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120.8元自制小四轴飞行器

        四轴飞行器,又称四旋翼飞行器,简称四轴、四旋翼。四轴飞行器的四个螺旋桨与电机直接相连,通过改变电机转速获得旋转机身的力,从而调整自身姿态。 

四轴飞行器样式图

(诺,这就是四轴飞行器)

        四轴的叶片转速极高,有一定的危险性,一般不能在室内飞,特别是在调试过程中更加不稳定,轻则炸鸡撞坏物品,重则伤到人。

        我做四轴的主要目的是为了学习飞控算法,这个过程肯定少不了调试,为了安全,我选择做一个小一点的,手掌那么大的四轴,叶片的威力比较小,价格也便宜,即使摔坏也不心疼。

巴掌大的四轴飞行器

         这种小四轴一般采用PCB做机架,用720空心杯电机代替无刷电机,用MOS管代替电调,电池采用3.7v锂聚合物电池(尺寸跟手机电池差不多,但是放电电流要大很多),遥控用2.4G无线模块,或者用蓝牙连接手机,成本100左右,续航时间大概6-7分钟,遥控距离在10米以内。

选择零件

四轴上最重要的就是飞控,所以第一步:选择飞控。

市面上有许多现成飞控,也可以自己用电子元件做一个分控。有很多有名的开源飞控,例如KK,QQ,匿名,MultiWii/MWC,APM/PIX等。

 

KK、QQ飞控功能较少,只有基本的四轴飞行功能,甚至不支持GPS。

 

匿名飞控是国内新出现的飞控,功能比以上两个要多,价格也要贵很多。

 

MultiWii/MWC飞控是基于arduino的,支持GPS,能路线规划,在线调试。

 

APM也是基于arduino的,功能更为齐全,硬件也更为复杂,飞控中有两块单片机,分别执行不同功能。APM已将arduino的性能开发到极限,于是有了升级版PIX,从arduino转到了STM32,处理速度提升了10倍,同样用了两块不同型号的STM32协同运作,是目前已知的最好的开源飞控。

我打算自制飞控,选用我比较熟悉的arduino作为主控芯片。APM硬件结构太复杂,因此选择了MWC飞控。

这里说一句后话,如果打算学习飞控算法,还是选择简单的开源飞控比较好,MWC和APM/PIX都太复杂了,初学者并不能看懂这些代码,另外推荐用STM32芯片,arduino的标准库中并没有时间中断,要实现飞控的功能需要了解arduino更底层的知识,不会比想象中更简单。

搜索各种MWC的资料,查找需要的零件:

名称

型号

备注

价格

数量

合计

机架

轴距12.2cm

75mm桨叶

¥15.00

1

¥15.00

电池

3.7V 600ma

 

¥16.00

1

¥16.00

空心杯马达

720

 

¥5.50

5

¥27.50

锂电池对接头

航空插头

 

¥0.80

5

¥4.00

红黑正反桨

75mm

4只一套

¥4.00

2

¥8.00

锂电池充电线

usb充电

给锂电池充电

¥4.00

1

¥4.00

钽电容

6.3V220UF

电源滤波

¥0.50

4

¥2.00

MOS管

SI2302

2.5A/20V

¥0.30

10

¥3.00

主控板

nano

ATMEGA328P

¥10.40

1

¥10.40

姿态

mpu6050/GY-521

 

¥11.50

1

¥11.50

肖特基二极管

SS34

电机续流

¥0.06

10

¥0.60

蓝牙

HC-05/HC-06

遥控&通信

¥16.00

1

¥16.00

洞洞板

7CM*9CM

基板

¥1.30

1

¥1.30

拨动开关

 

控制电机电源

¥0.30

5

¥1.50

       

合计

¥120.80

包括备用件总共120元,比买现成的小四轴要稍贵一些,毕竟量产能降低成本。

我选用了arduino nano作为主控,体型还是有点偏大,用arduino mini更好。选择nano是因为其带自身带有USB接口,可以直接用USB接口下程序,而mini要用下载器。

