Etape 3: Comment faire un quadcopter
Voici les capteurs connectés à un microcontrôleur de prendre la décision sur la façon de commander les moteurs. Fonction autonome comment vous voulez qu’il soit, un ou plusieurs de ces capteurs sont utilisés en combinaison.
Dans cette section, je vais parler de ces composants essentiels quadcopter : cadre – la structure qui contient tous les composants ensemble. Ils doivent être conçus pour être solide mais aussi léger. Rotors – moteurs Brushless DC qui peuvent fournir l’orientation nécessaire pour propulser l’embarcation. Chaque rotor doit être contrôlé séparément par un variateur de vitesse. PropellerBattery – BrainRC la puissance SourceIMU – SensorsMicrocontroller – TransmitterOptionalBefore nous allons expliquer comment choisir chaque composant, nous pouvons jeter un oeil quelques quadcopters que les gens ont construit et les parties, ils ont utilisé pour avoir une idée approximative. Je n’a pas construire ces avions, donc je ne peux pas garantir leurs performances. Multicopter exemples Page image image est la structure qui contient tous les composants ensemble. Le cadre devrait être rigide et être en mesure de minimiser les vibrations provenant des moteurs.
Un cadre de QuadCopter se compose de deux ou trois pièces qui n’ont pas nécessairement à être du même matériau : la plaque centrale où l’électronique est mountedFour bras montés sur les supports de moteur plateFour Centre reliant les moteurs à la fin des armsMost des matériaux disponibles pour le cadre sont : FiberAluminiumWood de carbone, tels que le contreplaqué ou de MDF (panneaux de fibres de moyenne densité) en fibre de carbone est plus rigide et vibrations absorbante les trois matériaux mais aussi le plus cher. Les carrés rails creux en aluminium est le plus populaire pour les armes du QuadCopters en raison de son poids relativement léger, la rigidité et l’abordabilité. Cependant en aluminium pourrait subir des vibrations moteurs, comme l’effet d’amortissement n’est pas aussi bon que la fibre de carbone. En cas de problème de fortes vibrations, il pourrait gâcher lectures du capteur. Planche de bois tels que des plaques MDF pourrait être découpé pour les bras car ils permettent de mieux absorber les vibrations que l’aluminium. Malheureusement, le bois n’est pas un matériau très rigide et peut se casser facilement en cas d’accident quadcopter. Même si c’est pas aussi important que pour les bras qui des trois matières à utiliser pour la plaque centrale, contreplaqué est le plus souvent vu à cause de c’est le poids léger, facile à travailler et fonctionnalités absorbant de bonnes vibrations. En ce qui concerne la dépendance, le terme « distance de moteur au moteur » est parfois utilisé, ce qui signifie que la distance entre le centre d’un moteur à celui d’un autre moteur du même bras dans la terminologie QuadCopter.
La distance des automobiles à moteur dépend habituellement le diamètre des hélices. Pour faire vous avez suffisamment d’espace entre les hélices et ils ne se font prendre par l’autre. Un peu de fond de moteur Brushless des moteurs brushless. Ils ressemblent un peu à un moteur DC de la manière que les bobines et les aimants sont utilisées pour entraîner l’arbre. Bien que les moteurs brushless n’ont pas une brosse sur l’arbre qui prend en charge la direction de puissance de commutation dans les bobines, et c’est pourquoi ils sont appelés brushless. Au lieu de cela, les moteurs brushless ont trois bobines à l’intérieur (Centre) du moteur, qui est fixé sur le montage.
Sur le côté extérieur, elle contient un certain nombre d’aimants montés sur un cylindre qui est attaché à l’axe de rotation. Ainsi les bobines sont fixes qui signifie fils peuvent aller directement à eux et à cet effet il n’y a pas besoin d’une brosse.
