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DIY你的无人机:树莓派Pico参考设计大公开!

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发表于 2024-9-2 15:31:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
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。
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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:
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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/)
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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

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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对PICO的控制分为三个部分

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供电部分

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信号接收部分

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接收从发射机发出的控制信号的信息显示界面

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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。
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