Stavíme kvadrokoptéru s Raspberry Pi a Arduino Nano

Adam Štrauch 15. 3. 2013

Malý počítač Raspberry Pi si říká o využití v zajímavých projektech a kvadrokoptéra takovým projektem může být. Není složité ji postavit, není to ani moc drahé a můžete si na ní vyzkoušet své programátorské i kutilské dovednosti. V tomto seriálu se dozvíte, jak vše propojit, abyste se na konci dostali do vzduchu.

Jako malý jsem měl vždycky rád cokoli, co bylo ovládané dálkově a největší zájem ve mně budila RC auta. Když jsem vyrostl, jedno jsem si pořídil. Bohužel není snadné vybrat takový podvozek, který zvládne nějaké rozumné zatížení. Ve výsledku bylo mé RC auto provozně dražší než to velké. Po pár měsících jsem to s ním vzdal, ale získal jsem zkušenosti, které se mi hodí nyní. Před pár týdny mi dorazilo Raspberry Pi a když jsem zjistil, jaký se v něm schovává potenciál, rozhodl jsem se ho využít také k něčemu zajímavému.

Jak jste mohli z titulku poznat, vybral jsem si kvadrokoptéru, a protože už mi dorazily všechny potřebné díly a provedl jsem několik základních pokusů, rozhodl jsem se napsat o stavbě seriál s neurčitým počtem dílů. Rád bych kvadrokoptéry využil také k oživení znalostí z elektroniky, které mě opustily někdy po maturitě a ani před tím jsem nebyl v tomto oboru moc dobrý. Pokud se rozhodnete seriál využít jako inspiraci k vlastnímu stroji, na konci váš čeká kvadrokoptéra:

  • řízená mobilní aplikací přes WiFi s přenosem obrazu
  • schopná unést přibližně 1kg nákladu
  • stabilizovaná pomocí Arduina a gyra
  • schopná udržovat výšku
  • navádět sama sebe pomocí zadaných GPS souřadnic
  • umějící si poradit v případě výpadku signálu

V dnešní době není problém kvadrokoptéru postavit za pár tisíc korun a budete mít funkčnost podobnou, jakou nabízejí mnohem dražší komerční alternativy. Svět modelů je bohatý, hlavně v zahraničí, a když víte, kam se podívat, seženete elektroniku i mechaniku za velmi rozumné ceny.

Při návrhu kvadrokoptéry jsem se zaměřil na dva cíle. Nejsem žádný letec a nechci riskovat, že selhání mého postřehu zapříčiní spadnutí celého stroje a tedy i materiální škodu ať už na nějakém cizím či mém majetku nebo kvadrokoptéře samotné. Proto chci mít kvadrokoptéru schopnou automatického letu. Aby se po ztrátě signálu uměla vrátit na místo, kde ho spolehlivě měla, a když ho nenajde, měla by být schopná se vrátit na začátek letu, pokud možno bezpečně. Jak to vypadá, když takovou funkci nemáte, se můžete podívat na tomto videu:

Podobným způsobem by měla být schopna hlídat jednotlivé články baterie, informovat o tom uživatele a v případě problémů se pokusit o návrat či hladké přistání. Užitečnou funkcí je nastavení pevné výšky nebo alespoň zámek aktuální výšky nebo automatické navádění pomocí GPS. Tato funkce ale může narážet na naši legislativu.

Mým druhým cílem je využití Raspberry Pi jako ovladače. Kromě toho, že použití RPi dostane do celé konstrukce Linux, tak otevírá neomezené možnosti ať už pro ovládání nebo pro získávání telemetrie. Ale podrobnosti necháme na jindy, teď je třeba všechno dostat do vzduchu.

Výběr dílů

Aby kvadrokoptéra mohla létat, musíte mít rám, motory, regulátory, baterii a něco, co bude regulátorům říkat, kolik mají dát motorům proudu. Pomineme-li na chvíli řízení regulátorů, seženete zbytek přibližně za 3000 až 4000 kč například ze serveru HobbyKing.com. Jde o e-shop, který má své sklady v Číně, Německu, Nizozemí a možná i v dalších zemích, které se nám ale nevyplatí. HobbyKing nabízí různé zboží pro modely a jen s věcmi odtamtud postavíte funkční kvadrokoptéru ovládanou konvenčním leteckým ovladačem. Mám s HobbyKingem výborné zkušenosti. Stačí si dát pouze pozor na to, aby objednávané zboží bylo skladem nejlépe v evropské lokalitě. Pokud skladem není, může trvat i týdny, než se naskladní a zbytek objednávky pak čeká.

Druhým zdrojem, který se ukázal být velmi dobrý na řídící elektroniku je server eBay. Na tomto serveru s bohatou tradicí najdete desky Arduino, o který jsme zde na Rootu psali a které je velmi snadné naprogramovat. Podobně seženete gyroskop s akcelerometrem, univerzální plošné spoje nebo třeba displej.

Další zahraniční zdroj, který jsem využil, bylo DealExtreme známé různorodostí zboží a poštovným zdarma. Objednal jsem tam vodiče pro nepájivé pole a LCD displej pro zobrazení informací o stavu kvadrokoptéry. Displej pravděpodobně nebude nutný, protože bude kvadrokoptéra spojená s telefonem nebo tabletem a obě tato zařízení jsou na prezentaci informací mnohem vhodnější.

Poslední obchod, kde jsem nakoupil součástky je český GES Eelectronics. Mají všechno od drátů, lanek, elektronických součástek, věcí na plošné spoje a další. Navíc mají slušné ceny a pobočky ve větších městech.

Nákupní seznam

Než se dostanu k bližšímu vysvětlování, tady je seznam věcí, které jsou pro stavbu kvadrokoptéry klíčové.

Popis Cena Počet Obchod
Rám Hobbyking X550 Glass Fiber Quadcopter Frame 550mm 21,19 USD HobbyKing
Motor Turnigy D2836/9 950KV 13,29 USD HobbyKing
Regulátor TURNIGY Basic 25A 15,95 USD HobbyKing
Vrtule CCW 9045 (4 ks) 3,06 USD HobbyKing
Vrtule CW 9045 (4 ks) 3,06 USD HobbyKing
Programovací karta pro regulátory 7,41 USD HobbyKing
4mm konektory k baterii (10 ks) 2,67 USD HobbyKing
3.5mm konektory k regulátorům a motorům (10 ks) 1,74 USD HobbyKing
Hobby King Quadcopter Power Distribution Board 4,16 USD HobbyKing

Pro testování zapojení a pájení budete potřebovat ještě věci z následujícího seznamu. Předpokládám, že pájecí stanici, cín, multimetr a podobně již máte.

Popis Cena Počet Obchod
Nepájivé pole 5,4 USD DealExtreme
Kablíky pro nepájivé pole (70 ks) 3,5 USD DealExtreme
Kablíky pro připojení arduina (50 ks) 4,9 USD DealExtreme
Rezistor 10kOhm 1,95 Kč GES
Rezistor 18kOhm 1,95 Kč GES
Lišta s konektory 40 pinů (PLS-40S) 4,44 Kč GES
Smršťovací bužírka 8,98 Kč 1m GES
Arduino Nano 10,89 GBP eBay
Gyroskop a akcelerometr MPU-6050 5,98 USD eBay
Univerzální plošné spoje (20 ks) 9,99 USD eBay

V případě, že ještě žádný RC model s Li-Po baterií nemáte, budete navíc potřebovat:

Popis Cena Počet Obchod
Baterie Turnigy 5000mAh 3S 26,48 USD HobbyKing
Nabíječka s balancérem pro Li-Po a Li-Ion baterie 35,23 USD HobbyKing

Toto není pevný seznam. Obsahuje kombinaci vrtulí, motorů a regulátorů, které 100% poletí, ale klidně můžete vsadit na motory s více otáčkami a menšími vrtulemi nebo si zvolit něco mezi. Věci z první tabulky jsou nejdražší a vyjdou vás přibližně na 3 500 Kč i s poštovným. Další tabulky jsou závislé na tom, co již máte doma. Druhá tabulka vychází kolem 1 000 Kč a poslední na 1 234 Kč. V tabulkách ještě není uvedeno Raspberry Pi, které do ČR dostanete přibližně za 1200 Kč včetně krabičky. V případě, že doma máte jen pájecí stanici a nějaké základní možnosti kutilství, vyjde vás tato kvadrokoptéra na necelých 7 000 Kč a bude mít parametry podobné kvadrokoptérám za dvojnásobnou cenu. K výše vyjmenovanému budete ještě možná potřebovat nějaké detaily, dráty na propojení věcí, o kterých zatím nevíte nebo něco na upevnění všech kousků na rám. To už jsou ale korunové položky. V seznamu chybí také GPS modul a barometr, které stojí přibližně 10 USD každý, ale zatím není prioritou si s nimi kvadrokoptéru komplikovat. Budu se jim věnovat v jednom z dalších dílů.

Bohužel není možné podobný stroj postavit za stejnou cenu s věcmi z ČR. Některé komponenty jsou 2× až 4× levnější v zahraničí a jiné tady ani neseženete. Navíc výběr zboží je o poznání horší. 

Když všechny díly dorazí, vypadá to takto:

Shrnutí

To by jako úvod zatím stačilo. Investice to není malá a je možné, že se snadno stane, že s ní říznete o zem hned při prvním nejištěném letu. Kvadrokoptéra, stejně jako jiné RC modely, jsou hlavně o zábavě a je třeba počítat, že se může něco rozbít. Když se ale vše povede, můžete se třeba podívat, jak to vypadá 800 metrů nad zemí:

Nebo se podívat na známá místa z jiných úhlů:

Ke kvadrokoptérám existuje řada open source projektů, kde je všechno, co bude v tomto seriálu probíráno, popsáno. Nicméně jsem se rozhodl je nevyužít vůbec nebo jenom částečně, protože kdybych použil něco již hotového, vytratil by se element zábavy, o který mi jde především.

Našli jste v článku chybu?
Vitalia.cz: 3× o tucích: proč je potřebujeme?

3× o tucích: proč je potřebujeme?

Root.cz: Střílejte v obýváku, stačí kamera a projektor

Střílejte v obýváku, stačí kamera a projektor

120na80.cz: Cestovní nevolnost. Co pomůže?

Cestovní nevolnost. Co pomůže?

DigiZone.cz: Světlé zítřky gaučových sportovců

Světlé zítřky gaučových sportovců

DigiZone.cz: Boj Markízy a Novy o federální trh vrcholí

Boj Markízy a Novy o federální trh vrcholí

DigiZone.cz: ČTÚ květen: rušení TV vysílání narůstá

ČTÚ květen: rušení TV vysílání narůstá

Lupa.cz: Zkoušeli operátoři manipulovat měření LTE?

Zkoušeli operátoři manipulovat měření LTE?

Vitalia.cz: Epidemie: Klíšťová encefalitida po ovčím sýru

Epidemie: Klíšťová encefalitida po ovčím sýru

DigiZone.cz: Noxon iRadio 1 W bude za pár měsíců

Noxon iRadio 1 W bude za pár měsíců

Vitalia.cz: 5 porcí ovoce a zeleniny: no ale jak na to?

5 porcí ovoce a zeleniny: no ale jak na to?

Lupa.cz: Nej aplikace? Vodafone, Mozkovna, Záchranka

Nej aplikace? Vodafone, Mozkovna, Záchranka

120na80.cz: Proč komáři létají hlavně večer?

Proč komáři létají hlavně večer?

Podnikatel.cz: Oblíbené Babišovo reverse charge. Potopilo je?

Oblíbené Babišovo reverse charge. Potopilo je?

DigiZone.cz: Pardubicko: Výrazně posílen Mux 3

Pardubicko: Výrazně posílen Mux 3

Vitalia.cz: Jíme přesolené potraviny. Zrovna tyhle

Jíme přesolené potraviny. Zrovna tyhle

Vitalia.cz: Máte chutě? Nejezděte do světa, ale do Dobřichovic

Máte chutě? Nejezděte do světa, ale do Dobřichovic

Měšec.cz: TEST: Vyzkoušeli jsme pražské taxikáře

TEST: Vyzkoušeli jsme pražské taxikáře

Vitalia.cz: 7 receptur z pohanky. Svědčí zdraví

7 receptur z pohanky. Svědčí zdraví

Lupa.cz: Text umírá, na webu zbude jen video

Text umírá, na webu zbude jen video

Lupa.cz: Jaké IoT tarify nabízejí mobilní operátoři?

Jaké IoT tarify nabízejí mobilní operátoři?