Что такое квадрокоптер и его применение arduino+

Квадрокоптер на Arduino своими руками

Основная идея проекта – создать недорогой квадрокоптер, который имеет автономное питание и алгоритм стабилизации полета на Arduino.

Помимо Arduino нам понадобятся гироскоп/акселерометр и щеточные моторы. В приведенном проекте не рассмотрены методы управления полетом квадрокоптера, но их однозначно можно добавить. Стоимость данного квадрокоптера приблизительно равна 60$.

Что такое квадрокоптер?

Уверен, что большинство читающих эту статью уже знают, что такое квадрокоптер. Если нет, привожу краткое описание этих замечательных устройств.

Квадрокоптер – это летающее устройство с четырьмя “ногами”, на каждой из которых установлен мотор с пропеллером. Квадрокоптеры по своей сути схожи с вертолетами, но перемещение, поворот, наклон у них обеспечивается за счет синхронной работы четырех пропеллеров. Кроме того, у квадрокоптеров существует такое понятие как “pitch” (“тангаж”) – поворот вокруг продольной оси. Для того, чтобы стабилизировать полет квадрокоптера, два пропеллера вращаются в одно направлении (по часовой стрелке), а два – в противоположном направлении (против часовой стрелки). Благодаря этой возможности – зависать в одном положении в воздухе, квадрокоптеры в первую очередь используются для фотографии с воздуха и видеосъемки. Конечно же, квадрокоптеры и остальные подобные устройства со множеством двигателей, используются в спасательных операциях, полицией, военными и т.п. В последнее время стоимость компонентов для производства квадрокоптеров значительно уменьшилась и многие компании принялись за их производство. Купить готовое изделие на сегодняшний день не составит проблем.

Итак, вы уже немного сориентировались, что такое квадрокоптер, давайте теперь перейдем к краткому описанию процесса его изготовления.

Первое, что было сделано: гуглинг по магазинам в поисках компонентов, которые нам понадобятся для его изготовления.

В большинстве случаев используются микроконтроллеры и безщеточные (вентильные) моторы. В качестве контроллера было решено использовать Arduino, так как это идеальная платформа с точки зрения цены. Первая проблема, которая возникла – безщеточные двигатели. Помните, мы ведь ориентируемся на бюджет в 60 $. А стоимость одного безщеточного двигателя, который можно использовать в нашей конструкции квадрокоптера, колеблется в диапазоне от 20 $ до 60 $! Кроме того, использование этих моторов предполагает установку дополнительных контроллеров – speedcontrollers. Так что было решено использовать щеточные двигатели. Габариты нашего квадрокоптера небольшие, так что были куплены моторы с относительно маленьким крутящим моментом. Гугл подсказал, что квадрокоптеры с подобными приводами существуют. Найденные моторы могут поднять до 55 грамм веса, что нас вполне устроило. Следующий шаг – решение проблем стабилизации моторов с помощью гироскопов и акселерометров. Гироскоп – это устройство, которое использует гравитацию Земли для определения угла наклона (ориентации) в пространстве. Классическая конструкция гироскопа состоит из свободно вращающегося диска, который называется ротором. Ротор установлен на оси, которая расположена по центру большего, более стабильного колеса. При вращении оси ротор остается в статичном состоянии, которое соответствует центру гравитации. Акселерометр же представляет из себя компактное устройство, которое используется для измерения ускорения. Когда объект выходит из состояния покоя (начинает двигаться) акселерометр фиксирует вибрации, которые возникают при этом движении. В акселерометрах используются микроскопические кристаллы, которые генерируют напряжение при ударах. Это напряжение снимается и формируется значение ускорения. Эти два сенсора обязательны в квадрокоптере. Именно на основании их показаний формируется управляющий сигнал, который регулирует скорость вращения двигателей для обеспечения крена, перемещения или стабилизации нашего квадрокоптера.

Необходимые узлы, детали и оборудование

Для проекта квадрокоптера с управлением от Arduino нам понадобятся:

  • – провода;
  • – литиевые аккумуляторы на 3.7 В;
  • – транзистор: ULN2003A Darlington Transistor (можно взять транзистор, который поддерживает нагрузки и побольше);
  • – моторы: 0820 Coreless Motors;
  • – микроконтроллер: Arduino Uno;
  • – акселлерометр/гироскоп: плата MPU-6050 (дешевый и сердитый вариант типа “все в одном”);
  • – 3D принтер или доступ к нему для печати деталей конструкции квадрокоптера;
  • – инструменты (в том числе паяльник и умение им пользоваться!).

