Квадрокоптер (дрон) из Лего

Квадрокоптер (дрон) из Лего

Из конструктора Лего можно сделать идеально симметричную раму для квадрокоптера.

Искал повод чтобы поиграть с конструктором снова? Вот тебе веская причина 🙂

Такой дрон дешев, и не требует специальных инструментов как например в этой инструкции (рекомендую взглянуть для сравнения и на нее тоже).

Я использовал набор Лего Техник, потому что у него есть отверстия в “кирпичиках” конструктора.

Мотор и летный контроллер я взял от популярного дрона Hubsan X4 (не нужно покупать дрон целиком, только запчасти).

Достань свой конструктор, смахни с него пыль и вперед!

Как сделать квадрокоптер своими руками

Квадрокоптер – очень интересная игрушка для взрослых. Она является настоящим воплощением новых технологий на рынке развлечений.

Заказать квадрокоптер можно без проблем в Китае, на том же Алиэкспресс, электроника к нему – доступна по цене. Управлять таким летуном будет совершенно несложно, ведь для отточки навыков существуют разные симуляторы. Но давайте рассмотрим и вариант, как собрать квадрокоптер своими руками, который обойдется недорого.

Итак, все запчасти придется все-таки заказывать в китайцев, вот их список:
Во-первых, необходимо купить двигатели. Их понадобиться 4 единицы. Модель D2822/14 1450kv.
Также необходимы регуляторы оборотов, их тоже понадобиться 4 штуки. Рекомендую модель Turnigy Multistar 30 Amp Multi-rotor Brushless ESC 2-4S.
Также необходимы пропеллеры левого и правого вращения. Модели Slow Fly Electric Prop 9047 SF CCW (4 pc – Green) и 11×4.7SF соответственно.

Для регулятора Multistar понадобится кабель для разводки с разъемом подключения 3,5 мм. Модель (ХТ60 на 4 X 3.5мм).

Управлять квадракоптером можно будет при помощи платы MultiWii NanoWii ATmega32U4, которой дистанционно можно будет управлять по ПК через порт USB.

Также требуется обеспечить питание устройства – возьмите несколько аккумуляторов Nano-Tech 2200 30C. Почему несколько? Чтобы не разочаровываться, когда заряд закончится и вы могли продолжать наслаждаться полетами. Если хотите работать на открытых местностях – возьмите не менее 4-х единиц. К аккумуляторам надо и зарядник, рекомендуем марку HobbyKing Variable 6S 50W 5A.

Для радиоуправления требуется устройство Turnigy 9x – оно лучшее по соотношении цены и качества. Устройство сделает возможным управление квадрокоптером на дистанции до 900 м. Вместе с передатчиком вы покупаете и приемник, он идет в одном комплекте.

Для соединения платы с приемником используются соединители Turnigy 9x.

Также потребуются дополнительные шнуры для удлинения соединения с двигателем, возьмите несколько цветов кабеля, чтобы потом легче было соединять.

Перед тем, как сделать квадрокоптер своими руками в домашних условиях, необходимо продумать, будете ли вы покупать раму, или сделаете ее самостоятельно.

Если не хочется долго морочиться, то можно раму и купить. Только учтите то, что при поломке придется все равно заказывать детали к ней.

Рама для квадрокоптера своими руками – это возможность ликвидировать поломку в течение получаса, она не требует дополнительной работы при изготовлении квадрокоптера.

Для того, чтобы провода не ломались, используйте пластиковые трубы. Они усилят провода, сделав конструкцию более долговечной. Можно купить крепежи к стене, можно и поворотные части. В результате может получиться довольно стойкая конструкция, которая сделает возможным не просто перевозку электроники, это будет сделанный квадрокоптер с камерой своими руками.

Посмотрите видео сюжет о сборке рамы для квадрокоптера из труб.

Также прилагаем чертежи для конструкции . Она рассчитана на полет с фотоаппаратом, поэтому мы сделали ее высокой.

Подключение электроники квадрокоптера своими руками

Как подключить электронику к устройству? Соберите ее по инструкции, которая показана ниже.

Чтобы соединить мотор и регулятор, необходимо нарастить провода, для этого используйте силиконовую оболочку, так как она лучше будет функционировать при холодных температурах воздуха.

