Ludwik dron (Arduino, MPU6050, NRF24L01 i druk 3D)

Ludwik dron (Arduino, MPU6050, NRF24L01 i druk 3D)

Jakiś czas temu (już ponad 8 miesięcy) zastanawiałem się co mógłbym zbudować. Chciałem stworzyć robota/urządzenie które było by dla mnie wyzwaniem i dzięki któremu nauczył bym się nowych rzeczy. Było wiele różnych pomysłów ale większość z nich była już przez innych zrobiona, lub zdecydowanie poza moimi możliwościami (głównie finansowymi).  I wtedy przyszło mi do głowy, żeby zrobić drona kompletnie od zera włączając w to własny kontroler lotu, pilot, program oraz własną ramę (z tym ostatnim trochę nie wyszło). Nigdy w życiu nic tak długo nie budowałem jak tego drona, ponad 8 miesięcy. Ale uważam że było warto i to bardzo, wiedza którą zdobyłem podczas budowy oraz udowodnienie sobie że dałem radę jest super.

Zanim przejdziemy do opisu budowy drona zapraszam was na mój fanpage na Facebooku będę tam publikował moje najnowsze budowle i nie tylko.

Dla ciekawych jak ludwik działa podaję filmik:

Wersja przeszła:

Wersja teraźniejsza:

Prezentacja opowiadająca historię Ludwika:

https://docs.google.com/presentation/d/1UwQ2nXc_tWmhPJeOyTAkAelXADP4sjPqJ53q9BsgJlI/edit#slide=id.g2148d6ea44_0_75

Na początku wielu z Was może się zapytać po co robić to wszystko samemu skoro można kupić gotowe elementy i połączyć lub wgrać multiwii na arduino. A no głównie dla tego, że mogę i lubię. Dodatkowym powodem jest wiedza, której naprawdę dużo wyniosłem z tej budowy. Moim zdaniem nie ma lepszego sposobu nauki niż sprawdzanie jak działają dane rzeczy od podstaw, ważne również jest popełnianie błędów których nie zabrakło w trakcie tej budowy, ale to dobrze bo błędy bardzo skutecznie uczą. Ostatnim argumentem są oczywiście pieniądze, wydałem znacznie mniej dzięki zrobieniu większości rzeczy przez siebie. Najlepiej widać to na przykładzie pilota, aby go kupić trzeba wydać co najmniej 200zł a często nawet znacznie więcej ja swój zbudowałem za 60 zł.

Największe problemy wystąpiły w kodzie dla kontrolera lotu, nie był on specjalnie skomplikowany ale regulacja algorytmów PID aby lot ludwika był stabilny to był dramat. Nigdy wcześniej nie bawiłem się w regulację tych algorytmów a samą zasadę ich działania poznałem dopiero w trakcie budowy. Znalezienie prawidłowych wartości (aczkolwiek nie idealnych) zajęło mnóstwo czasu, i pochłonęło wiele filamentu :). Było też kilka ciekawych bugów, np. wymyśliłem pewnego dnia że zrobię system dzięki któremu po utracie połączenia z pilotem dron zacznie zmniejszać (dekrementować) wartość mocy silników (throttle), zadowolony włączyłem go żeby przetestować. Silniki zaczęły powoli zmniejszać swoje obroty aż się zatrzymały, hura! Nie do końca, po kilku minutach nagle dron poderwał się do góry wraz z drewnianą ramą którą wykorzystywałem do testów w domu uderzył w moje drzwi i ścianę, przynajmniej nie we mnie. Dlaczego? Bo wartość dekremetowała się tak długo, że w końcu z wartości minimalnej przeszła na maksymalną odpalając silniki z pełną mocą.

