В данной статье мы детально рассмотрим все операции, которые необходимо сделать для создания своего собственного дрона, с конкретными примерами выбора необходимых для его сборки компонентов. Чтобы лучше понять материал данной статьи рекомендуем сначала прочитать обзорный гайд по созданию дрона своими руками.

После прочтения этого пошагового руководства вы узнаете:

1. Все детали, необходимые для управления дроном.
2. Как найти собственные детали для сборки собственного дрона. Так что не требуется предварительно собранный комплект для дрона.
3. Как собрать выбранные вами детали.

Как показывает номер 2, это руководство вооружит вас знаниями, чтобы найти собственные детали, а не просто спаять электронику из предварительно собранного списка деталей, который идет в комплекте для дрона. Как говорится в пословице: «Дай женщине рыбу, и она будет сыта один день. Но научи женщину ловить рыбу, и она будет сыта всю жизнь», или что-то в этом роде.

Возможно, у вас уже есть определенный тип дрона, который вы хотели бы построить, например, небольшой FPV-квадрокоптер или более крупный октокоптер для подъема полезной нагрузки. Самое прекрасное в хобби с дронами то, что анатомия дрона примерно одинакова для любого типа дрона, который вы хотели бы построить.

Учитывая это, данное руководство намеренно написано в общем виде, чтобы его можно было использовать в качестве справочного материала для любого типа дрона.

Если же это руководство по созданию дрона покажется недостаточно подробным и вам будут в нем не совсем ясны некоторые моменты то можете прочитать на нашем сайте исключительно подробное руководство по созданию FPV дрона своими руками - оно настолько подробное что требуется немало времени чтобы его пролистать и посмотреть хотя бы картинки из него. Конечно, вряд ли вы будете использовать те же самые самые компоненты для своего дрона, но тем не менее, в приведенной по ссылке статье рассмотрено очень много аспектов, которые будут полезны при сборке практически любых дронов.

Основные инструменты, необходимые для сборки дрона

1. Паяльник и припой (обязательно): для сборки некоторых деталей вашего дрона вам понадобится паяльник.
2. Помогающие руки (необязательно): Помогающие руки помогают вам сохранять рассудок во время пайки. Они в основном удерживают деталь, которую нужно припаять, на месте.
3. Мультиметр (опционально): мультиметр — это, как правило, хороший инструмент, который стоит иметь в своем арсенале и который может оказать существенную помощь в диагностике любых электрических проблем, с которыми вы можете столкнуться при работе с вашим дроном.
4. Двусторонняя клейкая лента (обязательно): Это почти самая важная часть для любой сборки дрона, и я просто шучу. Вы будете крепить многие части к раме просто с помощью двусторонней клейкой ленты.
5. Липучка (обязательно): полоска липучки очень полезна для фиксации литий-полимерного аккумулятора на раме.
6. Хомуты (обязательно): некоторые элементы оборудования дрона проще закрепить на раме с помощью простых хомутов, например, регуляторы скорости (см. ниже).
7. Термоусадка или изолента (обязательно): Ваши двигатели и ESC, скорее всего, будут соединены с помощью пулевых разъемов (более подробное описание см. ниже). Если эти металлические пулевые разъемы соприкоснутся во время полета, цепь замкнется, и ваш дрон, скорее всего, рухнет на землю. Избегайте этого ужаса, поместив изолятор вокруг металлических пулевых разъемов.

Основные детали для сборки самодельного дрона

Рама

Есть две основные вещи, которые следует отметить относительно рамы вашего дрона. Первая — это количество его "рук". Каждая рука обычно имеет один двигатель, который имеет один пропеллер. По этой причине дроны с несколькими двигателями просто называются «мультикоптерами».

Трикоптер: дрон с тремя двигателями.

Квадрокоптер: дрон с четырьмя двигателями.

Гексакоптер: беспилотник с шестью двигателями.

Октокоптер: дрон с восемью двигателями.

Более подробно про виды рам для дронов можно прочитать в этой статье.

Квадрокоптеры на сегодняшний день являются самыми популярными, поэтому в этом руководстве мы сосредоточимся на том, как сделать квадрокоптер.

