自作ドローンの組み立て(2)

ロボット

自作ドローンの組み立て(1)の続きです。

ほとんど書いている人がいないのが不思議で仕方ないのだが、ドローンの構成部品と接続方法について調査している。

システム全体の動きを理解するというのは、エンジニアとしては当たり前だけれどドローンの世界ではマイナーな考え方のようだ。

ドローンのシステム

今、最小限のドローンを考える。

 

モーターを流れる電流は大きく30Aなんてものも珍しくないので、このモジュールは通常のプリント基板ではないことに注意。

モーターはESC(Electric Speed Controller)と呼ばれるがPWM信号でモーターをコントロールする。ESCはフライトコントローラーからの司令に応じてPWM信号を出す。

GPSは通常、自動運転などでは必須だ。フライトコントローラーにI2C接続されることが多いようだ。

最後にフライトコントローラーについて。
Ardupilotをコントロールソフトウェアとして使う場合、Cube か、PixHawkを使うことが多い。
ESP32を積んだ立派なコンピュータであり、ArdupilotではリモートPCにあるMission Plannerと協調して動作する。
しかし、これらは高価だ。Cube Pilot Orangeは7万円。PixHawkも2万円ほどする。
もうひとつRaspberry PIにコントローラーの役割をもたせるOBALというオープンソースDIYのボードがある。

今回のパーツリスト?

  • F450 フレームキット
  • 9450プロペラ x 4
  • Pixhawk 2.1.8 フライトコントローラー
  • M8n GPS
  • 防振ショックアブソーバーフレーム
  • 2212 920Kvモーター x 4
  • 30A ESC x 4
  • 受信機 Flysky FS-IA6B https://www.youtube.com/watch?v=8ytxZWbPOfU
  • 送信機 Flysky I6 AFHDS  2A, 2.4GHz マニュアル・ファーム
  • リモートID (法律遵守のため)

ドローンのパーツ

F450フレーム

ドローンのフレームは通常、このように4方に広がり各々にモーターを取り付け、中央部にフライトコントローラや電源を搭載する。

中央のハブは2種類の金属板からできているが、長細いほうはモーターの電源ケーブルとパワーケーブルをはんだ付けし、分電盤を兼ねている。

プロペラはフレームの対角線の長さの半分以下でなければなりません。
プロペラ同士がぶち当たりますから。

モーターとフレーム

このようにモーターとフレームを取り付ける。

下に少し見えているのはモーターコントローラーのESCだ。
ESCとは、モーターに大きい電流をパルスで送る装置。ドローンは通常、ブラシレスモーターを使っており、パルスにより回転数を制御できるようになっている。

びっくりすることに、ESCにはA, B, Cとしか記号がなく、モーターの3本の配線はなにも記載がない。
これではどれをどれに接続するかわからないな、と思っていると、その前に重要な話があった。

ドローンはプロペラの回転方向が全部同じではない。このスクリーンショットでわかるとおり、進行方向に対して左右は逆回転。後ろも逆回転である。

また、ドローンのモーターの配線は論理的には次のようになっているらしい。どれつないでも一応は動くようだ。

モーターは配線が同じだと同じ方向に回転し、CWもCCWもない。
しかし軸に切ってあるネジがCW(Clock Wise: 右回り)モーターは左回り、CCW(Counter Clock Wise: 左回転)モーターは右回りに切られている。
(なんでこんな大事なこと、誰も書かないんだろ?)

ESCと接続のテストをするため、PWMテスターがよく売られている。
こんな感じ。

これはディスプレイにパルス数が出るタイプ。機体に電源を供給しESCを接続するだけでテストできる。
私の場合は安定化電源につないでテストしている。これで、モーターとESCの接続でモーターの回転方向を決める。

プロペラはギリギリまで取り付けませんが、CWプロペラはCWモーターに、CCWプロペラはCCWモーターに、それぞれ正しく取り付ける。

 

ESCと電源

ドローンはモーターを回すためには12V以上の電圧を必要とするが、制御系は5Vである。
このふたとおりの電源をどこから得るか?だが、通常、ブラシレスモーターをコントロールするESCはBEC(Battery Eliminator Circuitry)という制御系の電源を供給する機能がついている。BECは5V 2A程度を供給できるので、ESCの制御をフライトコントローラーに接続すれば電源の問題は解決する。
モーター4つの場合、番号にしたがって次の場所にESCケーブルを接続する。

フライトコントローラー

フライトコントローラーを組み立て、配線し、ドローンに固定しなければならない。
PixHawkへの接続はこちらにいろいろ説明があります。

そのPixhawkの固定の方法が説明書のない中華製のキットの悲しさなんだけど、やっぱりこのようにマウントを組み立て、両面接着テープでPixHawkを固定するようだ。

PixHawkは中身が基盤だけでショックに弱い。だからゴムのインシュレーターつきのフレームに乗せる。
私はこのフレームにネジ穴を開けて、本体フレームにネジ固定した。
なぜならば、ドローンのモーターを支持する腕を固定するネジの頭が高いため、両面接着テープだと、固定しずらかったからです。

 

これは最新型のフライトコントローラーCube Orangeだけれど、これはオレンジ色の箱内にインシュレーターがついているので、このままフレームに固定してよいそうだ。

しかもCPUの処理速度が早いので、フライトコントローラー上でいろいろ動かせるのでよいとのこと。
近年だと、STM32 F746(通称F7)が早いそうだ。
フライトコントローラーのCPUはほとんどがSTM32らしい。なんでやろ?

