ساخت کوادکوپتر با آردوینو (آموزش کامل و فلایت کنترل)

اگر دوست دارید یک کوادکوپتر بسیازید اما نمیدانید از کجا شروع کنید، این مقاله مناسب شما است. ساخت کوادکوپتر بسیار دشوار و وقت گیر است اما در این آموزش ما به صورت مرحله به مرحله نحوه ساخت یک کوادکوپتر با برد آردوینو را توضیح میدهیم.

ساخت کوادکوپتر در خانه کاری طولانی است. بنابراین اگر صبر و شکیبایی ندارید، از کیت های آماده استفاده کنید. اما اگر بر طبق این آموزش خودتان به طور کامل یک کوادکوپتر حرفه ای را بسازید، احساس رضایت بسیار زیادی را بدست می آورید. در فیلم زیر یک نمونه کوادکوپتر ساخته شده با آردوینو را مشاهده میکنید.

در اینجا ما بر روی ساخت یک کوادکوپتر تمرکز میکنیم. بنابراین اگر میخواهید بدانید یک کوادکوپتر چیست و چطور کار میکند، در ابتدا حتما مقاله کواد کوپتر چیست را بخوانید.

قطعات مورد نیاز برای ساخت کوادکوپتر با آردوینو

در این قسمت توضیحاتی کوتاه راجع به قطعاتی که برای این کوادکوپتر نیاز داریم را بررسی میکنیم.

• فریم: فریم یا قاب همان ستون فقرات کوادکوپتر است! فریم تمام قسمت های کوادکوپتر ما را در کنار هم نگه میدارد. فریم باید سبک باشد اما از استحکام مناسبی نیز برخوردار باشد. تمام موتور ها، باتری ها و … بر روی فریم سوار میشوند.
• موتور: موتور ها هوا را با سرعت بالا منتقل میکنند که باعث میشود کوادکوپتر حرکت کند. هر کدام از موتور ها توسط یک ESC یا همان کنترل کننده سرعت، کنترل میشوند. در کوادکوپتر ها از موتور براشلس استفاده میشود.
• ESC: کنترل کننده سرعت الکترونیکی، مانند عصب در بدن ما عمل میکند. ESC ها میزان برق موتور ها را تعیین میکند که باعث تعیین جهت  سرعت حرکت کوادکوپتر میشود.
• ملخ: بسته به نوع کواد کوپتری که می سازید، می توانید از ملخ های 9 تا 10 یا 11 اینچی (برای پروازهای ثابت و عکاسی هوایی) استفاده کنید. حتی میتوانید از ملخ های 5 اینچی نیز برای کاربرد های ساده استفاده کنید.
• باتری: بسته به میزان ولتاژ مورد نیاز، میتوانید از باتری های 2S ، 3S ، 4S یا حتی 5S استفاده کنید. اما برای استاندارد شما از باتری 3S 11.4V میتوانید استفاده کنید. اگر سرعت بالا میخواهید میتوانید از باتری های 4S استفاده کنید.
• برد آردوینو: از برد آردوینو به عنوان مغز این پروژه استفاده میشود. در مورد انتخاب برد مناسب در ادامه صحبت خواهیم کرد.
• IMU: بردی است که به کمک سنسور های روی آن به کوادکوپتر شما کمک میکند.
• کنترلر RC: دسته کنترل کننده است که برای کنترل کردن کوادکوپتر استفاده میشود.

1. فریم کوادکوپتر

برای قسمت فریم، شما میتوانید خودتان این فریم را بسازید یا از فریم های آماده استفاده کنید. توجه داشته باشید که فریم شما باید دارای قسمت های نصب وسایل الکتریکی، چهار بازو برای قرار دادن ملخ ها و چهار محل برای نصب موتور ها باشد.

این قاب می تواند از آلومینیوم ، الیاف کربن یا چوب ساخته شود اما ماده ای که بیشتر برای بازوها استفاده می شود آلومینیوم است. آنها نسبتاً سبک ، سفت و سخت و ارزان هستند. اما میتوانند باعث ایجاد خطا در سنسور ها شوند.

فیبر کربن خیلی بهتر لرزش موتور ها را جذب میکند و سفت و سخت تر است. اما از همه انواع فریم ها گرانترین نیز هست. فیبر کربن گزینه برتر است ، اما این خیلی به بودجه شخصی شما بستگی دارد.

تخته های چوبی لرزش موتور را به خوبی جذب میکنند اما به راحتی میشکنند.

2. موتور براشلس برای کواد کوپتر

موتور های براشلس تقریبا شبیه به موتور های DC معمولی هستند. اما دارای ویژگی های خاصی هستند که استفاده از آن ها را برای کوادکوپتر ها بسیار مناسب میکند. جهت کسب اطلاعات بیشتر مقاله موتور براشلس را بخوانید. در این موتور ها میتوانید بدانید که با چه میزان برق، موتور چند دور در دقیقه میچرخد. همچنین موتور های مورد استفاده ما باید بتوانند هم در جهت عقربه های ساعت، و هم در خلاف جهت عقربه های ساعت بچرخند.

