DIY你的无人机:树莓派Pico参考设计大公开!

vannnnn

自树莓派Pico推出以后，不少创新的应用随之而来。RP2040有双核Arm Cortex M0+处理器，并且时钟可以运行到133MHz，甚至更高，并有丰富的外设，比如SPI、I2C以及多达16根的PWM信号，比较适合制作机器人和无人机。
也有不少玩家做了尝试，在这里我收集整理一些与无人机相关的尝试项目，供有计划制作飞行器、智能车、机器人的朋友们参考。
参考设计已经汇总在电子森林，大家可以复制链接查看：https://www.eetree.cn/project/657
参考设计1首先发布在Tomshardwhare.com上的一篇文章：Raspberry Pi Pico Drone Takes Flight（https://www.tomshardware.com/news/raspberry-pi-pico-drone）

这个被称为PiWings的飞行器是由制造商Ravi Butani开发的由 Raspberry Pi Pico 驱动的四轴飞行器项目。它包括一个定制的 PCB、Raspberry Pi Pico 和一个基于 Android 的原始控件应用程序。它可以支持一个用于测量方向和加速力的6轴 IMU（惯性测量单元）、一个测量气压的气压计模块、四个伺服和六个超小型 SOT23 封装 MOSFET，用于驱动需要3A电流的电机， 比通过MX1508、L9110S 等通用电机控制器可以安全提供的要多得多。如果您想为无人机添加自己的组件，可以通过 I2C 或 SPI 传感器来实现，只需确保平衡并观察重量 确保无人机平稳飞行。
这个项目的固件是由Butani以简单的思想从零开始制作的，该项目不局限于4个发动机，它可以按比例从直升机到六轴直升机甚至气垫船。如果你更喜欢飞机，这个项目也可以用于固定翼无人机。
由于附带的Android应用程序，甚至连控制都很容易设置和使用。这使得使用Android设备的触摸屏来驾驶和操纵pico动力飞机成为可能。



后来更新的PiWingsV2添加了ESP-12F模块用于WiFi连接，PiWings V2控制器是完全可编程的各种设备。它使用一个4安培的无芯电机驱动器，可以支持多达4个伺服，有一个板载6轴IMU模块，并有内置Wi-Fi支持。也有外部iBUS RX模块和I2C传感器的选项。以下是该版本PCB的两个图片：




参考设计2另外在网站https://robu.in/一篇文章介绍了如何使用Pico来制作微型飞行器的过程：DIY Raspberry pi pico drone-The Hardware（https://robu.in/diy-raspberry-pi-pico-drone-the-hardware/）


最终的样子

在了解有关构建无人机的各个部分之前，让我们先了解我们选择构建无人机的组件。1）框架：这架无人机的框架、电机和螺旋桨取自 robu.in 上提供的 Qx95 套件，您也可以选择您喜欢的框架，或者更好地设计它并通过 robu.in 的 3D 打印服务进行 3D 打印。在设计框架时，需要考虑几个因素。框架必须是

轻 - 显然它越轻，就越容易抬起它！

坚固 - 四轴飞行器往往会掉落很多，如果它在每次跌倒后都没有断裂 - 这是一个巨大的优势。

抗振动 - 否则它可能不稳定，因为电机振动很大。这也有助于减少加速度计拾取的噪声

2）电机：
购买电机组时，您需要查看的最重要的事情（从最重要到不太重要）是

类型 - 有刷直流和无刷交流电机。纳米四轴飞行器通常基于有刷直流电机，因为它们更小且更易于控制，无需额外的交流控制器。然而，它们的推力要小得多，不能用于更大的四轴飞行器。

罐直径 - 3D 设计专为直径为 8.5 毫米的电机而设计。设计必须针对不同的直径进行更改。

最大静态推力或简称推力 - 定义电机在空中可以保持多少重量，或者基本上 - 您的四轴飞行器可以有多重。必须定义螺旋桨类型，并且通常提供推力与电流曲线（通常称为性能曲线）。

重量 - 电机的重量，将添加到四轴飞行器的总重量中。MMW 和Hubson 电机每个电机的重量约为 5 克。

负载电流 - 定义当使用指定的螺旋桨施加指定的电压时，电机消耗的电流。请注意，如果没有连接螺旋桨，该电流将下降到非常小的值，因此在测试掉电电压时（稍后会详细介绍）始终放在螺旋桨上。