Ссылки для заказа необходимого электронного оборудования, которое использовалось в проекте из Китая

3-D печать деталей квадрокоптера

Один из первых шагов – создание рамы нашего квадрокоптера. Было решено пойти по пути наименьшего сопротивления и напечатать раму на 3D принтере. Помимо простоты изготовления, каркас, напечатанный на 3D принтере, получается достаточно легкий благодаря печати “сотами”. Детали были спроектированы в Solidworks. Ниже представлены все твердотельные модели. Все можете их спокойно скачать и отправлять на печать. Детали сохранены в формате .stl. Если хотите, можете их смело дорабатывать и изменять с использованием того же Solidworks. Модели параметрические, так что если вы решите использовать другие моторы, достаточно просто изменить несколько параметров в модели и вы получите готовый каркас под ваши габаритные размеры квадрокоптера.

В результате вы получите что-то вроде такого:

Настройка акселерометра-гироскопа (I2C)

1. Не подключайте к 5 В!

2. Рекомендуем использовать вот эту библиотеку для Arduino: Github.

В этом примере использовалась плата MPU6050 от SparkFun. На Amazon она стоит около $10, работает хорошо. Аналогичный Китай на Aliexpress или Ebay предлагает подобные платы по цене до 5 долларов. Тоже отлично работает.

Что такое I2C?

На простых платах акселерометра все логично и понятно: на ней предусмотрены отдельные аналоговые выходы для осей X, Y и Z. Каждый выход соответствует отдельной оси акселерометра. Если вы теперь взглянете на плату с I2C, поймете, что тут все несколько запутаннее. I2C – это стандарт обмена данными, при котором большие объемы информации передаются с помощью цифровых логических импульсов вместо аналоговых выходов. MPU6050 предоставляет вам 6 контролируемых осей (3 для гироскопа и 3 для акселерометра). Если бы они все были аналоговыми, нам пришлось бы задействовать все аналоговые порты на Arduino Uno. С протоколом I2C мы задействует гораздо меньше контактов для подключения.

Схема подключения Arduino

Схема подключения платы MPU6050 приведена ниже. Обратите внимание, что библиотека для Arduino предполагает использование именно этих контактов. Как правило, даже если у вас плата от другого производителя, контакты обозначены одинаково, следовательно, схема подключения остается такой же.

Если вы запитаете от 5 В, плата может испортиться, так что будьте внимательны и используйте именно 3.3 В. На некоторых платах MPU6050 есть регулятор напряжения, который выполняет роль предохранителя, но рисковать все равно не стоит. Если на вашей плате есть контакт AD0, его надо подключить к земле (GND). В нашем случае контакт VIO подключен к AD0 на самой плате, так что подключать пин AD0 не надо.

Скетч для Arduino

На этом этапе вам понадобятся некоторые знания в программировании Arduino. Если вы чего-то не понимаете, остановитесь на этом моменте и постарайтесь с ним разобраться. Приведенные ниже пояснения помогут вам со многими вопросами, но описать все возможные нюансы невозможно.

После того как вы подключили MPU-6050 к вашему Arduino, включите его и загрузите скетч I2C scanner code.

Скопируйте код программы, вставьте его в пустой скетч и запустите. Откройте серийный монитор Arduino IDE (Tools->Serial Monitor) и убедитесь, что вы подключены к 9600 (нижний левый).

Если вы все сделали правильно, должно обнаружиться устройство I2C и ему присвоиться адрес 0x68 ил 0x69. Запишите его. Если появились ошибки, проверьте подключение.

Теперь вам надо загрузить скетч, который обрабатывает информацию с акселерометра/гироскопа. По сети гуляет не один вариант подобных скетчей, рекомендуем использовать вот этот. После перехода по ссылке, нажмите “Download Zip”. После скачки, разархивируйте архив. Потом этого откройте Arduino IDE. Перейдите в sketch->import library -> add library. Вам надо будет добавить обе папки: I2Cdev и MPU6050.