Второе, что нужно знать о рамах, это размер. Размеры рам указывают максимальное расстояние между двумя двигателями. Для квадрокоптеров это обычно означает измерение расстояния между двумя диагональными двигателями в миллиметрах.

Нано- дрон: 80-100 мм

Микродрон : 100-150 мм

Малый дрон: 150-250 мм

Средний дрон: 250-400 мм

Большой дрон: 400+ мм

Если вы хотите сделать дрон с нуля, первым шагом будет выбор размера рамы.

Двигатели

Существует два основных типа двигателей: щеточные и бесщеточные (BLDC). Более дешевые, конечно, щеточные. Но несмотря на свою дешевизну, они изнашиваются и ломаются гораздо быстрее, чем бесщеточные двигатели. Бесщеточные двигатели служат намного дольше и являются предпочтительным выбором для самодельных дронов. Более подробно про бесщеточные (BLDC) двигатели вы можете прочитать в этой статье, а также в статье про подключение BLDC двигателя к плате Arduino.

Существует бесчисленное множество бесщеточных двигателей. Чтобы помочь вам определить, какой двигатель лучше всего подойдет для вашей сборки, большинство производителей предоставляют некоторую информацию о продукте. Две наиболее распространенные характеристики — это размер и рейтинг KV.

Давайте рассмотрим конкретный пример. На следующем рисунке показан бесщеточный двигатель 2213 935KV.

Здесь размер двигателя равен 2213. На самом деле это два числа, и их следует отображать так: 22-13.

22 — ширина статора в мм, а 13 — высота ротора в мм. Обычно, чем больше ширина, тем больше крутящий момент у двигателя.

Еще одна спецификация, которая идет с бесщеточными двигателями, это рейтинг KV. В наших двигателях это 935KV. Не путайте KV с киловольтами. Здесь рейтинг KV означает число оборотов в минуту на один вольт входного сигнала.

Итак, если мы подали 1 вольт на двигатель 935 KV, он будет вращаться со скоростью 935 об/мин. Входное напряжение в два вольта вызовет 1870 об/мин и т. д.

Двигатели с меньшим KV производят гораздо больший крутящий момент, поэтому могут вращать более крупные винты на более медленных скоростях для получения подъемной силы. Двигатели с большим KV производят гораздо меньший крутящий момент, но вращают меньшие винты намного быстрее для получения подъемной силы.

Обычно более крупные дроны используют двигатели с низким KV, а более мелкие — с высоким KV.

Последнее, что я хотел бы здесь сказать, это то, что большинство производителей покажут вам характеристики деталей, которые следует использовать с двигателем, что может оказаться полезным при выборе деталей после того, как вы выбрали двигатели.

Пропеллеры (винты)

Следующая часть в этом руководстве по изготовлению дрона — это пропеллеры. Пропеллеры всегда имеют четырехзначный номер, например 8045, 1045 или 6030.

Первые две цифры обозначают диаметр винта в дюймах. Таким образом, винт 8045 будет иметь диаметр 8 дюймов.

Последние две цифры обозначают шаг в дюймах. У примера 8045 шаг составляет 4,5 дюйма, а у 6030 — 3 дюйма.

Шаг немного менее интуитивен для понимания, чем диаметр. Качественно, чем выше шаг, тем больше воздуха будет выталкиваться вниз. Пропеллер с шагом 0 дюймов будет похож на вращение ножа для масла.

Чтобы понять, что на самом деле означает шаг, давайте воспользуемся аналогией. У винтов тоже есть шаг. Если вы вкрутите винт в кусок дерева на один оборот, он вгрызется в дерево на некоторую постоянную глубину.

Давайте теперь представим, что мы поместили шаг нашей стойки 8045 на винт, так что теперь шаг винта составляет 4,5 дюйма. Один оборот винта заставит его врезаться в дерево на 4,5 дюйма. Теперь мы видим, что чем выше шаг стойки, тем больше вещества (воздуха) она переместит.

Винты с большим шагом обычно используются с двигателями с низким KV, поскольку они обеспечивают больший крутящий момент. Они могут вращаться медленнее, поскольку винты с большим шагом толкают больше воздуха за единицу вращения. Винты с меньшим шагом используются с двигателями с высоким KV, поскольку они вращаются намного быстрее. Соответственно, они должны вращаться быстрее, поскольку они толкают меньше воздуха за оборот.

