Josef Průša

Jak si vyrobit skvělý miniaturní dron s pomocí 3D tiskárny

30. 11. 2018 | by Jan Olejník

Drony jsou v posledních letech čím dál tím víc populární a sehnat je můžete v nejrůznějších konfiguracích. Jeden konkrétní typ však zažil v posledních letech náhlý nárůst popularity: mikro kvadrokoptéry. Vejdou se do dlaně, ale pohání je výkonné bezkartáčové (brushless) motory s vysokými otáčkami a díky dvoučlánkové baterii jsou překvapivě rychlé a obratné. Když je pak zkombinujete s miniaturní kamerou pro přenos videa do FPV brýlí, vznikne parádní hračka, která se jen tak nerozbije. A jeden z nejlepších způsobů, jak si takový dron vyrobit, je s pomocí 3D tiskárny. Bude vhodný na let nejen v exteriérech, ale i doma, protože jeho diagonální úhlopříčka je pouze 90 mm a navíc má vrtule kryté chrániči.

Ve videu si nezapomeňte zapnout české titulky!

Proč si postavit dron?

Nejrůznější obchody samozřejmě nabízí plně sestavené drony. Některé mají kartáčové motory, jiné využívají motory bezkartáčové, některé jsou malé, jiné větší… ty nejzákladnější modely, které podporují FPV létání, mohou stát jen něco málo přes 500 Kč. Jenže na takovou cenu se lze dostat v podstatě jen přes řadu kompromisů: krátký dosah, nekvalitní motory, špatná kamera a navíc v balení bude chybět spousta příslušenství jako vysílačka, baterie, nabíječka nebo FPV brýle. Když si dron rozbijete, shánět náhradní díly nebude úplně snadné. Proto si vytiskneme vlastní rám a seženeme běžně dostupné součástky. Rámy vytištěné na 3D tiskárně jsou ve skutečnosti velmi lehké, a pokud je vytisknete z PETG (můžete vyzkoušet Prusament PETG), docela dost vydrží. Navíc si můžete součástky vytisknout z libovolné barvy a dron si pěkně přizpůsobit. K tomu ale později.

Náš miniaturní dron je připraven na létání uvnitř i venku

Ale ještě zpátky k hotovým dronům – často se setkáte s pojmy ARF (Almost Ready to Fly – téměř připraven k letu) a RTF (Ready to Fly – připraven k letu). Obecně lze říci, že solidní létající (mini)drony začínají na zhruba 3–5 tisících korunách. Stejně ale tato cena nemusí zahrnovat například vysílačku nebo FPV brýle. Tím pádem se cenovka může lehce přehoupnout přes 8000 Kč. Profi piloti vám ale klidně řeknou, že pořádné FPV brýle klidně stojí celých 7 tisíc. Je to zkrátka pěkná pálka, takže my na to půjdeme odjinud – zaměříme se na sestavení cenově dostupného dronu (nikoliv nejlevnějšího), který ale má všechny náležitosti pro pořádné létání a není to jen tak nějaká hračka – cenově bychom se měli vejít do 3500 Kč za „ready to fly” variantu. Pokud bude chtít, za další dva tisíce korun pořídíte FPV brýle i s kamerou. Výhodou je, že dron můžete snadno upgradovat, pokud se tohoto koníčku zamilujete.

Co budeme potřebovat?

Drtivá většina malých dronů používá shodné typy základních komponent – samozřejmě se od sebe liší kvalitou nebo technickou výbavou. Náš nákupní seznam je níže. Sestavili jsme jej na e-shopu Banggood.com, ale pokud nechcete nakupovat v Číně, můžete využít například český e-shop Rotorama.cz, který má ceny sice o něco vyšší, ale dostanete zboží z českého obchodu – tedy dříve a se zárukou.

