Schémas d'assemblage du quadricoptère. Quadcopter (drone) DIY à partir de modules Contrôleur de vol AIOP V2.0 ALL IN ONE PRO Flight Controller

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Electronique quadricoptère

Voici un exemple de quadricoptère fabriqué à partir de tuyaux en plastique équipé d'électronique :

4 moteurs D2822/14 1450kv
4 contrôleurs - Turnigy Multistar 30 Amp Multi-rotor ESC 2-4S sans balais
Les vis sont comme ça et comme ça, les dernières sont à droite.
Connecteur - 3,5 mm est un répartiteur de puissance pour les régulateurs Multistar (XT60 à 4 X 3,5 mm)
Le cerveau du quadricoptère est MultiWii NanoWii ATmega32U4, bien qu'il soit un peu plus cher que d'autres, il permet de se connecter à un ordinateur via USB.
Batterie - Nano-Tech 2200 30C
Le chargeur est HobbyKing Variable 6S 50W 5A, pas cher et fonctionne très bien.

Vous aurez également besoin d'un émetteur avec un récepteur pour contrôler le quadricoptère, je le recommande ou, en fait, cela fera même l'affaire - tout dépend de votre envie et de vos capacités financières.

Le tableau de commande du quadricoptère est son cerveau ; vous pouvez également en choisir un moins cher, par exemple celui-ci, cependant, vous ne devriez pas courir après le bon marché là où se trouve le « cœur du vol ».

Cela vaut la peine de prendre des régulateurs optimisés pour les quadriques, vous pouvez surfer sur les forums et trouver ceux qui peuvent être reflashésés et pour lesquels il existe un firmware multicoptère prêt à l'emploi, mais moi, par exemple, je ne suis pas prêt à m'occuper des régulateurs reflashés - voilà devra utiliser un micro-fer à souder afin de connecter les fils du programmateur à la puce du contrôleur de vitesse du moteur sans balais.

Vous aurez également besoin d'un programmeur pour les cerveaux du quadricoptère - nous sélectionnons ici celui qui prend en charge la programmation des cerveaux sélectionnés. Cependant, le MultiWii NanoWii ATmega32U4 spécifié dispose d'un port USB et vous pouvez réduire les coûts sur le programmeur.

Les appareils électroniques sont protégés en les mettant dans une boîte - l'option la plus simple consiste à utiliser un boîtier CD/DVD, comme sur la photo ci-dessus. Vous pouvez également utiliser des boîtes alimentaires : elles sont disponibles en différentes tailles, du très petit au très grand. L'essentiel est de placer le couvercle sous la carte électronique du quadricoptère et de fermer le boîtier lui-même par-dessus.

Elle est définie dès la conception du dispositif et est développée en tenant compte de l'environnement de vol, du terrain, des exigences et des tâches auxquelles le drone est confronté. Pour les quadricoptères professionnels, le circuit aura une configuration, pour les amateurs ce sera plus simple. Les exigences en matière de précision d’assemblage et de dimensions des pièces sont très élevées. De petites erreurs de calcul peuvent compliquer considérablement le contrôle de l'équipement et réduire les caractéristiques tactiques et techniques du vol. Les spécialistes d'ARMAIR vous expliqueront dans cet article à quoi il faut prêter attention lors de la conception de ce type d'équipement prometteur.

Par où devriez-vous commencer à développer un diagramme ?

• Déterminer les buts et objectifs auxquels est confronté l'appareil.
• Calculez les charges utiles et la configuration de l'hélicoptère.
• Définissez les paramètres préliminaires pour la vitesse, l’altitude et la plage de vol.
• Tenez compte des environnements dans lesquels le quadricoptère volera (dans des conditions de pluie, de températures négatives, de températures élevées, de fortes rafales de vent, etc.).

À quelles pièces de conception devez-vous faire attention lors de l'assemblage d'un quadricoptère ?

