Latające Arduino, czyli budowa własnego quadcoptera

Krótko o dronach


Dostęp do wszelakich części modelarskich oraz wszechstronność i rozwój mikrokontrolerów wpłynęły bezpośrednio na rozpowszechnienie wielowirnikowców, które z dnia na dzień stają się coraz bardziej popularne. Ogółem urządzenia te możemy przede wszystkim podzielić na różne podgrupy, a mianownikiem może być liczba wykorzystywanych napędów (quadcoptery, hexacoptery itp) lub cel do których zostały przystosowane (wyścigowe, fotograficzne, kurier oraz inne). Najtańsze micro drony można kupić już za 50zł od chińskich pośredników typu gearbest, aliexpress. Ogółem nieco większe – 250mm-500mm (przekątna ramy) – można dostać w zakresie cenowym 250-700zł, jednak poszczególne elementy w takim dronie często są niewymienialne i zazwyczaj takie urządzenia odradzam.

Budowa – części

Przygotowałem parę cennych uwag dotyczących zakupu pierwszego drona:

  • Jeżeli masz ograniczone fundusze polecam zacząć od małego drona (200-350) – wyścigowego. Części zdecydowanie tańsze niż do większego odpowiednika jakością. Im większy dron tym więcej będzie potrzebował energii, by się unieść, a idzie za tym bardziej pojemny akumulator, większe regulatory silników oraz same silniki (oraz dużo innych).
  • Jeżeli planujesz programować drona samodzielnie, lepiej kupić nieco lepsze części niż najtańsze. Wiem, wiem, nikt nigdy nie poleca najtańszych podzespołów, aczkolwiek mogę udowodnić, że jest to oszczędność. Pamiętajmy, że z każdym projektem tego typu wiążą się testy. Dla przykładu podczas testów zegarka, którego własnoręcznie zaprogramowaliśmy najgorsze co może się wydarzyć to nierówne odmierzanie czasu lub inny błahy błąd. Jednak podczas testów takiego urządzenia jakim jest copter – obiekt poruszający się w powietrzu z niemałymi prądami płynącymi w obwodach- ciężko jest stwierdzić co może pójść nie tak. Może wylądować przez przypadek na łóżku i zacząć się palić (tak, wiem nie powinienem go testować w domu:)). Ciężko jest zgasić tlącą się elektronikę, przyznaję. Najważniejsze dwa powody, dlaczego nie powinno się oszczędzać na częściach to przede wszystkim wytrzymałość oraz lepsza stabilność. Ciężko będzie nam ocenić czego dron nie lata jeżeli któraś z części jest wadliwa. Trudno będzie odgadnąć czy problem stoi po stronie hardware’owej czy software’owej. Ograniczmy awaryjność strefy sprzętowej do minimum.

Przykładowy zestaw:

Rama QAV-X 214mm z PDB XT60

Rama do naszego wirnikowca powinna być przede wszystkim wytrzymała oraz lekka. Miejsce na kontroler lotu w proponowanym przeze mnie produkcie jest wyizolowane dumperami, co będzie ograniczało wibracje jakie by trafiały do układu. Jest to krytyczne, o czym opowiem jednak w dalszej części artykułu. Dodatkowo do samej ramy otrzymujemy również płytkę, która pomoże nam w rozprowadzeniu prądów do poszczególnych urządzeń (regulatorów silników, czy też samego Arduino).


ESC, regulatory do silnikówSkyRC 12A, BLHeli

Regulatory(dalej nazywane również ESC) to nasz pośrednik pomiędzy mikrokontrolerem, a zasilaniem. Silniki trójfazowe jakimi będziemy sterować, nawet w małych konstrukcjach pożerają nie małą ilość prądu. Jest to bardzo ważny element, ponieważ on bezpośrednio odpowiada za zachowanie silnika (o ile ten jest sprawny). Są różne układy, lecz ja proponuję układy programowalne BLHeli, ponieważ będziemy mogli je dopasować do naszych potrzeb.
UWAGA!
Pamiętaj – regulatory muszą być odpowiednio skonfigurowane przed pierwszym użyciem! Konfigurację tych regulatorów przedstawię później w tym artykule.


Silniki Readytosky 2204 CCW 2300KV
Silniki Readytosky 2204 CW 2300KV

Dobre silniki w dobrej cenie. Ważne jest, by odpowiednio dobrać je do regulatorów. Te są sprawdzone i dobrze współpracują z ESC SkyRC 12A.
Ważne jest by kupić silniki do pary. Do naszej konstrukcji niezbędne będą 4 silniki, dwa z oznaczeniem CW oraz dwie sztuki CCW. Oznaczenie CW oraz CCW w silnikach można dosłownie tłumaczyć na to w która stronę zamierzają się kręcić. Jak wiesz (lub nie), wszystkie silniki nie mogą obracać się w tym samym kierunku, by dron stabilnie latał (opiszę to niżej). Nie chodzi również o to, że te silniki kręcą się tylko w jednym kierunku :). Głównym problem jest mocowanie śmigieł. Są one dokręcane do piasty silnika i ważne jest to żeby w locie się nie odkręciły (śmigła). Żeby zapobiec odkręcaniu się śmigieł piasta silnika jest tak nagwintowana by podczas obrotu dokręcać śmigło, a nie działać siłą która by wzmagała jego odkręcanie.


