Самодельный дрон с камерой. Квадрокоптер (дрон) своими руками из модулей. Схема подключения приводится ниже

Сегодня в интернете множество статей на тему "собрать квадрокоптер своими руками", а самый лёгкий способ сделать квадрокоптер, для новичка, это сделать его "по инструкции", поэтому достаточно найти качественную статью-инструкцию и попытаться повторить творение автора. Главное не только знать какой летательный аппарат Вам нужен, но и на какие перспективы Вы рассчитываете. Я хотел коптер "с запасом", чтоб была возможность повесить камеру (типа Gopro) на бесколлекторный подвес и транслировать видео "на землю". А "Пустой" же т.е. не нагруженный, смог летать максимально длительное время. Найти готовую статью не смог, поэтому пришлось "перелопатить" груду материалов.

Эта статья о квадрокоптере предназначенного для FPV - полет с камерой от первого лица и аэрофотосъёмки. Аэрофотосъемка планируется нетолько с GoPro (и аналоги), но и с возможностью погрузить на борт более менее приличную "мыльницу" (150-250 грамм). Плюс чтоб время полета было длительным и чтоб в экстренных и любых непредвиденных случаях автопилот возвращал аппарат "домой".

Самое сложное в сборке первого квадрокоптера это принять решение "какой коптер" и "для каких целей" он нужен, сделать заказ и оплатить, сумма выходит не малая.

Рама и силовая часть с пропеллерами.

Рама для квадрокоптера F450 - 450mm

Двигатель AX-2810Q 750кв

Регулятор оборотов ESC Turnigy Multistar 40A V2 Slim BLHeli Multi-Rotor Brushless OPTO 2-6S

Пропеллеры 12x6 карбон, дешевые, с Aliexpress

Полетный контроллер (мозг) - я выбрал APM 2.6:

Замечательный бюджетный вариант. Хотя есть более дешевые варианты, но APM (ardu pilot mega) обладает всеми функциями "продвинутого" полетного контроллера. К нему подключаю GPS модуль для того, чтоб автопилот мог вернуть коптер "домой" в случае пропадания связи.

Для полета по камере также устанавливаю OSD - это наложение, на транслируемое видео, телеметрических данных: скорость полета, высота, стрелочка указывающая путь домой и самое главное данные о заряде батареи - с земли можно видеть энергопотребление и прогноз насколько долго еще хватит батареи.

Так же для получения данных о состоянии батареи необходим модуль питания:

FPV комплект для трансляции видео с квадрокоптера на землю включает в себя комплект приемник и передатчик:

Рабочая частота 5.8 ГГц. Мощность передатчика (на фото с права) 600 мВт - что при нормальных антеннах должно в прямой видимости держать устойчивый прием на растоянии свыше 5 км. Изначально этот комплект я расчитывал для самолета и полета на 10 км, поэтому он черезчур мощный и тяжеловат. Вес передатчика 40 гр вместе со штатной антенной.

В таком комплекте лучше сменить штатные штырьевые антенны(диполь) на современные антены круговой поляризации называющиеся - "клевер" они обеспечивают более стабильный прием/передачу сигнала, т.е. на видео будет меньше шумов:

На земле смотреть изображение планирую в дешевом видео шлеме:

Поставляется шлем в разобранном виде, как на фото справа. Что собой представляет шлем: пенопластовый корпус (EPO), ЖК экран (5") и линза френеля. Т.е. линза позволяет более-менее комфортно смотреть на экран на близком расстоянии (5-6 см), в итоге Вы видите большой экран. Из за такой линзы есть небольшие искажения по краям видимой области. Из минусов этого шлема - это ЖК экран низкого разрешения 640 точек, чувствуется зернистость, поэтому любители и энтузиасты заменяют стандартный экран на экран такого же размера, но большего разрешения, например 840 точек на дюйм, главное, чтоб в нем отсутствовал черный или синий экран при отсутствуии сигнала, т.к. при плохом приеме важно видеть хотяб очертания изображения сквозь помехи.

Стоимость такого шлема (монитора) составляет около 2000 руб (35$). Существуют и другие модели шлемов с разрешением экрана 1280, качество и ощущение присутствия в таких на высшем уровне, но и цена выше.

Что касается видео очков, то их качество оценивается весьма крупной стоимостью (за счет компактности). Нормальный очки Fatshark (640 dpi) по качеству будут не намного выше шлема за 2000 руб, а цена их будет держаться около 8000 руб. Дешевые видео очки с aliexpress больше подойдут "пассажиру" нежеле чем пилоту.

Производитель заявляет, что в очках имитируется виртуальный дисплей диагональю 52 дюйма, это так и есть (но на растоянии 5-6 метров), смотреть кино абсолютно приемлемо, но в полетах с камерой нужно не только в пространстве ориентироваться, но и на местности, а так же небходимо отвлекаться на данные OSD, которые на маленьком зернистом экране выглядят мелкими. Новичку такие очки не советую. Цена описаных очков 100$, их разрешение всего 320х240.

Камера на квадрокоптере , для записи и трансляции видео будет установлена на 2х осевом бесколлекторном подвесе с алиэкспресса. Камера выбрана SJ5000.

Ожидается, что получится примерно такой дрон:

Различные мелочи:

Антивибрационная патформа для APM - апм принято устанавливать на антивибрационную подставку, это улучшает стабильность работы контроллера.

BEC - это стабилизатор питания преобразующий входящие 11.1 или 14.8 вольт в 5 вольт, которые используются для питания приемника, полетного контроллера и д.р. Он необходим т.к. мои ESC (регулятор оборотов бесколлекторного двигателя) без встроенного BEC.

Вес моего коптера составил:

Рама, 4 двигателя, 4 ESC, 1 BEC, APM, плата разводки питания с коннекторами XT60, приемник, "ноги" - 990 гр.

FPV набор: minimosd-6гр, курсовая камера-20гр, передатчик видео с антенной-30гр, GPS модуль-30гр.

Видеосъемка: двух осевой подвес-212гр, камера SJ4000-70гр.

Аккумулятор: 5000мАч 4S 30C - 650гр.

Итого пустой: 1 кг - с аккумулятором 1650 гр.

с FPV комплектом - 1100 и 1750гр с аккумулятором.

с бесколлекторным подвесом и камерой-2,1 кг.

Длительность полета так же хочется увеличить за счет больших винтов. Поэтому тестировать буду в следующей комплектации: двигатели описаны выше, винты 12х4.5 с питанием 3s (11.1 вольт) и второй вариант винты 10х4.5 питание 4s (14.8).

Как выбрать двигатель/раму для квадрокоптера?

Вы должны знать вес будущего летательного аппарата, вес полностью загруженного - рама, двигатели, регуляторы, приемник, видеопередатчик, OSD, GPS, контроллер полетный, камера, аккумулятор, подвес для камеры и т.д. Под этот вес выбираются двигатель/пропеллер - ВМГ - винтомоторная группа и аккумулятор.

Винтомоторная группа развивает определенную тягу в граммах, обычно продавец или производитель публикует технические характеристики: потребляемый ток, вольтаж/пропеллер, сила тяги в граммах.

Пример: вертикально расположена шкала тяги в граммах, по горизонтали потребление тока в амперах. Вольтаж 14.8 (4S), два графика - один для пропеллера 11х4.7 второй для 10х4.7

К сожалению не на каждый двигатель найдутся данные о силе тяги или они могут быть не совсем корректны. Зачастую эти данные выкладывают в комментариях, энтузиасты поводящие замер. И в принципе это правильно, купил двигатель установил на стенд с весами и начинаешь тестирование, перебирая варианты пропеллеров, заявленные производителем, на каком из пропеллеров выше тяга и умеренный нагрев тот и подойдет.

Например Вы нашли двигатель с тягой 1 кг, в квадро-коптере 4 двигателя соответственно 4 кг тяги. Тяговооруженность - это запас можности по тяге, т.е. если квадрик будет весить 4 кг и тяга составляет 4 кг, то тяговооруженность равна единице (1 - не полетит), для коптеров нужно от 2 до 3.

Желание подняться в небо, наверное, никогда не покидало человека. В этой инструкции мы сделаем шаг навстречу мечте и сделаем своими руками квадрокоптер.

Шаг 1: Строем раму

Шаг 2. Подготавливаем мотор

Шаг 3. Установка двигателя

Шаг 4: Установка регулятора скорости

Шаг 5: Крепим шасси

Шаг 6: Монтаж контроллера квадрокоптера
Именно он стабилизирует полет устройства и является главным элементом этого процесса. Лидеры продаж:
«ArduPilot» – основан на Arduino , отличается высокой производительностью.
«DJI Naza» - «продвинутый» контроллер, в ценовом сегменте, подороже вышеуказанного, но с набором разных функций.
«OpenPilot CC3D» - основан на STM32 и MPU6000 и шесть каналов. Также его можно перепрошивать.
«NAZE32» - замысловатое устройство, с которым работают опытнфые специалисты.
«KK2.1» – самый популярный в Интернете, оснащен AVR микроконтроллером, имеет жидкокристаллический дисплей.
«KKMulticontroller» – основан на Atmel AVR, считается немного устаревшей моделью .

Шаг 7: Устанавливаем пульт
Вообщем, модели разнообразные от дорогостоящих - Futaba, Spektrum, до малостоящих - Turnigy и Flysky. Для изготовления этого квадрокоптера понадобится 4-х канальный пульт управления.

Шаг 8: Установка и настройка электронной «начинки»
По приведенной видео инструкции устанавливаем всю имеющуюся электронику.

Шаг 9: Время тестов
До того как запустить квадрокоптер, нужно опробовать первый полет, что и делаем.

Шаг 10: Запуск

Настало время выяснить,что же такое квадрокоптер и из чего он состоит.
1. Рама
2. Приёмник/Передатчик
3. Контроллер полёта:
a) AIOP
b) NAZA
c) MuliWii
d) HKPilot
е) AMP
f) И другие

4. Силовая установка
a) Мотор
b) Регулятор скорости
c) Пропеллеры
5. Аккумулятор
6. Доп. Оборудование:
a) FPV система (вид от первого лица в реальном времени)
Курсовая камера
Передатчик
OSD
b) Подвес для бортовой камеры
c) Подсветка

Теперь можно все детально рассмотреть.
1) С рамой уже определились. 450 масштаб, клон TBS.


2) Приёмник/Передатчик. Выбор его имеет очень важное значение. Вам нужно для себя понять: как далеко вы хотите летать.
Самые популярные варианты:
 1,5-2км обеспечит 2,4Ггц
 433 мгц обеспечит около 5-10км(все зависит от мощности, можно улететь и на 20км)
Для себя выбрал 2,4Ггц FlySky Th9x 9каналов



Не дорогая и простая в настройке аппаратура.
Для квадрокоптера необходимо от 5 каналов.
Выбор данной аппаратуры обусловлен её популярностью, давностью на рынке.Существует множество клонов.Ведётся много споров по поводу того, какая фирма была первой, это та же тургига 9, авионикс и другие… В интернете множество настроек.
3) Контроллер полёта
На данный момент очень много контроллеров полёта для квадрокоптеров. Свой выбор я сделал. Это Naza Lite c GPS

Не очень дорого и сердито. Наза требует минимальной настройки и сделать это очень просто.
С контроллерами AIOP, Crius и MultiWii будет много раз сложнее и особенно новичку.
Почему я взял контроллер с GPS?
Данная функция необходима для зависания в точке и возврата домой.
Я вижу это очень удобным функционалом.
4) Силовая установка
Вызывает множество вопросов у непосвященных.
Используются БК моторы. Они являются трёх фазными(3 провода), их КПД около 90%.
Для управления скоростью вращения таким мотором используется регулятор оборотов(регуль), который получает команды от контроллера полёта.

Рассмотрим рамы 330,450мм. В зависимости от ваших потребностей необходимо прикинуть вес квадрокоптера. В среднем получается от 1к до 1,5кг. Желательно чтобы тяга моторов была в 2-2,5 раза больше общей массы. Это говорит о том, что тяга должна быть 2-3 кг. Делим это на 4 и получаем тягу одного мотора: примерно 500-750 гр.
Возникает вопрос: какой двигатель выбрать? Смотрим в характеристики рамы: нас интересует какие двигатели можно в неё поставить. Должны интересовать первые 2 цифры: 22 или 28 в большинстве случаев.
Начинаем выбор двигателя. У названия двигателя вы увидите некую величину, например: 1100kv. Это величина обозначает количество оборотов на 1 вольт. Двигатели с высокими значениями kv имеют меньше витков обмотки статора, чем менее оборотистые.Из этого вытекает, что максимальная сила тока будет выше в двигателях с меньшим kv, которые имеют большую силу крутящего момента и это позволяет использовать большие пропеллеры.
Можно сравнить с коробкой передач автомобиля. 380kv и 1400kv это как первая и третья передача у авто.
380kv для размеренных медленных и долгих полётов с большой грузоподъемностью
1400kv для быстрого и маневренного хода.
В просторах интернета или же в описании этого двигателя можно увидеть его технические характеристики и результаты тестов. Нужно узнать максимальную силу тока (А) которую сможет потянуть двигатель и исходя их этих данных подобрать регулятор оборотов(ESC). Допустим max А для двигателя 20А. Тогда, ESC берём на 20-25% мощнее, 25-30А.
Теперь смотрим результаты тестов.
Например видим: 11х4.7 –3S-12А – 830гр
Это означает
11х4.7 - характеристики пропеллера(11-дюймы, 4.7 шаг)
3S - число банок LiPo батареи
12А - сила тока в цепи при данной нагрузке
830гр – тяга двигателя при даных условиях
Таким образом, максимальная тяга 830х4=3300 гр., max сила тока в цепи 12х4=48А
Максимальная сила тока нужна для подбора Аккума и Проводки.

Для начала не берите карбоновые пропы. Переплата. Учитесь летать на дешевых.
Крепление пропеллера зависит от самого двигателя. Большинство пропеллеров имеют адаптер под ось двигателя. Возможно крепление на Цангах или же резьбой. Есть прекрасные варианты самозатягивающиеся-крепления у DJI, при таком варианте ваш пропеллер никогда не открутится во время полёта.
Для более простых вариантов советую дополнительно закрепить герметиком для резьбы.

Обращаю внимание : сравнивать моторы с разным kv можно при условиях одного типоразмера. Например, EMAX XA 2212 существуют в разных конфигурациях:
820
980
1400
Их можно сравнить.
Эффективность мотора с 1400kv будет максимальной при использовании пропеллера 8040,
А мотора с 820kv - при пропеллере 1147.
Максимум крутящего момента будет у мотора с 820kv, поэтому целесообразно использовать большие пропеллеры. А мотор с 1400kv будет любить высокие обороты при меньшей нагрузке.
Разница между представленными моторами в обмотке.
Разумно их использовать так:
1400kv на раме 330 и пропеллерами 8040
980kv на раме 450 и пропеллерами 1045
820kv на раме 500-550 и пропеллерами 1147
Я выбрал
И пропеллеры
Замечательный набор.
Схема подключения
Для простоты: Сигнальный- черный, Силовой(+\-) - красный


5) Аккумулятор
Выбирая аккум необходимо подобрать токоотдачу. Это число С.(25С,35С)
Не забываем что, по нашим данным система кушает 48А.
Допустим что, есть аккум 3300mAh 3S 35C Lipo Pack
3300 mAh - ёмкость аккума
3S – число банок(одна банка 3,7v)
35C – токоотдача. Т.е. Аккум ёмкостью 3.3Ah(3300 mAh) х 35C = 115А
Что достаточно покрывает наше энергопотребление. Даже излишне. Чем больше С, тем тяжелее и дороже аккум.
Посмотрим сможет ли аккум такой же ёмкости, но с токоотдачей 25С справится с нашими задачами или нет: 3.3Ah(3300 mAh) х 25C = 82А
Ответ:да.
Такой аккум будет легче и дешевле.
Для контроля состояния батареи можно купить такую штуку.

Для зарядки аккумов очень популярна Imax B6, будьте осторожны, очень много подделок.

И не забывайте с LiPo надо очень осторожно обращаться.
Мой совет: берите не меньше пары аккумов.
6) Доп. Оборудование.
Когда вы определились с дальностью полёт и выбрали систему управления, можно начинать выбор FPV системы:
FPV- дословно: вид от первого лица в реальном времени.
 2,4Ггц совместима с 5,8Ггц
 433Мгц совместима с 1,2 Ггц
Иначе будут создаваться совместные помехи.
Для своей 2.4Ггц я подобрал 5,8Ггц 200mw

FPV-система стостоит из:
1) Курсовой камеры
2) Передатчика на квадрике
3) Приёмной станции на земле.
Для Увеличения дальности связи можно заменить стандартные антены на ""клеверы""

Большая часть передатчиков питается в пределах 9-12v, небольшая 3S батарея сможет запитать передатчик и камеру, которая выбирается для данного вольтажа.
Что значит 200mw?
Это мощность передатчика. Она непосредственно влияет на дальность связи. На открытой местности с нештатными антенами сигнал можно получать на расстоянии до 1 км.
С учетом того, что моя система управления на расстояние больше 1,5-2км не способна, это идеальный
вариант для моих потребностей.
С выбором приёмника и передатчика теперь все понятно, а как выбрать камеру, их огромное колличество?
Выбор камеры первоначально упирается в денежные средства.
Есть камеры которые имеют функцию потоковой передачи данных и одновременной записи.Стоимость таких камер значительно выше. Очень популярной является камера мобиус.

Появился её конкурент, тоже имеющий AV выход

Можно использовать курсовую камеру из самых дешовых, без корпуса. Стоимость которой колеблется от 600 до 1000рублей, а записывать с помощью хорошей экшен камеры на подвесе.
У FPV камеры мы увидим число ТВЛ. Что это такое? Это число строк развертки. Для FPV камеры будет достаточно 500-700ТВЛ. Важное значение имеет уровень минимальной освещенности, данный параметр измеряется в люксах. 0.01 люкс достаточно для полётов даже вечером. Угол обзора имеет не менее важное значение. 100-120 градусов это идеально. Не плохо бы иметь автоматическую коррекцию засветов и авто. баланс белого.
Картинку можно вывести на такой монитор

Можно прикупить 2х- или 3х-осевой подвес для камеры. Такая штука позволяет поворачивать камеру и иметь более стабильную картинку, без рывков и дерганий.
Штука достаточно дорогая.
У меня вот такой:
Естественно сама бортовая камера
Можно установить LED подсветку, пищалку,GPS-трэкер

Как вы поняли, что бы собрать такой БПЛА необходимо не мало вложений.
Цена приблизительно в пределах 400-500 долларов.

Этот обзор предназначен для новичков и несет в себе теорию, в скором времени будет продолжение.Со сборкой и настройкой.
Я запланировал цикл статей и буду не спеша их реализовывать.
Буду рад критике,спасибо за просмотр.
Вскрою карты: конечный результат


Как такую штуку собрать и поднять в небо?
Инструкция будет в следующей части)

Вот небольшой ролик из первых полётов с подвесом.