Также на эту тему рекомендуем прочитать статью - 2-лопастной или 3-лопастной пропеллер: какой лучше для вашего дрона?

Электронные регуляторы скорости (ESC)

Если вы используете бесщеточный двигатель, вам понадобится электронный регулятор скорости. Для щеточных двигателей не требуется ESC (Electronic Speed Controller), поскольку им требуется только простой вход постоянного напряжения.

С другой стороны, бесщеточные двигатели требуют входного напряжения в три противофазных напряжения. Не волнуйтесь, это звучит страшнее, чем есть на самом деле. Все, что вам нужно сделать, это подать на ESC входное напряжение постоянного тока, и он автоматически сгенерирует три противофазных напряжения, которые подключаются к двигателю, заставляя его вращаться.

Производитель сообщит вам диапазон входных напряжений, с которыми может работать ваш ESC, поэтому следите за этим.

Обычно ваш ESC поставляется с тремя выходами, и вам нужно припаять несколько штыревых разъемов к концам, которые будут подключаться к гнездовым разъемам двигателей.

Литий-полимерный аккумулятор (Lipo-аккумулятор)

Ваша батарея питает все на вашем дроне. Выбор правильной батареи имеет решающее значение для создания дрона.

Почти всегда аккумулятором для дронов выбирают LiPo-аккумулятор. Это обусловлено его высокой емкостью и высоким выходным током.

Типичная батарея LiPo имеет следующие характеристики: 3000 мАч 4S 50C. На эту тему можете прочитать статью про расчет энергии, времени работы и заряда Li-Po аккумулятора дрона.

Количество ячеек аккумулятора

Давайте начнем с части 4S. Аккумуляторная батарея — это набор отдельных маленьких батарей, называемых ячейками. Липо-ячейка всегда имеет напряжение 4,2 В при полной зарядке и 3,7 В при разрядке. Таким образом, 4S означает, что четыре из этих липо-ячеек были установлены последовательно. Поскольку батареи, соединенные последовательно, добавляют напряжение, мы знаем, что полностью заряженное напряжение всей аккумуляторной батареи равно:

(Количество ячеек)(Напряжение полностью заряженной батареи)=(4 ячейки)(4,2 В)=16,8 Вольт

Емкость

Переходим к спецификации мАч. Это мера емкости, а емкость обычно измеряется в кулонах заряда. Подумайте о емкости как об объеме емкости с жидкостью; она просто показывает, сколько заряда в батарее.

Но подождите! В мАч нет единиц Кулона! На самом деле есть, но они просто скрыты. Позвольте мне объяснить.

1 Ампер = 1 Кулон/секунду = 1 Кл/с

1 ч = 1 час = 3600 секунд

м = милли = 1/1000

Итак, подставим наши переменные в мАч:

3000 мАч = 3000(1/1000)(1 Кл/С)(3600 с) = 10800 Кулонов

Таким образом, 3000 мАч — это то же самое, что и 10800 Кулонов.

Следующая часть — рейтинг C.

C-рейтинг

Чем выше рейтинг C, тем выше может быть выходной ток для данной батареи.

Чтобы узнать максимальный выходной ток, который может выдержать ваша батарея, возьмите рейтинг C и умножьте его на емкость вашей батареи в Ач.

Рейтинг C имеет единицы измерения обратного времени (1/час)

3 Ач*50(1/ч) = 150 А

Таким образом, эта гипотетическая батарея 50С может выдавать ток силой 150 А!

Теперь есть некоторая путаница в том, что на самом деле означает рейтинг C. Рейтинг C некоторых производителей просто означает максимальный импульсный ток, который вы можете выдать в течение 30 секунд, а другие используют рейтинг C для указания максимального непрерывного выходного тока. Уточните у производителя вашего конкретного аккумулятора, какой рейтинг C они используют!

Плата распределения питания (PDB)

Распределительная плата — это место, где будут подключаться ваши основные электрические компоненты. Главное, что вы припаяете к вашей PDB (Power Distribution Board), — это ваши ESC и разъем для батареи.

Когда вы подключаете аккумулятор к PDB, он подает питание на все подключенное оборудование, поэтому именно оттуда ваши ESC будут получать ток.