موتور براشلس ها نیروی مورد نیاز برای چرخش ملخ ها را ایجاد میکنند. همچنین مقاله کنترل موتور براشلس با آردوینو را مشاهده کنید.

3. ملخ های کوادکوپتر

ملخ های کوادکوپتر رانش مورد نیاز را ایجاد میکند. هر ملخ برای چرخش به یک موتور نیاز دارد. حتما توجه کنید که ملخ سبک و دارای استحکام کافی را خریداری کنید. ملخ ها (پروانه ها) در اندازه های مختلف موجود هستند و با توجه به پروژه خود میتوان نوع مناسب را انتخاب کنید.

ابتدا فریم را خریداری کنید و ملخ های مناسب با آن را انتخاب کنید. توجه داشته باشید هرچقدر قطر بیشتر باشد، ملخ رانش بیشتری ایجاد میکند و در نتیجه به برق بیشتری احتیاج دارد اما میتواند وزن بیشتری را بلند کند. برای موتور های دور بالا شما باید از ملخ های کوچک استفاده کنید. برای موتور های دور پایین شما به ملخ های بزرگتر نیاز دارید تا بتوانید با سرعت کمتر، کوادکوپتر را در هوا نگه دارید. اگر می خواهید یک کوادکوپتر قدرتمند برای بلند کردن تجهیزات فیلمبرداری و عکاسی بسازید، باید از موتوری با دور کمتر و گشتاور بیشتر و ملخ های بلندتر استفاده کنید.

4. ESC (كنترل كننده سرعت الکترونیکی)

دستگاهی که وظیفه کنترل سرعت موتورها را بر عهده دارد یک برد کنترل کننده ارزان قیمت است که فقط برای موتور ها استفاده می شود. هر ESC یک ورودی برای یک باتری دارد و دارای یک خروجی موتور با سه فاز است. هنگام خرید ESC، به سطح جریان الکتریکی خروجی آن توجه کنید. پیشنهاد میشود ESC را با حداقل جریان 10 آمپر خریداری کنید.

همچنین توجه کنید که ESC شما چه امکاناتی را دارد. بعضی از ESC ها به شما این امکان را میدهند که دامنه و فرکانس را با توجه به نیاز خود تنظیم کنید.

5. باتری

پیشنهاد همیشگی برای انتخاب باتری کوادکوپتر، لیتیوم پلمیر است. باتری های لیتیوم پلیمری سنگین نیستند و جریان خروجی بسیار مناسبی را ارائه میدهند. باتری های LiPo به صورت تک سلول 3.7 ولتی یا به صورت یکجا بسته بندی می شوند (حداکثر 10 سلول 37 ولت را تأمین می کنند). محبوب ترین نسخه در میان علاقه مندان به هواپیماهای بدون سرنشین باتری 3SP1 شناخته می شود که دارای سه سلول است و 11.1 ولت را فراهم می کند.

6. IMU (واحد اندازه گیری اولیه)

این واحد وظیفه اندازه گیری سرعت و نیروی گرانش چهارگانه را دارد. این امر به الکترونیک اجازه می دهد تا مقدار توان ارسال شده به موتور ها را کنترل کند تا سرعت موتور ها را تنظیم کند. این واحد مجهز به ژیروسکوپ 3 محوره و شتاب سنج 3 محوره است. این ترکیب به عنوان 6DOF IMU شناخته می شود.

ژیروسکوپ برای خواندن مقادیر سرعت زاویه ای وجود دارد و از شتاب سنج برای اندازه گیری شتاب و نیروی گرانش استفاده میشود.

7. فلایت کنترل با آردوینو

برای ساخت فلایت کنترل میتوانید از برد های آماده استفاده کنید که دقیقا برای کوادکوپتر ها ساخته شده اند. اما در این آموزش ما میخوایم فلایت کنترل را با آردوینو طراحی کنیم. با استفاده از برد آردوینو اونو و انتخاب قطعات مناسب، ما یک فلایت کنترل (کنترل کننده پرواز) حرفه ای برای کوادکوپتر خود طراحی میکنیم.

برنامه نویسی برد های آردوینو ساده است اما میتوانید انواع پروژه های مختلف را با آنها طراحی کنید. جهت کسب اطلاعات بیشتر، بخش آموزش آردوینو را مشاهده کنید.

8. کنترلر RC

متداول ترین روش برنامه نویسی و کنترل کوادکوپتر استفاده از فرستنده RC است. معمولاً می توانید حالت آکروباتیک (Acrobatic) یا پایدار (Stable) را انتخاب کنید. در حالت آکروباتیک، ژیروسکوپ مقادیر را به پردازشگر میفرستد، در این حالت جوی استیک ها فقط برای کنترل و تنظیم سرعت وجود دارند و اگر آنها را رها کنید، کوادکوپتر در حالت متعادل نگه داشته نمیشود. این حالت برای مبتدیان مناسب نیست زیرا کوادکوپتر به راحتی کج میشود و کنترل آن سخت است.

