Zbuduj i oblatuj własnego mikrodrona ESP32: Kompletny przewodnik

Wprowadzenie

Budowa mikrodrona od podstaw może wydawać się onieśmielająca, ale ESP-FLY udowadnia, że jest to całkowicie wykonalne. Ten kieszonkowy quadkopter mierzy zaledwie 50 mm szerokości, waży tylko 18 g bez akumulatora i lata przy użyciu jedynie smartfona. Cały projekt kosztuje około 37 USD w częściach i łączy w sobie druk 3D, projektowanie płytek drukowanych, programowanie mikrokontrolerów oraz praktyczne testy w locie w jeden satysfakcjonujący projekt.

Projektowanie i drukowanie ramy w 3D

Rama ESP-FLY powstaje w oprogramowaniu CAD. Używając Autodesk Fusion, projekt uwzględnia wymiary każdego komponentu, który ostatecznie znajdzie się wewnątrz: kontrolera lotu, akumulatora, silników i czujników. Konstrukcja typu closed-body posiada ramiona w kształcie dwuzębnym, które podtrzymują silniki, zachowując przy tym podstawową aerodynamikę. Górna pokrywa wyświetla nazwę drona, a opcjonalna dodatkowa osłona mieści 3-gramową kamerę FPV dla tych, którzy chcą uzyskać podgląd z perspektywy pierwszej osoby.

Gotowe pliki STL są dostępne do pobrania wraz z zalecanymi ustawieniami druku 3D. Po załadowaniu do oprogramowania typu slicer i wysłaniu do drukarki 3D, części drukują się niezwykle szybko. Dobrej jakości drukarka może wyprodukować wszystkie elementy ramy w około 30 minut, dostarczając części bez nitek, wypaczeń czy przesunięć warstw. Wydrukowana w 3D rama waży około 4 g.

Dla osób bez dostępu do drukarki 3D lub z ograniczonym budżetem istnieje alternatywa z PVC. Rurę PVC o średnicy 2 cali ze sklepu budowlanego można przeciąć, podgrzać i spłaszczyć do postaci arkuszy. Korzystając z dostarczonego schematu, można ręcznie zaznaczyć, wywiercić i wyciąć części ramy, a następnie wygiąć je i skleić. To podejście DIY z PVC pozwala uzyskać funkcjonalną ramę ważącą około 6 g, nieco cięższą niż wersja z druku 3D, ale wciąż zdolną do lotu.

Budowa elektroniki: Montaż PCB

Sercem ESP-FLY jest niestandardowa czterowarstwowa płytka PCB, która integruje czujnik ruchu, sterownik silników i dystrybucję zasilania w jeden kompaktowy moduł. Projektowanie płytki obejmuje rozmieszczenie komponentów do montażu powierzchniowego przy użyciu oprogramowania do projektowania PCB z asystą AI, co usprawnia układ. Górna warstwa obsługuje śledzenie ruchu, podczas gdy dolna zarządza sterowaniem silnikami i zasilaniem.

Po wyeksportowaniu plików Gerber są one przesyłane do producenta PCB w celu produkcji. Gotowe płytki docierają gotowe do montażu. Używając szablonu SMD i pasty lutowniczej, komponenty są starannie umieszczane i lutowane na płycie grzejnej. Kompletny moduł czujnika i sterownika silników waży zaledwie 1 g, dzięki czemu dron jest lekki i wydajny.

Dla osób bez sprzętu lutowniczego dostępne są usługi montażu PCB. Wystarczy przesłać zestawienie materiałów (BOM) oraz pliki pick-and-place, a producent dostarczy w pełni zmontowaną płytkę gotową do użycia.

