ساخت کوادکوپتر فوق العاده با استفاده از فلایت کنترل

در این مجموعه مقالات که با عنوان ، آموزش ساخت کوادکوپتر از ابتدا تا رسیدن به زمان پرواز را برای شما عزیزان قرار می دهیم .

آموزش ساخت کوادکوپتر با استفاده از فلایت کنترل پیکس هاوک ( Pixhawk )

قبل از شروع باید به مقالات لینک شده در زیر مراجعه کنید تا اطلاعات کافی و لازم را درباره ی کوادکوپتر ها 

و به صورت کلی مولتی روتور ها داشته باشید :

    فریم

    موتور براشلس

    ملخ

    اسپید کنترل

    فلایت کنترل

به جهت استفاده از فلایت کنترلر پیکس هاوک در ساخت این کوادکوپتر پیشنهاد می شود

 که مقاله ی بررسی فلایت کنترلر های پیکس هاوک قسمت یک و قسمت دو را مطالعه کنید .

  باتری لیپو

  برد توضیع برق

 سیم سیلیکون

  رادیو کنترل

اگر قصد ساخت یک کوادکوپتر FPV را دارید به لیست قطعات بالا باید یک دوربین FPV ، 

یک ارسال تصویر ، یک دریافت کننده مانند مانیتور یا عینک FPV را باید تهیه کنید 

( بهتر است که به هنگام استفاده از سیستم های FPV از OSD هم برای نمایش اطلاعات پرواز استفاده شود )

جایگاه موتور ها روی فریم

ابتدا موتور ها را روی بدنه ی کوادکوپتر خود سوار کنید سپس موتور ها را به اسپید کنترل ها متصل کنید .

هشدار

 مراقب باشید که به هنگام بستن موتور ها روی فریم ، پیچ به سیم پیچ موتور های شما نرسد و باعث آسیب دیدگی سیم پیچ موتور ها نشود .

 برای جلوگیری از این اتفاق باید پیچ مناسب را پیدا ویا از واشر استفاده کنید .

برقراری اتصالات موتور و اسپید کنترلر

سه سیم موتور را به سه پد لحیم کاری روی اسپید کنترل متصل کنید 

ویا با گلد کانکتور های قرار داده شده در سر سیم های اسپید کنترل و موتور آن ها را به هم متصل کنید ( مانند تصویر زیر ).

سپس توسط یک سروو تستر و یک باتری جهت چرخش موتور ها را بررسی کنید

توجه

قبل از تست کردن جهت چرخش موتور های براشلس ، حتما ملخ ها را از روی موتور ها باز کنید .

اگر جهت چرخش موتور براشلس شما خلاف جهت چرخش مشخص شده در تصویر بالا باشد ،

 باید جای دو تا از سیم های موتور که به اسپید کنترل متصل شده است را با هم عوض کنیم .

خب حال شما موتور ها و اسپید ها را به کوادکوپتر خود متصل کردید و از جهت چرخش موتور ها مطمئن شده اید . 

حال باید اسپید کنترل ها را به فلایت کنترل وصل کنید که در قسمت دوم این آموزش را قرار می دهیم

آموزش ساخت کوادکوپتر

کواد کوپتر یا ربات پرنده:

بحث ربات های پرنده چند سالی است که به شدت مورد علاقه ی بسیاری از علاقه مندان به رباتیک و هوافضا قرار گرفته است. 

شاید دلیل این امر جذاب بودن ساختار و همچنین مأموریت های خاصی است که فقط از عهده ربات های پرنده بر می آید.

هر ربات از ۳ بخش اصلی تقسیم میشود:

بخش اول:این بخش شامل شاسی اصلی و بازو ها میشود.

شاسی اصلی

شاسی اصلی که در مرکز کواد قرار دارد قطعات الکتریکی و کنترلی رو در خود جای میدهد

 و همچنین بازو های کواد به شاسی اصلی متصل میشوند جنس شاسی اصلی هم میتواند از جنس پلکسی گلس باشد

 و هم میتواند از جنس ورق الومینیوم ۱.۵ تا ۲میل که از مقاومت خوبی بر خوردار است.

