Construa e pilote seu próprio micro drone ESP32: Um guia completo

Introdução

Construir um micro drone do zero pode parecer intimidador, mas o ESP-FLY prova que é algo totalmente possível. Este quadricóptero de bolso mede apenas 50mm de largura, pesa apenas 18 g sem a bateria e voa usando nada mais do que seu smartphone. O projeto completo custa cerca de US$ 37 em peças e combina impressão 3D, design de placa de circuito, programação de microcontrolador e testes de voo práticos em uma montagem gratificante.

Projetando e imprimindo a estrutura em 3D

A estrutura do ESP-FLY começa em um software CAD. Usando o Autodesk Fusion, o projeto incorpora as medidas de cada componente que eventualmente se encaixará nele: o controlador de voo, a bateria, os motores e os sensores. O design de corpo fechado apresenta braços estilo dois pinos para suportar os motores enquanto mantém uma aerodinâmica básica. Uma tampa superior exibe o nome do drone, e uma tampa secundária opcional acomoda uma câmera FPV de 3 g para aqueles que desejam uma visão em primeira pessoa.

Os arquivos STL finalizados estão disponíveis para download, completos com as configurações recomendadas de impressão 3D. Uma vez carregados em um software de fatiamento e enviados para uma impressora 3D, as peças são impressas rapidamente. Uma impressora de qualidade pode produzir todos os componentes da estrutura em cerca de 30 minutos, entregando peças sem fios, deformações ou deslocamento de camadas. A estrutura impressa em 3D pesa aproximadamente 4 g.

Para aqueles sem acesso a uma impressora 3D ou com restrições orçamentárias, existe uma alternativa em PVC. Um tubo de PVC de 2 polegadas de lojas de ferragens pode ser cortado, aquecido e achatado em folhas. Usando um projeto fornecido, você pode marcar, furar e cortar as peças da estrutura manualmente, depois dobrá-las e colá-las. Essa abordagem DIY com PVC produz uma estrutura funcional pesando cerca de 6 g, um pouco mais pesada que a versão impressa em 3D, mas ainda capaz de voar.

Construindo a eletrônica: Montagem da PCB

O coração do ESP-FLY é uma PCB personalizada de quatro camadas que integra o sensor de movimento, o driver do motor e a distribuição de energia em um único módulo compacto. Projetar a placa envolve posicionar componentes de montagem em superfície usando software de design de PCB com assistência de IA para otimizar o layout. A camada superior lida com o rastreamento de movimento, enquanto a inferior gerencia o controle do motor e a energia.

Assim que os arquivos Gerber são exportados, eles são enviados a um fabricante de PCB para produção. As placas resultantes chegam prontas para a montagem. Usando um estêncil SMD e pasta de solda, os componentes são cuidadosamente posicionados e soldados em uma chapa quente. O módulo completo de sensor e driver de motor pesa apenas 1 g, mantendo o drone leve e eficiente.

Para aqueles sem equipamento de solda, serviços de montagem de PCB estão disponíveis. Você simplesmente envia sua lista de materiais e arquivos pick-and-place, e o fabricante entrega uma placa totalmente montada e pronta para uso.

Instalando o controlador de voo e os motores

O Seeed Studio XIAO ESP32S3 serve como o cérebro do drone. Este microcontrolador do tamanho de um polegar mede apenas 21mm por 17mm, tornando-o ideal para um micro drone. Apesar de seu tamanho compacto, ele possui núcleos duplos com bastante poder de processamento, inclui Wi-Fi de baixa latência integrado para controle em tempo real e possui um sistema de gerenciamento de bateria que permite carregamento direto via USB-C. Seu consumo de energia de 100 miliamperes ajuda a estender o tempo de voo, o que é crítico para uma aeronave leve.

O conjunto do controlador de voo é montado na PCB usando pinos. Quatro motores coreless de 6mm por 15mm com diâmetro de eixo de 0.8mm conectam-se aos pads do driver do motor. Dois motores giram no sentido horário e dois no sentido anti-horário, distinguíveis pela cor do fio. Os fios do motor passam por orifícios projetados nos braços da estrutura, mantendo o interior organizado. Uma pequena braçadeira de nylon prende uma bateria LiPo de 150 a 300 miliamperes com uma taxa de descarga de pelo menos 25C.

O trem de pouso consiste em quatro seções de 25mm de fio jumper de núcleo sólido dobradas em formato de V e coladas nas regiões de suporte do motor. Hélices de três pás Gem Fan são fixadas aos eixos dos motores, com cores diferentes nos motores traseiros para auxiliar na orientação durante o voo. A antena do XIAO é dessoldada, descascada e direcionada para o lado direito do drone, onde a tampa superior desliza sobre ela.

Programando e pilotando seu drone

A instalação do firmware usa o framework de desenvolvimento ESP IDF e a linha de comando do Powershell. O firmware ESP Drone, criado originalmente pela Espressif e inspirado no projeto Crazyflie, é gravado no microcontrolador. As opções de configuração permitem especificar o tipo de chip, selecionar quais sensores e motores estão ativos e atribuir seus pinos. Uma vez gravado com sucesso, o drone exibe uma mensagem de “pronto para voar”.

O software cliente Crazyflie abre uma interface de configuração avançada onde você pode ajustar as configurações de controle de voo, como taxas de compensação, limites de empuxo e modos de voo. Após a calibração em uma superfície nivelada, o drone se conecta ao seu telefone via ponto de acesso Wi-Fi. O aplicativo móvel ESP Drone fornece uma interface de controle por joystick. O joystick esquerdo controla o acelerador e a guinada, enquanto o direito lida com o arfagem e a rolagem. O tempo de voo com uma bateria de 250 miliamperes chega a aproximadamente 5,5 minutos, com um alcance superior a 50 metros.

Ver mais detalhes de Seeed Studio XIAO ESP32S3

Para entusiastas de FPV, a micro câmera opcional WT07 de 3 g é montada em uma tampa de estrutura secundária. A câmera se conecta ao conector da bateria e transmite vídeo em 5.8 GHz para óculos FPV compatíveis, fornecendo uma visão em primeira pessoa ao vivo com um alcance de transmissão superior a 100 metros. Adicionar a câmera reduz o tempo de voo em cerca de um minuto, mas abre possibilidades de voo imersivas.

Conclusão

O ESP-FLY demonstra que construir um micro drone funcional está ao alcance de criadores com habilidades básicas de soldagem e acesso a uma impressora 3D ou ferramentas manuais. A combinação de uma estrutura leve, controlador de voo eficiente e controle por smartphone torna este um projeto envolvente que oferece capacidade de voo real. Seja escolhendo a estrutura impressa em 3D ou a de PVC, montando a PCB você mesmo ou usando um serviço, o resultado é uma aeronave de bolso que voa de forma suave e confiável.