Généralement les moteurs brushless tournent à une vitesse beaucoup plus élevée et consomment moins d’énergie à la même vitesse que les moteurs à courant continu. Aussi moteurs brushless ne perdent de la puissance dans la brosse-transition comme le font les moteurs DC, n’est plus économe en énergie. Moteurs brushless viennent dans beaucoup de variétés différentes, où la taille et la consommation de courant diffèrent. Lorsque vous sélectionnez votre moteur brushless, que vous devez prendre soin du poids, la taille, le type d’hélice vous allez utiliser, si tout correspond avec la consommation de courant. Lorsque vous cherchez les moteurs brushless, vous devriez remarquer les caractéristiques, en particulier le « Kv-rating ». La Kv-cote indique combien RPM (tours par minute) le moteur va faire si elle est fournie avec x-nombre de volts. Les RPM peuvent être calculés de cette façon : tr/min = Kv * U un moyen facile de calculer la cote du moteur dont vous avez besoin. Assurez-vous que vous achetez le tournant pour contrecarrer l’effet de couple des étançons. J’ai écrit un guide plus complet sur la façon de choisir le moteur et l’hélice. Hélices sur chacun des moteurs sans balais il y a monté une hélice. Vous ne pourriez pas avoir remarqué cela sur les photos, mais les 4 hélices sont en réalité pas identiques. Vous verrez que le front et les hélices arrière sont inclinés vers la droite, tandis que l’hélice gauche et droite est inclinés vers la gauche. Comme je l’ai mentionné avant, 2 hérissons tourne dans les sens opposé aux deux autres pour éviter la rotation du corps. En faisant l’hélice paires tournent dans chaque direction, mais aussi avoir en face de l’inclinaison, chacun d’eux apportera levage Poussée sans essorage dans le même sens. Cela rend possible pour le QuadCopter stabiliser la rotation de lacet, qui est la rotation autour de lui.
Les hélices viennent dans différents diamètres et hauteurs (inclinaison). Vous devrez décider lequel à utiliser selon la taille de votre cadre, et lorsque cette décision est prise, vous devriez choisir vos moteurs selon ce. Certains des tailles standard hélice utilisés pour QuadCopters sont : EPP1045 10 diamètre et 4,5/pas c’est le plus populaire, bon pour moyennes quadsAPC 1047 10 diamètre et hauteur 4,7 très semblable à l’un aboveEPP0845 diamètres 8 et 4,5 pas régulièrement utilisés dans le plus petit diamètre 12 quadsEPP1245 et terrain de 4,5 servant de plus gros Quad qui nécessite beaucoup de thrustEPP0938 diamètre 9 et 3,8 terrain utilisé en quadsAerodynamics plus petite est tout simplement trop complexe pour les amateurs de non-universitaires. Il est même peu probable que nous pouvons expliquer tout ça de théorie en quelques mots. Mais en général lors de la sélection des hélices, vous pouvez toujours suivre ces règles : le plus grand diamètre et la hauteur la plus poussée de l’hélice peut générer. Elle exige aussi plus de puissance pour le conduire, mais il sera capable de soulever plus de poids. Lors de l’utilisation élevée des moteurs tr/min (tours par minute), vous devez aller pour les hélices plus petites ou moyennes. Lorsque vous utilisez faible RPM moteurs vous devriez aller chercher les hélices plus grandes que vous pouvez exécuter dans des problèmes avec les petits n’étant ne pas capable de soulever le quad à basse vitesse. Pour savoir quels sont les effets du type de matériau avez, sur les performances de vol, consultez ce post. Analyse du pas de l’hélice, diamètre et VS tr/min Diamètre : le diamètre signifie fondamentalement la zone pitch c’est surface utile. Donc avec le même diamètre, plus grande hélice à pas variable serait générer plus de Poussée et soulever plus de poids mais aussi consommer plus d’énergie. Un fichier RPM plus élevé de l’hélice vous donnera plus de vitesse et de maniabilité, mais elle est limitée au montant de poids, qu'il sera en mesure de lever pour une puissance donnée. En outre, la puissance absorbée (et en tournant la puissance requise) par le moteur augmente la surface équivalente de l’augmentation de l’hélice, donc un plus grand diamètre ou hauteur supérieure un va attirer plus de puissance à la même vitesse de rotation, mais va également produire beaucoup plus de Poussée, et il sera capable de soulever plus de poids. En choisissant une combinaison de l’hélice et le moteur équilibré, vous devez comprendre ce que vous voulez que votre quadcopter à faire. Si vous voulez voler autour de façon stable avec un objet lourd comme un appareil photo, vous utiliserez probablement un moteur qui gère moins révolutions mais peut fournir plus de couple et une plus longue ou plu hélice aigu (qui utilise plus de couple pour déplacer plus d’air afin de créer l’ascenseur). ESC-régulateur électronique de vitesse les moteurs brushless sont plusieurs étapes, normalement 3 phases, donc la fourniture directe de courant continu ne s’activera pas les moteurs. C’est où les contrôleurs électroniques de vitesse (ESC) entre en jeu. L’ESC générant trois hautes fréquences des signaux avec des phases différentes, mais contrôlables continuellement pour garder le moteur tournant. L’ESC peut également se procurer beaucoup de courant que les moteurs peuvent attirer beaucoup de puissance.