Název součástky Význam Cena Váha
HGLRC F428 Flytower Řídící jednotka v sadě s regulátory typu 4v1 $59.99 7g
Racerstar RC1103B 8000kV Motory $31.99 14.8g
2035 vrtule Vrtule (2× levotočivá, 2× pravotočivá)) $3.99 4g
Giant Power 2S 300mAh Lipo Li-po baterie $5.99 19g
Charsoon Lipo nabíječka Nabíječka $13.99
FlySky FS-i6 RC vysílačka $39.50
FS-RX2A Pro Přijímač $7.99 1g
JST konektor Konektor pro baterii $1.59 1g
Servo kabel Pro spojení přijímače s řídící jednotkou $0.99 1g
Rám Vytištěný na 3D tiskárně 16g
Celkem $165 (3500 CZK) 65g
Celkem s FPV brýlemi a kamerou $256 (5600 CZK) 69g
Volitelné příslušenství
Eachine VR D2 Pro FPV brýle $67.55 (1550 CZK)
Eachine AIO 5.8GHz FPV Camera (OSD) Mikro FPV kamera $23.99 (550 CZK) 4g

Asi není třeba říkat, že je lepší koupit si víc než jednu baterii a raději několik sad vrtulí. Délka letu je cca 4-5 minut, tudíž pokud chcete létat delší dobu, je určitě vhodné mít záložní baterie. To samé platí o vrtulích: než se naučíte pořádně létat, nejspíš jich pár zlomíte. Vrtulky nestojí prakticky nic, tak si klidně vezměte nějaké do zásoby. Mimochodem, tištěné vrtule nedoporučujeme. Jsou příliš křehké a prakticky je nelze vyvážit, takže způsobují silné vibrace.

Každopádně, trh je v tuto chvíli zcela zahlcen nepřeberným množstvím nejrůznějších značek a produktů pro stavbu kvadrokoptér. Baterie seženete v jedno- i vícečlánkové konfiguraci, a motory, které jsme si mohli před pár lety tak akorát představovat, jsou nyní levné a dostupné prakticky kdekoliv. Jako vždy platí, že najít konkrétní zboží na čínských e-shopech není snadné. Často u produktů chybí konkrétní specifikace, takže hledání není zrovna snadné. Co tedy vybírat? Abychom nalezli správnou odpověď, musíme si dát trošku teorie…

Trocha (ne až tak moc) nudné teorie

Co drží kvadrokoptéru ve vzduchu? Čtyři motory. Dva z nich se točí po směru hodinových ručiček, dva proti směru hodinových ručiček. Tomu odpovídají i vrtule – dvě jsou pravotočivé (Clockwise – CW) a dvě levotočivé (CCW – Counter-Clockwise). Motory by měly vyvinout tah rovnající se zhruba dvojnásobku váhy celého stroje, ovšem větší zábava začíná na poměru tah-váha 3:1. Opravdové závodní drony jdou ještě mnohem výš.

Tyhle mrňavé motory mají v průměru jen 11 mm, ale každý z nich dokáže vyvinout tah více než 70 gramů!

Je tu ale háček: abyste mohli motory roztočit, potřebujete akumulátor. Pokud chcete vrtulemi točit rychleji nebo delší dobu, potřebujete větší akumulátor. Jenže ten váží víc, což znamená, že motory spotřebovávají více energie, aby mohly otáčet většími vrtulemi. Je to tedy v podstatě nekonečné hledání nejlepšího poměru výkon-váha.

Co se týče miniaturních dronů, většinou jsme omezeni na využití akumulátorů o jednom až třech článcích (označují se jako 1S/2S/3S). 1S baterie jsou dost slabé a ve výsledku bojujete o každý gram hmotnosti, 3S kousky jsou zase pro začátečníky až příliš výkonné. Pro náš případ si vybereme zlatý střed: dvoučlánkový akumulátor. Pojďme se tedy podívat, co dokáže 2S akumulátor v kombinaci s motory Racerstar BR1103B 8000kV.