Сборка квадрокоптера своими руками по схеме:

Настройка квадрокоптера

Изучите инструктаж, как сделать коптер своими руками, поскольку просто так квадрокоптер не полетит. Скачайте программное обеспечения для управления с сайта, выбрав опцию – квадрокоптер. Данные слейте в плату управления через USB. Следите также за прошивками, поскольку они постоянно обновляются, и, внимание, могут конфликтовать друг с другом.

Наловчитесь управлять, используя маленькие квадрокоптеры, которые не превышают в размерах 10-см, они не будут ломаться от падения через небольшой вес. Одним из простых квадрокоптеров является Turnigy 9х и Q-Bot Mini, посмотрите инструкцию как его сделать здесь .

Видео: сборка бюджетного квадрокоптера своими руками

Как сделать квадрокоптер своими руками

Первое, что определяет сборку квадрокоптера – это его рама. Рпма может быть “Х”, “+” или “Н” конфигурации. Для полетов с камерой подходит Х или Н.

Вот пример классической Х рамы квадрокоптера

А вот рама типа Н

Впрочем, может использоваться и рама смешенного типа, что то среднее между Х и Н.

Причем, обратите внимание, в качестве лучей на самодельном квадрокоптере использован готовый комплект .

Кстати, материал для рамы квадрокоптера мжно брать любой, начиная от деревянных линеек:

И заканчивая пластиковыми трубами:

По последнему варианту есть тема на нашем авиамодельном форуме – Квадрокоптер из доступных материалов, а в стеи есть петевод статьи про изготовление такого квадрокоптера .Однако, не смотря на такую экзотику, в основном используют аллюминиевые квадратные трубки для сборки квадрокоптеров.

Снизу квадрика устанавливают амотризируюшие подкладки – это нужно для того, что бы квадрокоптер при жесткой посадки не испытывал изгибающих нагрузок. Для этого прекрасно подходят палки для плавания:

Одной такой палки хватит для изготовления 4-х или 5-ти квадрокоптеров. Обычно ставят отрезки этих палок под края лучей (в месте крепления моторов) и под центральной частью.В случае жесткой посадки палки для плавания хорошо амортизируют удар.

Вообще – неспешная сборка рамы занимает около 3-4 часов, если, конечно, все материалы есть в наличии.

Если самодельный квадрокоптер предполагается переносить, то лучи с моторам делают складными – это позволяет уменьшить размер коптера и, соответственно, облегчить его транспортировку.

Какие есть варианты?

Итак, рассмотрим все возможные варианты приобретения или самостоятельного изготовления маленького летательного аппарата, годного как в качестве игрушки, так и для выполнения вполне серьезных задач. Квадрокоптер в полете

Ready to fly (готовый к полету)

Под определение попадают все квадрокоптеры, продаваемые в собранном состоянии. После покупки, для их использования достаточно подать питание на узлы аппарата и пульт радиоуправления. Самый простой способ приобщения к пилотированию.

Almost Ready to Fly (почти готовый к полету)

Товарная номенклатура подобных моделей весьма велика. Производитель может представлять как все необходимые детали в наборе, так и только некоторые части дрона. К примеру, раму или контроллер работы двигателей. Сборка и покупка недостающих полностью осуществляется силами владельца такого комплекта.

Приобретение подобного квадрокоптера рекомендуется начинающим пользователям. Он позволит ввести человека в основы создания летательного аппарата, при этом достаточно прост в сборке. Один из вариантов комплектов сборки

Полная сборка с нуля

Один из самых интересных вариантов, с относительно низкими затратами труда и времени. При выборе компонентов летательного аппарата производят расчеты в зависимости от желаемых характеристик и доступной номенклатуры в продаже.

Имеется в виду, к примеру, что для большого квадрокоптера нужны и габаритные, а также мощные запчасти. Их характеристики непосредственно зависят от планируемого веса дрона. Чем крупнее рама – тем больше масса аппарата, а значит, он должен быть оснащен более высоко оборотистыми двигателями, крупными пропеллерами, а также соответствующей системой питания всей силовой и обычной электроники на борту.