L’ESC est une carte de contrôleur de moteur peu coûteux qui a une batterie d’entrée et une phase trois sorties pour le moteur. Chaque ESC est commandé indépendamment par un signal PPM (similaire au PWM). La fréquence des signaux varient aussi beaucoup, mais pour un Quadcopter il est recommandé que le contrôleur devrait soutenir haut assez signal de fréquence, ainsi les vitesses du moteur peuvent être ajustés assez rapide pour une stabilité optimale (c'est-à-dire au moins 200 Hz ou encore meilleur signal de 300 Hz PPM). ESC peut également être commandé via I2C, mais ces contrôleurs sont beaucoup plus chers. Lorsque vous sélectionnez une ESC adapté, le facteur le plus important est la source de courante. Vous devez toujours choisir une ESC au moins 10 A ou plus dans l’approvisionnement actuel comme ce qui nécessitera votre moteur. Deuxième plus important facteur est les programmation installations, ce qui signifie dans certaines ESC, vous êtes autorisé à utiliser la gamme de fréquences de différents signaux autres que seulement entre 1 ms à 2 ms éventail, mais vous pouvez le remplacer tout ce que vous avez besoin. Ceci est particulièrement utile pour carte contrôleur personnalisé. Batterie comme pour la source d’alimentation de la quadcopter, je recommanderais accu LiPo car tout d’abord, il est léger, et deuxièmement sa cote actuelle répond à notre condition. NiMH est également possible. Ils sont moins chers, mais c’est aussi beaucoup plus lourd que l’accu LiPo.
Accu LiPo de tension de batterie se trouvent dans une seule cellule (3,7 v) à un pack de plus de 10 cellules connectées en série (37V). Un choix populaire de batterie pour un QuadCopter est les piles de 3SP1 qui signifie trois cellules connectées en série comme un parallèle, ce qui devrait nous donner 11.1V. Capacité de batterie comme pour la capacité de la batterie, vous devez faire quelques calculs sur : combien vos moteurs seront inspirera de la puissance ? Décider combien de temps temps de vol vous voulez ? Quelle influence le poids de la batterie devrait avoir sur le poids total ? Une bonne règle de base est que vous avec quatre hélices EPP1045 et quatre Kv = 1000 nominale moteur obtiendra le nombre de minutes de temps de vol plein gaz comme le même nombre d’ampères / heure dans votre capacité de la batterie. Cela signifie que si vous avez une batterie de 4000mAh, vous obtiendrez environ 4 minutes de temps de vol plein gaz mais avec un poids total de 1KG, vous obtiendrez environ 16 minutes de vol stationnaire. Taux de décharge batterie autre facteur important est le débit qui est spécifié par la valeur-C. La valeur C ainsi que la capacité de la batterie indique combien courant peut être tiré de la batterie. Courant maximal que peut provenir peut être calculée comme : MaxCurrent = DischargeRate x CapacityFor exemple, s’il y a une batterie qui a un débit de 30 ° C et une capacité de 2000 mAh. Grâce à la batterie, vous serez en mesure de se procurer un maximum de 30Cx2000mAh = 60 a. Donc dans ce cas Assurez-vous que la quantité totale de courant consommé par vos moteurs ne dépassera pas 60 a. Ce tutoriel sur la batterie que j’ai trouvé très instructif. J’ai fait un modèle mathématique pour estimer le temps de vol, ce qui pourrait être utile pour vous. IMU-mesure d’inertielle unité unité la mesure inertiel (IMU) est un dispositif de détection électronique qui mesure la vitesse, l’orientation et les forces gravitationnelles de la quadcopter. Ces mesures permettent le contrôle électronique pour calculer les changements dans les vitesses du moteur. L’UMI est une combinaison de l’accéléromètre 3 axes et un gyroscope à 3 axes, ensemble, ils représentent un IMU 6DDL. Parfois, il y a aussi un magnétomètre 3 axes supplémentaire pour une meilleure stabilité de lacet (en total 9DOF). Comment fonctionne IMU l’accéléromètre mesures accélération et aussi la force, alors la baisse gravité sera aussi sentie. Comme l’accéléromètre a trois capteurs de l’axe, nous pouvons travailler sur l’orientation de l’appareil.