• Corps d'hélicoptère. Ses dimensions, son matériau, ses caractéristiques de résistance aux chocs. La fibre de carbone est utilisée pour produire les coques. Des erreurs de calcul dans la conception du corps de l'appareil, même de 1 à 3 millimètres, peuvent conduire au fait que l'hélicoptère peut s'effondrer en vol, recevoir un roulis constant et perdre l'équilibre.
• Circuit de contrôle d'hélicoptère, ou plus précisément, microcircuits de drone. Lors de la conception et de la création de copters simples et légers, la célèbre plate-forme Arduino est utilisée. Lors du développement d'hélicoptères professionnels, des cartes, des microcircuits et des contrôleurs des fabricants sont utilisés. Les paramètres et caractéristiques de la microélectronique sont souvent un secret commercial.
• Vous devez également choisir les bons systèmes de moteur, systèmes de contrôle de vitesse et connecteurs. La taille des lames joue également un rôle important. S'il existe un moteur puissant, mais que la taille des pales est petite, le moteur tournera au ralenti à 30 % ou plus, gaspillant sa puissance en vain.
• Systèmes de radiocommande, recevant les signaux GPS des satellites. En règle générale, ces systèmes sont déjà installés sur les cartes ; il suffit de les configurer via le système d'exploitation du copter. Presque toutes les cartes fonctionnent avec GPS et Glonas.
• Le bloc-batterie utilise généralement des batteries au lithium de puissance et de capacité variables. Pour les gros hélicoptères, il est possible d'installer des packs de gaz et des moteurs à essence.
• Moteurs.
• Accéléromètres (gyroscopes), il existe différentes cartes pour cela, l'une d'elles est la MPU-6050.

ECS – régulateur de vitesse électronique (contrôleur de régime moteur)

Moteurs sans balais sont multiphasés (généralement triphasés), vous ne pouvez donc pas les démarrer en les connectant simplement à une source CC. Pour cela, des EX spécialisés sont utilisés (mais pas ceux réalisés par les révolutionnaires), mais des EX beaucoup plus avancés technologiquement et miniatures. Les EX génèrent une série (en fonction du nombre de phases) de signaux haute fréquence, qui font tourner l'arbre du moteur. En fonction de la consommation du moteur, l'ECS doit avoir une capacité de courant appropriée.

Essentiellement, l'ECS est un contrôleur de puissance qui convertit le courant de la source d'alimentation en courant triphasé pour alimenter les moteurs sans balais du quadricoptère. Chaque stimulateur cardiaque est contrôlé séparément PPM - signaux, similaire PWM – modulation.

NOTE DU TRADUCTEUR : PPM (modulation d'impulsion-position, russe : phase - modulation d'impulsion)- une méthode courante de codage des signaux transmis à distance dans les systèmes de communication avec de faibles exigences d'immunité au bruit.

Méthode ppm est une séquence d’impulsions de durée constante espacées sur différentes périodes de temps. La taille des périodes entre les signaux spécifie les valeurs codées. Les groupes d'impulsions sont combinés en ce qu'on appelle des trames (paquets).

PWM-modulation (Impulsion-largeurmodulation, russe : Modulation de largeur d'impulsion, russe. familier : PWM) est une méthode de contrôle de la tension moyenne aux bornes de la charge en modifiant le rapport cyclique (rapport entre la fréquence de répétition et la durée) des impulsions. Ainsi, plus les signaux sont longs, plus le consommateur reçoit de tension.

La fréquence des signaux peut varier considérablement, notamment dans un système complexe tel qu'un quadricoptère. Pour assurer le nombre de tours moteur requis (et donc la stabilité de vol de notre appareil), le système de contrôle doit être capable de traiter les commandes du capteur avec une fréquence allant jusqu'à 200-300 hertz, c'est-à-dire de modifier le rapport cyclique des impulsions sur chaque moteur jusqu'à 300 fois par minute. Certains modèles ECS peuvent être contrôlés via un système de contrôle I2C, mais leur prix reste déraisonnablement élevé.

NOTE DU TRADUCTEUR : I2C Circuit Inter-Intégré) bus de données série pour la communication par circuits intégrés, utilisant SDA et SCL (lignes de communication bidirectionnelles). Utilisé pour connecter des périphériques basse vitesse aux modules de contrôle. Largement utilisé pour contrôler les appareils basés sur un microcontrôleur.

