было запитать напрямую от 4S-батареи, благо входное напряжение это позволяет, но ни в коем случае делать этого не стоит. Во-первых, все камеры очень восприимчивы к шумам в цепи от регуляторов, что выразится в помехах на картинке. Во-вторых, регуляторы с активным торможением (такие, как мои LittleBee), при активизации этого торможения, дают в бортовую сеть очень серьёзный импульс, что может сжечь камеру. Причём, наличие импульса напрямую зависит от износа батареи. У новых его нет, а у старых — есть. Вот познавательное видео на тему помех от регуляторов и чем их фильтровать. Так что камеру лучше питать либо от BEC`а, либо от видеопередатчика.
Также, ради улучшения качества картинки, рекомендуется пустить с камеры на OSD не только сигнальный провод, но и «землю». Если скрутить эти провода в «косичку», то «земля» действует, как экран для сигнального провода. Правда в данном случае я этого не делал.
Коли уж зашла речь о «земле», то часто спорят о том, надо ли подключать «землю» от регуляторов к ПК или достаточно одного сигнального провода. На обычном гоночном квадрокоптере однозначно надо подключать. Её отсутствие может привести к срывам синхронизации (подтверждение).
Конечная схема проводки получилась простой и лаконичной, но с парой нюансов:

• питание полётного контроллера (5В) от PDB через выходы для регуляторов
• питание радиоприёмника (5В) от ПК через разъём OI_1
• питание видеопередатчика (12В) от PDB
• питание камеры (5В) от видеопередатчика
• OSD подключил к UART2. Многие используют для этого UART1, но как и на Naze32, здесь этот разъём запараллелен с USB.
• Vbat подключен к ПК, а не к OSD. В теории показания вольтажа батареи (vbat) можно считывать как на OSD, так и на ПК, подключив батарею либо к одному, либо к другому. В чём разница? В первом случае показания будут присутствовать только на экране монитора или очков и ПК ничего не будет о них знать. Во втором случае ПК может отслеживать напряжение батареи, информировать о нём пилота (например, «пищалкой»), а также передавать эти данные на OSD, в «чёрный ящик» и по телеметрии на пульт. Настраивать точность показаний тоже проще через ПК. То есть, подключение vbat к полётному контроллеру намного предпочтительнее.

Сборка

Для начала несколько общих советов по сборке:

• Карбон проводит ток. Так что всё надо хорошо изолировать, чтобы нигде ничего не замыкало на раму.
• Всё, что выступает за пределы рамы, при аварии вероятнее всего, будет сломано или оторвано. В данном случае речь идёт, в первую очередь, о разъёмах. Провода тоже могут быть перерублены винтом, так что и их надо прятать.
• Крайне желательно после пайки покрыть все платы изолирующим лаком PLASTIK 71, причём в несколько слоёв. По собственному опыту скажу, что наносить жидкий лак кисточной намного удобнее, чем покрывать спреем.
• Не лишним будет капнуть немного термоклея на места пайки проводов к платам. Это защитит пайку от вибраций.
• Для всех резьбовых соединений желательно использовать «Локтайт» средней фиксации (синий).

Сборку я предпочитаю начинать с моторов и регуляторов. Здесь хорошее видео по сборке маленького квадрокоптера, с которого я перенял идею расположения проводов моторов.

Отдельно хочется сказать про крепление регуляторов: где и чем? Их можно закрепить на луче и под ним. Я выбрал первый вариант, так как мне кажется, что в этом положении регулятор более защищён (это мои домыслы, не подтверждённые практикой). Вдобавок, при креплении на луче, регулятор отлично охлаждается воздухом от пропеллера. Теперь о том, как закрепить регулятор. Способов много, наиболее популярный — двухсторонний скотч + одна-две стяжки. «Дёшево и сердито», к тому же демонтаж трудностей не доставит. Хуже то, что при таком креплении можно повредить плату регулятора (если ставить стяжку на неё) или провода (если крепить на них). Так что я решил крепить регуляторы термоусадочной трубкой (25мм) и запаял их вместе с лучами. Есть один нюанс: сам регулятор тоже должен быть в термоусадке (мои в ней и продавались), чтобы не соприкасаться контактами с карбоном луча, иначе — КЗ.

Также имеет смысл приклеить по кусочку двухстороннего скотча снизу на каждый луч в месте крепления мотора. Во-первых, он защитит подшипник мотора от пыли. Во-вторых, если по какой-то причине один из болтиков открутиться, он не выпадет при полёте и не потеряется.
При сборке рамы не использовал ни одного болтика из комплекта, так как все они неприлично короткие. Вместо этого приобрёл чуть длиннее и с головкой под крестовую отвёртку (есть такое личное предпочтение).

Камера не помещалась по ширине между боковых пластин рамы. Немного обработал края её платы надфилем (скорее сточил шероховатости) и она встала без проблем. Но сложности на этом не кончились. Мне очень понравилось качество держателя для камеры от Diatone, но камера с ним не помещалась в раму по высоте (примерно на 8-10мм). Сначала я приколхозил держатель на наружной (верхней) стороне пластины через неопреновый демпфер, но конструкция получилась ненадёжной. Позже пришла идея максимально простого и надёжного крепления. Я взял только хомут от Diatone`овского крепления и одел его на отрезок прута с резьбой М3. Чтобы камера не сместилась вбок, я зафиксировал хомут нейлоновыми муфтами.