После того как вы установили библиотеки, откройте файл MPU6050_DMP6 (MPU6050 -> Examples). Рекомендую вам его просмотреть, даже если вы не особо ориентируетесь в коде. Если у вас присвоился адрес 0x69, вам надо раскомментировать одну строку в верхней части кода (после #includes), так как по умолчанию стоит 0x68. Теперь программа должна компилироваться.

Загрузите программу, откройте окно серийного монитора (в этот раз с 115200) и следуйте инструкциям. Поздравляю, так как сейчас вы должны были получить значения с акселерометра/гироскопа через Arduino!

Прежде чем двигаться дальше, надо откалибровать ваш гироскоп/акселерометр. Найдите плоскую горизонтальную поверхность и поставьте на нее плату MPU6050.

Теперь запустите скетч для калибровки, который можно скачать здесь: MPU6050_calibration.ino (опять-таки, по умолчанию установлен порт 0x68, но вы можете его изменить). Запишите данные отклонений (offset), которые вы получите. Эти данные вы будете использовать в скетче MPU6050_DMP6 (и в дальнейшей программе для квадрокоптера).

Теперь у вас есть рабочий, безусловно полезный, акселерометр/гироскоп.

Подключение к Arduino

Подключение акселерометра мы рассмотрели. Следующий шаг – заставить Arduino управлять моторами. Плата Arduino предоставляет на выход небольшое значение силы тока и напряжения, так что вместо того, чтобы подключать моторы напрямую к цифровым выходам платы, мы используем транзисторы для “усиления” напряжения.

Начнем сборку электросхемы. На этом этапе нам понадобятся Arduino, моторы, транзисторы (монтажная плата и коннекторы). Схема подключения приведена ниже, под необходимыми текстовыми пояснениями. Подключите четыре ШИМ выхода (отмечены на Arduino знаком

) к транзистору, как это показано на рисунках. После этого подключите коннекторы к моторам, которые подключены к источнику питания. В приведенном проекте квадрокоптера использовался источник питания 5 В, но должна подойти и батарея 3-5 В.

Убедитесь, что транзисторы заземлены, и земля на Arduino подключена к земле от источника питания. Убедитесь, что роторы двигателей вращаются в правильном направлении (они должны обеспечивать подъем квадрокоптера, а не крен). Если вы переключите контакт мотора с 5 В на транзистор, ротор двигателя начнет вращаться в противоположном направлении. После настройки изменять направление вращение двигателей больше не придется. Изменять мы будем только скорость.

После запуска акселерометра и его проверки, необходимо установить все на ProtoBoard (можно использовать монтажную плату, на которую напаять рельсы для установки на Arduino. Можно пойти по более элегантному пути и приобрести Proto Shield). Не стоит припаивать транзистор на плату для прототипирования. Лучше использовать для него сокет с контактами, чтобы вы могли его в любой момент заменить.

В нашем случае мы припаяли акселерометр к плате и только после этого провели калибровку. Но практика показывает, что это не совсем правильно. Для увеличения точности показаний гироскопа/акселерометра, его лучше сначала откалибровать на ровной поверхности и только потом припаять.

Программа для Arduino

Программа, которая выложена здесь, стабилизирует квадрокоптер и позволяет ему зависнуть в стабильном состоянии. Программа является основой для дальнейшего управления и перемещения квадрокоптера. Помимо основной программы вам надо будет скачать библиотеку Arduino PID по этой ссылке.

Можете почитать по поводу ПИД-регулирования на Вики, если вы не знакомы с этими регуляторами. PID класс для Arduino использует три входа: заданное положение, измерение и выход. Выход зависит от текущего положения и измерений. ПИД-регулятор старается изменить выход таким образом, чтобы измерения соответствовали заданному положению. В алгоритме используется интересная математика. Алгоритм ПИД-регулирования старается отработать таким образом, чтобы значения оставались максимально стабильными.

В нашем алгоритме для стабилизации используется два ПИД-контроллера: один для тангажа и другой для крена. Разница в скорости вращения пропеллеров 1 и 2 будет такой же как и разница в скорости пропеллеров 3 и 4. Аналогично для пар 1,3 и 2,4. После этого ПИД-регулятор изменяет разницу в скорости, выводя тангаж и крен в нуль.

Не забудьте проверить какие цифровые пины с Arduino идут к моторам и соответственно изменить скетч.

