Bygg och flyg din egen ESP32-mikrodrönare: En komplett guide

Introduktion

Att bygga en mikrodrönare från grunden kan låta skrämmande, men ESP-FLY bevisar att det är fullt möjligt. Denna quadcopter i fickformat mäter bara 50 mm tvärsöver, väger endast 18 g utan batteri och flyger med hjälp av inget annat än din smartphone. Hela projektet kostar cirka 37 USD i delar och kombinerar 3D-printing, kretskortsdesign, mikrokontrollerprogrammering och praktiska flygtester i ett givande bygge.

Designa och 3D-printa ramen

ESP-FLY-ramen börjar i CAD-mjukvara. Med Autodesk Fusion inkluderar designen mått på varje komponent som så småningom ska få plats inuti: flygkontrollern, batteriet, motorerna och sensorerna. Den slutna designen har armar med två stift för att stödja motorerna samtidigt som den bibehåller grundläggande aerodynamik. Ett topplock visar drönarens namn, och ett valfritt sekundärt lock rymmer en 3 g FPV-kamera för dem som vill ha ett förstapersonsperspektiv.

De färdiga STL-filerna finns tillgängliga för nedladdning, komplett med rekommenderade inställningar för 3D-printing. När de väl har laddats in i slicer-mjukvara och skickats till en 3D-skrivare går utskriften av delarna förvånansvärt snabbt. En kvalitetsskrivare kan producera alla ramkomponenter på cirka 30 minuter och leverera delar utan trådbildning, skevhet eller lagerförskjutning. Den 3D-printade ramen väger cirka 4 g.

För dem utan tillgång till en 3D-skrivare eller med en begränsad budget finns ett PVC-alternativ. Ett 2-tums PVC-rör från bygghandeln kan skäras, värmas och plattas ut till ark. Med hjälp av en medföljande ritning kan du markera, borra och skära ut ramdelarna för hand, för att sedan böja och limma ihop dem. Denna DIY PVC-metod ger en funktionell ram som väger cirka 6 g, något tyngre än den 3D-printade versionen men fortfarande flygduglig.

Bygga elektroniken: Montering av kretskort

Hjärtat i ESP-FLY är ett anpassat kretskort i fyra lager som integrerar rörelsesensor, motordrivrutin och strömfördelning i en enda kompakt modul. Att designa kortet innebär att placera ytmonterade komponenter med hjälp av kretskortsdesignmjukvara med AI-stöd för att effektivisera layouten. Det översta lagret hanterar rörelsespårning medan det undre hanterar motorstyrning och ström.

När Gerber-filerna har exporterats laddas de upp till en kretskortstillverkare för produktion. De resulterande korten anländer redo för montering. Med hjälp av en SMD-stencil och lodpasta placeras komponenterna noggrant och löds fast på en värmeplatta. Den färdiga sensorn och motordrivrutinsmodulen väger bara 1 g, vilket håller drönaren lätt och effektiv.

För dem utan lödutrustning finns tjänster för kretskortmontering tillgängliga. Du laddar helt enkelt upp din materiallista och pick-and-place-filer, så levererar tillverkaren ett färdigmonterat kort redo att användas.

Installera flygkontroller och motorer

Seeed Studio XIAO ESP32S3 fungerar som drönarens hjärna. Denna tumstora mikrokontroller mäter bara 21 mm gånger 17 mm, vilket gör den idealisk för en mikrodrönare. Trots sin kompakta storlek kör den dubbla kärnor med gott om processorkraft, inkluderar inbyggd Wi-Fi med låg latens för realtidskontroll och har ett batterihanteringssystem som möjliggör direktladdning via USB-C. Dess strömförbrukning på 100 mA hjälper till att förlänga flygtiden, vilket är kritiskt för ett lätt flygplan.

Flygkontrollstacken monteras på kretskortet med hjälp av stiftlister. Fyra 6 mm gånger 15 mm kärnlösa motorer med 0,8 mm axeldiameter ansluts till motordrivrutinens kuddar. Två motorer roterar medurs och två moturs, urskiljbara genom trådfärg. Motortrådarna träs genom hål utformade i ramarmarna, vilket håller interiören prydlig. Ett litet buntband som batterirem säkrar ett 150 till 300 mAh LiPo-batteri med minst 25C urladdningshastighet.

Landningsstället består av fyra 25 mm sektioner av solid koppartråd böjda i en V-form och limmade i motorhållarområdena. Gem Fan trebladiga propellrar fästs på motoraxlarna, med olika färger på de bakre motorerna för att underlätta orientering under flygning. Antennen från XIAO avlöds, skalas och dras till höger sida av drönaren där topplocket glider över den.

Programmera och flyga din drönare

Installation av firmware använder utvecklingsramverket ESP IDF och Powershell-kommandoraden. ESP Drone-firmwaren, ursprungligen skapad av Espressif och inspirerad av Crazyflie-projektet, flashas till mikrokontrollern. Konfigurationsalternativ låter dig ange chiptyp, välja vilka sensorer och motorer som är aktiva och tilldela deras stift. När flashningen lyckats visar drönaren ett “ready to fly”-meddelande.

Crazyflie-klientmjukvaran öppnar ett avancerat konfigurationsgränssnitt där du kan justera flygkontrollinställningar som trimhastigheter, dragkraftströsklar och flyglägen. Efter kalibrering på en plan yta ansluter drönaren till din telefon via dess Wi-Fi-åtkomstpunkt. ESP Drone-mobilappen tillhandahåller ett joystick-kontrollgränssnitt. Den vänstra joysticken styr gas och gir, medan den högra joysticken hanterar pitch och roll. Flygtiden på ett 250 mAh-batteri når cirka 5,5 minuter, med en räckvidd som överstiger 50 meter.

Visa mer information om Seeed Studio XIAO ESP32S3

För FPV-entusiaster monteras den valfria WT07 3 g mikrokameran i ett sekundärt ramlock. Kameran ansluts till batterikontakten och sänder video vid 5,8 GHz till kompatibla FPV-glasögon, vilket ger en live-vy i förstapersonsperspektiv med en sändningsräckvidd på över 100 meter. Att lägga till kameran minskar flygtiden med ungefär en minut men öppnar upp för uppslukande flygmöjligheter.

Slutsats

ESP-FLY visar att det är fullt möjligt för hobbyister med grundläggande lödkunskaper och tillgång till en 3D-skrivare eller handverktyg att bygga en funktionell mikrodrönare. Kombinationen av en lätt ram, effektiv flygkontroller och smartphone-styrning gör det till ett engagerande projekt som levererar verklig flygkapacitet. Oavsett om du väljer den 3D-printade eller PVC-ramen, monterar kretskortet själv eller använder en tjänst, är resultatet ett flygplan i fickformat som flyger smidigt och pålitligt.