 این قسمت ممکن است از جنس ورق های فیبرکربن الومینیومی نیز ساخته شود

 به نسبت وزن کم عموما شاسی این قسمت را به صورت صفحه ای میسازند 

همونطور هم که میدانید شاسی صفحه ای متداول ترین نوع شاسی در رباتیک است 

ابعاد این قسمت بستگی به عواملی همچون ابعاد مدارات الکتریکی و…دارد.

بازو ها:

بازو ها نیز میتوانند اولا از جنس های مختلفی باشند یک گزینه خوب استفاده از پروفیل های الومینیومی است 

که در مقطع های مربع و دایره و..موجود است

 پیشنهاد ما مقطع مربع است زیرا میتوان پایه نگه دارنده موتور را با چند عدد پیچ به راحتی به آن متصل کرد 

و همچنین از طرفی میتوان این سطح مقطع را در بین دو قسمت بالایی و پایینی شاسی قرار داد 

و با چند پیچ و مهره سفت کرد که علاوه بر دقیق شدن کار باعث میشود 

دو قسمت بالایی و پایینی شاسی با همین کار به هم متصل گردند.

طول بازو های رباط بستگی به قطر ملخ ها دارد اما به طور معمول حدود ۳۰ سانت است

 هر چه طول بازوها افزایش پیدا کند پایداری کواد بیشتر میشود و اگر هم از حدی کمتر باشد 

در پرواز خلل ایجاد میکند دلیل این امر هم تاثیر جریان هوای رو به پایین توسط ملخ هر یک از موتور ها بر موتور های بازوهای مجاور است

پس به همین دلیل بازو ها نباید زیاد کوتاه باشند جنس بازو هم میتواند از فایبر کربن نیز باشد

شاسی

 البته مقطع استوانه ای دارند و برای اتصال به شاسی نیاز به یک نگه دارنده دارند 

همانند آن چیزی که تیل بوم هلی را به بدنه وصل میکند خلاصه این مقطع دردسر های زیادی دارد و پیشنهاد نمیکنیم.

هر چقدر بتوانیم وزن شاسی را کاهش بدهیم بهتر است 

زیرا با کاهش وزن شاسی میتوانید از موتور های ضعیف تری استفاده کنید 

بالطبع به اسپید هایی با آمپراژ پایین تر نیاز خواهید داشت 

و از طرفی به باطری ای با تعداد سل کمتر و آمپر پایین تر نیاز خواهید داشت 

و در کل همه اینها هم باعث کاهش وزن قابل ملاحظه ای میشود و همچنین هزینه ها نیز کاهش میابد.

به این چرخه ، چرخه ی کاهش وزن در زمینه رباتیک میگویند.

برای محافظت از قسمت الکترونیک میتوانید این قسمت را در محفظه های پلاستیکی موجود در بازار قرار دهید

 و یا یک گزینه خوب برای محافظت از صدمه دیدن برد الکترونیک استفاده

 از محفظه های دوربین های مدار بسته کوچک است که شبیه نیم کره است.

نکته

نکته ی دیگر که بسیار مهم است این است که اولا هر بازو با بازوی مجاور خود زاویه ۹۰ درجه داشته باشد 

و دوم این که به هیچ وجه بازویی انحراف رو به بالا نسبت به بازو های دیگر نداشته باشد 

به طوری که وقتی شاسی را بر روی میز قرار میدهید اولا فاصله همه بازو ها تا سطح میز برابر باشد

و دوما همه بازو ها دقیقا طولی مشابه داشته باشند.

برای بالانس کردن شاسی پس از نسب بازوها به شاسی, به یک نقطه که دقیقا وسط شاسی قرار دارد نخی متصل کرده 

و از سقف شاسی را آویزان کرده و بالانس را انجام دهید قبل از نصب بازو ها آنها را تک تک وزن کنید 

باید همگی هم وزن باشند تا به بالانس بودن کمک کنند.