Контроллер полета

Контроллер полета — это, по сути, мозг дрона. По сути, это аппаратный концентратор, к которому будут подключаться все части вашего дрона. Такие вещи, как ESC, GPS, телеметрия, RC-вход и многие другие компоненты.

Все контроллеры полета должны быть оснащены гироскопом и акселерометром (IMU), которые вместе помогают автоматически балансировать ваш дрон без какого-либо ручного ввода данных.

Все контроллеры полета управляются прошивкой. В зависимости от контроллера полета у вас может быть доступ к прошивке новой прошивки на плату. Прошивка может быть либо с закрытым исходным кодом (собственность компании, которую общественность не может видеть), либо с открытым исходным кодом (общественность может видеть код и вносить изменения).

Если вы хотите создать дрон с прошивкой с открытым исходным кодом, такой как ArduPilot или PX4, убедитесь, что приобретаемая вами плата поддерживается им.

Более подробно про выбор контроллера полета для дрона вы можете прочитать в этой статье.

GPS

Модули GPS можно купить довольно дёшево. Обычно они используют протокол UART или I2C, и большинство модулей GPS, предназначенных для использования в дронах, также оснащены магнитометром.

Вам следует поднять модуль GPS/магнитометра в воздух, чтобы укрыться от магнитных полей, создаваемых электроникой вашего дрона.

Если ваш GPS-приемник расположен слишком близко к электронике, это может привести к неверным показаниям, что приведет к странным полетам.

Вы хотите построить дрон с хорошим модулем GPS? Ищите тот, у которого есть чип M8N u-blox. Они намного лучше, чем некоторые другие модули GPS, доступные на Amazon, и стоят примерно столько же.

RC-контроллер

Контроллер радиоуправления будет состоять из передатчика (предмета, который держит пилот) и приемника (для приема команд от пилота).

Приемник подключается к вашему полетному контроллеру.

У вас есть несколько вариантов с RC-контроллером. Более дешевые RC-контроллеры имеют меньшее количество каналов. Однако минимальное количество каналов, которое вам следует использовать, вероятно, составляет пять или шесть для дрона.

Каждый дрон автоматически займет четыре канала с управлением креном, тангажом, рысканием и тягой.

Избыточные каналы можно использовать для более уникального управления, например, для изменения режима полета вашего мультикоптера.

Телеметрия

Телеметрия также используется для беспроводной связи с дроном. Вы определенно хотите построить дрон с телеметрией.

Один модуль будет прикреплен к дрону, а другой — к компьютеру (иногда называемому наземной станцией управления GCS). Обычно это plug and play.

Затем GCS может удаленно взаимодействовать с дроном. Он может как отправлять, так и получать информацию.

Например, GCS может отслеживать положение дрона на карте, определять скорость его движения, видеть уровень напряжения аккумулятора и многое другое.

Его также можно использовать для управления дроном, то есть для управления им вам не понадобится пульт дистанционного управления.

Хотя это возможно и фактически делается, телеметрия в основном используется для получения данных с дрона.

Как выбрать правильные детали для создания дрона?

Прежде чем начать собирать детали и собирать дрон, нам нужно знать, как найти нужные детали. Процесс выбора нужных деталей для дрона — это смесь искусства и науки.

Основным показателем, который мы будем рассматривать, является отношение тяги к весу, далее именуемое отношением тяги (TW ratio).

Коэффициенты TW

Мы все знаем, как думать о весе. Это сила, с которой нас тянут к земле.

Дроны также имеют вес и могут летать только в том случае, если они способны создать восходящую тягу, превышающую их вес.

Таким образом, коэффициент тяги, равный 2, означает, что дрон может создавать подъемную силу, в два раза превышающую его вес.

Вам следует стремиться к различным коэффициентам TW в зависимости от применения вашего дрона. По этой причине наличие целевого коэффициента TW является первым шагом в процессе проектирования вашего собственного дрона, поскольку вы будете выбирать детали для достижения этой цели.

Если вы хотите управлять агрессивным FPV-дроном, обычно используются коэффициенты TW от 4 и выше, но я видел и 11.