Une vitesse angulaire de mesure gyroscope, en d’autres termes la vitesse de rotation autour de l’axe trois.
En utilisant seulement l’accéléromètre ? Avec l’accéléromètre seul, nous devrions être capables de mesurer l’orientation en ce qui concerne la surface de la terre. Mais l’accéléromètre a tendance à être très sensible et instable parfois, lorsque les vibrations moteur sont mauvaises, il pourrait gâcher l’orientation. C’est pourquoi nous utilisons un gyroscope pour régler ce problème. Avec l’accéléromètre et gyroscope lectures, nous sommes maintenant en mesure de faire la distinction entre le mouvement et la vibration. En utilisant seulement le Gyroscope ? Étant donné que le gyroscope peut nous dire le mouvement de rotation, pourquoi ne pouvons nous pas simplement utiliser le gyroscope seul ? Le gyroscope a tendance à dériver beaucoup, ce qui signifie que si vous commencez à tourner le capteur, le gyroscope va afficher la vitesse angulaire, mais lorsque vous arrêtez il n’est pas nécessairement revenir en arrière à 0 deg/s. Si vous avez utilisé puis juste les lectures de gyroscope, vous obtiendrez une orientation qui continue à se déplacer lentement (amas), même lorsque vous avez cessé de tourner le capteur. C’est pourquoi les deux capteurs doit être utilisés ensemble pour calculer une orientation bonne et utile. Magnétomètre l’accéléromètre ne peut pas détecter la rotation comme il peut avec le roulis et du tangage de lacet, et par conséquent un magnétomètre est parfois utilisé. Un magnétomètre mesure les directions et la force du champ magnétique. Ce capteur magnétique peut être utilisé pour déterminer où est le sud et le Nord. Les emplacements de pôle servent ensuite une référence ainsi que la vitesse angulaire de lacet autour de gyroscope, pour calculer un angle de lacet stable. J’essaie de garder un minimum ici la théorie et les maths, et j’irai plus en détail dans les prochains tutoriels. Acheter un IMU ces trois capteurs sont disponibles individuellement sur le marché. Mais il est plus facile pour le développement à obtenir un Conseil de capteur IMU avec les deux premiers capteurs (6DDL) ou les trois capteurs (9DOF).
Les planches brutes du capteur peuvent communiquer avec le microcontrôleur via I2C ou analogique. Cartes numériques que support I2C est plus facile et plus rapide pour le développement, mais analogiques sont moins chers. Il y a des unités IMU même complètes avec processeur disponible. Le processeur est généralement un petit microprocesseur 8-bits qui s’exécute les calculs une sorte d’algorithmes pour travailler les Pitch, roulis et lacet. Les données calculées puis on mettra dehors sur un bus série ou parfois également disponible par I2C ou SPI. Le choix de l’IMU va affiner quel type de carte contrôleur, vous pouvez utiliser. Donc avant d’acheter un conseils IMU, vous devriez trouver des informations sur les cartes contrôleurs. Certaines cartes contrôleur vient même avec capteurs intégrés. Certains conseils de capteurs IMU disponibles dans le commerce :
Sparkfun 9DOF stickSparkfun 6DDL combo boardFreeIMUIMU avec processeur : Sparkfun 9DOF RazorMongoose 9DOF (10DOF) ArduIMUFlight contrôleur – contrôle électronique, vous pouvez soit acheter une carte de contrôleur qui est spécialement conçue pour quadcopter ou acheter toutes les pièces et assembler vous-même. Certains d'entre les cartes contrôleurs contiennent déjà les capteurs nécessaires tandis que l’autre vous oblige à acheter ces sur un panneau séparé. Voici une liste complète de prêt à partir de cartes de contrôleurs de vol : http://robot-kingdom.com/best-flight-controller-for-quadcopter-and-multicopter/ The AeroQuad MEGA bouclier AeroQuad The board est un bouclier pour l’Arduino, l’Arduino UNO ou l’Arduino