Z této tabulky můžeme vyčíst řadu zajímavých údajů, například to, že BR1103B 8000kV mohou mít tah až 60 gramů na motor, a to s 2S akumulátorem a vrtulí typu 3020 – tzn. třípalcovou. Když tuto hodnotu vynásobíte čtyřmi, získáte celkový tah o hodnotě 240 gramů. Náš stroj by tedy neměl být těžší než 80 gramů, jednu třetinu maximálního tahu. Je tu ale malý háček, budeme používat pouze dvoupalcové vrtule, ale s větším sklonem (2035). Neměli bychom však ztratit příliš mnoho výkonu. Navíc budeme cílit na hmotnost pod 70 gramů, takže nám zůstane nějaký manévrovací prostor.

Povedlo se!

Další ošemetnou záležitostí je nutnost dávat si pozor na napětí baterie. Dobře vybírejte jednotlivé komponenty. Napětí akumulátoru se bude pohybovat v rozpětí 6–8.4 voltů, takže si dávejte pozor, aby vám vyšší než doporučené napětí neusmažilo kus elektroniky. Mějte na paměti i to, že Li-po akumulátory lze přílišným vybitím zničit.

Motory jsou většinou kompatibilní s větším napěťovým rozpětím, zatímco elektronika (řídící jednotka, regulátory) je více háklivá. Takže jakou řídící jednotku zvolit? Náš rám je navržen pro rozměr montážní otvorů 20×20 mm, čímž se nám možnosti trošku smrsknou. Chceme jednotku se zabudovaným OSD (On Screen Display) systémem, microUSB portem a podporou programu BetaFlight. Značka HGLRC je vhodným kandidátem, protože vyrábí jak řídící jednotky, tak regulátory – ty jsou samozřejmě vzájemně kompatibilní a dají se propojit pomocí šikovné patice.

OSD systém vám zobrazí v brýlích či na monitoru spoustu užitečných informací

A k čemu je deska s regulátory (nejčastěji označované jako ESC)? Regulátory slouží k řízení otáček motorů na základě vstupu z řídící jednotky. Na základě výše uvedené tabulky zjistíme, že každý z motorů bude při maximálním výkonu odebírat cca 5 ampérů. Tohle musíme mít při výběru ESC desky na paměti. Taktéž musíme dodržet rozměry montážní děr (20×20mm). Vybrali jsme proto HGLRC Micro 13A 4in1, protože podporuje až 13 A pro jeden motor, tudíž pokud budete chtít v budoucnu dron vylepšovat, nebudete muset hned kupovat novou elektroniku.

Dále tu máme přijímač. RC přijímače většinou fungují na jednom ze tří nejčastějších protokolů – FrSky, FlySky nebo DSMX. Levnější vysílačky většinou využívají FlySky protokol, takže zvolíme právě ten, konkrétně FS-RX2A Pro. Do videa jsme sice nakonec zařadili FrSky XM+, ale postup je pro drtivou většinu přijímačů stejný. Pokud tedy máte doma například DSMX vysílačku, klidně zvolte DSMX přijímač. Jen mějte na paměti, že musí podporovat komunikaci po jednom kabelu – tedy SBUS, IBUS nebo právě DSMX.

FrSky XM+ přijímač pro vysílačky kompatibilní s protokolem FrSky

Nakonec je tu kamera – ta je volitelná, a pokud hodláte létat jen v rámci jedné místnosti nebo nechcete hned ze začátku zaplatit celý obnos, můžete ji nechat na později. FPV kamer existuje nepřeberné množství, některé jsou jen obyčejné kamery s vysílačem, jiné dokážou nahrávat video na SD kartu, některé mají dokonce extra dráty pro připojení k řídící desce, která pak do videa vkládá textové informace o stavu celého dronu. A to je přesně to, co potřebujeme. Abychom OSD (On-Screen Display) plně využili, musíme mít kameru se čtyřmi kabely: 5V vstup, zem, video výstup a video vstup. Pokud ale nestojíte o informace jako například zbývající napětí baterie nebo umělý horizont, pak vám postačí jen obyčejná FPV kamerka, například od Eachine. Jen mějte na paměti, že v České republice platí limit na maximální vysílací výkon 25mW. 😉

To jsou tedy hlavní komponenty. Nyní už potřebujete 2S li-po akumulátor, ideálně s kapacitou 300 mAh – z ní vytáhneme přes 4 minuty letového času. 400 mAh baterie by taktéž neměla být problém, jenom pozor na váhu!

