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DIY 一个树莓派无人机(一)

发布时间:2022-06-21作者:admin来源:本站原创

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  今天,我们将利用一些现成的组件组装一台能够拍摄高质量航拍照片以及稳定高清视频的四轴飞行器。该飞行器还会配备多种安全功能,所以新手也可以自信地操作该四轴飞行器。四轴飞行器的实时视频流通过Wifi从Raspberry Pi传输到移动设备上。该无人机还搭载了一个Linux计算机,这会为您带来许多创造性——额外的传感器、计算机视觉等。

  在本系列的第一部分中,我们首先介绍四轴飞行器的硬件——需要哪些部件,它们有什么作用,如何组装在一起。在本系列的第二部分和第三部分中,我们将介绍四轴飞行器的软件——故障保护功能、遥控和飞行模式。

  启动该项目之前,我们必须了解四轴飞行器各个部分的作用。下文列出了构建该四轴飞行器所需的零部件及其用途,以及本教程中所使用的每个零部件的具体型号。

  本项目所使用的部件:DJI E305 960KV 电机和DJI 9450螺旋桨(两者均包含在ARF套件中)

  作用:ESC为无刷电机供电,并提供PWM接口,以允许飞行控制器控制每一个电机的速度和推力

  本项目所使用的部件:DJI E305 960KV 电机(包含在ARF套件中)

  作用:顾名思义,飞行控制器负责控制四轴飞行器如何飞行。飞行控制器其实是一台小型计算机,配备了惯性测量装置(IMU,包含陀螺仪和加速度计),目的是保持四轴飞行器稳定。飞行控制器还搭载了气压计、GPS和磁力计,以便让飞行控制器分别知道它目前的高度,所处的地区,面朝的方位。

  本项目所使用的部件:NAZA-M Lite,附带GPS套件(包含在ARF套件中)

  作用:稳压器旨在为飞行控制器提供5V恒压。状态LED负责在飞行过程中将四轴飞行器的状态信息传递给操纵人员。状态LED灯包括电池电量低指示和GPS锁定指示。USB接口则允许我们在电脑上配置飞行控制器(我们将会在第2部分用到)。

  作用:锂聚合物(LiPo)电池具有较高的能量重量比以及较大的最大放电电流,因此是为四轴飞行器提供动能的首选方式。在将LiPo电池装上四轴飞行器之前,了解如何安全地使用和充电是非常重要的。否则,可能会引起火灾及爆炸。有一些电池规格需要了解,它们的定义如下:

  容量:电池以特定电流放电,“耗尽”之前能够持续的放电时间。比如,如果一个电池的容量是1200mAh(毫安小时),然后连续向外界提供一个1000mA的电流,那么在1200mAh/1000mA = 1.2小时后,该电池耗尽。通常,天龙心水论坛。电池寿命=容量(mAh)/电流(mA)。但我们建议在LiPo电池剩余电量在20%时就对其进行充电。

  电池芯数量:每个LiPo电池由1个或多个电池芯组成。一个电池内的电池芯串联连接,因此电池的总电压即为各个电池芯电压的总和。LiPo电池的电池芯数量通常为电池上字母“S”之前的数字——2S表示电池是两芯电池。

  放电率:放电率反映了电池的最大安全放电电流。LiPo电池的放电率通常为电池上字母“C”之前的数字——标记为35C的电池可提供的最大电流为“35x容量”。

  作用:LiPo电池充电器负责对LiPo电池进行安全充电。请注意,必须用LiPo电池充电器充电,而不能用其他充电器(例如镍镉电池或者镍氢电池充电器)。

  作用:发射器通过多个操纵杆和开关接收操作人员指令,然后通过Wifi发送到四轴飞行器的接收器上。接收器负责解码操作人员的命令,然后将其转发给飞行控制器。

  作用:有了相机和万向节,四轴飞行器就能变成一个拍摄专业镜头的航拍平台。相机安装在万向节上,而万向节的动作实际上与四轴飞行器的相反——确保相机始终保持水平。

  作用:虽然安装在万向节上的相机能够以惊人的2K分辨率录制视频,但是,如果我们无法确定想要拍摄的物体是否位于镜头内,再好的摄像装备也没用。Raspberry Pi相机通过5GHz WiFi无线网卡连接到Raspberry Pi 3代A +。因此,Raspberry Pi可以将前向Raspberry Pi相机的实时视频流传输至通过WiFi连接的任何设备。

  作用:手机的作用是为Raspberry Pi提供Wi-Fi热点,并提供一个显示屏幕,方便我们查看无人机传输的实时视频流。手机支架负责将手机与发射器连在一起。

  本项目所使用的部件:LG Nexus 5(任何支持移动热点的安卓手机都可以)。任意一端是吸盘、另一端是磁性部件的手机支架。

  我们使用的DJI F450机架包含一个顶板和一个底板,安装完成后,它们应该将四个机臂“夹在中间”。每个机臂的末端安装一个电机,机臂下方安装一个ESC。这两块板将四个机臂固定在一起,并为四轴飞行器上的所有组件提供了一个安装表面。