خوب به سراغ بخش دوم که قسمت الکترونیک است میرویم.

این بخش از چندین سنسور تشکیل شده است که به شرح زیر است:

۱-سنسور جایرو برای اندازه گیری شتاب خطی

۲-سنسور قطب نمای دیجیتال

۳-سنسور GPS

۴-فرستنده و گیرنده

۵-سنسور شتاب سنج برای اندازه گیری شتاب زاویه ای

۶-فاصله سنج در برخی موارد

و………

سنسور جایرو:

جایرو دستگاه کوچکی است که معمولآ شامل دو قسمت حس کننده (Sensor) و پردازشگر (Processor) بوده 

و رفتار ارتعاشی و ناخاسته دم را بر اثر عوامل مختلف نظیر باد جانبی ,

بد کار کردن موتور و متعاقبآ افزایش و کاهش گشتاور ملخ اصلی خنثی می سازد.

جایرو بر سر راه گیرنده و سرووی رادار قرار گرفته و فرمان ارسالی به رادار را تصحیحح می کند. 

در واقع جایرو برای کنترل رادار همانند کمک خلبانی است 

که از خود خلبان بهتر عمل می کند جایرو در کواد نیز مانند یک خلبان عمل کرده و به تصحیح فرامین کمک میکند.

انواع جایرو

 جایروها از لحاظ مکانیزم داخلی به دو نوع جایروی مکانیکی (Mechanical Gyro) 

و پیزو جایرو (Piezo Gyro) و از نظر عملکرد به دو نوع Heading Hold و Non Heading Hold (یا Rate Gyro)تقسیم می شوند.

در قلب حسگر یک جایروی مکانیکی یک وزنه کوچک در حال چرخش وجود دارد که از یک موتور الکتریکی کوچک نیرو می گیرد.

 چرخش وزنه خاصیت ژیروسکوپیک ایجاد کرده و هر حرکت در راستای محور عرض یا به عبارتی هر چرخش

 یا ارتعاشی حول محور عموودی,توسط وزنه چرخان احساس می شود.

به این صورت که به دلیل خاصیت ژیرسکوپی به سمت عمود بر راستای نیرو منحرف شد

 و این انحرف بسیار محدود سیگنالی را برای واحد پردازشگر و نهایتآ سروو ارسال می کنند تا حرکت ناخواسته را خنثی کند.

 این جایروها که نظر عملکرد از نوع Non HeadingHold یا Rate Gyro می باشند

 توسط یک کمپانی آلمانی به نام KAVAN Corporation در سال ۱۹۷۸ به بازار عرضه شد.

نوع جدیتر,دقیق تر و گرانتر جایروها,Piezo Electric یا Piezo Gyro می باشند .

 نمونه دست ساز این جایروها از سال ۱۹۸۸ توسط چند مدلر مستقل مورد استفاده قرار گرفت 

و اولین بار توسط شرکت فوتابا (Futaba) به تولید انبوه رسید .

پیزو جایروها عملکرد بسیار بهتری نسبت به جایروهای مکانیکی دارند .

 به دلیل اینکه این جایروها هیچ قطعه متحرکی ندارند,بسیار کم مصرف تر بوده و می توانند در ابعاد کوچک تری ساخته شوند.

در حسگر این جایرو ها از صفحه پیزو الکتریک (Piez crystal) استفاده شده که با کمترین خشمی اختلاف ولتار ایجاد می کنند.

در واقع Piezo crystal از دو صفحه چسبیده به هم تشکیل شده 

که با خم شدن آن یک صفحه تحت کشش صفحه دیگر تحت فشار قرار می گیرد و اختلاف ولتار ایجاد می کند

وقتی حسگر جایرو در مکان مناسب نسب می شود کوچک ترین حرکت دم به سمت چپ شدن صفحه پیزوالکتریک شده 

و در فرمان خنثی کننده به سمت سرووی رادر ارسال می شود.