Li-po baterie Turnigy 2S 300mAh Li-po dokáže udržet dron ve vzduchu i víc jak 4 minuty

A jakou vysílačku a FPV brýle?

Dobrá otázka. Stejně jako v případě ostatních součástek, i v případě vysílaček je možno vybírat z nepřeberného množství různých modelů. Opět platí to, že jak vysílačka, tak přijímač, musí fungovat na stejném protokolu (FlySky, FrSky, DSMX). Vcelku solidní vysílačku pro začátečníky můžete sehnat za cca 39 USD, tedy lehce přes tisíc korun. Jedná se o šesti kanálovou FlySky FS-i6, případně lze koupit i dražší deseti kanálovou FlySky FS-i6X. Pokud ale chcete myslet na budoucí upgrady, poohlédněte se po FrSky Taranis Q X7, ke kterému se skvěle hodí přijímač FrSky XM+. Připravte se ovšem na to, že cena za tohle „kombo” skočí někam ke 130 USD, což jsou skoro 3 tisíce korun. Pro tento projekt doporučujeme proto spíše levnější FlySky FS-i6 právě v kombinaci s FS-RX2A Pro.

Co se týče FPV brýlí, platí tady stejná pravidla: za více peněz dostanete více muziky. Úplně nejlevnějším řešením je koupit si microUSB video přijímač, který zapojíte do mobilního telefonu. Ten následně vsunete do levných „VR” brýlí, tedy v podstatě jen prázdné plastové schránky, ve které mobil slouží jako zobrazovací jednotka. Nejedná se o úplně špatné řešení, problém je ovšem v tom, že při konverzi z analogového na digitální signál dochází ke zpoždění signálu, řádově asi 100 ms. Pro začátečníky to asi nebude úplně tragické, ale pokud to s FPV létání myslíte vážně, určitě berte analogové brýle. Eachine má zajímavé a cenově dostupné kousky, zatímco Fatshark představuje spíš ty luxusnější (a skutečně kvalitní) produkty. My jsme si dobře zalétali s Eachine VR D2.

Nejlevnější FPV řešení mají řadu kompromisů

Rám z 3D tiskárny

A tady je náš vlastní rám pro mikro kvadrokoptéru, kterým se občas říká Tiny Whoop. V minulých letech jsem několik mikrodronů postavil a najít ten správný rám nebylo snadné. Některé byly příliš křehké, jiným chyběly kryty vrtulí, u dalších zase bylo potřeba přilepit kameru pomocí tavné pistole. Nezanedbatelnou součástí bývají miniaturní šroubky, které sice výrobci většinou dodávají k elektronice, ty ale bývají často z křehkého plastu a zlomí se hned při šroubování. Řada rámu ani nijak zvlášť nepočítá s umístěním baterie – prostě ji přiděláte na spodek, takže je pak dron při vzletu nebo přistávání dost vratký.

Zde je odkaz ke stažení mého rámu – je určený pro motory 1103, dvoupalcové vrtule a elektroniku s montážními rozměry 20×20 mm. Má držák na kameru a baterie je umístěna v horní části. Všechno drží pohromadě čtveřice stahovacích pásek a pár kousků nastříhaného filamentu. Ano, přesně tak. 🙂 I přes absenci šroubů je celková konstrukce pevná i během akrobatických letů. Pokud náhodou dojde k prasknutí některé části v terénu, je výměna dílů otázkou dvou minut.

STÁHNOUT STL SOUBORY Z THINGIVERSE

Všechny díly lze vytisknout bez podpor a v podstatě jen se základním tiskovým nastavením (vrstva 0.15 mm). Vzhledem k tomu, že má dron několik dílů, můžete každý z nich vytisknout jinou barvou, takže lze vymyslet nejrůznější barevné kombinace. V tuto chvíli rám neobsahuje kryt antény, ovšem i po několika prudkých nárazech během testovacích letů nedošlo k poškození antény. Celý rám váží pouze 16 gramů, což je pro nás zcela vyhovující hodnota. Zhruba 3 až 4 gramy můžete ušetřit odstraněním krytů vrtulí.