MEGA. Le Conseil de AeroQuad exige le bâton de 9DOF de Sparkfun qui est soudé au bouclier. Le jury de ArduPilot contient un ATMEGA328, les mêmes que sur l’Arduino UNO. Comme le bouclier AeroQuad ce forum ne contient pas tous les capteurs non plus. Vous devrez acheter le ArduIMU et connectez-le au Conseil d’administration de l’utiliser. Le OpenPilot est une planche plus avancée contient un processeur ARM Cortex-M3 de 72MHz, le STM32. Le Conseil comprend également un accéléromètre 3 axes et un gyroscope à 3 axes. En collaboration avec la Commission vient un grand morceau de logiciel pour le PC calibrer, régler et surtout définir des waypoints pour votre QuadCopter si vous avez installé un module GPS qui je parlera plus sujet dans la section suivante. Assurez-vous vous propre Quadcopter Controller Board alternativement vous pouvez également utiliser le microcontrôleur polyvalents, tels que l’Arduino, construire votre propre contrôleur de vol. QuadCopters émetteur RC peut être programmé et contrôlé de différentes manières, mais les plus courantes sont par émetteur RC soit taux (acrobatique) ou en mode Stable. La différence est la façon dont la carte contrôleur interprète la rétroaction d’orientations avec vos manettes de jeu émetteur RC. En mode fréquence seulement le Gyroscope valeurs sont utilisées pour contrôler la quadcopter. Les manettes de jeu sur votre émetteur RC sont ensuite utilisés pour contrôler et régler la vitesse de rotation souhaitée de 3 axes, mais si vous relâchez les manettes de jeu il ne pas automatiquement ré-équilibre. Ceci est utile lorsque faisant des acrobaties avec votre quadcopter que vous pouvez incliner un peu vers la droite, libérer vos manettes de jeu, et puis votre quadcopter qui gardera la valeur position. Pour les débutants le taux mode pourrait être trop difficile, et vous devriez commencer avec le mode Stable. Tous les capteurs sont utilisés pour déterminer l’orientation de quadcopters en mode stable. Ajustera automatiquement la vitesse des moteurs à 4 et constamment pour garder le quadcopter équilibré. Vous contrôlez et changez l’angle de la quadcopter avec n’importe quel axe à l’aide de la manette. Par exemple, pour aller de l’avant, que vous pouvez incliner tout simplement l’un des manettes de jeu pour changer l’angle de tangage de la quadcopter. Lorsqu’on relâche la manette, l’angle sera réinitialisé et le quadcopter sera à nouveau équilibré. Cliquez ici pour un article plus détaillé d’émetteur RC.
Composants optionnels après avoir acheté toutes les pièces nécessaires et vous êtes toujours pas cassé, vous pouvez envisager d’autres composants facultatifs populaires tels que les modules GPS, capteurs à ultrasons, baromètres, etc.. Ils peuvent améliorer les performances de votre quadcopter et apporter plus de fonctionnalités. Un module GPS s’entretient avec les informations de localisation précise par satellite et de récupérer. Nous pouvons utiliser cette information pour calculer la vitesse et trajectoire. Il est particulièrement utile pour quadcopters autonome qui a besoin de connaître sa position exacte et de quelle manière de voler. Un capteur à ultrasons mesure la distance à la terre, c'est-à-dire d’altitude. Ceci est utile si vous voulez garder votre quadcopter une certaine distance du sol sans avoir à régler la hauteur c’est volant à constamment vous-même. La plupart de ces capteurs a une fourchette comprise entre 20cm à 7m. Quand vous devient plus élevé, vous pourriez vouloir utiliser un baromètre. Ce capteur mesure l’humidité et la pression à l’altitude, lorsque le quadcopter est près du sol (où ces deux facteurs ne change pas beaucoup), il devient inefficace. Par conséquent, il est également courant d’utiliser les deux en même temps.