تنها عیب این جایروها این است که صفحه پیزوالکتریک آنها نسبت به دما حساس بوده 

و تغییرات خاصیت می دهند که البته این مربوط به پیزو جایروهای اولیه بوده

 و در جایروهای جدید تا حد قابل قبولی مرتفع شده است

جایرو در کواد به ما کمک میکند با محاسبه شتاب خطی در یک جهت عکس العملی مطابق آن کواد روتور انجام میدهد.

سنسور قطب نمای دیجیتال:

قطب نما نیازی به توضیح ندارد  زیرا همه با آن آشنا هستند ولی کاربردش توی کواد چه چیزی است ؟

قطب نما با استفاده از جهت های قطبی تشخیص میدهد که کواد به کدوم سمت میرود و با چه زاویه ای .

مثلا اگر ما کواد رو با سمت شمال هدایت کنیم در صورت این که کواد منحرف بشه 

یا به یک طرف دور بخواد بزنه قطب نما با تصحیح انحراف باعث میشه که کواد در مسیر باقی بمونه 

به عبارتی قطب نما نقش محور Z مختصاتی رو بازی میکند و در این محور کواد رو کنترل میکند.

سنسور GPS

این سنسور برای تعیین موقعیت جغرافیایی ازش استفاده میشود

 و به ما در کنترل و رفتن به یک نقطه خاص کمک میکند وجود  GPS باعث کامل تر شدن کوادکوپتر ما میشود.

فرستنده و گیرنده:

این قسمت برای کنترل کواد به کار میرود و در اصل فرامین رو از اپراتور به کواد منتقل میکند و حداقل باید ۴ کانال برای کنترل کواد کوپتر باشد.

سنسور شتاب سنج برای اندازه گیری شتاب زاویه ای:

این سنسور به ما مقادیر شتاب زاویه ای رو میدهد و با پردازش اونها میتونیم جهت حرکت زاویه کواد سرعت کواد و……..را محاسبه کنیم

از فاصله سنج برای فهمیدن ارتفاعی که کواد در آن قرار دارد استفاده میکنیم از GPS هم به این منظور استفاده میشود.

 یک سنسور خوب که در ایران موجود است IMU 9 است که شامل جایرو سه محور زاویه سنج سه محور 

و قطب نمای سه محور میباشد که توسط شرکت هوشمند افزار وارد شده است.

 موتور:

عموما در کوادروتور ها از موتور های براشلس استفاده میشود اما اگر نخواهید با کواد بار بلند کنید میتوانید

 از موتور های براش به همراه یک گیربکس مناسب استفاده کنید موتور های براشلسی که در کواد استفاده میشوند 

باید RPM بالایی داشته باشند و سایز ملخ مورد استفاده بسته به موتور است در ضمن توجه داشته باشید 

که دو عدد از ملخ ها باید ساعتگرد ( راست گرد ) و دو عدد دیگر پاد ساعت گرد ( چپ گرد ) باشند.

اسپید کنترل:

وسیله ای است که دور موتور را تنظیم و به وسیله ی استیک تراتل ( throtle ) در رادیو کنترل میتوان کم یا زیاد کرد 

عموما اسپید مورد استفاده ۳۰ آمپر است هر چه اسپید باکیفیت تر باشد کنترل RPM بهتر صورت میگیرد

 در صورتی که فاصله اسپید از باطری زیاد باشه باید یه خازن با همون مقداری که خازن اسپید ظرفیت دارد 

به آن موازی شود موضوع آخرم باطری هست 

که عموما بسته به مشخصات اسپید و موتور سه سل ۲۵۰۰ یا ۳۶۰۰ میلی آمپر ۳۰C و یا ۴۵Cانتخاب میشود.

 عزیزانی که اقدام به ساخت یا مونتاژ مولتی رتور میکنن نحوه اتصال سخت افزاری

 و سیم کشی بین آنها موضوعی است که ذهن هر آماتور رو مشغول میکند.

ایرفریم AirFrame

به بدنه ی ربات پرنده ایرفریم گفته می شود که نمونه ی آن را می توانید در تصویر زیر ببینید . 