První část sestavování si můžete prohlédnout v galerii níže:

Dron - Sestavení, část 1.
Nejprve vytiskněte rám. My jsme použili Prusament PLA Azure Blue a Galaxy Black, tisknout lze pohodlně i z odolnějšího PET-G
« 1 z 17 »

 

Softwarová konfigurace

Až budete mít všechny části spájené dohromady, můžete přikročit ke spárování dronu a vysílačky. Vše je popsáno v galerii níže:

Dron - sestavení, část 2.
Abyste zahájili párování, je potřeba odpojit akumulátor a podržet párovací tlačítko
« 1 z 5 »

Následně je potřeba nakonfigurovat software. Pro tento účel použijeme volně dostupný BetaFlight.

BetaFlight je všestranným nástrojem pro konfiguraci létajících modelů. Základní nastavení je velmi jednoduché, ovšem pro pokročilejší uživatele se tu pak otevírají bohaté možnosti ladění a detailních úprav. My nejprve dron připojený pomocí micro USB kabelu k počítači položíme na vodorovnou podložku a zkalibrujeme akcelerometr.

Následně je potřeba vybrat protokol použitých regulátorů (ESC). V našem případě to jsou DSHOT600. Vybrali jsme je mimo jiné proto, že nám dovolují pár zajímavých věcí – například měnit směr otáčení motorů jen s pomocí softwarové konfigurace. Někteří z vás si možná pamatují, jak u dronů museli motory připojovat pomocí konektorů, aby je v případě špatného směru rotace bylo možné překonfigurovat přehazováním kabelů. To v tomto případě není potřeba.

Až ESC nastavíte, dalším krokem je nastavení protokolu vysílačky. Používáme „serial-based” přijímač, který komunikuje přes sběrnici SBUS. Pokud máte jiný přijímač, bude konfigurace odlišná. Nakonec nezapomeňte aktivovat sériový port pro přijímač v sekci Ports – nejčastěji je to UART1. Až všechny hodnoty uložíte, můžete vysílačku zapnout a v sekci Receiver byste měli vidět, zda spolu všechno komunikuje.

Dále je potřeba nastavit, jak má dron reagovat na příkazy z vysílačky. Nastavíme nutný základ: startování motorů a dva letové režimy (Horizon a Angle). Naše vysílačka má třípolohový AUX1 přepínač, na který můžeme namapovat vše potřebné – lze ale samozřejmě nastavit zapínání a vypínání motorů na jeden přepínač a změny letových režimů na druhý, volba je na vás. Vše se konfiguruje pomocí sliderů (viz obrázek níže). Sliderem pro „ARM” nastavíme, v jakém rozmezí signálu mají být motory nastartované a dále v jakém rozsahu funguje letový mód Horizon (automatické vyrovnávání) a ANGLE (akrobatický režim). Mějte na paměti, že pokud dáte AUX1 spínač do výchozí pozice, motory se okamžitě vypnou – i během letu!

Popis všech typů letových režimů přesahuje rozsah tohoto článku, tudíž vás odkážu na pečlivé nastudování dokumentace BetaFlightu.

A nyní konečně můžete dokončit zbytek rámu. Podrobné instrukce naleznete v galerii níže:

My Sequence 20.mp4 snapshot 03.49 [2018.11.30 13.39.29] (1)
Nejprve začněte tím, že na horní rám připevníte držák kamery. Můžete použít lepidlo...
« 1 z 9 »

 

Motory a vrtule

Nyní už máme téměř všechno připraveno pro vzlet. Ještě je ale před námi poslední důležitá část – testování motorů a správné nasazení vrtulí. Každý motor se musí točit správným směrem, navíc na něm musí být nasazená správná vrtule, aby se vytvořil tah.