بنابراین اگر مبتدی هستید، از حالت پایدار استفاده کنید. در این حالت از سنسور ها برای متعادل سازی حرکت پهپاد استفاده میشود. امروزه سیستم های کنترل RC مختلفی وجود دارد ، مانند Futaba ، Spektrum ، Turnigy ، FlySky و …

مدار کوادکوپتر با آردوینو

این پیچیده ترین قسمت در مراحل ساخت کوادکوپتر با آردوینو است. لحیم کاری یک تکنیک بسیار خاص است، بنابراین حتماً این فرآیند را با دقت انجام دهید. در این قسمت به قطعات زیر نیاز داریم:

• آردوینو NANO یا UNO
• ماژول MPU-6050
• مقاومت 330 اهم
• LED
• ماژول بلوتوث HC-05
• برد سوراخدار
• سیم نازک

خرید ماژول بلوتوث اختیاری است.

تصویر زیر شماتیک اتصالات قسمت کنترل کوادکوپتر با آردوینو را نشان میدهد:

نحوه اتصال ESC ها:

• سیگنال پین ESC 1 – D3
• سیگنال پین ESC 3 – D9
• سیگنال پین ESC 2 – D10
• سیگنال پین ESC 4 – D11

نحوه اتصال ماژول بلوتوث:

• Tx – Rx
• Rx – Tx

نحوه اتصال MPU-6050:

• SDA – A4
• SCL – A5

نحوه اتصال LED:

• پایه آند LED – D8

نحوه اتصال گیرنده:

• Throttle  – 2
• Elerons – D4
• Ailerons – D5
• Rudder – D6
• AUX 1 – D7

پایه های GND مازول MPU-6050 ، ماژول بلوتوث ، گیرنده و ESC  را به پین GND آردوینو متصل کنید.

پروگرام فلایت کنترل در برد آردوینو

برای ساخت فلایت کنترل به برنامه نویسی توسط کامپیوتر / لپتاپ احتیاج داریم.  ابتدا باید فایل MultiWii 2.4 را بارگیری کنید. سپس آن را اکسترکت کنید.

وارد پوشه MultiWii شوید و به دنبال فایلی با نام MultiWii و فرمت .ino بگردید و آن را اجرا کنید.

بعد از اینکه آن را توسط نرم افزار Arduino IDE باز کردید، تب های زیادی مثل Alarms.cpp, Alarms.h, EEPROM.cpp, EEPROM.h را مشاهده میکنید. به دنبال فایل config.h بگردید.

سپس به پایین بروید، و خط زیر را پیدا کنید و سپس // را حذف کنید تا مانند تصویر زیر بنظر برسد.

باز هم به پایین بروید و نوع IMO خود را پیدا کنید و // را حذف کنید. به طور مثال ما از GY-521 استفاده کردیم بنابراین باید مانند زیر بنظر برسد.

اگر تصمیم دارید سنسورهای دیگری مانند فشارسنج یا حسگر اولتراسونیک را اضافه کنید، تنها کاری که باید انجام دهید این است که آنها را در اینجا “فعال” کنید.

مرحله بعد پین Buzzer است:

در آنجا ، باید گزینه های Flight indicator  (3 گزینه اول) را فعال کنید:

اکنون ، باید کد را به آردوینو خود فلش کنید. برد خود از فلایت کنترل جدا کرده و آن را به رایانه خود متصل کنید. به منوی Tools بروید و در قسمت Boards نوع برد آردوینو خود را انتخاب کنید. به طور مثال ما اینجا آردوینو NANO را انتخاب کردیم.

اکنون “Port Serial” را پیدا کرده و پورت COM را که Arduino Nano به آن متصل است فعال کنید (در مورد ما COM3).

در نهایت روی دکمه آپلود کلیک کنید. پس از آپلود کد، آردوینو را از رایانه جدا کنید و اتصالات را مثل قبل انجام دهید. صبر کنید تا چراغ روی برد آردوینو روشن شود. حالا آردوینو را به رایانه متصل کنید.

اکنون ، پوشه Multiwii 2.4 و سپس MultiwiiConfig را پیدا کرده و پوشه سازگار با سیستم عامل خود را پیدا کنید. در مورد ما، “application.windows64” است. سپس فایل MultiwiiConf را باز کنید. پس از باز شدن رابط کاربری ، باید پورت COM Arduino خود را انتخاب کرده و مانند تصویر زیر بر روی Start کلیک کنید.

حالا به راحتی اطلاعات سنسور ها و … را در این صفحه مشاهده میکنید. تبریک میگویم شما به راحتی میتوانید با حرکت دادن جوی استیک ها کوادکوپتر خود را کنترل کنید و اطلاعات را در کامپیوتر خود مشاهده کنید.