ایرفریم ها باید چند ویژگی مهم داشته باشند که در ادامه به تعدادی از آنها اشاره می کنیم :

1. تا حد ممکن سبک باشد .
2. در کنار سبک بودن باید مقاومت بالایی داشته باشد .
3. فریم مورد استفاده توانایی تحمل وزن کلی ربات را داشته باشد .
4. دقت ساخت بالایی داشته باشد ( برای داشتن تعادل بیشتر در پرواز(

موتور براشلس  :

بعد از انتخاب فریم نوبت به خرید موتور برای ربات پرنده می رسد .

 موتور ها پیشرانه ی ربات پرنده به حساب می آیند که باید در خرید آنها نهایت دقت و توجه را داشت 

زیرا در صورت خرید موتور اشتباه یا غیر مناسب ، ربات مورد نظر شما بازدهی مدنظر شما را نخواهد داشت .

اسپید کنترل : 

اسپید کنترل وسیله ای می باشد که وظیفه دارد سرعت موتورهای براشلس نصب شده بر روی کوادکوپتر یا ربات پرنده را کنترل کند . 

در خرید این اسپید کنترل باید توجه شود که با موتور و اسپید کنترل خریداری شده سازگاری داشته باشد

باطری لیتیوم پلیمر :

یکی از مهمترین قطعات و در عین حال گران ترین قطعه در ساخت ربات پرنده خرید باطری لیتیوم پلیمر می باشد .

دلیل استفاده از باطری های لیتیوم پلیمر قابلیت دشارژ بالای آن می باشد که باعث شده است 

که در تمامی ربات های پرنده از این نوع باتری استفاده شود .

شاید بتوان گفت مهمترین پارامتر تاثیرگذار در مدت زمان پرواز همین باتری می باشد 

که با افزایش ظرفیت باطری تایم پرواز نیز افزایش می یابد ولی توجه نمایید

 که با افزایش ظرفیت باطری وزن ربات پرنده افزایش یافته و در نتیجه باعث افزایش مصرف باتری می شود 

که باید برای حل این مشکل باید باطری مناسبی برای ربات پرنده خود انتخاب کنیم

 که بتوانیم با کمترین هزینه بیشترین تایم پروازی را داشته باشیم .

شارژر باتری لیتیوم پلیمر :

برای شارژ باتری های لیتیوم پلیمر از شارژر های مخصوصی استفاده می شود 

که با توجه به دقت بالا و روش شارژی که برای شارژ کردن باتری لیتیوم پلیمر استفاده می کنند 

باعث افزایش عمر مفید باتری های لیتیوم پلیمر می شود .

هشدار دهنده ولتاژ باتری :

در استفاده از باتری های لیتیوم پلیمر باید توجه شود که ولتاژ هر سل باتری از یک مقدار معین کاهش پیدا نکند 

به عنوان مثال در صورتی که ولتاژ هر سل باتری لیتیوم پلیمر به کمتر از ۲٫۸ ولت برسد

 دیگر قابل شارژ نبوده و باعث خرابی باتری خواهد شد که برای حل این مشکل از هشدار دهنده ولتاژ باطری استفاده می شود 

و در صورتی که ولتاژ هر سل باتری از مقدار معین کاهش پیدا کند 

این هشدار دهنده شروع به بوق زدن های پی در پی می نماید 

همچنین این هشدار دهنده قابلیت نمایش ولتاژ تک تک سل ها باتری و همچنین ولتاژ کلی باطری را دارا می باشد .

فلایت کنترل :

فلایت کنترل واحد مرکزی کنترل ربات پرنده می باشد که وظیفه حفظ ربات پرنده 

و همچنین هدایت ربات پرنده به سمت های مختلف و … را به عهده دارد .

میزان تعادل ربات پرنده تا حد بسیار زیادی به نوع این فلایت کنترل و سنسور های استفاده شده در آن بستگی دارد . 

که قابلیت ها و امکانات یک ربات پرنده بیشتر به همین فلایت کنترل وابسته می باشد .

به عنوان مثال قابلیت فرود خودکار , بازگشت اتوماتیک به خانه ، خلبان خودکار و … همگی در داخل این فلایت کنترل نهفته اند .

