Самодельный квадрокоптер на основе конструктора "Избушка" с дополнением Extention 1
Добавлено: 21 окт 2024, 17:41
Квадрокоптер на основе MEGA 2560 PRO
Создание собственного квадрокоптера — это увлекательный и познавательный процесс, который может превратить простое хобби в серьезное техническое увлечение. В наши дни дроны стали доступными, но покупка готового устройства иногда не оправдывает ожиданий или бюджета. Если вы хотите получить не только полезный гаджет, но и опыт самостоятельной сборки, то создание бюджетного квадрокоптера — идеальный вариант. В этой статье мы расскажем, как собрать дрон своими руками, сэкономить деньги и научиться управлять каждым компонентом устройства. Давайте разберемся, с чего начать и какие шаги важны для успешного полета вашего собственного квадрокоптера!
1 Этап – выбор компонентов.
Выбор компонентов начинается с главной платы управления. На текущий момент, основные платы управления квадрокоптерами это STM32 и Arduino. В нашем конструкторе «Избушка» как раз есть подходящая Arduino-совместимая плата MEGA2560 pro. Её мы и будем использовать.
В качестве гироскопа будем использовать датчик GY_521 (MPU6050), а барометром у нас выступит модуль GY-68 BMP180.
2 Этап – выбор моторов.
Практически все дальнейшие этапы будут напрямую зависеть от выбора моторов. Давайте для начала разберемся, какие бывают моторы:
-Бесколлекторные
-Коллекторные
Основное отличие коллекторного двигателя (то есть двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов) от бесколлекторного заключается в его конструкции.
У бесколлекторного — отсутствует коллектор, а трёхфазная обмотка расположена на статоре.
В практическом применении, однако большее значение имеют различия в параметрах и свойствах между этими типами двигателей, которые влечёт за собой такая разница конструкций.
Особенности конструкции
Наличие трёхфазной обмотки у бесколлекторного двигателя означает что для управления им обязательно требуется электроника — контроллер, независимо от сложности решаемых задач. С его помощью можно формировать трёхфазную систему напряжений, необходимую для работы и делать это так чтобы двигатель вращался необходимым образом. Без контроллера реализовать управление современными бесколлекторным микродвигателем практически невозможно.
Для коллекторного ситуация иная – он может работать от обычного источника постоянного напряжения, без использования управляющей электроники. Хотя такой подход позволяет решать лишь самые простые задачи управления движением, он тоже возможен.
Обязательное использование контроллера для управления бесколлекторным мотором не всегда является однозначным их недостатком по сравнению с коллекторными, ведь контроллеры предоставляют ряд сервисных функций, как например измерение и ограничение тока или возможность устанавливать заданное значение скорости или положения в удобном виде. Если же речь идёт о задачах, связанных с точным регулированием скорости, или о задачах, связанных с позиционированием, то контроллер нужно будет использовать и для коллекторного, и для бесколлекторного мотора.
Принцип работы бесколлекторного двигателя. Преимущества и недостатки
Для нормальной работы в большинстве случаев требуется датчик положения ротора. Управление бесколлекторным мотором без использования датчика положения ротора существует и применяется, но имеет ряд особенностей, которые не позволяют использовать его для решения многих задач. Самым распространённым типом датчиков положения ротора являются датчики Холла.
Чаще всего они устанавливаются при изготовлении двигателя и входят в его стоимость. Они позволяют производить коммутацию обмоток бесколлекторного мотора и могут быть использованы как датчик скорости для управления с обратной связью по скорости. Датчики Холла дают возможность управлять бесколлекторным двигателем только при помощи блочной коммутации, которая приводит к заметным пульсациям момента, приводящим к увеличению акустического шума и неравномерному вращению на низкой скорости. Синусоидальная коммутация, лишённая таких недостатков, требует более точной информации о положении чем могут обеспечить датчики Холла и соответственно установки дополнительного датчика положения.