L'un des critères les plus importants lors du choix d'un ECS est la quantité de courant pouvant être commutée sur le consommateur, dans notre cas, le moteur. L'auteur recommande d'utiliser des ECS, capables de commuter un courant d'au moins 10 ampères et, dans le cas de l'utilisation de moteurs puissants, d'au moins leur consommation maximale. Le deuxième facteur le plus important est la compatibilité logicielle des contrôleurs avec la carte de contrôle. Cela signifie que certains modèles EX permettent l'utilisation de timings de contrôle (périodes de temps) qui vont au-delà de la plage de modélisation standard de 1 à 2 ms. Cela offre des opportunités supplémentaires pour le développement indépendant de modules de contrôle quadricoptère.

Alimentation

L'auteur recommande les batteries LiPo (lithium polymère) pour alimenter les systèmes quadricoptères pour deux raisons. Premièrement, ils sont plus légers et deuxièmement, ils ont un courant de retour parfaitement adapté à nos projets. Il est possible d'utiliser des batteries NiMH (nickel métal hydrure), mais elles sont nettement plus lourdes, bien que moins chères.

Tension

Les alimentations LiPo sont fournies à la fois sous forme d'éléments individuels avec une tension de sortie standard de 3,7 Volts et sous forme de batteries de plus de 10 éléments individuels avec une tension de 37 Volts et plus. Un choix populaire pour les fans d'hélicoptères quad sont ce qu'on appelle. 3SP1 – batteries, c'est-à-dire trois éléments connectés en série avec une tension de sortie totale de 11,1 Volts.

Capacité d'alimentation

Pour sélectionner la capacité de la batterie, vous devez prendre en compte les aspects suivants :

• Quelle est la consommation de vos moteurs ?
• Quels horaires de vol vous intéressent ?
• Quel effet le poids de la batterie aura-t-il sur le poids structurel global de l'appareil ?

Il est considéré comme de bonne forme si votre quadricoptère, doté de 4 rotors principaux modèle EPP1045 et de quatre moteurs d'une puissance nominale de 1 000 Kv, à pleine puissance du moteur, reste en l'air pendant un nombre de minutes égal à la capacité de l'alimentation électrique de l'appareil en ampères. /Heures. Autrement dit, avec une capacité de batterie quadricoptère de 4 000 mAh, en mode pleine puissance du moteur, l'appareil doit rester dans les airs pendant 4 minutes avec un poids utile de 1 kg. En tenant compte de la consommation de la batterie, cela donne 16 minutes de vol stationnaire.

Niveau de décharge de la batterie

Un autre facteur important est le degré de décharge C. Avec la capacité de la batterie, cette variable détermine le courant maximum pouvant être tiré de la source d'alimentation. Le courant de sortie maximum de l'alimentation est calculé à l'aide de la formule suivante : Mto = capacité de la batterie x degré de décharge.

Exemple : la batterie a un niveau de décharge de 30 AVEC et capacité de 2000 mAh. Le courant de décharge maximum que vous pouvez obtenir de la batterie spécifiée selon la formule ci-dessus est de 60 Ampère. Ainsi, lors de la conception, vous devez tenir compte du fait que la consommation de courant maximale de tous les systèmes de votre quadricoptère ne doit pas dépasser 60 Ampère.

IIK – complexe de mesure inertielle

L'IIC est généralement une combinaison d'un accéléromètre à 3 axes avec un module gyroscopique à 3 axes, formant un système de capteurs à 6 DOF. Pour augmenter la stabilité directionnelle, ce système est parfois complété par un magnétomètre à 3 axes, grâce auquel le système reçoit un total de 9 degrés de liberté.

NOTE DU TRADUCTEUR : Un magnétomètre (boussole numérique) est nécessaire pour s'orienter vers les directions cardinales afin de savoir où aller, de quel côté de notre appareil se trouve le nord.

Principe de fonctionnement de l'IIC

Un accéléromètre (capteur d'accélération) est conçu pour mesurer la différence entre l'accélération de l'appareil et la composante gravitationnelle. Puisque l'accéléromètre possède trois axes de mesure, nous pouvons l'utiliser pour déterminer l'orientation actuelle de notre quadricoptère.

Le capteur gyroscopique est utilisé pour mesurer la vitesse angulaire, c'est-à-dire la vitesse à laquelle le quadricoptère tourne autour de chacun de ses trois axes.