PixHawkにファームウェアを書き込む

フレームにGPSを固定し、PixHawkを取り付ける、が、その前にPixHawkにArdupilotのファームウェアを書き込む必要がある。

WindowsマシンにArdupilotのMission Plannerをインストールする。
で、USBでPixHawkと接続し、ファームウェアインストールを選び、適合する機種を選んで「アップデート」

 

バスにつながるもの

バスとは、いろいろなデータが乗り合わせるのでバスという。

次ようなプロトコルがドローンシリアルバスでは使われている。

SPI (用途:ジャイロ、加速度計)
基板上のパーツと通信するプロトコル

I2C(用途:コンパス、気圧計)
遅いといわれるが、SPIと同様基板上の通信で使われる

UART (用途:GPS,受信機)
本当のシリアル通信

ジャイロ

ジャイロセンサーはフライトコントローラーにすでに搭載されていることが多く、姿勢制御に使われる。
コンパスと一体化したモジュールもある。

気圧計

これもフライトコントローラーに内蔵されていることが多い。飛行高度を測定するために使う。

GPS

PixHawkにはいろいろ繋ぐのだけれど、GPSは普通こんな感じでつないでいる。

私が買ったキットにははいっていない!
仕方がないのでAmazonで発注。

バッテリー

飛行するドローンの電池こそ最先端技術が使われる。
なぜならば、できるだけ電力を蓄え、大きい電流が取り出せ、すぐに充電できるという究極の電池が求められているからだ。
現在のチャンピオンは、リチウムポリマー電池(Li-Po)
しかし、リチウムポリマー(リポと略されることが多い)電池は爆発しやすい。
1セルが3.7Vである。
爆発しやすいので「バランス充電」といいひとつずつのセルごとに電圧を管理し、充電する充電器が多い。
これを使えば大幅に爆発のリスクを減らせる(リスクが「ない」とは書いていない)

他のリチウムフェライト(Li-Fe)、ニッケル水素(Ni-MH)に比べて扱いが大変だ。

放電許容量を示す値にC(CmA シーミリアンペア)というものがある。たとえば容量1000mAhの能力をもったバッテリーが50Cだとする。
1000mA x 50C = 50Aとなり、瞬間的には50Aの供給も可能だということを示している。
充電時はもちろん1Cである。

送信機、受信機

送信機の操作


左右にふたつのスティックは送信機で目立つと思う。

モード2というドローンの操作では右スティックが前後左右、
左スティックが上下旋回。
わかりやすく言えば、右手が二次元、左手が3次元。

モード1というのはラジコン時代のスティックへの割当で今は塀rつつあるようです。

使う電波は免許が不要なのは、2.4GHz帯のISMバンドを使う場合です。ただし、この帯域はWi-Fi, Bluetooth, 電子レンジなど激混みで混信する可能性は高いです。

私はアマチュア無線の免許をもっているので、自由度は比較的高いのですが。

もちろんドローンに搭載する受信機も必要です。

AFHDS-2Aプロトコルは最大14チャネルをサポートし、手動バインドが必要です。
受信機側に付属品のループした電線をセットし、送信機の「Bind」ボタンを押しながら電源を入れます。
一秒もかからずバインドが完了するはずです。
終わったら、忘れずループした電線をぬきましょう。

受信機

Flysky FS-IA6Bというのは受信機です。

    ドローン製作のなにに悩むかって、このようにインターフェースについての情報がなにもないんです。

    結局、FS-IA6BとPixhawkの接続がわかりませんでした。

    思い余って、日本での標準 FUTABA製プロポを購入しました。
    我が家の近所には日本で唯一かもしれないドローンの専門店があります。
    そこでT10送信機とR2000レシーバーの古いキットが25,000円で売られていたので即買いしました。

    フタバ 10J ドローンレーサー用送受信機セット(ヘリ用ラチェット仕様) (10JH + R2000SBM T/Rセット)(モード1)00008589-3 :21641:ラジコンショップ リトルベランカ - 通販 - Yahoo!ショッピング

    なんとあっさりPixhawkとS-BUSで繋がり、Mission Plannerで状況を把握できてしまいます。

    ハードウェアは一応、ここまで。