Připojte nabitý akumulátor a následně propojte dron pomocí microUSB kabelu s počítačem. Zapněte BetaFlight, jděte do sekce Motors a povolte testovací režim (na dronu nesmíte mít nasazené vrtule). Pak použijte táhla pro otestování jednotlivých motorů. Bedlivě sledujte rotaci každého motoru – musí odpovídat nákresu níže. Pokud se některé motory otáčí špatným směrem, nevadí. V dalším kroku je přenastavíme pomocí aplikace BLHeli Configurator.

Správný směr rotace pro všechny čtyři motory

Používání BLHeli Configurator je velmi jednoduché. Nejprve vypněte BetaFlight, ale dron nechte připojený. Nastartujte BLHeli, připojte dron pomocí tlačítka connect a následně pomocí tlačítka „Read Setup” načtěte konfiguraci z ESC desky. Změňte otáčení u vybraných motorů z Normal na Reversed a hodnoty uložte pomocí Write Setup. Pak už jen stačí jít zpátky do BetaFlightu a motory znovu otestovat.

A poslední krok je umístění vrtulí. Ty je potřeba opět nainstalovat ve správném pořadí. Vrtule se totiž vyrábějí ve dvou provedeních – levotočivé (CCW) a pravotočivé (CW). Na motory je nasaďte dle ilustrace níže a máte hotovo.

Správné umístění levotočivých (CCW) a pravotočivých (CW) vrtulí

Následně si najděte dostatečný prostor, ve kterém můžete otestovat první vzlet. AUX1 přepínačem nastartujte motory a pak opatrně přidávejte plyn. Dron by se měl vznést na cca 30 % plynu. Jeho pozici je nutno opatrně dolaďovat druhou páčkou. V případě, že se dron při vzletu překlopí nebo nevzlétne vůbec, je potřeba znovu projít nastavení motorů i vrtulí – některý z nich se totiž zcela jistě točí opačně nebo má špatnou vrtuli. Vše zkontrolujte, případné chyby odstraňte, a zkuste vzlétnout znovu.

Létejte bezpečně

Létat s moderními micro drony je skoro jako hrát Wipeout nebo nějakou podobnou videohru. Tyhle malé kvadrokoptéry jsou neuvěřitelně obratné a na sebemenší pokyn reagují s vysokou přesností. Nováčci mají často tendenci opírat se do ovládacích páček až moc, protože nečekají, že takhle malá věc bude mít takovou sílu. Takže začnete pomalu, bez FPV brýlí, abyste měli dron na očích. Nejprve se seznamte s tím, jak reaguje na vstupy z vysílačky – na plyn, rotaci a náklony. Vyzkoušejte si, jakou má setrvačnost a akceleraci. A samozřejmě se držte dál od lidí, mazlíčků a oblastí se zákazem vstupu. Tenhle malý dron je sice lehký, ale stejně se mu vrtule točí rychlostí až 60 tisíc otáček za minutu.

Součástky, které jsme vybrali, sice nejsou nejlevnější, ale mají velmi příjemný vedlejší efekt – dokážou operovat i na vyšším napětí, tudíž můžete dron provozovat i na 3S akumulátoru. Ten je na takto malé zařízení možná až moc výkonný. Ale jestli se budete chtít posunout směrem k větším kvadrokoptérám, bude stačit si vytisknout větší rám, na motory nasadit třípalcové vrtule a můžete směle létat dál!

Ale máme takový dojem, že vám tahle malá potvůrka vystačí na poměrně dlouhou dobu a přinese vám spoustu zábavy – nám tedy určitě přinesla, a to nejen při létání ale i při typicky „průšáckých” modifikacích. 😉

Dejte nám v komentářích vědět, zda byste stáli o další články na téma RC drony (větší modely s pořádnou kamerou) či RC auta vytištěná na 3D tiskárně.


Originální 3D tiskárna Prusa i3

Podívejte se na originální Prusa i3 MK3 3D tiskárnu!
Nejlevnější je už od 19 990 Kč

Průša 3D tiskárny na faceboku