Важной деталью служит и выбор контроллера, который управляет всем этим хозяйством. Он задает скорость вращения винтов, не допуская перекосы аппарата во время полета. К его функциям относится и управление движением дрона, в зависимости от команд оператора на земле. Один из видов полетных контроллеров

Не лишним будет контроль характеристик передатчика пульта и устанавливаемого приемника в аппарат. Чем они мощнее, тем на большем расстоянии можно управлять квадрокоптером.

Ну и в конце, навесное оборудование. Без него дрон – не более чем летающая игрушка. А вот смонтировав на его раму камеру с передатчиком, можно найти квадрокоптеру более практичное применение.

Опять же, важна дальность беспроводного функционирования подвеса, его потребляемая мощность (а значит и запас хода батарей всего аппарата). Управляемая камера, с настраиваемым увеличением и яркостью, также даст свой плюс к использованию дрона.

Самодельный дрон из подручных материалов

Сделать квадрокоптер такого типа, с нуля, относительно несложное занятие. Многие его части можно выполнить из подручных материалов. В нем не много элементов конструкции, которые обеспечивают функциональность аппарата:

1. Несущая рама. Собственно, «корпус», к которому крепятся двигатели с подъемными винтами, аккумуляторы, системы управления, контроллер и подвесное оборудования. Может быть как покупной, так и изготовленной самостоятельно из дерева, ПВХ труб, пластмассы или алюминия. Единственные к ней требования – легкость и прочность.

Конструкция рамы бывает Н и Х образной для четырех винтов, или многолучевой с большим их количеством.

1. Подъемные винты. Приобретаются уже готовые или изготавливаются самостоятельно. Могут обладать любым количеством лопастей и углами их наклона. Каждый вид конфигурации пропеллера дает свои плюсы и имеет определенные минусы. К примеру, большее количество лопастей приведет и к увеличению расхода батареи, но тяговая функция у них лучше.

В процессе полета, вращение винтов происходит в разных направлениях, чтобы избежать эффекта авто раскрутки аппарата. Противоположное вращение винтов коптера

1. Сами двигатели, по количеству лучей квадрокоптера. Мощности каждого из них должно хватать для необходимой скорости раскрутки винта с целью возникновения подъемной силы у дрона. Существуют редукторные, без коллекторные и щеточные варианты. Первые обеспечивают большую скорость раскрутки, но греются в процессе работы. Вторые считаются лучше подходящими для беспилотников. Третий вариант наиболее дешев, но и достаточно часто выходит из строя из-за износа щеток на коллекторе.
2. Полетный контроллер. Основное управляющее устройство БПЛА. В своей сущности он – мини компьютер, поддерживающий необходимую частоту оборотов на каждом винте, чтобы не допустить перекосов аппарата. Он же управляет процессом перемещения, замедляя винты одной стороны квадрокоптера и ускоряя другую, чтобы добиться небольшого угла наклона дрона в ту сторону, куда требуется произвести движение. Информацию о текущем положении он получает от специализированных сенсоров – GPS, компаса и акселерометра.
   В самодельных конструкциях можно использовать Arduino или любой другой универсальный микроконтроллер с дополнительными модулями необходимых датчиков.

Контроллер полета дрона

1. Электронный регулятор скорости (ESC). Посредник между контроллером и двигателем. Именно он задает необходимое питание для нужной скорости вращения.
2. Приемник и передатчик. Первый устанавливается в дрон для получения команд от оператора с земли. Второй — в пульт, оснащенный двумя джойстиками, с помощью которых и управляют квадрокоптером. Полученные сигналы преобразуются в команды для контроллера, который уже обеспечивает последовательность действий по их выполнению.
3. Защита винтов. Казалось бы, второстепенная вещь, но без этого кожуха вокруг пропеллера, при любом столкновении он выйдет из строя.
   Некоторые варианты несущей рамы подразумевают такое расположение винта, которое убережет его при аварийной ситуации. В таких случаях отдельная защита не нужна.