در بازار فلایت کنترل های زیادی موجود می باشند که نمونه آنها را در زیر معرفی می کنیم :

۱– فلایت کنترل مولتی وی MultiWii – قیمت پایین ، تعادل به نسبت پایین ، امکانات کم.

۲- فلایت کنترل آردوپایلوت یا APM – قیمت متوسط ، تعادل بالا ، امکانات زیاد .

۳- فلایت کنترل نازا Naza – قیمت خیلی بالا ، تعادل عالی , امکانات زیاد .

توجه کنید که بهترین گزینه با توجه به نوع قیمت فلایت کنترل ها اولین گزینه فلایت کنترل NAZA 

و سپس فلایت کنترل APM می باشد که می توان گفت این دو فلایت کنترل تمامی انتظارات شما را برآورد خواهند کرد .

در صورتی که نیاز به یک فلایت کنترل با پایداری و کیفیت بسیار بالا نیاز دارید توصیه ما به شما فلایت کنترل نازا NAZA می باشد.

و در صورتی هم که نمی خواهید هزینه زیاد برای فلایت کنترل نازا کنید 

گزینه مناسب بعدی فلایت کنترل APM می باشد که از نظر امکانات تقریبا مثل فلایت کنترل NAZA می باشد

 با این تفاوت که پایداری این فلایت کنترل کمتر از فلایت کنترل نازا می باشد ولی در عوض قیمت فلایت کنترل APM کمتر می باشد .

رادیو کنترل :

وسیله بعدی که به آن می رسیم رادیو کنترل می باشد برای اینکه ما بتوانیم ربات پرنده ی خورد را در فاصله ای دور هدایت کنیم 

باید از وسیله ای به نام رادیو کنترل استفاده کنیم که بتوانیم ربات پرنده خود را از زمین کنترل نماییم .

در خرید رادیو کنترل باید به نکاتی که در زیر اشاره می کنیم توجه داشته باشید :

۱- تعداد کانال ها

۲- برد رادیو کنترل

۳- کیفیت رادیو کنترل

۴- امنیت رادیو کنترل

.

شاید بتوان گفت یکی از پرهزینه ترین قطعات ساخت ربات پرنده همین رادیو کنترل می باشد 

که می تواند قیمتی از چند صد هزار تومان تا چند ملیون داشته باشد .

در صورت نیاز برای کاهش این هزینه می توانید این رادیو کنترل رو خودتون بسازین و با قیمت یک رادیو کاملا معمولی 

که در حدود ۳۰۰-۳۵۰ هزار تومان را دارا می باشد ، یک رادیو کنترل کاملا حرفه ای با امکانات بسیار بالا برای خودتان بسازید .

فرستنده و گیرنده ی تصویر (اختیاری):

در صورت نیاز به مشاهده ی زنده ی تصاویر از ربات پرنده شما نیاز به وسیله ای به نام فرستنده و گیرنده تصویر ۵٫۸ گیگاهرتزی دارید

 که می توانید این فرستنده و گیرنده را به صورت آماده از بازار خریداری نمایید 

و یا می توانید این وسیله را هم همانند رادیو کنترل با هزینه ای بسیار کم و امکانات بیشتر به صورت دست ساز بسازید .

دوربین اسپورت (اختیاری):

برای ضبط تصاویر پرواز نیاز به دوربین با کیفیت دارید 

که می توانید از دوربین های اسپورت که اندازه کوچک و وزن پایین در حدود ۶۰ گرم دارند استفاده نمایید .

 که نمونه ای از این دوربین را می توانید در زیر مشاهده کنید .

گیمبال یا پایدار ساز پرواز (اختیاری ):

گیمبال وسیله ای می باشد که دوربین بر روی آن نصب می شود 

و لرزش های به وجود آمده از ربات پرنده را با روش های معینی دفع می کند 

که باعث می شود فیلم پرواز پایداری بالایی داشته باشد و تمامی لرزش های ناخواسته نیز حذف گردد .