Очень понравилось, что из разъёмов на ПК пришлось паять только коннекторы для регуляторов. Полноценные трёхконтактные разъёмы у меня не вписывались по высоте, пришлось пойти на хитрость и использовать двухпиновые. Для первых пяти каналов (4 для регуляторов + 1 «на всякий пожарный») я припаял коннекторы к сигнальной площадке и «земле», для остальных трёх — к «плюсу» и «земле», чтобы можно было запитать сам ПК и уже от него — подсветку. Учитывая, что китайские клоны полётных контроллеров грешат ненадёжной фиксацией разъёма USB, его я пропаял тоже. Ещё одним моментом, характерным для клона SPRacingF3, является разъём «пищалки». Как и в случае с vbat, на верхней стороне платы находится двухконтактный разъём JST-XH, а на нижней — он продублирован контактными площадками. Закавыка в том, что у клона «земля» на разъёмe постоянная и при его использовании «пищалка» всегда будет активирована. Нормальная рабочая для «пищалки» «земля» выведена только на контактную площадку. Это легко проверяется тестером: «плюс» разъёма прозванивается с «плюсом» на контактной площадке, а «минус» — не прозванивается. Следовательно, надо припаять провода для «пищалки» к нижней стороне ПК.

Трёхконтактные разъёмы регуляторов тоже пришлось заменить. Можно было использовать четыре двухконтактных штекера, но вместо этого, я взял два четырёхконтактных штекера и вставил в один «землю» всех регуляторов, во второй (соблюдая порядок подключения моторов) — сигнальный провод.

Пластина с подсветкой по ширине больше, чем рама и выступает по бокам. Единственное место, где её не собьют пропеллеры — под рамой. Пришлось колхозить: взял длинные болты, надел на них нейлоновые муфты с предварительно проделанными прорезями (чтоб стяжки, крепящие подсветку, могли зафиксироваться) и вкрутил через нижнюю пластину в стойки рамы. К получившимся ножкам стяжками притянул пластину со светодиодами (отверстия в пластине подходили идеально) и залил стяжки термоклеем. С задней стороны пластины припаял коннекторы.
Уже после сборки, на этапе настройки выяснилось, что с пищалкой что-то не то. Сразу после подключения батареи она начинала монотонно пищать, а если активизировать её с пульта, то на этот монотонный писк накладывался ещё и ритмичный. Я сначала грешил на ПК, но после замера напряжение мультиметром, стало ясно где именно проблема. На самом деле можно было с самого начала подключить к проводам пищалки обычный светодиод. В итоге я заказал сразу несколько пищалок, послушал их и установил самую громкую.

Часто PDB и контроллер крепят к раме нейлоновыми болтами, но я не доверяю их прочности. Поэтому я использовал 20мм металлические болты и нейлоновые муфты. После установки PDB я припаял питание регуляторов (остальные провода были припаяны заранее) и залил места пайки термоклеем. Главный силовой провод, идущий к батарее, я стяжкой закрепил к раме, чтобы его не вырвало в случае аварии.

С приёмника я кусачками удалил все коннекторы, кроме необходимых трёх, а перемычку между третьим и четвёртым каналами пропаял прямо на плате. Как я уже писал выше, разумнее было бы брать приёмник без коннекторов. Также я развернул у него антенны и заплавил в термоусадку. На раме приёмник хорошо поместился между PBD и задней стойкой. При таком расположении хорошо видно его индикаторы и есть доступ к кнопке бинда.

Видеопередатчик стяжками и термоклеем я закрепил к верхней пластине рамы так, чтобы через прорезь был доступ к кнопке переключения каналов и светодиодным индикаторам.

Для крепления антенны видеопередатчика в раме есть специальное отверстие. Но не стоит соединять её с передатчиком напрямую. Получается своего рода рычаг, где одним плечом служит антенна, другим — сам передатчик со всеми проводами, а место крепления разъёма будет точкой опоры, на которую придётся максимум нагрузки. Таким образом, в случае аварии почти со 100% вероятностью разъём на плате передатчика отломается. Поэтому крепить антенну надо через какой-то переходник или удлинитель.

К MinimOSD я решил припаять разъёмы, а не провода напрямую. На форумах пишут, что эта плата нередко сгорает, следовательно разумно сразу подготовиться к возможной замене. Я взял планку с коннекторами в два ряда, нижние припаял к контактным площадкам с отверстиями, а на верхние вывел vIn и vOut. После этого залил места пайки термоклеем и упаковал всю плату в термоусадку.

Последним штрихом является наклейка с номером телефона. Она даст хоть небольшую надежду в случае потери квадрокоптера.

Сборка на этом подошла к концу. Получилось компактно и при этом сохранён доступ ко всем необходимым органам управления. Больше фотографий можно посмотреть здесь. Масса квадрокопрера без батареи составляет 330г, с батареей — 470г. И это ещё без экшн-камеры и крепления для неё. В следующей статье я расскажу о прошивке и настройке получившегося квадрокоптера.

Источник