Początkowo plan był taki aby cała rama i wszystko co się tylko da było wydrukowane na drukarce 3D. I to się po części udało, latającą wersję drona z wydrukowaną ramą można zobaczyć na tym filmie:

Jak widać działała ona całkiem nieźle, był jeden mały problem a w sumie to siedem bo tyle też razy ją połamałem. Ostatecznie zdecydowałem się kupić gotową ramę i skupić się na dopracowaniu elektroniki oraz programu. Gdyby została ona inaczej zaprojektowana z pewnością dała by radę, niestety wtedy nie miałem tej wiedzy którą mam teraz a ciągłe drukowanie nowych części spowodowało, że odpuściłem sobie drukowanie ramy na jakiś czas. To zdjęcie przedstawia wszystkie połamane części:

Z stworzeniem PCB, schematów i programu dla pilota nie było żadnych problemów.

Lista potrzebnych części:

Do zabudowania całości jest potrzebne trochę części za całość zapłaciłem ponad 650 zł (nie licząc rzeczy które zepsułem). Daję linki do polskiego sklepu abc-rc.pl który bardzo polecam ponieważ ceny tam są naprawdę świetne i szybko realizują zamówienia oraz do chińskiego sklepu gearbest, tutaj niektóre rzeczy mogą być jeszcze tańsze.

  • Silniki – ja użyłem możliwie tanich silników bezszczotkowych 1000KV potrzebujemy 4 takie silniki, powinny mieć w komplecie piastę aby zamontować śmigło. abc-rc.pl  |  GearBest 
  • ESC – jeśli wybrałeś inny silnik prawdopodobnie (ale nie zawsze) będziesz musiał dobrać do niego inne ESC. Maksymalny prąd jaki może zostać obsłużony przez ESC nie może być mniejszy od maksymalnego prądu pobieranego przez silnik. Ważne aby miały układ BEC ponieważ to on zasila nasz kontroler lotu. abc-rc.pl  |  GearBest
  • Bateria – 3S czyli 11.1V Li-Po ja użyłem baterii o pojemności 3300 mAh ale nic nie szkodzi na przeszkodzie aby użyć większej (lub mniejszej). Czas lotu na mojej baterii to około 15 minut. Musisz się upewnić że maksymalny prąd rozładowania jest wystarczający aby zasilić drona. abc-rc.pl  |  GearBest
  • Rama – bardzo popularna F450. abc-rc.pl  |  GearBest
  • Ładowarka do baterii – do ładowania baterii LiPo wymagana jest specjalna ładowarka z balancerem. abc-rc.pl  |  GearBest
  • Śmigła – mogą być inne ale te w połączeniu z silnikami powyżej współpracują najlepiej. Warto kupić więcej na wypadek złamania. Muszą mieć otwór a nie gwint. abc-rc.pl  |  GearBest
  • Monitor baterii – nigdy nie korzystaj z baterii bez podłączonego monitora, możesz ja za bardzo rozładować i uszkodzić. Monitor taki informuje bardzo głośnym piszczeniem gdy poziom baterii jest zbyt niski. abc-rc.pl  |  GearBest

Lista części do budowy kontrolera lotu:

Nie będę tutaj podawał linków, większość tych części kupisz w lokalnym sklepie elektronicznym.

  • Atmega328
  • NRF24L01 – z zewnętrzną anteną (najlepiej wersja z anteną na kablu) dla większego zasięgu
  • MPU6050 – żyroskop i akcelerometr w jednym module
  • Kilka mniejszych części:
    • kondensator 22pF (x2)
    • kondensator 10uF
    • rezystor 4,7kOhm
    • stabilizator napięcia o napięciu wyjściowy 3,3V (LV33CV3)
    • trochę goldpinów (męskich i żeńskich)

I ostatnia lista części do pilota:

  • Atmega328
  • NRF24L01 – z zewnętrzną anteną (najlepiej wersja z anteną na kablu) dla większego zasięgu
  • Joysticki – takie jak w playstation (x2)
  • Some smaller parts:
    • kondensator 22pF (x2)
    • kondensator 10uF
    • rezystor 4,7kOhm
    • stabilizator napięcia o napięciu wyjściowy 3,3V (LV33CV3)
    • dioda LED

Teraz kiedy już wiemy czego potrzebujemy możemy zaczynać budowę.