Принцип работы коллекторного двигателя. Преимущества и недостатки
Как было сказано чуть выше, датчики Холла могут использоваться как источник информации о скорости. Коллекторные моторы по умолчанию не оснащаются подобными датчиками и для задач измерения и регулирования скорости обязательно нужно дополнительно устанавливать датчик скорости. Но это не значит, что в любых задачах, связанных с поддержанием скорости, коллекторный двигатель имеет однозначное преимущество за счёт встроенного датчика. Дело в том, что датчики Холла имеют очень низкое разрешение – 12 импульсов на оборот на пару полюсов двигателя. Этого недостаточно чтобы давать стабильный сигнал обратной связи по скорости на низкой скорости вращения. Даже для многополюсных бесколлекторных двигателей работа только с датчиками Холла в качестве датчика обратной связи в контуре скорости обычно не позволяет достигать скорости ниже нескольких сотен оборотов в минуту на валу двигателя. Поэтому, когда речь идёт о задачах регулирования скорости с требованием работы в широком диапазоне скоростей, или о задачах позиционирования – оба типа двигателя требуют установки дополнительного датчика положения или скорости.
При работе коллекторного двигателя за счёт коммутации тока щётками и коллектором возникает достаточно сильные электромагнитные помехи. Для двигателей с графитовыми щётками они сильнее, для двигателей со щётками из благородных металлов они слабее. Для борьбы с ними необходимо устанавливать помехоподавляющие элементы на мотор, что требует дополнительного места и не всегда возможно по условиям эксплуатации. Бесколлекторный мотор не создаёт таких помех.
В чем еще отличие
Если попытаться сравнить параметры двигателей, то прежде всего нужно сказать о скорости вращения. Номинальная скорость коллекторного как правило не превышает 10-20 тысяч оборотов в минуту для двигателей самых маленьких из доступных размеров и не более 3- 5 тысяч оборотов в минуту для более крупных. Скорости, на которые рассчитаны бесколлекторные двигатели лежат в более широком диапазоне – выпускаются как сверхскоростные модели на скорости выше 100 тысяч оборотов в минуту, так и тихоходные многополюсные двигатели с номинальными скоростями не более 1-2 тысячи оборотов в минуту. Для коллекторных моторов ограничителем скорости выступает коллектор – линейная скорость перемещения щёток по коллектору ограничена.
Сравнивая номинальный момент, можно сказать, что он сильнее зависит от особенностей конструкции и компоновки двигателя, различающихся от серии к серии чем от того коллекторный это двигатель или бесколлекторный. Так, например распространены бесколлекторные двигатели большого диаметра и с очень короткой осевой длиной, рассчитанные на низкие скорости вращения и большой момент. И их различия по основным параметрам с бесколлекторными же двигателями цилиндрической компоновки (большая длина и маленький диаметр) не менее сильны чем между коллекторными и бесколлекторными двигателями одинаковой компоновки (например, цилиндрической).
Оба типа двигателей имеют свои характерные особенности, которые могут являться как преимуществами, так и недостатками в зависимости от требований того или иного приложения
Для наших целей подойдут недорогие бесколлекторные моторы a2212 1000kv. Для них так же нужны драйверы управления, так называемые ESC (Electric Speed Controller).
3 Этап – размер лопастей.
Размеры лопастей тоже нужно выбирать грамотно. Если выбрать слишком маленькие лопасти, моторы не смогут раскрутить их до оборотов “взлета”, а если выбрать слишком большие лопасти, моторы могут начать перегреваться. Для выбранных нами моторов A2212/1000 kv оптимальным размером лопастей будет 1045, это означает что диаметр лопастей составляет 10 дюймов, а наклон лопасти 45 градусов. Если вы выбрали более мощные моторы, можно взять лопасти чуть меньше.
4 Этап – рама коптера.
Так как у нас есть 3Д принтер, мы решили напечатать раму именно на нем. Так как нам известны размеры лопастей (10 дюймов = 254мм), отступаем от краев по 1,5 см, оставляем место для платы управления и рассчитываем такое расстояние по диагонали между моторами, чтобы лопасти друг друга не задевали. Получается длина от мотора до противоположного мотора должна быть около 450мм.
Далее печатаем раму, и скручиваем все детали винтами.
5 Этап – питание.
