Drone điều khiển bằng Arduino với thiết kế tự chế

Bộ điều khiển bay Arduino

Dự án bộ điều khiển bay Arduino này được lấy cảm hứng từ việc xây dựng quadcopter tự cân bằng của Joop Brokking. Mục tiêu của tôi là xây dựng chiếc drone này từ con số không và sau đó sử dụng Arduino làm bộ điều khiển thay vì sử dụng một bảng điều khiển bay có sẵn. Thân của chiếc drone được thiết kế và in 3D bởi tôi, tôi đã tự chế tạo một bảng mạch để kết nối tất cả các linh kiện điện tử, và tôi đã xây dựng bộ điều khiển bay này để làm cho mọi thứ hoạt động cùng nhau.

Các phiên bản

Dự án đã trải qua một vài phiên bản. Phiên bản 1 được làm bằng cách sử dụng bảng Arduino Uno làm lõi. Đây là một bản xây dựng nhanh nhằm đưa một cái gì đó lên không trung lần đầu tiên. Thân máy là một thiết kế thô và có nhiều khuyết điểm khiến việc sử dụng trở nên khó khăn hơn. Những vấn đề này đã được giải quyết trong phiên bản tiếp theo của chiếc drone.

Nâng cấp chính cho phiên bản 2 là thiết kế lại thân drone. Bạn tôi đã có một chiếc drone mini DJI với cánh tay gập lại để lưu trữ và tôi muốn thử điều tương tự với dự án này. Tôi đã thay thế các cánh tay cố định bằng các cánh tay có thể xoay vào thân máy. Thứ hai, tôi đã tạo ra một nửa dưới hoàn chỉnh của chiếc drone để pin không còn bị lộ ra ngoài. Cũng có một số điều chỉnh nhỏ về điện tử. Để tiết kiệm không gian bên trong, tôi đã thay thế Arduino Uno bằng Arduino Nano để tiết kiệm không gian. Tôi cũng đã thêm một công tắc nguồn ở bên ngoài của chiếc drone để việc bật và tắt động cơ trở nên dễ dàng và an toàn hơn. Cuối cùng, tôi đã thêm một nắp từ tính cho chiếc drone để tôi có thể dễ dàng tháo vỏ trên ra để truy cập vào các linh kiện điện tử.

BOM

Các bộ phận cho dự án này bao gồm:

• Arduino Nano
• MPU6050 Gia tốc kế/Gyro Chip
• BMP280 Chip Barometer
• 4x Động cơ không chổi than 2300kV
• 4x Bộ điều khiển tốc độ điện tử 30a
• 4x Cánh quạt 5045
• 4x Vòng bi 699
• 8x Chốt kim loại M2.5x8
• 8x Nam châm đĩa N52 ¼" x 1/16"
• Bảng phân phối điện
• Đèn LED
• Dây/Điện trở/Tụ điện
• Pin LiPo, 3 cell 2200mAh
• Công tắc trượt nguồn
• 2 Lò xo ()
• 2x ốc vít M3x20
• 2x ốc vít M3x14
• 3x ốc vít M3x6
• 7x Đai ốc M3

Lắp ráp

1 phiên bản của mỗi tệp cần được in để lắp ráp hoàn chỉnh.

Nam châm: 3 tệp chỉ định rằng chúng chứa nam châm bên trong. Để thêm nam châm, bạn cần thêm một khoảng dừng ở độ cao lớp chính xác trong slicer. Những nam châm này sẽ giúp dễ dàng truy cập vào bên dưới nắp của drone.

Cài đặt

Khi bạn đã có một chiếc drone đã được xây dựng, bạn cần bắt đầu bằng cách chạy tệp Drone_Setup. Điều này sẽ hướng dẫn bạn qua một loạt các thông báo để đảm bảo rằng mọi thứ được thiết lập chính xác và rằng các đầu vào từ xa đúng đang được sử dụng. Ở cuối các thông báo này, tất cả dữ liệu sẽ được lưu vào EEPROM. Tiếp theo, chạy Drone_ESC_Calibrate để kiểm tra cảm biến gia tốc và động cơ. Điều này sẽ giúp bạn đảm bảo rằng các động cơ quay theo hướng đúng và rằng drone đang đọc đúng định hướng. Khi điều này hoàn tất, bạn có thể chạy Drone_Flight_Controller. Trước khi bay, bạn nên bắt đầu bằng cách tinh chỉnh các giá trị PID ở đầu chương trình; điều này sẽ mang lại hiệu suất tối ưu.

Tinh chỉnh PID

Đây là quá trình mà tôi đã sử dụng để tinh chỉnh bộ điều khiển PID cho việc tự cân bằng drone. Có thể có những cách tốt hơn, nhưng cách này đã hoạt động với tôi.

Hãy cẩn thận khi thực hiện các bước này. Sử dụng thiết bị bảo hộ thích hợp.

1. Đặt P gain là 1 và I/D là 0. Kiểm tra để đảm bảo rằng drone di chuyển đúng hướng khi các cần điều khiển được di chuyển.
2. D Gain:
   1. Tăng D gain theo từng bước 1 cho đến khi drone bắt đầu trở nên không ổn định trong không trung.
   2. Giảm xuống cho đến khi drone bay ổn định.
   3. Lấy đi 25% để có giá trị cuối cùng.
3. P Gain:
   1. Tăng P gain theo từng bước 0.01 cho đến khi drone bắt đầu dao động chậm.
   2. Giảm đi 50% để có giá trị cuối cùng.
4. I Gain:
   1. Tăng I gain theo từng bước 0.2 cho đến khi drone bắt đầu bù trừ quá mức.
   2. Giảm đi 50% để có giá trị cuối cùng.
5. P Gain Lại:
   1. Tăng P gain cho đến khi nó bắt đầu dao động.
   2. Lấy đi một vài điểm.
6. Tối ưu hóa các giá trị bằng cách thử và sai.

Đây là một quá trình chậm để có được các giá trị hoạt động tốt cho tôi.

Code

Bạn có thể xem mã điều khiển bay tại đây trên GitHub.

Cập nhật

10-Tháng 10-23:

Đã thêm các phiên bản mới của các tệp STL với một số cập nhật. Thiết kế tay sau mới hiệu quả hơn và sử dụng lò xo thay vì cần gạt. Cũng đã cập nhật BOM.