高専生がarduinoと3Dプリンタを使ってシンプルなドローンを自作してみた①
留学関係で書けることが減ってきたので、
『留学で高まった気持ちをどのような挑戦に生かしていくのか』
について書いていこうと思います。
新たな挑戦はドローン自作！です。
きっかけ
私は電気に興味があり、電気科に所属しています。また、ロボット系の部活にも席を置いています。
基本的な活動は、
文化祭の展示 及び ロボカップジュニアオープン への出場です。
ですが、私は『ドローンを作りたい！』と思い、新たな挑戦を部活を巻き込んでやることを決意しました。
自作しても安くは作れないと思います。しかし、オリジナルのドローンを作れる。
自分でカスタマイズできる！、勉強にもなる！
自分のアイデアが形になったらとても嬉しいと思います。
好きなことが仕事になったら最高何でしょうね(笑)
起業 についても考えているので興味があればこちらへ
方針＆機能
- 部品の選定＆機能の相談
- Eagle による回路の設計及びプリント基板の外注
- 3D CAD & 3D printer によるフレーム、ガードの設計
- Arduinoでプログラム
- 飛ぶ
- 横回転
- 姿勢制御(水平に保つ)
- 電池が減ったらLEDが点滅
初挑戦なので基本的なことしかやりません。
一番大事なマイコンは Arduino Nano を選びました。
Arduino とは？？
Arduino とは...
簡単に電子工作ができるマイコン及びプログラム言語のことです。
簡単に通信をしたりセンサの値を読み取ったりできます。
また、使っている人が多いのでネットに沢山の情報が転がっています。なので全然ハードルがかなり低いです。プログラムのソースコードやライブラリも豊富にあります。
Arduino Nanoは安価でなおかつ小型、PWM制御ピンを搭載しているため選びました。
PWM制御とは....(pulse width modulation)
日本語だとパルス変調。
基本的に、マイコンはパソコンのようなものなので全てデジタル入出力しかできない。
デジタル入出力＝１か０ つまり 5V か 0V
0Vと5Vを激しく変更して、1パルスごとに値を調整することによって電圧を平均して出力するという制御方法。
よくわからない方は絵で理解！！
この波1つがパルスである。パルス幅を変更をマイコンが行っている。
高速で変化を繰り返しているため、電圧を平均とみることができる。
PWMピンを使ってLEDを光らせてそれを振ってみると点滅しているのが観察できる！
購入サイト 及び 外注サイト
・秋月電子：
とにかく安い！！ そして種類も豊富です！！
基本的な物は全てここで買うことをオススメします！ しかもすぐに届きます！
都心の方は秋葉の本店に行ってもいいかもしれません。
ドローンのモーターやプロペラはないので補う必要あり。
・スイッチサイエンス：
秋月にはないような面白いセンサなどが沢山あります。
今までにない物作りたい！！とか便利な部品を使いたいならのぞいてみてもいいかも。値段はピンきりです。
・楽天：
同じ機能のセンサなのに秋月よりも安い、なんてことが結構あるので確認しておいた方がいいかも！！ Micro SD や 湿度センサなど。
プロペラとかモーターは基本ここで買います。
※許容電圧などがあまり書かれていないことがあるので注意が必要です。
・seeed studio:
中国の基板加工サイトです。10枚で 4ドル！！！
送料がかなり高いのですが、送料込みで
2500円です！！
品質は問題なく、１週間ほどで届きました。。。
安いし、早いし、文句のつけ所がありません。
ちなみに日本だと7000円くらいかかります( ﾉД`)ｼｸｼｸ....。
"学生限定！楽天の「学割サービス」です。おためし無料体験実施中！"
学生なら楽天市場の商品が送料無料＆楽天ブックスでいつでもポイント10倍！
購入部品
- LED
- チップ抵抗 1kΩ , 200Ω (普通の抵抗でもOK)
- トグルスイッチ
- タクトスイッチ(テスト用)
- はんだごて
- 半田線
こんな感じです。残り必要な部品は適宜お願いします！
自作ならではの追加機能をつけたら絶対に楽しい！！！
例えば、
・ヒューズ
・ドローンバッテリ・変更(電圧や容量など)
・[EMS便無料] 激安！！ Arduino スターターセット