Для питания всего квадрокоптера можно использовать как аккумуляторы Li-ion, так и Li-Po. Мы будем использовать связку 3 Li-ion аккумуляторов 18650, соединенных последовательно, что даст нам напряжение 11.1В (3*3.7). Среди любителей радиоуправляемых моделей постоянно ведутся споры – что лучше, Li-Ion или Li-Po? Однозначного ответа на это нет, все зависит от конкретных целей использования. Мы решили выбрать именно Li-Ion аккумуляторы в связи с тем, что они имеют лучшую защиту от механических воздействий, и это более безопасно, чем без корпусные Li-Po батареи.
6 Этап - управление.
Для управления квадрокоптером можно использовать практически любой пульт Д/У, который поставляется с приемником. Мы взяли бюджетный пульт FlySky FS-T6.
С ним в комплекте идет приемник:
7 Этап – подключение.
Как говорилось раньше, для соединения моторов с платой управления, нужно использовать драйвера 30А, подключаем их к моторам с помощью разъемов banana 3.5 и закрепляем на корпусе.
Чтобы подключить их к плате управления и использовать минимум проводов, нужно спаять собственную плату расширения. Вот как она выглядит:
В данной плате объединены линии 5v и GND, а пины управления вынесены на новые ножки, таким образом будет легче подключить все 4 ESC к нашей MEGA 2560. Вот её схема:
Мы будем использовать готовую летную прошивку MultiWii, которая поддерживает множество плат управления, в том числе нашу MEGA 2560 PRO.
Для питания двигателей, нужно соединить их вместе, с помощью платы разводки питания, вот как она выглядит:
Ну и наконец полная схема подключения:
8 Этап – программирование.
Для прошивки нашего контроллера мы будем использовать среду Arduino IDE. Её можно скачать с официального сайта.
Исходный код прошивки multiwii лежит здесь https://disk.yandex.ru/d/Phk_rt2d6VCxtg
Если вы собирали всё по нашей инструкции, то вам не нужно будет ничего менять, однако эта прошивка очень гибкая, и в файле config.h вы сможете настроить прошивку под другие контроллеры, гироскопы, моторы и лопасти.
9 Этап - запуск.
Первым делом нужно подключить коптер к компьютеру и удостовериться что все подключено верно. Для этого есть специальная программа MultiWiiConf https://disk.yandex.ru/d/nLCWU8iFF1g-_A
После её открытия, нам будет видна информация с датчиков квадрокоптера, а так же направление и положение моторов.
Каждый мотор подписан номером пина, к которому должен идти провод от ESC. Красными стрелками показано вращение лопастей. Можно покрутить коптер в руках и проверить, в правильную ли сторону установлен гироскоп и в нужном ли порядке поключены моторы. Если все хорошо, можно отключать коптер от компьютера, подсоединять питание и учиться летать!
Стандартные настройки коптера:
Создание собственного квадрокоптера — это увлекательный и познавательный процесс, который может превратить простое хобби в серьезное техническое увлечение. В наши дни дроны стали доступными, но покупка готового устройства иногда не оправдывает ожиданий или бюджета. Если вы хотите получить не только полезный гаджет, но и опыт самостоятельной сборки, то создание бюджетного квадрокоптера — идеальный вариант. В этой статье мы расскажем, как собрать дрон своими руками, сэкономить деньги и научиться управлять каждым компонентом устройства. Давайте разберемся, с чего начать и какие шаги важны для успешного полета вашего собственного квадрокоптера!
1 Этап – выбор компонентов.
Выбор компонентов начинается с главной платы управления. На текущий момент, основные платы управления квадрокоптерами это STM32 и Arduino. В нашем конструкторе «Избушка» как раз есть подходящая Arduino-совместимая плата MEGA2560 pro. Её мы и будем использовать.
В качестве гироскопа будем использовать датчик GY_521 (MPU6050), а барометром у нас выступит модуль GY-68 BMP180.
Практически все дальнейшие этапы будут напрямую зависеть от выбора моторов. Давайте для начала разберемся, какие бывают моторы:
-Бесколлекторные
-Коллекторные
У бесколлекторного — отсутствует коллектор, а трёхфазная обмотка расположена на статоре.
В практическом применении, однако большее значение имеют различия в параметрах и свойствах между этими типами двигателей, которые влечёт за собой такая разница конструкций.