推荐的螺旋桨尺寸 - 电机应瞄准 55 毫米螺旋桨。

使用寿命额定值 - 这定义了电机在不发生故障的情况下应该运行多长时间。因此，购买两套电机总是一个好主意。

速度 - 快速的速度会给你更快的飞行，但是随着电流的增加，因此需要更好的电池。此外，由于速度的原因，它们可能更难控制......因此，电机是为四轴飞行器设计的。

3） 螺旋桨
螺旋桨的区别在于：

长度 - 以半径乘以 2 来测量。

叶子的数量 - 这通常是 2 个，但其他叶子有 3 个或更多。

螺旋桨的形状 -

扭转角度 - 角度越陡峭，螺旋桨可以提供的推力就越大。

4）电池

选择足够的电池非常重要，因为错误的电池将不允许电机吸收足够的电流来点亮四轴飞行器，最重要的是，会有巨大的电压降，这将不断干扰电子设备。购买时需要注意以下几点：

类型 - 有许多电池类型，例如锂聚合物、锂电，甚至这些都有色调。最近，基于石墨烯的电池问世，它可以承受更高的电流并具有更高的容量密度。当然，缺点是价格！

容量（以 mAh 或 Wh 为单位） - 将决定电池内部存储了多少能量。容量越大，四轴飞行器一次充电的运行时间就越长。这将与电池的尺寸和重量成正比，也将决定可以从电池中汲取多少电流。

最大允许放电（突发）和平均放电（恒定）速率 （C） - 前者决定峰值电流，例如四轴飞行器何时开始加速，而后者决定正常工作电流，例如四轴飞行器在空气中保持恒定。通常有一个经验法则，即容量和放电速率的乘法将给出电池可以提供的电流。为了安全起见，还需要增加 20% 的安全裕度——我们不希望电池爆炸，不是吗？因此，例如，如果您的电池具有 200 mAh 和 20 C 的平均/恒定放电，则 200mAh * 25C * 80% = 4A。因此，平均而言，这样的电池可以毫无问题地提供 4A 电流。然而，这只是一个经验法则，当涉及非常高的电流时，我们希望放电速率更高，与电池容量无关。

重量 （g） - 容量越大，电池重量越重，因此需要找到一些既能提供足够飞行时间，又能提供良好飞行性能的电池。

5） N沟道MOSFET


我们需要4xMOSFET晶体管，也称为开关，并与PWM一起使用，以峰值为电机提供电流。选择它们可能很棘手，在为我们的应用程序选择一个时有几个要点：

它可以提供的最大漏极电流（Id max），在这种情况下，应在 3A 左右，以支持可以消耗约 2.75A 电流的电机。

Vgs 阈值电压必须很低，可能在 1V 左右，因为锂电池电压可能会在某个时候降至 3.4V。最好同时检查漏极电流（Id）对阈值电压（Vgs阈值）的依赖性，因为每个晶体管都会有不同的响应。

这是在一定的栅极下提供的，以吸收偏置Vgs。通常预计约为0.032欧姆，但越小越好。如果选择Rds（on）等于0.3Ohm左右的MOSFET，由于电机以3A运行，MOSFET上的压降将为0.9V，因此电机将无法获得足够的压降。

我在电路中使用了si 2302 n沟道MOSFET，因为它满足了所有这些要求。

6） MPU6050 加速度计


当仅使用IMU控制四轴飞行器时，会出现两个棘手的问题：

能够在恒定的高度悬停。通常，Z轴（垂直）的控制是通过增加或减少所有电机的所需速度来完成的，从而有效地增加了偏移量。但是，由于整个飞行过程中电池耗尽，即使所需的速度可能不会改变，电池上的电压也会下降，从而降低速度。

自动起飞和降落，无需用户交互。这既可以像往常一样控制四轴飞行器，也可以在电池没电的情况下进行紧急着陆。四轴飞行器到达陆地后，这也可用于完全关闭电机。

我为我们的多旋翼使用了 Mpu6050 加速度计，因为它似乎是最可行的。

7） Rx2A接收器

我使用过RX2A接收器，因为它的尺寸非常小，而且使用I-bus协议的好处对我来说是一个加分点。





对PICO的控制分为三个部分



供电部分



信号接收部分



接收从发射机发出的控制信号的信息显示界面



自动稳定部分

姿态传感器输出的信息

此外还有如何使用树莓派Pico的文章，使用MicroPython编程，让所有外设动起来，有兴趣的朋友可以点击"阅读原文"查看。