・Raspberry Pi 3 Model b+ ラズベリーパイ 3 b＋
など、アイデア次第でなんでも作れます！！
コメントや質問もどんどんしてください！！！
基板の設計
基板の設計と聞くとハードルが高い！と感じてしまうかもしれませんが簡単な回路なら意外と難しくないんです。正直、パソコンでお絵描きしている。みたいな感覚です。
要するに使っていれば慣れます！！
部活で少しは習いましたがわからず、ネットで調べながら遊んでいたら使えるようになりましたよ！
１．ソフトのインストール
Eagleというソフトをまずはインストール！高価な有料ソフトですが無料版もある！
さらに学生と先生なら通常版も無料という特典つき！
有名で使いやすいため私はこれを使いますが
ほかにも無料のソフトがあるので探してみてもいいかも。
詳しい使い方はまた今度説明します。とりあえず、設計図がこちら。
クリックすればアップできるのでよければ参考にしてください！
こんな感じで部品を接続したらこれを実際に基板に配置していきます。
するとこうなります。
てな感じで基板ができました。
２．基板の外注
電化製品の基板とか見たことあるひとならわかるのですが、導線なんて使わずに部品に配線されています。これはプリント基板といって私が設計したデータ通りに機械が配線してくれるというものです。
基板に配線をプリントしているみたいなのでプリント基板と呼ばれています。
今回は安いのでこの会社を使いました。
CAMという特殊なソフトをサイトからインストール。
そして先ほどの基板に反映させる。
すると沢山のファイルが出力されるので指定ファイルのみを抽出して
Zipファイルに入れてサイトにアップロード。
支払いは基本的にクレジットです。銀行振り込みは大変そうなのでパス。
てな感じで1週間で来た基盤がこちら！
あまりに早すぎだろ(笑)！？！？
色もいろいろあるのでお好みのを選択してください！
これにはんだ付けをしていきます。小さい部品もあるので注意してください！
はんだ付け
届いた基板を早速半田づけしてみました！
改善点
- XbeeとFETが干渉してしまうというまさかのハプニング( ﾉД`)ｼｸｼｸ…
完全に設計ミスです。右下の縦長の部品が問題の箇所です。
注意してください！
- xbeeの足を変換前のものにしてしまったというのもミスです。
足が細かいので仕方なく買うことに。
基板の設計の時に確認してください！
- 重さが偏っているのでプログラムでモーターの出力を調整しなければならない
- できればもっと軽量化したかった。。。
- LEDをもっとつければよかった。
動作確認
～回路に電圧を加えてみる～
テスタで導通を確認したうえでそっと電圧を加えていきました。
3Vを超えると左の緑の昇圧モジュールが作動しマイコンが光りだしました！
～モーターを回してみる～
まず、モーターをはんだ付けする。
【プログラム】
3番pinは Arduino Nano のピン配列 よりPWMピンである。
PWMピンは調べておかないと使えないので注意して！！
void setup(){
}
void loop(){
analogWrite(3,200); // 0～255で電圧を調整する！
delay(1000); // 0.5秒休む
analogWrite(3,0); // 0V
delay(500);
analogWrite(3,100);
delay(1000);
analogWrite(3,0);
delay(500); // 0.5秒休む
}
一応回りました！！結構順調です。
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ドローンの飛ぶ原理
・簡単に言えば、ドローンはプロペラを回すことにより上昇します。
・専門的なことを言うと、プロペラにより下部の空気の流れが速くなります。つまり、空気が下に集中します。するとプロペラの上部の空気が少なくなり、下部の空気が多くなります。
空気の圧力に差ができます。圧力が多いほうから少ないほうに空気が移動しようとするので機体が浮くという仕組みです。
これを揚力といいます。
空気の流速が速いほど、『揚力』が大きくなります。
隣り合うプロペラを逆回転になるように配置します。そうすることにより機体の回転トルクが相殺され、機体が回転することなくとどめることができます！