Особенности конструкции
Наличие трёхфазной обмотки у бесколлекторного двигателя означает что для управления им обязательно требуется электроника — контроллер, независимо от сложности решаемых задач. С его помощью можно формировать трёхфазную систему напряжений, необходимую для работы и делать это так чтобы двигатель вращался необходимым образом. Без контроллера реализовать управление современными бесколлекторным микродвигателем практически невозможно.
Для коллекторного ситуация иная – он может работать от обычного источника постоянного напряжения, без использования управляющей электроники. Хотя такой подход позволяет решать лишь самые простые задачи управления движением, он тоже возможен.
Обязательное использование контроллера для управления бесколлекторным мотором не всегда является однозначным их недостатком по сравнению с коллекторными, ведь контроллеры предоставляют ряд сервисных функций, как например измерение и ограничение тока или возможность устанавливать заданное значение скорости или положения в удобном виде. Если же речь идёт о задачах, связанных с точным регулированием скорости, или о задачах, связанных с позиционированием, то контроллер нужно будет использовать и для коллекторного, и для бесколлекторного мотора.
Принцип работы бесколлекторного двигателя. Преимущества и недостатки
Для нормальной работы в большинстве случаев требуется датчик положения ротора. Управление бесколлекторным мотором без использования датчика положения ротора существует и применяется, но имеет ряд особенностей, которые не позволяют использовать его для решения многих задач. Самым распространённым типом датчиков положения ротора являются датчики Холла.
Чаще всего они устанавливаются при изготовлении двигателя и входят в его стоимость. Они позволяют производить коммутацию обмоток бесколлекторного мотора и могут быть использованы как датчик скорости для управления с обратной связью по скорости. Датчики Холла дают возможность управлять бесколлекторным двигателем только при помощи блочной коммутации, которая приводит к заметным пульсациям момента, приводящим к увеличению акустического шума и неравномерному вращению на низкой скорости. Синусоидальная коммутация, лишённая таких недостатков, требует более точной информации о положении чем могут обеспечить датчики Холла и соответственно установки дополнительного датчика положения.
Принцип работы коллекторного двигателя. Преимущества и недостатки
Как было сказано чуть выше, датчики Холла могут использоваться как источник информации о скорости. Коллекторные моторы по умолчанию не оснащаются подобными датчиками и для задач измерения и регулирования скорости обязательно нужно дополнительно устанавливать датчик скорости. Но это не значит, что в любых задачах, связанных с поддержанием скорости, коллекторный двигатель имеет однозначное преимущество за счёт встроенного датчика. Дело в том, что датчики Холла имеют очень низкое разрешение – 12 импульсов на оборот на пару полюсов двигателя. Этого недостаточно чтобы давать стабильный сигнал обратной связи по скорости на низкой скорости вращения. Даже для многополюсных бесколлекторных двигателей работа только с датчиками Холла в качестве датчика обратной связи в контуре скорости обычно не позволяет достигать скорости ниже нескольких сотен оборотов в минуту на валу двигателя. Поэтому, когда речь идёт о задачах регулирования скорости с требованием работы в широком диапазоне скоростей, или о задачах позиционирования – оба типа двигателя требуют установки дополнительного датчика положения или скорости.
При работе коллекторного двигателя за счёт коммутации тока щётками и коллектором возникает достаточно сильные электромагнитные помехи. Для двигателей с графитовыми щётками они сильнее, для двигателей со щётками из благородных металлов они слабее. Для борьбы с ними необходимо устанавливать помехоподавляющие элементы на мотор, что требует дополнительного места и не всегда возможно по условиям эксплуатации. Бесколлекторный мотор не создаёт таких помех.
В чем еще отличие
Если попытаться сравнить параметры двигателей, то прежде всего нужно сказать о скорости вращения. Номинальная скорость коллекторного как правило не превышает 10-20 тысяч оборотов в минуту для двигателей самых маленьких из доступных размеров и не более 3- 5 тысяч оборотов в минуту для более крупных. Скорости, на которые рассчитаны бесколлекторные двигатели лежат в более широком диапазоне – выпускаются как сверхскоростные модели на скорости выше 100 тысяч оборотов в минуту, так и тихоходные многополюсные двигатели с номинальными скоростями не более 1-2 тысячи оборотов в минуту. Для коллекторных моторов ограничителем скорости выступает коллектор – линейная скорость перемещения щёток по коллектору ограничена.