Myślę że złożenia ramy opisywać nie trzeba macie tam kilka śrubek do przykręcenia. Następne co trzeba przykręcić to silniki, ważne aby śruby których użyjecie nie były zbyt długie bo mogą haczyć o zwoje cewek silnika i go uszkodzić. Przewody silnika lutujemy do ESC. Aby zapobiec kręceniu się drona wokół własnej osi silniki lewy przedni i prawy tylny kręcą się zgodnie z wskazówkami zegara a prawy przedni i lewy tylny przeciwnie do nich. Dlatego też śmigła zamontowane na silnikach muszą być odpowiednie (powinny być podpisane CW – zgodnie z wskazówkami CCW – przeciwnie). Należy również zamienić ze sobą dwie dowolne fazy na 2 silnikach aby kręciły się w przeciwną stronę. Czerwony przewód z ESC lutujemy do rozdzielacza napięcia w naszej ramie a czarny do minusa robimy to oczywiście cztery razy. Jeśli nie masz w ramie rozdzielacza możesz skorzystać z zaprojektowanego przeze mnie, poniżej znajdziesz pdf do zrobienia PCB. Następnie lutujemy przewody wraz z złączem dla naszej baterii do płytki rozdzielającej. Wszystkie luty i połączenia muszą być oczywiście ładnie zaizolowane czarną taśmą lub koszulkami termokurczliwymi.

Teraz czas na zrobienie PCB kontrolera lotu i pilota wstawiam schematy, pliki .brd oraz .sch i layouty PCB znajdziecie poniżej w zipie bo nie ma opcji wstawienia ich tutaj (chyba że jest a ja nie ogarniam :)). Jeśli masz jakieś dodatkowe pytania pisz w komentarzach lub na maila. Pilot zasilany jest trzema bateriami AAA.

Do zamocowania kontrolera lotu na ramie wydrukowałem specjalny uchwyt (plik .stl znajdziecie poniżej). Pod ten uchwyt dodałem kawałek miękkiej gąbki która zabezpieczała jakąś paczkę z Chin służy ona do tłumienia drgań dzięki czemu żyroskop wraz z akcelerometrem dają dokładniejsze odczyty. Uchwyt na kontroler lotu został specjalnie tak zaprojektowany aby można było swobodnie regulować jego i ustawić go jak najbardziej równolegle w stosunku do ramy. Należy również wywiercić dodatkowy otwór na uchwyt do anteny (byle nie w ścieżkach płytki), ewentualnie jeśli użyjesz dłuższej śruby na mocowaniu to możesz tam przyczepić uchwyt anteny (uchwyt również został wydrukowany plik na dole). Tak to wygląda od dołu:

Ostatnie co zostało nam do zrobienia to wgranie programu. Poniżej dodaję cały program dla kontrolera lotu oraz pilota, na dole znajdziecie .zip z wszystkimi potrzebnymi bibliotekami. Jest on dość długi, a ja najlepszy w tłumaczeniu kodu nie jestem :) dodałem kilka komentarzy (dosłownie kilka). Wbrew pozorom nie jest on wcale aż tak skomplikowany i jak go przeanalizujesz zobaczysz, że nie ma w tym nic aż tak bardzo trudnego (poza kalibracją PIDów oczywiście :D). Aby go wgrać do atmegi potrzebujesz programator np USBasp lub arduino które możesz wykorzystać jako programator. Nie dodawałem złącza dla programatora na obu płytkach więc musisz zaprogramować atmegę na płytce stykowej lub też pokombinować i wpiąć kable do złącz.

Kod pilota

Jest bardzo prosty, tylko sczytuje wartości analogowe z joysticków i wysyła do drona. Dodatkowo przewidziałem 2 przełączniki gdybym kiedyś chciał dodać jakieś lampki albo coś innego do drona aktualnie nie są one zaimplementowane w kodzie. Pilot wysyła również liczbę kontrolną tak na wszelki wypadek jakiś zakłóceń lub gdyby tak drugi nadajnik znalazł się w pobliżu żeby żadnych problemów nie było możesz ją zmienić ale pamiętaj żeby zrobić to również w kodzie z kontrolera lotu. MAX_TILIT określa maksymalne dopuszczalne wychylenie, jest ustawiony na 20 to oczywiście bardzo mało ale dla bezpieczeństwa proponuję tak to zostawić na początek, jak już wszystko będzie ok to wtedy zmienić na więcej.