Для дронов, предназначенных для перевозки полезной нагрузки, нормальным является отношение TW около 2, но можно летать и с отношением TW 1,5.

Если коэффициент мощности вашего дрона равен 1, то далеко вы не улетите.

Оценка соотношения тяги к весу

Чтобы оценить коэффициент TW, вам необходимо начать с оценки веса вашего дрона.

Это означает, что нужно просмотреть список деталей выше и сложить веса различных компонентов (таких как двигатели, ESC, контроллер полета и т. д.). Вам следует начать с рамы, которую вы хотите построить, и выбрать детали оттуда.

Допустим, вы оценили вес дрона, который вы хотели построить, в 1000 граммов. Если у вас есть целевой TW 2, это означает, что вам понадобится тяга 2000 граммов. Для квадрокоптера это будет означать тягу 500 граммов на каждый двигатель.

Оценка тяги двигателя является функцией напряжения батареи, размера винта и выбора двигателя. Измените одну из этих переменных, и вы измените величину тяги, которую вы будете генерировать.

Мне нравится выбирать двигатели от производителей, которые предоставляют таблицы тяги. Таблицы тяги содержат эмпирические данные, которые показывают, сколько граммов тяги у вас будет для разных переменных.

Пример таблицы тяги для двигателей eMax 2213 кВ можно увидеть ниже.

Для простоты предположим, что максимальная тяга этого двигателя на самом деле является наивысшей величиной тяги, показанной в этой таблице. У нас будет максимум 670 грамм тяги при использовании 1045 prop/11V батареи или 490 грамм при использовании 8045 prop/11V батареи.

Таким образом, если бы мы использовали пропеллеры 8045, мы могли бы создать 1960 граммов тяги (490 г * 4 двигателя) при 11 В. Если бы мы использовали пропеллеры 1045, мы могли бы создать 2680 граммов тяги (670 г * 4 двигателя) при 11 В.

При TW = 2, тяга в 1960 граммов при весе в 1000 граммов приблизит нас к цели.

Соберите дрон из выбранных вами деталей

1. Припаяйте пулевые разъемы к вашим двигателям и ESC.

2. Припаяйте ESC и разъем аккумулятора к PDB (плате распределения питания).

3. Закрепите PDB где-нибудь посередине дрона. Обычно это середина или нижняя часть рамы. Закрепить PDB можно с помощью стяжек.

4. Закрепите ESC на руках дрона: по одному на каждой руке. ESC могут быть как сверху, так и снизу руки.

5. Прикрутите двигатели к концу каждого рычага. Двигатели должны поставляться с крепежными винтами. Не перетягивайте. У вас будет два двигателя CW (по часовой стрелке) и два CCW (против часовой стрелки), убедитесь, что они размещены на правильных рычагах в соответствии с этой схемой.

• Подключите пулевые разъемы от ESC к двигателям.
• Проверьте двигатели и посмотрите, вращаются ли они в правильном направлении. Если нет, просто поменяйте два соединения на пулевых разъемах.
• Используя двухстороннюю липкую ленту, закрепите модуль ввода радиоуправления на вашем дроне где-то посередине рамы.
• Закрепите контроллер полета на дроне где-то около середины. Обычно он крепится к самой верхней части рамы или посередине. Это можно сделать с помощью двухстороннего скотча или других средств, например, винтов.
• Установите модуль телеметрии на борту дрона.
• Установите GPS-навигатор на крепление и закрепите его где-нибудь посередине рамы.

• Подключите всю электронику/провода к контроллеру полета.
• Откалибруйте ESC.

Прикрепите винты (пропеллеры). Не перетягивайте верхний болт. Если вы установили правильный двигатель CW или CCW в правильном месте, вращение винтов естественным образом затянет болт. Также обратите внимание на тип винта, который вы используете. Вращение винта должно толкать воздух вниз.

• Подключите дрон к GCS и откалибруйте датчики. Это можно сделать, подключив телеметрический модуль GCS к компьютеру. Телеметрические модули будут иметь сплошной цвет, когда они будут сопряжены. Если они не нашли друг друга, модули будут мигать. Запустите программное обеспечение GCS (мне нравится MissionPlanner), и вы получите доступ к своему дрону через телеметрический модуль.
• Устройте тестовый полет!

31 просмотров