  底板有一个非常重要的功能:它将电池的能量分配给所有的ESC。如上图所示,底板上有五对正负极焊盘——每个ESC用一对,电池接头用一对。每个ESC(电子调速器)都有两条电缆:一根双线PWM信号线和一根较粗的黑色电源线:电子调速器(ESC)

  将ESC焊接到底板上之后,您会看到还剩下一对焊盘(图1底部的焊盘)。这对焊盘是用来连接电池导线:两个白色支腿之间的黑色矩形稳压器

  我们不能直接将电池焊接到上述导线,因为那样的话我们将无法更换电池或为电池充电。要将电池连接至底板中的配电板,我们需要将一个公的T型接头焊接到我们刚刚焊接的那两根导线上。为此,将接头的短边朝上,将红色导线焊接到较短的水平部分,将黑色导线焊接到较短的垂直部分(有关极性,请参见下图右侧的接头)。

  完成焊接后,接头的样子如下所示(我用电工胶带包住了裸露的金属部分,当然您也可以用热缩管):

  将NAZA-M Lite附带的黑色双面胶切成与飞行控制器一样长。撕掉双面胶一面的保护膜,然后将其牢固地粘在底板的中间。然后,将飞行控制器标有M1、M2、M3等多个标签的一侧朝着底板上您认为是四轴飞行器正面的那一侧。撕下双面胶另一面的保护膜,将飞行控制器粘在上面。

  我选择将RC接收器安装在机架背面底板底部延伸处,用热熔胶或者双面胶对其简单固定。从接收器伸出的那根导线是天线,暂时不用管它,等组装支腿的时候再考虑。

  接收器上每三个一列的引脚会输出一个PWM信号。在RC领域,每个PWM信号都称为一个通道,代表操纵人员命令的一个组成部分。比如,接收器的通道3是操纵人员所需的加速信号。为了让飞行控制器能够接收操纵人员的每个命令,我们必须使用一根PWM信号线将接收器上的每个通道连接到飞行控制器。请注意,插入飞行控制器时,PWM信号线上的橙色(信号)导线应位于顶部,而棕色导线的另一端连接接收器时应朝下。

  图9:连接接收器的PWM信号线请注意线缆的插入方式,橙色导线应位于顶部。

  PWM信号线应按以下方式连接(左侧的通道编号在接收器上,右侧括号中的字母位于NAZA的背面):

  还记得我前面提到的ESC的那根双线伺服电线吗?现在,我们将其连至飞行控制器。飞行器坠毁的一个常见原因就是ESC与飞行控制器的连接顺序按错误,因此我们必须在首次就正确安装该器件。

  在NAZA-M Lite的正面,您会看到多列标有M1-M6的引脚,我们只需连接M1-M4。您必须根据下图将电机连至飞行控制器,其中红色机臂是四轴飞行器的前方。比如,右前ESC的伺服线;左前ESC伺服线,依此类推,按逆时针方向转。

  我们已经将所有电子设备都安装在底板上了,现在应先从顶板开始将顶板和底板与机臂固定在一起。您可能已经注意到,DJI F450机架包含两个红色机臂和两个白色机臂。我们可以将两个红色机臂放在四轴飞行器的前部,将两个白色机臂放置在四轴飞行器的后部,当四轴飞行器在空中时,我们就会知道其前方是哪个方向。

  请用机架附带的螺栓将机臂固定到顶板上,每个机臂用四个螺栓。请确保两个红色机臂位于ESC伺服线相连的NAZA侧——这将是四轴飞行器的前部。下一步之后,您会看到每个机臂实际上都“夹在”顶板和底板之间。

  F450 ARF套件附带的白色支腿(如上图所示)负责在起飞和降落期间保护四轴飞行器下方的重要电子设备。请用机架附带的长螺栓连接支腿。支腿应位于机臂正下方,安装时螺栓要穿过支腿、底板,进入机臂底部。请确保ESC电源线从机臂底部弧形部分下方的机架中伸出。请为每个机臂重复此过程。

  现在,机架的核心已经成型,我们可以开始将各个部件安装到机臂上了。您可以用扎带将每个ESC固定在机臂的下方,如下图所示。

  请将电机安装到每个机臂的末端,电机的旋转方向如下图所示。电机的旋转方向位于电机侧面。比如,请在左后方安装一个逆时针电机,在左前方安装一个顺时针电机。

  请将每个电机的三根引线连至相邻ESC正面的三个孔中。此时,导线的连接顺序无所谓。(如有必要,我们将在第2部分中更正线步:将LED模块连接到飞行控制器和手臂

  NAZA-M Lite附带的这个小模块集成了LED指示灯(比如电池电量低警告、良好的GPS锁定指示)以及连接PC的USB接口。LED模块如下图所示。将长导线的一端连接到NAZA-M Lite背面标有“LED”的插槽中。我们会在本教程的第2部分用该USB接口配置飞行控制器。我用热熔胶将该模块粘在了左后机臂的侧面。