Дальнейшая модернизация квадрокоптера на Arduino

Основные проблемы с маленьким квадрокоптером – его стоимость и вес. Можете поискать моторы побольше и помощнее, но это особо не улучшит его характеристики. Что вам действительно поможет, (если вы готовы отдать больше денег) – это безщеточные (вентильные) моторы. По характеристикам они на порядок лучше, но в довеску к ним надо использовать контроллеры скорости, что сделает квадрокоптер дороже.

Для уменьшения веса конструкции лучше всего использовать именно Arduino Uno, так как к этой модели контроллера можно снять “прошитый” чип микропроцессора и установить его непосредственно на вашу ProtoBoard. В результате вы выиграете около 30 грамм веса, что немало при таких масштабах. Дополнительно вам надо будет использовать еще несколько конденсаторов и т.п. Или, как альтернативный вариант, можно использовать Arduino Pro Mini.

Программа для Arduino, которая написана и представлена в предыдущем разделе, может быть легко расширена и обогащена дополнительным функционалом. Самое главное, что на этом этапе квадрокоптер уже может автоматически стабилизировать полет. Если вы хотите настроить дистанционное управление, можете посмотреть в сторону трансмиттеров/ресиверов или bluetooth модулей. В общем, основа у вас теперь есть, а пространства для дальнейшей модернизации – еще больше.

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

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:

  • 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.

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.

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.

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.

Что такое квадрокоптер и его применение

Квадрокоптер способен переносить по воздуху небольшие грузы, вести видео съёмку и оказаться там, куда не может добраться человек.

Из новинок современной техники, сильно выделяется летательный аппарат, со странным названием – квадрокоптер. За относительно небольшие деньги, появилась возможность получить нечто вроде военного беспилотника, который нашёл применение в различных сферах.

Небольшой прибор способен менять человеческую жизнь, позволяя делать то, что до некоторого времени не представлялось возможным. В зависимости от мощности, квадрокоптер способен переносить по воздуху небольшие грузы, вести видео съёмку и оказаться там, куда не может добраться человек.

Общее описание

В воздухе, квадрокоптер ведёт себя надёжно и независимо от поставленной задачи, полёт этого аппарата обычно стабилен. Этой стабильности удалось добиться за счёт уникальности инженерных разработок. Не исключено, что через какое-то время, по такому принципу будут летать все воздушные аппараты.

Принцип работы квадрокоптера осуществляется за счёт использования винтов с противоположным вращением, что даёт тягу и обеспечивает стабильность работы. Средняя дальность полёта чуть больше 1 км. Покупая квадрокоптер, не нужно обращаться к специалисту, чтобы правильно его собрать – это может сделать любой человек, так как конструкция летательного аппарата не отличается сложностью.
Несмотря на свою простоту, малые габариты и ограниченное расстояние полёта, эти дроны сильно облегчают выполнение некоторых задач.

Применение

В первую очередь квадрокоптеры используют для осуществления видео съёмки. Примером может послужить дрон от DJI – это квадрокоптер с камерой, а именно PHANTOM 3 или же 4 версии. Данные дроны имеют хорошую камеру с стабилизацией. С их помощью легко сделать панорамную съёмку с большой высоты, получить великолепные планы и увидеть места, в которых человек чисто физически оказаться не может.

Видеокамеру со стабилизатором закрепляют по центру аппарата и дрон поднимается в воздух. Их используют как в военных, так и во вполне мирных целях.

В США с помощью квадрокоптеров контролируют фермерские хозяйства. Фермеры следят за качеством орошения земли и выявляют вредителей. Также дронов используют в качестве курьеров, которые не стоят в пробках и доставляют товар вовремя. При чрезвычайных ситуациях эти летательные аппараты отправляются в зону происшествия и доставляют спасателям информацию, с помощью которой можно точно оценить ситуацию и выработать план спасения.

К сожалению, квадрокоптеры используют и криминальные структуры. С помощью дронов можно оценить количество охраны, расположение сотрудников безопасности, а также перевозить наркотики. Власти многих стран обеспокоены этой тенденцией, но повлиять на ситуацию сложно, так как дроны находятся в свободной продаже. Стоимость аппарата начинается от 100 долларов и выше.

Разновидности

По техническим характеристикам, квадрокоптеры отличаются балансом веса, маневренностью и предназначением. Существуют готовые аппараты, которые нужно лишь достать из коробки и сразу можно запускать в небо.

