3D打印Arduino 四轴飞行器

刷到贴子中的大多数朋友可能已经知道什么是四轴飞行器，但对于那些不知道的人来说，以下是它们是什么的简要说明：

四轴飞行器是具有四个臂的多旋翼直升机，每个臂的末端都有一个电机和一个螺旋桨。四轴飞行器在某些方面类似于直升机，尽管它们的升力和推力来自四个螺旋桨，而不仅仅是一个。此外，直升机有一个“俯仰”或尾桨，有助于稳定飞机，而四轴飞行器则没有。在四轴飞行器中，两个螺旋桨沿一个方向（顺时针）旋转，另外两个螺旋桨沿相反方向（逆时针）旋转，这使机器能够以稳定的编队悬停。由于这种稳定性，四轴飞行器被用于摄影和视频拍摄。此外，四轴飞行器和多旋翼飞机已用于灾害管理和恢复工作、警察行动、军事参与和农业应用。随着技术的进步和成本的降低，许多行业发现四轴飞行器可以为他们的问题提供创新的解决方案，并帮助他们降低成本。

现在，您已经对四轴飞行器有了更多的了解，让我们来看看我们如何制作四轴飞行器：

我设计过程的第一步是查看市场上的当前系统，以便了解我们需要哪些组件。经过一些研究，我发现大多数四轴飞行器模型都使用了集成电路、微型微控制器和无刷电机。为我的直升机构建电路似乎是一项可行的任务，我知道我想与 Arduino 合作，所以这个项目似乎绝对可以实现。主要问题在于电机。因为我在预算范围内工作，所以无刷电机是不可能的。这些电机的价格从每件 20 美元到 60 美元不等，为了运行，这些电机需要速度控制器。所以我只能选择有刷电机。因为我知道我想制造一个小型四轴飞行器，所以我决定研究具有低扭矩能力的电机。然后我找到了一个现有的四轴飞行器模式l，它使用了一组可行的电机。这些电机可以轻松提升高达 55 克的重量，这对于我的设计来说已经足够了。然后，我继续研究稳定这些电机的方法。稳定这些电机的一种方法是使用陀螺仪和加速度计。陀螺仪是一种利用地球引力来帮助确定方向的装置。它的设计包括一个称为转子的自由旋转的圆盘，安装在更大、更稳定的轮子中心的旋转轴上。当轴转动时，转子保持静止以指示中心引力，从而指示哪个方向是“向下的”。另一方面，加速度计是一种紧凑型设备，旨在测量非重力加速度。当它所集成的物体从静止状态变为任何速度时，加速度计旨在响应与此类运动相关的振动。它使用微小的晶体，当振动发生时，这些晶体会受到压力，并从该压力中产生电压以在任何加速度上产生读数。这两个组件对我们的设计至关重要，因为它们有助于决定哪些电机需要改变速度以进行调整和稳定。

我们设计过程的下一部分是创建四轴飞行器的实际框架。对于框架的选择材料，我们有很多选择，但经过快速考虑，我们选择了 3D 打印。我们以前有很好的机会使用 3D 打印，因此打印我们的框架似乎是很自然的。我们还选择这种培养基，因为它可以消除不必要的重量。为了设计框架，我们使用了计算机辅助设计程序 Solidworks。如果您还没有机会使用该软件，我强烈建议您去试用该软件的试用版。我们为您节省了时间和精力，并附上了以下 3D 打印的文件。这些文件保存为立体光固化成型技术文件（.stl 文件），并且可以使用 CAD 软件（如 Solidworks）在一定程度上进行编辑。如果您最终购买了更大的电机，您可以编辑下面的 motormount 文件并更改参数。如果这不起作用，我建议在此处阅读一些 Solidworks 的教程并开始新的设计。这个过程很简单，完成教程后应该很容易。

注意：

1. 不要连接 5V。

2. 不要惊慌。

3. 使用此库： https://github.com/jrowberg/i2cdevlib

4. 在运行校准之前，不要焊接电路板。

我使用了 https://www.sparkfun.com/products/11028 SparkFun 的 MPU6050。此步骤将作为设置和使用 I2C 加速度计的通用背景和教程，因为大部分信息都分散在十几个论坛帖子中。