Защиты винтов дрона

1. Аккумуляторная батарея достаточной емкости, чтобы обслуживать питание всех компонентов летательного аппарата в течение требуемого времени. Для этой части устройства очень важен вес, который непосредственно зависит от ее типа. К примеру, литиевый намного легче, сравнительно с аналогичным той же емкости на основе свинца.
2. Навесное оборудование. Самая «вкусная» часть квадрокоптера. Непосредственно от него зависит сфера применения летательного аппарата. Конечно же, как и для всего установленного, тут важен вес.
   Кроме того, обязательно нужно уделить внимание потребляемой мощности навесным оборудованием, обеспечив необходимую подачу энергии от отдельного источника или увеличив емкость центрального аккумулятора БПЛА.
   В качестве добавочных устройств зачастую используются различный крепеж для транспортировки грузов или видеокамеры с передатчиком изображения.

Инструкция по сборке квадрокоптера своими руками (для начинающих)

А теперь давай разберёмся с тем, как собрать квадрокоптер мечты. Сразу скажу, что это обобщённый гайд, и некоторые моменты могут отличаться. Я попытаюсь систематизировать процесс, и указать на основные моменты выбора и сборки.

Детали для сборки квадрокоптера.

Сборка квадрокоптера своими руками начинается с выбора компонентов. Это самый ответственный этап.

Комплектующие рамы

Несущая конструкция коптера крайне важна. От её характеристик зависит то, сколько лишней мощности у вас останется. Чем легче рама, тем она дороже. На счёт прочности особо напрягаться не стоит, если в ваши планы не входит постройка квадрокоптера для массивных камер. Есть три основных типа рамы – четырёхлучевая, шестилучевая и восьмилучевая. В данном случае мы будем отталкиваться от четырёхлучевой компоновки с одинарными двигателями (один движок на луч).

Также рама может быть оснащена складными лучами, но это уже очень дорого, и не очень нужно. Можно попробовать реализовать это самостоятельно.

Особенности при выборе компонентов

Моторы

Моторы советую брать чуть помощнее, чем нужно. Во-первых, если ты берёшь их в Китае, то их характеристики будут завышены. Во-вторых, это даст тебе больше простора. К примеру, если нужно будет повесить камеру потяжелее, или какой-либо другой модуль, то это не повредит лётным характеристикам.

Пропеллеры

Это тема достаточно объёмная. При выборе винтов нужно ориентироваться на свои потребности. Если это будет простенький коптер для «полетать», то можно смело брать пластиковые. Если же вы хотите настоящий рабочий агрегат для аэрофотосъёмки, или спортивный мини дрон (что не парадоксально, ибо там каждый грамм на счету) то желательно использовать композитные материалы. Ну и не жадничай. Переплата в 10 процентов может избавить от необходимости балансировки.

Пульт и приёмник

Для начала, грамотным решением будет взять пульт, у которого в комплекте есть приёмник. Тогда они будут уже спарены, и тебе останется только присоединить приёмник к управляющей плате. Пульт тоже не бери бездумно. Обычно, приличные экземпляры с большим радиусом действия начинаются от 1 000 рублей. Многие имеют кучу функций, которыми пользоваться будет невозможно. К примеру переключатели режимов есть, а плата режимов полёта и не поддерживает. Из-за этого вес и объём занимают бесполезные переключатели.

Регуляторы оборотов

Они характеризуются по мощности, виткам мотора, внутреннему сопротивлению, наличию реверса, точности работы и куче других страшных параметров. Если есть возможность – ищи комплект двигателей с контроллерами. Если так ты не хочешь, то придётся курить форумы и документацию. В принципе, если согласовать допустимый тип моторов и выдаваемую мощность, то шанс промахнуться минимален, но я этого не говорил. Перепроверь.

Батарея

Необходимая батарея рассчитывается при помощи калькулятора. Он учитывает много параметров, включая вес самого батарейного блока. Дешёвки снова не советую брать. Горит красиво, но слишком быстро. Если коптер – грузовой, и оснащён мощными моторами и прочим навесным оборудованием с высоким потреблением энергии, то не забудь проверить, хватит ли мощности аккумуляторов.

Камера

Ух, вот это самая жесть. Камера не всегда нужна, но если она нужна, то нужно внимательно подойти к её выбору. В качестве записывающей камеры стоит использовать экшн камеры- GoPro или её Китайские аналоги (они не сильно уступают в качестве видео, если даже не превосходят «фирму»). Нужно ориентироваться на вес, и на угол обзора. С весом всё понятно, а вот про угол расскажу.