Instalacja kontrolera lotu i silników

Seeed Studio XIAO ESP32S3 służy jako mózg drona. Ten mikrokontroler wielkości kciuka mierzy zaledwie 21 mm na 17 mm, co czyni go idealnym do mikrodrona. Pomimo kompaktowych rozmiarów, posiada dwa rdzenie z dużą mocą obliczeniową, wbudowane Wi-Fi o niskim opóźnieniu do sterowania w czasie rzeczywistym oraz system zarządzania akumulatorem, który umożliwia bezpośrednie ładowanie przez USB-C. Pobór mocy na poziomie 100 mA pomaga wydłużyć czas lotu, co jest kluczowe dla lekkiego statku powietrznego.

Kontroler lotu montuje się do PCB za pomocą złączy goldpin. Cztery silniki bezrdzeniowe 6 mm na 15 mm o średnicy wału 0,8 mm podłącza się do padów sterownika silników. Dwa silniki obracają się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a dwa przeciwnie, co można rozpoznać po kolorze przewodów. Przewody silników przechodzą przez otwory zaprojektowane w ramionach ramy, utrzymując porządek wewnątrz. Mała opaska zaciskowa zabezpiecza akumulator LiPo o pojemności od 150 do 300 mAh z prądem rozładowania co najmniej 25C.

Podwozie składa się z czterech 25-milimetrowych odcinków przewodu typu jumper z pełnym rdzeniem, wygiętych w kształt litery V i wklejonych w miejsca mocowania silników. Trzyłopatkowe śmigła Gem Fan mocuje się na wałach silników, przy czym tylne silniki mają śmigła w innym kolorze, aby ułatwić orientację podczas lotu. Antena z XIAO jest odlutowana, odizolowana i poprowadzona na prawą stronę drona, gdzie nasuwa się na nią górna pokrywa.

Programowanie i latanie dronem

Instalacja oprogramowania układowego odbywa się przy użyciu frameworka programistycznego ESP IDF i wiersza poleceń Powershell. Oprogramowanie ESP Drone, stworzone pierwotnie przez Espressif i zainspirowane projektem Crazyflie, jest wgrywane do mikrokontrolera. Opcje konfiguracji pozwalają określić typ układu, wybrać aktywne czujniki i silniki oraz przypisać ich piny. Po pomyślnym wgraniu, dron wyświetla komunikat “ready to fly”.

Oprogramowanie klienckie Crazyflie otwiera zaawansowany interfejs konfiguracji, w którym można dostosować ustawienia sterowania lotem, takie jak trymowanie, progi ciągu i tryby lotu. Po kalibracji na płaskiej powierzchni, dron łączy się z telefonem przez punkt dostępowy Wi-Fi. Aplikacja mobilna ESP Drone zapewnia interfejs kontrolera z joystickami. Lewy joystick steruje przepustnicą i odchyleniem (yaw), podczas gdy prawy joystick obsługuje pochylenie (pitch) i przechylenie (roll). Czas lotu na akumulatorze 250 mAh osiąga około 5,5 minuty, przy zasięgu przekraczającym 50 m.

Zobacz więcej szczegółów: Seeed Studio XIAO ESP32S3

Dla entuzjastów FPV, opcjonalna 3-gramowa mikrokamera WT07 montowana jest w dodatkowej pokrywie ramy. Kamera łączy się ze złączem akumulatora i przesyła wideo w paśmie 5,8 GHz do kompatybilnych gogli FPV, zapewniając podgląd na żywo z perspektywy pierwszej osoby o zasięgu transmisji ponad 100 m. Dodanie kamery skraca czas lotu o około minutę, ale otwiera możliwości immersyjnego latania.

Podsumowanie

ESP-FLY pokazuje, że budowa funkcjonalnego mikrodrona jest w zasięgu ręki dla twórców z podstawowymi umiejętnościami lutowania i dostępem do drukarki 3D lub narzędzi ręcznych. Połączenie lekkiej ramy, wydajnego kontrolera lotu i sterowania smartfonem sprawia, że jest to angażujący projekt, który zapewnia realne możliwości latania. Niezależnie od tego, czy wybierzesz ramę drukowaną w 3D czy z PVC, zmontujesz PCB samodzielnie czy skorzystasz z serwisu, efektem jest kieszonkowy statek powietrzny, który lata płynnie i niezawodnie.