事后发现更好的选择是mini Leonardo,nano和mini的芯片型号都是ATMEGA328P,只有一个串口,nano的USB是用另一块芯片转串口,不能跟串口同时使用,下载程序时要把跟串口相接的元件断开,而Leonardo的芯片型号是ATMEGA32U4,自身带有USB和串口,互不干扰。官方的Leonardo板型是跟UNO一样的,国内的厂家则把Leonardo做成了mini的板型,而且带有USB接口。值得注意的是,不确定飞控是否支持Leonardo,因为Leonardo的串口名是Serial1,而nano的串口名是Serial,可能需要修改代码。 

不要用低功耗的蓝牙4.0模块,低功耗的蓝牙的传输速率不够,数据会阻塞,有很大的延迟。

HC-05 与 HC-06的区别是 HC-05 可以做主机,也就是可以用 HC-05 连接其他的蓝牙模块,而 HC-06 只能作从机。四轴上的蓝牙只做从机,HC-05 和 HC-06都可以用。

机架用的是淘宝已经做好的PCB,上面不能贴元件。 

电机是7mm*20mm的空心杯电机: 

 

代码编译

选完零件后,MWC如何用呢?MWC不仅支持四轴,还支持六轴,还支持三轴,该如何把MWC配置成四轴模式,并且是空心杯四轴? 

然而把这个网站看完之后,并不非常明白如何使用,胡乱摸索之后总结如下: 

在googlecode下载的文件里除了源代码还有电脑端的上位机,github只有源代码。

下完源代码之后,会看到一堆文件,初学者肯定会被吓一跳,其实,只需看config.h这个文件,通过注释或取消注释其中的代码配置飞控的模式。 

 

config.h里全是英文说明,没过四级的同学要头大了,还好有万能的网友已经翻译了

这里面的代码也非常多,如果只做空心杯小四轴的话就看我提取的关键点吧。(行数是原配置文件的行数)。

行数

代码

解释

39

define QUADX

设置成x四轴模式

72

define MINCOMMAND 1000

电机最小命令,如果解锁后电机转速太快,减小这个值

76

define I2C_SPEED 400000L

设置I2C速率为400K,用于mpu6050

80

//#define INTERNAL_I2C_PULLUPS

I2C内部上拉,gy系列自带上拉,保持默认注释

136

define GY_521

启用GY_521传感器

204~206

define FORCE_ACC_ORIENTATION(X, Y, Z)

设置传感器方向,如果传感器的安装方向跟四轴方向不同则需要设置

226

define PID_CONTROLLER 2

选择PID算法,1是老算法,2是新算法

232

define ONLYARMWHENFLAT

阻止飞行器倾斜时解锁

237

define ALLOW_ARM_DISARM_VIA_TX_YAW

设定解锁方式,默认YAW解锁,另一种是ROLL解锁

500~503

define SERIAL0_COM_SPEED 115200

调整串口速率,一般默认

520~526

define GYRO_LPF_256HZ

低通滤波器的频率,保持默认

559

define THROTTLE_ANGLE_CORRECTION 40

油门随着角度补偿,防止倾斜时高度下降

562

define HEADFREE

无头模式,要给四轴配上指南针,四轴的前方保持为四轴到手机的连线方向

578

define GYROCALIBRATIONFAILSAFE

连续的陀螺仪校准,如果在校准时被移动会自动重校准

592~603

define FAILSAFE

失控保护设置,启用

640

define INFLIGHT_ACC_CALIBRATION

飞行时加速度计校准,能让四轴稳定在一定区域内

652

define DEADBAND 6

在摇杆中点周围引入一个死区

878~885

define BUZZER

蜂鸣器设置,没有添加蜂鸣器,保持注释

877~911

battery voltage monitoring

电池电压监控,我没有用这个功能,跳过

999

define EXT_MOTOR_RANGE

用于空心杯电机,要启用

1020

define MOTOR_STOP

当油门命令在低位时电机停转,按个人需要配置

配置完后,用arduino IDE打开 MultiWii.ino ,将程序上传到arduino nano。

电路测试

各元件与arduino nano的连接:

名称

针脚

左前电机

PWM3

右前电机

PWM10

左后电机

PWM11

右后电机

PWM9

THROTTLE/PPM

D2

ROLL

D4

PITCH

D5

YAW

D6

MODE

D7

功率针脚

A2

电压检测

A3

蜂鸣针脚

D8

SDA

A4

SCL

A5

 

 

D2、D4、D5、D6、D7是PWM遥控器针脚,我是用蓝牙接手机遥控,所以不需要接。 

在面包板上连接电路测试: 

 

我只接了nano、mpu6050和蓝牙,电机用四个LED代替。

如何用手机遥控四轴?

手机端软件,MWC只有安卓端的软件,从这个网站

用安卓遥控需要用到的软件是MultiWii EZ-GUI ,要android4.4以上的系统,这个软件要到google play storm下载,一般国产手机没有google play storm,如何下载google play storm自行百度。

EZ-GUI如何用?

打开软件后第一页是四轴的仪表盘,能检测四轴的各项数据 

第二页是对四轴的各种设置 

第三页是对EZ-GUI的设置 

用手机的蓝牙连接HC-06或HC-05后,到EZ-GUI第三页进入【设置】,【SELECT BT DEVICE】选择蓝牙模块,然后点红箭头,后面的默认红箭头。 

然后到首页点右上角的【连接】,注意MPU6050要连上arduino nano,不然连接后会报错。显示连接成功后,把飞行器放在水平地面,到第二页进入【校准】,点击【加速度计标定】,等待校准完成。如果有磁力计还要磁力计标定。

之后就可以遥控起飞了。到第三页,进入高级设置,进入【MODEL CONTROL】 

然后就会看到这样的界面: 

右上角设置,可设置各滑块的功能,THROTTLE是油门的意思 

四轴一开始在锁定状态,把油门调到最低,YAW到最右,保持一会儿就会解锁,然后就能飞了;把油门调到最低,YAW最左,将会上锁。(在网上某些地方把飞机可以飞的时候称为”锁定”,不能飞的时候称为”解锁”,不知是翻译错误还是国外的思维方式不一样)

我把各种元件插在面包板上,用LED代替电机测试,解锁后,LED由灭变成亮,通过控制油门或方向,可以看到LED的亮度会发生变化。

硬件制作

这些是要用到的元件,以洞洞板作为基板固定所有的元件,然后用螺钉把洞洞板与机架连接。(当然洞洞板需要裁剪,只用一小块) 

 

空心杯电机驱动电路: 

 

SI2302的内部电路图: 

 

这幅图是crazyflie飞控板的电机驱动电路原理图,同样适用MWC飞控,肖吉特二极管BAT54用ss34替换(只要满足电压和电流以及通断时间就行,ss34远远大于需求,只是因为跟MOS管在同一家店所以买了-_-),场效应管pmv31xn用SI2302替换。因为忘记买贴片电阻,只好用普通电阻代替,这占了很大一部分面积。

场效应管是用电压控制电流,作用跟三级管类似(三极管是用电流控制电流),相比于三极管,场效应管体积更小功率更大。

肖吉特二极管的作用是续流。电机是电感元件,有阻碍电流变化的特性,控制电机转速的方法是用PWM信号控制场效应管的通断,当场效应管断开时,电机两端会产生极高的感应电压击穿场效应管,加上二极管后,电机的电流会通过二极管保持流通,防止电机产生过高的感应电压。

为了防止电机引起的电流波动干扰到arduino,我在arduino的电源处接了一个220uF的钽电容。(其实没什么卵用!)