什么是 I2C？

您可能见过简单的板，例如 https://www.sparkfun.com/products/9269 具有 X、Y 和 Z 的单独模拟输出。这些是有道理的;每个 output 都与 Accelerometer 的一个轴相关。然后你看到一个 I2C 板，里面有点吓坏了。I2C 是一种通信标准，其中电路板使用数字逻辑脉冲而不是模拟输出来传输大量信息。MPU6050 有 6 个轴（3 个陀螺仪、3 个加速度计），所以如果它们是模拟的，它们会用完 Arduino 上的所有端口。最重要的是 Arduino 向电路板发送数字控制信号，并从输入引脚以数字方式读取信息。

布线：

我们特定MPU6050的接线如下。请注意，库代码假定这些是使用的输入。其他板也将类似。

VDD -> 3.3v

GND -> 接地

INT-> 数字 2

标准及校正实验所 -> A5

SDA -> A4

VIO -> 接地

通过电路板运行 5v 可以而且会破坏它，所以不要这样做。一些 MPU6050 板有稳压器可以保护它，但不值得冒险。如果您的板子有一个 AD0 引脚，则应接地。在我们的电路板上， VIO 端口连接到内部 AD0， 因此它用作 AD0 引脚。AD0/VIO 是接地还是 VDD 实际上决定了电路板与 Arduino 连接的内存地址（0x68 或 0x69）。如果这令人困惑，请不要担心，只需将其接地即可。如果您遇到问题，请尝试将 VIO/AD0 从地切换到 VDD。

法典：

现在事情变得有点棘手。希望你有一点编码/弄乱软件经验。如果你不知道，就慢慢来，去网页搜索任何你不知道的东西。那里有很多信息。我会尽量清楚，但我无法涵盖所有问题

将 MPU 连接到 Arduino 后，将其打开并上传此 I2C 扫描仪代码： http://playground.arduino.cc/Main/I2cScanner#。呃...

滚动到底部，将代码复制粘贴到一个空的 sketch 中并运行它。打开串行监视器 （Tools->Serial Monitor） 并确保您在端口 9600（左下角）上。这在代码中，但您无论如何都没有阅读它。

如果一切正常，它应该找到一个 I2C 设备并为您提供 0x68 或 0x69 的内存地址。把它写下来。如果出现错误，请检查接线。

现在，您将需要安装实际与加速计/陀螺仪通信的代码。市面上有很多东西，但我发现最有效的是 https://github.com/jrowberg/i2cdevlib。 单击“下载 Zip”，记住它的位置（可能是桌面），然后解压缩它。打开 Arduino IDE 程序。现在转到 sketch->import library -> add library。您应该将 I2Cdev 文件夹和 MPU6050 文件夹添加为库（它们位于文件夹中的 Arduino 下）。

安装后，您应该在 Arduino 中打开 MPU6050_DMP6 文件（位于 MPU6050 -> Examples） 文件。我建议你仔细阅读它（即使你不太了解代码），它有很好的注释，并且有一些选项可以选择如何从板子输出读数。如果你从扫描器中得到0x69，你需要取消注释代码顶部的一行（#includes 之后;只是傻地阅读注释），因为默认值是 0x68。程序现在应该编译了。

上传代码，打开串口（这次是 115200）并按照说明进行操作。恭喜，您应该从董事会获得工作读数。如果它一开始似乎漂移，请不要担心它需要大约 10 秒的静止才能停止。此外，偏航输出会漂移（一点），因为它没有参考系。该板使用加速度计来获取重力并找到“向下”，作为俯仰和滚动的参考。一些更高级的板包含一个指南针以供参考。