O druku 3D w tym projekcie

Miała być wydrukowana w 3D rama i była przez trochę (jakieś 5 miesięcy), została wiele razy połamana aż w końcu zamieniłem ją na kupioną. Gdyby była inaczej zaprojektowana była by mocniejsza i wytrzymała znacznie więcej. Głównym błędem była zbyt cienka główna płytka trzymająca ramiona, a konkretnie „listki” do których ramiona były mocowane, sam nie wiem dlaczego zrobiłem je taki cienkie. Nie miałem wtedy jeszcze tak dużo doświadczenia z projektowaniem 3D i drukiem więc też nie do końca wiedziałem jak to zrobić dobrze. Teraz po 8 miesiącach i po wielu innych projektach wiem już znacznie więcej i tym razem zaprojektował bym ją znacznie inaczej. Na dole dodaję modele ramy ale nie zalecam jej wam drukować bo tak jak napisałem nie jest zbyt udana, potraktujcie to jako przykład jak nie projektować ramy do drona :)

Za to za udały się uchwyt anteny oraz kontrolera lotu, cudowne i bardzo skomplikowane elementy :D 

Wszystko było projektowane w fusion360 łącznie z projektem ramy do testów.

Zaprojektowałem również specjalne uchwyty montowane na dole ramy pod silnikami aby możliwe było testowanie go w drewnianej ramie. Trochę bałem się o wytrzymałość tego elementu ale na 100% wypełnieniu dało radę i nie pękło ani jedno.

Jak latać:

Aby rozpocząć lot musisz włączyć pilot, ustawić lewy joystick (przepustnicę) maksymalnie na dole. Następnie możesz podłączyć baterię do drona, powinna ona być mocno przymocowana aby nie wypadła podczas lotu. Silniki (wszystkie 4) powinny wydać 3 dźwięki, kiedy tak się stanie możesz powoli dodawać gazu aż dron się podniesie. Podczas pierwszych prób zalecam latać nisko i blisko w razie czego natychmiast lądować. W momencie gdy nasz dron zgubi zasięg na ponad 3 sekundy automatycznie się wyłącza, dzieje się tak samo gdy wyłączymy pilot więc w sytuacji awaryjnej wystarczy wyłączyć pilot.

Ludwik zwycięzca!

W Ryniku dnia 01.04.2017r. odbył się międzynarodowy turniej robotów w którym to decyzją jury Ludwik zajął 1 miejsce w kategorii freestyle! Bardzo dziękuję :)

Mam nadzieję, że spodobał Wam się mój Ludwik dron :) Jeśli macie jakieś pytania zapraszam do komentarzy. Zachęcam do polubienia mojego fanpage’a na facebooku oraz do subskrypcji kanału na youtubie.

Projekt ten został również opisany po angielsku na instructables i bierze udział w konkursie jeśli byś chciał to proszę cię o oddanie głosu na niego:

https://www.instructables.com/id/Arduino-Drone-Quadcopter-3D-Printed/

Bardzo dziękuję za przeczytanie!

Nikodem Bartnik

Pliki załączone do artykułu:

Ocena: 5/5 (głosów: 23)
Blackfrog - patron działu Druk 3D

Podobne posty

21 komentarzy do “Ludwik dron (Arduino, MPU6050, NRF24L01 i druk 3D)

Odpowiedz

anuluj

Nie przegap nowych projektów!

Zapisując się na nasz Newsletter będziesz miał pewność, że nie przegapisz żadnego nowego projektu opublikowanego w Majsterkowie!

Od teraz nie przegapisz żadnego projektu!

Masz uwagi?