 

下图是焊接完后的背面,白色的是控制线,黑色和红色的是接电机的线。电机驱动电源部分要接一个拨动开关,防止arduino nano上电时不受控制的转,也用于失控时给电机断电。 

 

 

这是焊接完后的效果。不用在意MPU6050的方向,飞控里有一段代码,可以配置任意方向的陀螺仪、加速度计和指南针。(桨买错了,应该一黑色正桨一黑色反桨,一红色反桨一红色正桨,通过颜色区分四轴的前后) 

 

 

飞控板与机架的连接,在洞洞板上打了两孔用螺丝固定在机架上,用两个螺母把洞洞板垫高。  

 

 

这是背面,电池将贴在这里。蓝牙模块并没有焊在洞洞板上,而是由那根灰色的线单独接出,并用可拆卸连接头(例如杜邦头或其他)连接蓝牙模块,这是因为蓝牙会占用COM口,影响上传程序。电源供电是将3.7V的电压直接接在arduino的5V端口上,实验证明可以正常运行。 


 

电机用焊锡跟机架焊上,为了加固,我又在电机背面打了一层热熔胶。

这时还不能飞,因为MPU6050的方向不是正确方向,需要修正方向。

取消config.h中204~206行的注释,将程序上传到arduino,打开MultiWiiConf.exe看陀螺仪和加速度的值,然后根据情况替换ROLL、PITCH、YAW或改变正负。左下角的ACC是加速度,GYRO是陀螺仪,MAG是指南针。 

 

按下图所示的方向旋转四轴,加速度计相应的值会增大,陀螺仪的值为正数。(后来再看这图总感觉不对,Yaw,Roll,Pitch总得符合左手或右手定律吧,但是当时测出来就是这样。) 


 

为了防止看不懂图,再用语言说一遍:

使四轴的前方与你的前方一致;

当四轴水平放置,ACC的Z值最大;

当四轴向右翻滚90度,右侧朝下,ACC的ROLL最大;

当四轴向前翻滚90度,头朝下,ACC的PITCH最大;

当四轴水平顺时针旋转,GYRO的YAW为正数;

当四轴向右翻滚,GYRO的ROLL为正数;

当四轴向前翻滚,GYRO的PITCH为正数;

指南针我没用,所以不调。

每调整一次,重新上传一次程序,再观察是否正确。全部调完后,看MultiWiiConf中右下的四轴仿真图,如果仿真图的转动方向跟实际方向一致并反应迅速,则全部正确;如果转动方向跟实际方向不同,则GYRO的调整存在错误;如果转动方向跟实际方向一致,但是四轴静止时,仿真图仍在缓慢转动,则ACC调整错误。

 

试飞

终于,将要迎来起飞的时刻!

但是,把四轴解锁,电机开始转,提高油门后四轴就失控了,电机一直狂转,跟手机的连接也断开了,还好加了开关和失控保护,电机转了一会就自动停了。

也许是电机干扰了蓝牙通信,不得而知。

而且感觉四轴有点太重了,用称不太精确的测了测重量,总重量70克。不知道这个重量是否能飞,比淘宝买的四轴要重很多。

 

总结:

  •  桨的颜色是用来区分四轴的前后的,所以要红色各一正桨反桨,黑色各一正桨反桨。

  • 一定要注意电源滤波,只加一个钽电容并没什么卵用,要学学电源滤波的知识。

  • 要注意电池的重量,加大电池容量不一定会提升续航,毕竟电池重量也增加了,而且有可能飞不起来。

  • arduino最好选用leonardo的mini版型,leonardo自带USB接口,所以有两个串口,蓝牙和上传程序互不干扰。

  • arduino要选用3.3v的版型。

  • 用洞洞板做四轴不太靠谱,太难焊接,而且焊锡走线增加了太多重量。洞洞板与机架固定用的螺丝也占了很大重量,不如直接做成机架与飞控一体的。


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