Сравнивая номинальный момент, можно сказать, что он сильнее зависит от особенностей конструкции и компоновки двигателя, различающихся от серии к серии чем от того коллекторный это двигатель или бесколлекторный. Так, например распространены бесколлекторные двигатели большого диаметра и с очень короткой осевой длиной, рассчитанные на низкие скорости вращения и большой момент. И их различия по основным параметрам с бесколлекторными же двигателями цилиндрической компоновки (большая длина и маленький диаметр) не менее сильны чем между коллекторными и бесколлекторными двигателями одинаковой компоновки (например, цилиндрической).
Оба типа двигателей имеют свои характерные особенности, которые могут являться как преимуществами, так и недостатками в зависимости от требований того или иного приложения
Для наших целей подойдут недорогие бесколлекторные моторы a2212 1000kv. Для них так же нужны драйверы управления, так называемые ESC (Electric Speed Controller).
- image.png (129.27 КБ) 116 просмотров
- image.png (128.32 КБ) 116 просмотров
Размеры лопастей тоже нужно выбирать грамотно. Если выбрать слишком маленькие лопасти, моторы не смогут раскрутить их до оборотов “взлета”, а если выбрать слишком большие лопасти, моторы могут начать перегреваться. Для выбранных нами моторов A2212/1000 kv оптимальным размером лопастей будет 1045, это означает что диаметр лопастей составляет 10 дюймов, а наклон лопасти 45 градусов. Если вы выбрали более мощные моторы, можно взять лопасти чуть меньше.
Так как у нас есть 3Д принтер, мы решили напечатать раму именно на нем. Так как нам известны размеры лопастей (10 дюймов = 254мм), отступаем от краев по 1,5 см, оставляем место для платы управления и рассчитываем такое расстояние по диагонали между моторами, чтобы лопасти друг друга не задевали. Получается длина от мотора до противоположного мотора должна быть около 450мм.
Далее печатаем раму, и скручиваем все детали винтами.
Для питания всего квадрокоптера можно использовать как аккумуляторы Li-ion, так и Li-Po. Мы будем использовать связку 3 Li-ion аккумуляторов 18650, соединенных последовательно, что даст нам напряжение 11.1В (3*3.7). Среди любителей радиоуправляемых моделей постоянно ведутся споры – что лучше, Li-Ion или Li-Po? Однозначного ответа на это нет, все зависит от конкретных целей использования. Мы решили выбрать именно Li-Ion аккумуляторы в связи с тем, что они имеют лучшую защиту от механических воздействий, и это более безопасно, чем без корпусные Li-Po батареи.
6 Этап - управление.
Для управления квадрокоптером можно использовать практически любой пульт Д/У, который поставляется с приемником. Мы взяли бюджетный пульт FlySky FS-T6.
Как говорилось раньше, для соединения моторов с платой управления, нужно использовать драйвера 30А, подключаем их к моторам с помощью разъемов banana 3.5 и закрепляем на корпусе.
Для питания двигателей, нужно соединить их вместе, с помощью платы разводки питания, вот как она выглядит:
Для прошивки нашего контроллера мы будем использовать среду Arduino IDE. Её можно скачать с официального сайта.
Исходный код прошивки multiwii лежит здесь https://disk.yandex.ru/d/Phk_rt2d6VCxtg
Если вы собирали всё по нашей инструкции, то вам не нужно будет ничего менять, однако эта прошивка очень гибкая, и в файле config.h вы сможете настроить прошивку под другие контроллеры, гироскопы, моторы и лопасти.
9 Этап - запуск.
Первым делом нужно подключить коптер к компьютеру и удостовериться что все подключено верно. Для этого есть специальная программа MultiWiiConf https://disk.yandex.ru/d/nLCWU8iFF1g-_A
После её открытия, нам будет видна информация с датчиков квадрокоптера, а так же направление и положение моторов.
Стандартные настройки коптера: