Costruisci e pilota il tuo micro drone ESP32: una guida completa

Introduzione

Costruire un micro drone da zero potrebbe sembrare intimidatorio, ma l’ESP-FLY dimostra che è un obiettivo assolutamente raggiungibile. Questo quadricottero tascabile misura solo 50 mm di larghezza, pesa appena 18 g senza batteria e vola utilizzando semplicemente il tuo smartphone. L’intero progetto costa circa 37 dollari in componenti e combina stampa 3D, progettazione di circuiti stampati, programmazione di microcontrollori e test di volo pratici in una realizzazione davvero gratificante.

Progettazione e stampa 3D del telaio

Il telaio dell’ESP-FLY nasce in un software CAD. Utilizzando Autodesk Fusion, il design incorpora le misure di ogni componente che dovrà alloggiare all’interno: controller di volo, batteria, motori e sensori. Il design a corpo chiuso presenta bracci a due punte per sostenere i motori mantenendo un’aerodinamica di base. Una copertura superiore mostra il nome del drone e una copertura secondaria opzionale può ospitare una fotocamera FPV da 3 g per chi desidera una visuale in prima persona.

I file STL finiti sono disponibili per il download, completi delle impostazioni di stampa 3D consigliate. Una volta caricati nel software di slicing e inviati alla stampante 3D, i pezzi vengono stampati in modo sorprendentemente rapido. Una stampante di qualità può produrre tutti i componenti del telaio in circa 30 minuti, fornendo parti senza filamenti in eccesso, deformazioni o spostamenti degli strati. Il telaio stampato in 3D pesa circa 4 g.

Per chi non ha accesso a una stampante 3D o ha vincoli di budget, esiste un’alternativa in PVC. Un tubo in PVC da 2 pollici acquistabile in ferramenta può essere tagliato, riscaldato e appiattito in fogli. Utilizzando un progetto fornito, è possibile segnare, forare e tagliare le parti del telaio a mano, per poi piegarle e incollarle insieme. Questo approccio fai-da-te in PVC produce un telaio funzionale che pesa circa 6 g, leggermente più pesante della versione stampata in 3D ma comunque in grado di volare.

Costruzione dell’elettronica: assemblaggio del PCB

Il cuore dell’ESP-FLY è un PCB personalizzato a quattro strati che integra il sensore di movimento, il driver del motore e la distribuzione dell’alimentazione in un unico modulo compatto. La progettazione della scheda prevede il posizionamento dei componenti a montaggio superficiale utilizzando un software di progettazione PCB con assistenza AI per ottimizzare il layout. Lo strato superiore gestisce il tracciamento del movimento, mentre quello inferiore gestisce il controllo del motore e l’alimentazione.

Una volta esportati i file Gerber, vengono caricati presso un produttore di PCB per la realizzazione. Le schede risultanti arrivano pronte per l’assemblaggio. Utilizzando uno stencil SMD e pasta saldante, i componenti vengono posizionati con cura e rifusi su una piastra riscaldante. Il modulo completo di sensore e driver motore pesa solo 1 g, mantenendo il drone complessivamente leggero ed efficiente.

Per chi non dispone di attrezzatura per saldare, sono disponibili servizi di assemblaggio PCB. È sufficiente caricare la distinta base e i file pick-and-place, e il produttore consegnerà una scheda completamente assemblata e pronta all’uso.

Installazione del controller di volo e dei motori

Il Seeed Studio XIAO ESP32S3 funge da cervello del drone. Questo microcontrollore grande quanto un pollice misura solo 21 mm per 17 mm, rendendolo ideale per un micro drone. Nonostante le dimensioni compatte, esegue dual core con molta potenza di elaborazione, include Wi-Fi a bassa latenza integrato per il controllo in tempo reale e dispone di un sistema di gestione della batteria che consente la ricarica diretta tramite USB-C. Il suo consumo energetico di 100 milliampere aiuta a prolungare il tempo di volo, fattore critico per un velivolo leggero.

Lo stack del controller di volo si monta sul PCB utilizzando pin header. Quattro motori coreless da 6 mm per 15 mm con diametro dell’albero di 0,8 mm si collegano alle piazzole del driver motore. Due motori ruotano in senso orario e due in senso antiorario, distinguibili dal colore dei cavi. I cavi dei motori passano attraverso fori progettati nei bracci del telaio, mantenendo l’interno ordinato. Una piccola fascetta funge da supporto per fissare una batteria LiPo da 150 a 300 milliampere con una velocità di scarica di almeno 25C.

Il carrello di atterraggio è costituito da quattro sezioni da 25 mm di cavo jumper a nucleo solido piegate a forma di V e incollate nelle zone dei supporti motore. Le eliche a tre pale Gem Fan si fissano agli alberi motore, con colori diversi sui motori posteriori per facilitare l’orientamento durante il volo. L’antenna dello XIAO viene dissaldata, spelata e fatta passare sul lato destro del drone, dove la copertura superiore scorre sopra di essa.

Programmazione e pilotaggio del drone

L’installazione del firmware utilizza il framework di sviluppo ESP IDF e la riga di comando Powershell. Il firmware ESP Drone, creato originariamente da Espressif e ispirato al progetto Crazyflie, viene flashato sul microcontrollore. Le opzioni di configurazione consentono di specificare il tipo di chip, selezionare quali sensori e motori sono attivi e assegnare i relativi pin. Una volta flashato con successo, il drone visualizza un messaggio di “pronto al volo”.

Il software client Crazyflie apre un’interfaccia di configurazione avanzata dove è possibile regolare le impostazioni di controllo del volo come i tassi di trim, le soglie di spinta e le modalità di volo. Dopo la calibrazione su una superficie piana, il drone si connette al telefono tramite il suo access point Wi-Fi. L’app mobile ESP Drone fornisce un’interfaccia controller con joystick. Il joystick sinistro controlla acceleratore e imbardata, mentre quello destro gestisce beccheggio e rollio. Il tempo di volo con una batteria da 250 milliampere raggiunge circa 5,5 minuti, con una portata superiore a 50 metri.

Visualizza maggiori dettagli per Seeed Studio XIAO ESP32S3

Per gli appassionati di FPV, la micro fotocamera opzionale WT07 da 3 g si monta in una copertura del telaio secondaria. La fotocamera si collega al connettore della batteria e trasmette video a 5,8 GHz a visori FPV compatibili, fornendo una visuale in prima persona dal vivo con una portata di trasmissione superiore a 100 metri. L’aggiunta della fotocamera riduce il tempo di volo di circa un minuto, ma apre possibilità di volo coinvolgenti.

Conclusione

L’ESP-FLY dimostra che costruire un micro drone funzionale è alla portata dei maker con competenze di saldatura di base e accesso a una stampante 3D o attrezzi manuali. La combinazione di un telaio leggero, un controller di volo efficiente e il controllo tramite smartphone lo rende un progetto coinvolgente che offre una reale capacità di volo. Che tu scelga il telaio stampato in 3D o quello in PVC, che assembli il PCB da solo o utilizzi un servizio, il risultato è un velivolo tascabile che vola in modo fluido e affidabile.