Akumulator Tattu 1550mAh 3s 45C

Nie będę się bardzo zagłębiał co do kwestii zasilania, ponieważ jest wiele artykułów dotyczących właśnie tego tematu.
Ważne jest żeby akumulator(dalej zwany również pakietem) „dawał radę” oraz by odpowiednio go eksploatować. Pakiet taki składa się z mniejszych ogniw składowych połączonych szeregowo przez co napięcie całego pakietu to suma napięć poszczególnych ogniw, dosyć mało odpornych na warunki atmosferyczne oraz rozładowanie czy przeładowanie. Jeżeli chcemy, by nasz akumulator trochę pożył należy go nie rozładowywać poniżej 3V, oraz nie przeładowywać powyżej 4,2V.


Śmigła GEMFAN 5030 (5×3)

Proste – bez kompletnego zestawu napędowego nie polecimy. Nad wyborem śmigieł jednak długo się nie zastanawiam. Fakt, mogą poprawić charakterystykę lotu jeżeli są dobrze wykonane i są wyważone. Jednak dron, który posiadam jest na tyle niestabilny, że niezależnie od jakości śmigieł i tak podczas oblotów w końcu runie na ziemię z impetem, łamiąc je tak, że ich własny producent by nie poznał:

*Dlatego ja zawsze kupuję „wór” najtańszych na abc-rc tj. 20 sztuk śmigieł, 10xCW (prawe) oraz 10xCCW (lewe).


Akcesoria

Może nie tyle co akcesoria, lecz rzeczy pośrednio niezbędne do testów/oblotów naszego drona.
Ładowarka SkyRC 2-3s LiPo

Gotowa ładowarka z wbudowanym zasilaczem. Ładowanie pakietów LiPo nie jest takie łatwe jak się mogłoby wydawać. Pakiet taki musi być odpowiednio zbalansowany, to znaczy (krótka instrukcja korzystania z ładowarki):
– Pojedyncza cela akumulatora nie powinna być rozładowana poniżej 3V (jest to minimum absolutne, proponowana ładowarka automatycznie nie daje możliwości ładowania tak rozładowanego ogniwa). Do sprawdzania stanu ogniwa może nam posłużyć multimetr. Cele połączone są w pakiecie w taki sposób, że plus poprzednika połączony jest z masą następnika. Na wtyczce JST-XH, w naszym pakiecie (lub innym) możemy zaobserwować 4 różne piny. Pierwszy pin to jest masa pierwszej celi, drugi pin – plus pierwszego ogniwa oraz masa drugiego (i tak dalej). Przystawiając multimetr do 1 oraz 2 pinu da nam napięcie pierwszego ogniwa.
– Pojedyncza cela nie może być również przeładowana powyżej 4.2V. Chroni nas przed tym właśnie ładowarka, szybciej ładuje te ogniwa, które są bardziej rozładowane.
– Nie może być również między celami zbyt duża różnica. Na przykład 0.6V to duża różnica w napięciu między ogniwami, należy wtedy obciążyć te cele które są bardziej naładowane i je rozładować do podobnego poziomu.


Miernik napięcia Tester akumulatorów RC

Miernik pomoże nam w sprawdzeniu stanu baterii podczas testów. Pokazuje również napięcie każdej pojedynczej celi.


Podstawki, nogi: Kątownik 30mm

Często jest tak, że elementy pod naszym dronem, który nie ma „podwozia”, przeszkadzają w dobrym rozpoczęciu lotu. Nasz wielowirnikowiec może nie wystartować poprawnie, kiedy przeszkadza mu trawa, lub małe kamyczki. Podstawki pozwolą nam na wystartowanie z nierówności oraz niewysokiej trawy. Są ciężkie aczkolwiek ich pomoc wynagradza ich wagę.

Brakujące elementy

Jednak to nie koniec naszych zakupów. Czegoś tu jednak brakuje w liście produktów…
Oczywiście najważniejszej rzeczy – mikrokontrolera. To on będzie wszystkim odpowiednio sterować – pośrednio lub bezpośrednio. Użyjemy odpowiednich modułów Arduino do tego, ale o tym w następnym artykule.

Zapraszam do przeczytania kolejnej części!