  NAZA-M Lite附带的GPS有一个安装杆。将GPS安装在这个安装杆上可以增加电机和ESC与GPS之间的距离,从而减少电磁干扰的可能。GPS杆分为三部分:底座,有四根腿;一根细长杆(紧密连接底座和顶部,连接处有胶水);用来安装GPS的平坦顶部。我把GPS安装杆安装在机架的右后端。GPS线末端的接头与LED模块的接头相同。请将GPS线连至相邻LED模块的“EXP”插槽中。

  我发现安装Raspberry Pi最方便的地方是在支腿与机架连接处之间的底板上(请参见上图)。请将GPIO引脚的方向朝下,并让USB端口对着电池接头。Raspberry Pi无法与底板平坦接触,因此不能用双面胶粘贴。我用热熔胶将四个角固定在支腿上。

  我们处理四轴飞行器的底部时,可以将稳压器粘在其导线焊接处正下方的底板上。

  由于Raspberry Pi相机的目的是提供四轴飞行器飞行前方的实时视图,因此应将其安装在四轴飞行器的前部。我用热熔胶将一小块纸板粘到两个机臂之间的机架前部,然后再将Raspberry Pi相机粘到纸板上(请参见下图;我的相机带有广角镜头,因此您的相机看起来可能略有不同)。

  图23:图的上半部分是获取四轴飞行器第一人称视角(FPV)影像的Raspberry Pi相机。图的下半部分是我们即将安装的万向节的顶部。

  图25:稳压器的棕色和红色导线焊接到Micro USB线的正极和负极导线

  我们之前安装的稳压器可提供5V输出,很方便地为飞行控制器供电。我们也可以利用该5V电源为Raspberry Pi供电。为此,我切开来自稳压器的PWM信号线的红色和棕色线,分别将它们焊接到Micro USB线的正极(红色)和负极(黑色/棕色)。请务必将PWM信号线的末端也焊接到该新线束上!否则,您将无法为飞行控制器供电。然后只需将Micro USB数据线插入Raspberry Pi即可为其供电。

  万向节通过六个防抖橡胶球连接到四轴飞行器的机架上,这些橡胶球是抵消相机抖动和旋转运动的第一道屏障。要安装橡胶球,您必须先将其装入万向节下部的小孔中,然后将球的顶部装入万向节的顶板中。为了防止万向节在飞行中脱落(比如防抖球碰巧损坏),我在万向节两侧中间的球孔内各绑了一根轧带。这一步完成后,机架的样子应与上图类似。

  为了减少在快速转弯时四轴飞行器的支腿进入拍摄画面的可能性,我决定用螺栓将万向节固定到机架的前部延伸部分(如果将万向节安装在机架中心下方的话,那么支腿更容易出现在拍摄画面中)。为此,我将M3螺栓的头部(您也可以使用M4的螺母和螺栓,但是需要将两个后孔的尺寸稍微扩大一点)插入万向节顶板的两个孔内,将另外两个M3螺栓插入宽阔开口的右下角(请参阅上文螺栓的放置位置;请注意,小箭头方向表示万向节的前方)。

  为了让FeiYu Tech Mini 3D万向节正常工作,必须将其连至电池。我特意制作了一根电池接头延长线,同时剪掉了万向节电源线上的JST接头,然后将电源线焊接到延长线上。该延长线由一个公T型头、一个母T型头和焊在中间的万向节电源线组成。使用延长线之后,我们不必将万向节电源直接焊接到配电板上。这样,运输时可以从机架上卸下万向节,或者可以实现没有万向节情况下的飞行可能。

  图29:万向节导线(上面的红色和黑色细线)焊接到延长线步:将相机安装在万向节上

  此项目中使用的Xiaomi Yi相机比该万向节设计配套的GoPro稍大。但是,如果您先拧入支架的底部螺栓,然后再拧紧顶部,Xiaomi Yi相机仍然可以正常安装,无需对万向节进行任何修改。

  具体手机支架的安装步骤可能会有所不同,对于我的手机支架,我只是用了一块比支架吸盘稍大的带有双面胶的圆盘。我首先用双面胶带将该圆盘牢固地粘在发射器的背面。然后,将吸盘也就是手机支架固定到发射器上。将支架的金属板(手机支架自带)粘到手机外壳上之后,请掰弯支架的柔性机械臂,以便在正常握住发射器的情况下可以看到手机屏幕。手机支架的侧视图请参见上图。

  只需取下发射器的电池盖,然后将AA电池安装在电池盒中即可。然后,请根据两个引脚附近印制的极性(如下图所示,发射器的电池槽内部视角)将电池盒的小接头插入发射器。

  恭喜!您刚刚完成了航拍四轴飞行器的组装。然而,该四轴飞行器目前无法正常飞行。在第2部分和第3部分中,我们将描述如何配置四轴飞行器的软件、学习如何飞行并进行一些飞行测试。

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