Que se passe-t-il si nous utilisons uniquement des accéléromètres dans la conception ?

Si nous utilisons exclusivement des capteurs d'accélération dans notre quadricoptère, nous pourrons déterminer l'orientation de l'appareil par rapport à la surface de la terre. Cependant, l'accéléromètre est un capteur très sensible et parfois imprécis, et en raison des vibrations des moteurs, il peut donner des lectures incorrectes. Bien entendu, cela entraînera une perte d’orientation. Pour résoudre ce problème, des capteurs gyroscopiques sont utilisés. Grâce au traitement des lectures du capteur d'accélération et des gyroscopes, nous pouvons prendre en compte les interférences vibratoires lors de la détermination de la position réelle.

Capteur inertiel

Que se passe-t-il si nous utilisons uniquement des gyroscopes dans la conception ?

Si capteur gyroscopique nous fournit des informations sur les rotations de l'appareil, pourquoi ne pas les utiliser uniquement dans la conception ?

Gyroscopes ont tendance à accumuler des erreurs de taux de change. Cela conduit au fait que pendant la rotation, le capteur gyroscopique affiche avec précision la vitesse angulaire, mais après l'arrêt, il ne remet pas nécessairement ses lectures à zéro. Ainsi, lorsque vous utilisez exclusivement des capteurs gyroscopiques, vous remarquerez rapidement que leurs lectures changent lentement (dérive) même après l'arrêt de la rotation. Par conséquent, pour orienter avec précision votre quadricoptère dans l’espace, vous devez utiliser deux types de capteurs.

L'accéléromètre ne peut pas détecter le lacet ainsi que les changements d'angles de roulis et de tangage. A cet effet, un magnétomètre est parfois introduit dans la conception des quadricoptères.

Un magnétomètre mesure la direction et l'ampleur d'un champ magnétique. Il est capable de déterminer la direction de déplacement de notre appareil et la direction vers les pôles Nord et Sud. L'angle de déviation par rapport à la direction vers le pôle magnétique terrestre, en tenant compte des vitesses angulaires des virages le long de l'horizon obtenues à partir du capteur gyroscopique, est utilisé pour calculer l'angle de cap stable.

Sélection d'IIC

Malgré le fait que les trois types de capteurs soient disponibles sur le marché, l'auteur recommande d'acheter des ensembles spécialisés dans lesquels des capteurs à 6 voire 9 degrés de liberté sont assemblés sur une seule carte.

La carte capteur transmet les lectures à l'unité centrale de calcul via I2C ou analogique. Les systèmes de transmission de données numériques sont plus pratiques pour le développeur et le concepteur, mais ils sont beaucoup plus chers que les systèmes analogiques.

Même des systèmes IIC complets sont vendus, qui comprennent une unité informatique distincte. Généralement, il est contrôlé par un microcontrôleur 8 bits programmé pour traiter les capteurs de lacet, de roulis et de tangage. Les résultats des calculs sont transmis au processeur central sous forme analogique ou via I2C.

Le choix de l'IIC détermine directement l'unité de calcul. Que vous pouvez utiliser. Ainsi, lors de l'achat d'un IIC, lisez les instructions de votre système de contrôle. Certains modules informatiques centraux disposent de capteurs intégrés.

Voici des exemples d’IIC pouvant être achetés en ligne :

Et voici l'IIC avec un système de traitement des lectures des capteurs :

Système de contrôle de vol (module informatique central)

En train de créer un quadricoptère vous pouvez acheter un contrôleur spécialisé ou l'assembler vous-même à partir de composants individuels. Certains de ces contrôleurs sont même équipés de capteurs intégrés, tandis que d'autres nécessitent l'achat de cartes de capteurs spéciales.

AéroQuadMÉGABouclierLeAéroQuad La carte est une carte d'extension pour microcontrôleurs basée sur Arduino, et nécessite des frais supplémentaires Sparkfun 9DOF, qui est également vendue au format carte d'extension (shield).

Payer ArduPilot, ainsi que, est construit sur le microcontrôleur ATMEGA328. Comme l'AeroQuad, ce module n'est pas livré avec ses propres capteurs et vous devrez acheter une carte d'extension ArduIMU pour découvrir le plaisir de voler.