现在，在继续之前，您需要校准您的开发板。找到一个水平的表面，确保你的板子是平的，标签朝上。

然后，您应该运行顶部提供的这个方便的花花公子校准代码，这要归功于 Luis Ródenas。同样，默认值0x68，但您可以更改它。确保记下它给你的偏移值。您可以而且应该将这些用作 MPU6050_DMP6 代码（以及后来的 quadcopter 代码）中的偏移量。

您现在有一个工作且有用的加速度计/陀螺仪。现在，我建议您花一些时间弄乱 MPU6050_DMP6 代码并尝试不同的输出类型。

上面讨论了接线。下一步是让 Arduino 控制电机。Arduino 本身只能输出少量的电流和电压，因此我们不是将电机直接连接到数字输出引脚，而是使用达林顿晶体管对来“放大”电压。如果您对晶体管了解不多，我们基本上将晶体管用作开/关开关，以直接来自电池的更大电流。

您应该从对电路进行面包板开始。对于此步骤，您将需要 Arduino、电机和达林顿晶体管对（以及面包板和电线）。接线可以在上面看到，但我会解释一下发生了什么。如图所示，将四个数字 PWM 输出（在 Arduino 上标有 ~）连接到达灵顿。然后输出进入电机，电机连接到您的电源。我会用 5v 电源开始测试，但 3-5v 电池应该可以得到最终结果。

确保您的 达林顿晶体管已接地，并且将 Arduino 上的接地连接到电源的接地。确保您的转子以正确的方向旋转（以获得升力），并使总扭矩为零。如果您将电机引线从 5v 切换到达林顿，电机将切换方向。一旦你把电机设置好了，转子就不需要改变方向，只需改变速度。

测试完所有内容并启动并运行加速度计后，您需要将所有内容焊接到 ProtoBoard 上。不要将 达林顿晶体管 直接焊接到电路板上，您需要使用插座以防需要更换达林顿晶体管。我们将加速度计直接焊接到电路板上并重新校准，但事后看来，我建议将加速度计平放在框架上，然后将其连接到电路板上。这应该有助于提高加速度计的准确性。

我们已经编写了一些代码，这些代码应该可以稳定四轴飞行器并保持稳定。如果您想要更漂亮的移动和/或控制，请随意使用它作为基础。您应该首先安装此处提供的 Arduino PID 库： http://playground.arduino.cc/Code/PIDLibrary

我建议阅读编码技术的链接，但我会给出一个快速的概述。PID 类采用三个输入：设定点、测量和输出。输出应以某种方式改变测量值，而 PID 将改变输出以使测量值与设定点匹配。该库背后有很多花哨的数学运算，但它试图以一种值保持稳定的方式来实现。

在我们的稳定算法中，我们有两个 PID 控制器：一个用于俯仰，一个用于滚动。保证螺旋桨 1 和 2 之间的速度偏移量与螺旋桨 3 和 4 之间的偏移量相同。1,3 和 2,4 也是如此。然后，PID 会更改偏移量，以保持俯仰和滚动为零。

您还需要确保您知道 Arduino 上的哪个数字输出引脚连接到哪个电机，然后相应地更改代码。电机的标签如上所述。

小型四轴飞行器的最大问题是金钱和重量。您可以考虑寻找更大/更强的电机，但除非您想改用无刷电机，否则真的没有更好的电机。无刷电机要好得多，但您需要速度控制器，而且加起来会额外花费 90 美元。

为了减轻重量，我们建议购买 SainSmart UNO R3（或较旧的 Arduino 型号），因为主芯片是可拆卸的。这意味着您可以将芯片直接焊接到 ProtoBoard 上，这将减轻约 30 克的重量。您需要连接一个时钟和一些电容器，但网上有很多帮助。或者也可以使用 Arduino Pro Mini https://www.sparkfun.com/products/11113 这可能更容易。

我们编写的代码也可以很容易地扩展以添加更多功能。关键是直升机能够自我稳定。您需要熟悉 C/Arduino，但添加新功能和改进的空间很大。如果你想让它远程控制，我会考虑使用蓝牙：https://www.sparkfun.com/products/12576。这里使用的任何东西都不是太贵，因此您可以尝试不同的部分。感谢阅读。