Хочется, чтобы камера снимала красоты мира, но не снимала лучи коптера. Если ты промахнулся и это произошло, то придётся выбрать из двух плохих вариантов.

Опустить камеру так, чтоб она не задевала пропеллеры. Опускать, скорее всего, придётся сильно, и это вызовет массу проблем с взлётом и посадкой, а также с маневренностью, из-за смещённого центра тяжести.

Вынести камеру вперёд. Тоже беда. Снова сместится центр тяжести (в этом случае можно попытаться уравновесить при помощи АКБ). Ещё сильнее утяжелит конструкцию, ибо придётся придумывать очень мощный фиксатор. Иначе никакими бюджетными виброгасителями делу не поможешь, и эффект желе обеспечен.

Можно попробовать использовать ориентировочную формулу L= 2 * tg (A /2) х D, где:

• L — Область обзора камеры на расстоянии D
• Α — Угол обзора камеры
• D – расстояние до объекта (в нашем случае, до пропеллеров)

Ты получишь диаметр круга, но так как камера снимает прямоугольное изображение, то этот диаметр будет диагональю. Там уж можно примерно прикинуть- задевает, или нет.

Компоненты выбираем, руководствуясь необходимым результатом. Не нужно брать самое лучшее, если в этом нет необходимости. Возможности своей сборки ты можешь приблизительно рассчитать при помощи калькулятора.

Китайские детали

Сразу говорю – в Китае брать можно, но стоит намного серьёзнее подойти к вопросу. Китайцы постоянно завышают характеристики. Так что, нужно примерно понимать, как и что работает, и не вестись на россказни Китайца о небывалых параметрах и чудесном качестве. Короче говоря – можно, но с пониманием дела и на свой страх и риск.

Контроллер

Контроллер, это мозг твоего мультикоптера. Их можно разделить на два вида.

Универсальный: Например, DJI NAZA. Такой контроллер можно использовать с абсолютно любой сборкой. Будь то квадрокоптер, гексакоптер или октокоптер. Он не заточен под управление чем-то конкретным. На него можно подвесить кучу оборудования, он обладает многими функциями и датчиками.

Есть и минусы. Первый минус, это цена. Тот же DJI Naza-M V2 стоит 17 000 рублей. Второй минус- необходимость настройки. Для этого используется специальная программа, написанная под конкретный контроллер. Там можно заменить и отрегулировать практически всё, но это требует определённых сил, знаний и времени.

Специализированный: Как в последующем примере. Он уже заточен под работу с конкретной компоновкой коптера. Конечно, он даёт некоторый простор, но мощность на каждом двигателе вы не настроите. Стоит недорого, умеет мало. Самое то, для начала.

Подключение к Arduino

Подключение акселерометра мы рассмотрели. Следующий шаг – заставить Arduino управлять моторами. Плата Arduino предоставляет на выход небольшое значение силы тока и напряжения, так что вместо того, чтобы подключать моторы напрямую к цифровым выходам платы, мы используем транзисторы для “усиления” напряжения.

Начнем сборку электросхемы. На этом этапе нам понадобятся Arduino, моторы, транзисторы (монтажная плата и коннекторы). Схема подключения приведена ниже, под необходимыми текстовыми пояснениями. Подключите четыре ШИМ выхода (отмечены на Arduino знаком

) к транзистору, как это показано на рисунках. После этого подключите коннекторы к моторам, которые подключены к источнику питания. В приведенном проекте квадрокоптера использовался источник питания 5 В, но должна подойти и батарея 3-5 В.

Убедитесь, что транзисторы заземлены, и земля на Arduino подключена к земле от источника питания. Убедитесь, что роторы двигателей вращаются в правильном направлении (они должны обеспечивать подъем квадрокоптера, а не крен). Если вы переключите контакт мотора с 5 В на транзистор, ротор двигателя начнет вращаться в противоположном направлении. После настройки изменять направление вращение двигателей больше не придется. Изменять мы будем только скорость.