Он настроен, с налаженным центром тяжести и зафиксированной батареей. Обычно такая модель уже оборудована камерой и способна осуществлять навигацию. Такой дрон совершает полёт согласно заданному маршруту и возвращается в указанное место. Единственным минусом такой модели, является высокая цена.

Дешевле окажется квадрокоптер для сборки. Это аппарат, который нужно собрать самостоятельно. Также придётся приобрести радиоаппаратуру для управления дроном, установить приёмник, пропеллеры и камеру. Необходимо всё надёжно собрать и закрепить.

Квадрокоптеры подразделяют на тяжёлые, средние, маленькие и мини. При покупке летательного аппарата обращают внимание на грузоподъёмность и скорость. Для этого нужно точно знать, в каких целях он будет использоваться. Вы можете купить квадрокоптер с видеокамерой для съемки видео, но обязательно посмотрите радиус его действия, ведь не дроны 2016 года летают на километр и больше.

Интересные видео про квадрокоптеры

DJI inspire 1 v2.0



Вот такие классные штуки теперь существуют для нас всех. Рекомендую посмотреть Топ 5 Квадрокоптеров с камерой или Топ 5 Бюджетных Квадрокоптеров. Как выбирать квадрокоптер можно посмотреть в статье Выбор Квадрокоптера

Квадрокоптер на Ардуино своими руками

Квадрокоптер – отличный вариант проведения свободного времени. Можно купить Arduino дрон в ближайшем магазине или заказать в Китае, но есть альтернатива в виде сборки его своими руками. Да, это вполне реально сделать даже при отсутствии особых навыков и большой денежной суммы, ведь простейшие модели обойдутся вам в сумму 70-80 долларов США. Подобная сумма вполне подъемна даже для бедного студента, который сможет собрать отличный дрон своими руками.

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.

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.

Как собрать программируемый квадрокоптер на Ардуино Уно своими руками?

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. Правда, здесь важно не перестараться, так как излишне облегченный корпус будет легко сноситься ветром в сторону, потребовав соответствующей корректировки пилотом. После распечатки корпуса можно на него установить двигатели и припаять провода.

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:

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. Также на плате может быть контакт AD0, который требуется подключать к земле. Для управления двигателями Arduino может понадобиться подача большего напряжения, которое можно повысить транзисторами.

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. Затем опять перейдите в Arduino IDE и зайдите по адресу sketch-import libraty-add library, куда нужно будет добавить папки с вашими скетчами.

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. Их достаточно прописать один раз и сохранить (в дальнейшем корректировка понадобится только после сбоя данных и не потребует много времени).

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.

Теперь можно попробовать запустить двигатели, которые должны вращаться в правильных направлениях (по 2 в каждую сторону). Если этого не произошло, то переключите контакт мотора с 5В на транзистор, что позволит ему начать вращение в обратную сторону. В дальнейшем корректировать направление моторов не потребуется, так как управление квадрокоптера осуществляется за счет изменения скорости каждого из них.

В интернете можно найти несколько программ Arduino, позволяющий стабилизировать дрон на постоянном уровне в воздухе и затем вести управление им. Стабилизация квадрокоптера осуществляется с помощью двух ПИД-контроллеров. Один из них используется для тангажа (отклонение носа дрона вверх и вниз), а второй для крена (отклонение влево и вправо).

ПИД-регулирование предусматривает использование трех входов (заданное положение, выход, измерение). Выход определяется текущим положением и измерениями, а регулятор стремится изменить этот показатель таким образом, чтобы результат измерения соответствовал заданному положению. Для дрона с четырьмя винтами используется два контроллера, каждый из которых определяет разницу в скорости вращения винтов, расположенных по диагонали. Если она будет равна нулю, то крен и тангаж будут отсутствовать.

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.

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).

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.

Источники:

http://drongeek.ru/profi/kvadrokopter-na-arduino

http://arduinoplus.ru/chto-takoe-kvadrokopter-i-ego-primenen/

http://my-quadrocopter.ru/reviews/kvadrokopter-na-arduino-svoimi-rukami/

http://3d-diy.ru/wiki/arduino-moduli/chasy-realnogo-vremeni-ds3231/

Ссылка на основную публикацию