Ordinateur numérique Pilote Ouvert– un système de contrôle de quadricoptère encore plus avancé, construit sur un processeur ARM Cortex-M3 avec une fréquence d'horloge de 72 mégahertz. La carte dispose d'un accéléromètre et d'un capteur gyroscopique intégrés. Par ailleurs, il convient de noter le logiciel fourni avec la carte. Il vous permet de calibrer les capteurs et, si vous disposez d'un module GPS, de définir des waypoints pour le vol de votre quadricoptère.

Module informatique central DIY

L'auteur affirme qu'avec certaines compétences et mains directes,tout passionné peut fabriquer un ordinateur numérique quadricoptère de ses propres mains. Par exemple, en utilisant un microcontrôleur Arduino. Dans le même temps, l’auteur promet de fournir ces compétences précieuses à l’avenir.

Système de radiocommande

Les quadricoptères peuvent être contrôlés de différentes manières, mais la plus courante est la radiocommande, en modes Tempo (voltige) et Auto-stabilisation. La différence réside dans la manière dont le système de contrôle du quadricoptère interprète la position actuelle de l'appareil et les commandes reçues du panneau de commande.

En mode voltige, seules les lectures du capteur gyroscopique sont utilisées pour contrôler le quadricoptère. Le panneau de commande est utilisé pour contrôler la poussée et le roulis du moteur dans les trois axes. Cependant, si vous abandonnez le contrôle du quadricoptère, sa stabilisation horizontale automatique ne sera pas effectuée. Cette fonctionnalité est utile en voltige pour effectuer un léger virage du quadricoptère, après quoi il n'effectuera pas de manœuvre de compensation automatique.

Bien entendu, le mode voltige pour débutants peut s'avérer inutilement compliqué, et l'auteur recommande de commencer par le mode Autostabilisation. Pour maintenir l'orientation du quadricoptère dans ce mode, tous les capteurs disponibles sont utilisés. Pour maintenir l'équilibre, la poussée de chaque moteur sera contrôlée en permanence et symétriquement. Vous contrôlerez la trajectoire et le mouvement du quadricoptère le long de n'importe quel axe à l'aide des joysticks du panneau de commande. Par exemple, pour avancer, il suffit d’avancer un des joysticks pour changer l’angle de tangage. Une fois le joystick revenu à la position zéro, le quadricoptère redressera automatiquement son roulis et se stabilisera par rapport au sol.

Composants supplémentaires

Après avoir acheté toutes les pièces nécessaires, avoir un quadricoptère encore en vie et avoir envie de continuer ce non-sens, vous pouvez essayer d'utiliser des composants supplémentaires, tels qu'un module GPS, un capteur à ultrasons, un baromètre, etc. Tout cela peut améliorer les performances de vol et la facilité de vol. utilisation de votre quadricoptère

GPS Grâce aux satellites, il fournit des informations précises sur l'emplacement de votre quadricoptère. Ces informations peuvent être utilisées pour calculer la distance parcourue et déterminer l’itinéraire du voyage. Cette fonction peut être particulièrement utile pour les quadricoptères entièrement autonomes, qui doivent prendre en compte la position actuelle pour sélectionner la direction suivante du mouvement.

Le capteur à ultrasons mesure la distance au sol, c'est-à-dire l'altitude de vol actuelle. Ceci est très utile lorsque vous volez à une altitude prédéterminée sans contrôle du pilote. En règle générale, les capteurs à ultrasons fonctionnent dans une plage de distances allant de 20 cm à 7 mètres.

NOTE DU TRADUCTEUR : Des capteurs de distance laser (LIDAR) sont également utilisés, dont les plus accessibles fonctionnent dans la plage de 3 cm à 5 mètres.

Si vous décidez de monter plus haut, vous avez besoin d'un baromètre. Ce capteur mesure l'humidité et la pression atmosphérique en fonction de l'altitude de vol. Si le quadricoptère se trouve à basse altitude, près du sol (où le changement de ces facteurs n'est pas si prononcé), le baromètre perd de son efficacité.

Conclusion

L'auteur espère que la lecture de son article aidera les lecteurs à déterminer le but et les caractéristiques de fonctionnement de chaque partie du quadricoptère et les aidera à sélectionner les composants nécessaires à sa construction.