После запуска акселерометра и его проверки, необходимо установить все на ProtoBoard (можно использовать монтажную плату, на которую напаять рельсы для установки на Arduino. Можно пойти по более элегантному пути и приобрести Proto Shield). Не стоит припаивать транзистор на плату для прототипирования. Лучше использовать для него сокет с контактами, чтобы вы могли его в любой момент заменить.

В нашем случае мы припаяли акселерометр к плате и только после этого провели калибровку. Но практика показывает, что это не совсем правильно. Для увеличения точности показаний гироскопа/акселерометра, его лучше сначала откалибровать на ровной поверхности и только потом припаять.

Шаг 6: Соединяем ESC и ресивер с контроллером полёта

*** Не соединяйте BEC-провод ESC (5 вольт), соединяйте лишь сигнальный провод
*** Запитывайте ресивер от 5вольтового источника Ардуино

• Цифровой пин-4 к ESC1 (правый передний CCW)
• Цифровой пин-5 к ESC2 (правый задний CW)
• Цифровой пин-6 к ESC3 (левый задний CCW)
• Цифровой пин-7 к ESC4 (левый передний CW)

Соединение ресивера:

• Цифровой пин-8 к каналу 1 ресивера
• Цифровой пин-9 к каналу 2 ресивера
• Цифровой пин-10 к каналу 3 ресивера
• Цифровой пин-11 к каналу 4 ресивера

Русифицированную инструкцию мне найти не удалось, спасибо моему другу который перевел с английского на русский эту инструкцию для вас.

При подключении моторов, придется продлить провода, методом наращивания. Можно использовать любые подходящие провода, но желательно “силиконовые”. Это позволит им не трескаться при низкой температуре, если вы вдруг захотите запечатлеть на видео новогодний салют зимой.

Настроить и “обучить” квадрокоптер с помощью ПО

Итак мы собрали квадрокоптер с камерой своими руками, осталось обучить нашу машину правильно вести себя в полете. Для этого нужно ее “обучить”. Как это делается? Очень просто! Нужно загрузить прошивку на плату через usb. Найти эту прошивку можно на специализированном форуме или на нашем сайте. Когда выйдет статья с прошивкой, тут появится кликабельная ссылка на прошивку.

Если вы еще не умеете летать на квадрокоптере и хотите научиться, то специально для вас я напишу статью на эту тему. Ссылка появится здесь. Там я расскажу об особенностях управления квадрокоптером и на каком быстрее всего научиться летать как профессионал.

Что же касается второго этапа, то тут все просто нужно прикрепить камеру, которую вы сочтете подходящей для себя по цене и по качеству. В видео обзорах вы найдете подходящую камеру, если нет, то пишите в чат, что располагается в левом нижнем углу, другие пользователи вам подскажут.

В завершение этой статьи предлагаю вам посмотреть еще одно видео по сборке квадрокоптера с камерой своими руками.

Несколько советов новичкам

Решая заняться созданием квадрокоптера на Arduino, обратите внимание на следующие советы:

• Не усложняйте первую конструкцию, устанавливая экшен-камеру. Вашей задачей остается создание дрона, который сможет взлететь и уверенно держаться в воздухе, а не упасть на землю, сломавшись при первом полете. Если же последнее произойдет, то легко можно разбить экшен-камеру, а это большие расходы.
• Не гонитесь за большими масштабами, так как на первый раз достаточно создать небольшой рабочий Arduino дрон, над конструкцией которого можно будет дальше работать, совершенствуя и усложняя.
• Сократите до минимума количество дополнительных элементов и соединений, так как большое число датчиков и всевозможных контролеров не всегда повышает надежность дрона в полете. Значительно лучше создать базовую конструкцию и постепенно ее усложнять, добавляя новые функции и возможности. Это будет значительно разумней и позволит в будущем проектировать «специализированные» дроны.
• Если вы хотите изготовить квадрокоптер Arduino с камерой, то вам потребуется основание достаточно больших размеров, что снижает устойчивость всей конструкции.

В завершение обратим внимание, что программирование и создание квадрокоптера на базе Arduino – увлекательное, но достаточно сложное дело для новичков, поэтому не опускайте руки, если у вас не получается. Сделать на Arduino дрон вполне реально каждому и поможет в этом масса дополнительной информации и видео, которое вы легко найдете в интернете.