フライトコントローラーを自作してみる。~その16~ JDLで飛ばす。

自作フライトコントローラーの目標の一つにレースで飛ばすというのがありました。
そこで今回 JDL(ジャパン・ドローン・リーグ) 2021年Round4の宮崎戦に息子と共に参加してきました。
実は昨年の宮崎戦にも参加したのですが結果はボロボロで、今回は少しはマシに飛ばせるでしょうか? なお息子は今回本気で臨んでいます。

こんなコースです。

通常JDLは土・日の二日間あり、初日は練習日、二日目が実際のレースとなります。しかし今回は土曜日が雨(雷も!)のため中止となり、日曜日のみの開催となりました。実は中止を知らず早起きして宮崎まで行ってしまったので、初日は宮崎ドローンクラブSkyDRONEの方々と一緒に練習させていただきました。

なお私が飛ばす機体はこれ。
これTyro99というかなり安物で普通レースに使う人は見かけない機体をベースに、上側だけ載せ替えて軽量化したもので、元は息子のお古なのです。

ここに自作フライトコントローラー’HOIHOI-FC’を載せています。
がんばってくれよー(というか自分が操縦頑張らにゃならんのですが)。

緑の基板がHOIHO-FC

・・・そして日曜日。
時間を詰めて朝イチに一回だけ練習フライトが設けられる事になりました。

という事で早々に(一度きりの)練習フライトの順番が回ってきます。
スタート位置に機体を並べ、ゴーグルをつけて他の選手と3人で操縦席に座ります。そしてスタート・・・と思ったら私の機体はモーターだけブンブン回って離陸しません。なんと、プロペラ2枚を逆に取付けていたのです。やってもうた~!
他の選手はフライトしているのでコースに入る訳にはいかず、一度きりの練習フライトは飛べずに終わりです。

あとはぶっつけ本番で2回の予選フライトを飛ぶのみ。

そして予選フライト1回目。機体をセットした時に少しモーターを回して確認したので今回はちゃんと離陸しました。
操縦席の後ろで、以前我が家の工作室に来られた事のあるNONSAYAさん(井上さん)がアドバイスして頂けたので落ち着いて飛ばすことができました。
でもシミュレーターではもっとスロットルを開けれたんですがねー。実機だと辛うじて落ちずに飛んでいる程度です。結局既定の時間内にコースを2周して終了。
でもまあ、自作フライトコントローラーでJDLを飛ぶという目標は達成したので良しとしましょう。

私が参加しているオープンクラスは多くの人が規定時間内にコースを3周回ります。そして4周できれば予選通過というのが今回の目安になりそうです。
私としては次は3周を目指さねば(最初っから4周とは言わない)。

そして予選フライト2回目。
今度は先程よりもスロットルを開け気味で飛んだのですが、2周目の最終ゲート直前(ここって直角に曲がる初心者泣かせのポイントなのです)でフラッグに接触して墜落。リスタートして最終ゲートを通過したのですが約1.5秒足りず結局2周で終了です。

以上で私のJDL2021 Round4は終了しました。

息子はというと、9人が予選を通過できる内の8位で何とか準決勝に進んだ様です。
そして準決勝も他の選手がミスってくれたおかげで決勝に進み、この時点でオープンクラスからエキスパートクラスに昇格決定!
決勝戦ではもう飛ばすしかないという事で何か吹っ切れた様にスロットルを開けて2周目の時点では先頭を飛んでいたのですが、煙を吐いた機体が騒ぎになった(その瞬間息子の機体かと思ったのですが別の選手の機体でした)のに動揺してクラッシュ、何とかリスタートしたのですが結果は3位で終了です。

3位なので表彰状をもらっています。

結果として・・・
・自作フライトコントローラーでレースを飛べた。
・息子はエキスパートクラスに昇格した。
という事で収穫ありとしましょう。


フライトコントローラーを自作してみる。~その12~ Rev2基板組み立て

PCBGOGOからRev2基板が届きました。
が・・・ メタルマスクが裏面の分しか入っていません。発注内容を確かめると確かに裏面だけを注文していますね。
毎回なにかミスるなぁ。今回、基板自体は散々見直したんですけどね。

基板の裏/表。メタルマスクは裏面用のみ。

仕方ないのでメタルマスクの表面だけ再発注したところ、1週間せずに到着しました。早い!

メタルマスク表側

とにかく必要なものは揃ったので組立てに入ります。
机の上を片付けて適当な紙を敷きました。

こうやってマスクを被せた上からクリームハンダを塗るつもりなのですが・・・

クリームハンダがだいぶ固くなっています。
これって数か月で劣化してしまうらしいですね。一応冷蔵庫には入れていたのですが。

試しに無水エタノールを吹きかけて練り直してみると柔らかくなりました。
エタノールは何かと使うので、のどスプレーの空き容器に入れておくと便利です。

柔らかくなったのでメタルマスクの上から塗ってみます。


マスクを外すと・・・・なんか多くの箇所で短絡している。

柔らかくしすぎたかな。一旦クリームハンダをふき取ってやり直します。
少しアルコールを飛ばして適当な粘度になったところで塗りなおし(実際は何度かくりかえした)、大体いい感じになったと思うので部品を載せて・・・

リフローした結果がこれ。前回もそうでしたがマイコンのリードにブリッジができています。リフロー条件の問題か?
後から半田ゴテで修正します。

そして裏面も同様にリフローした後。こちらはブリッジは見られませんね。
なおU7と書いてあるところに部品が載ってませんが、これはBlackBOX用のFLASHメモリーを載せる場所で、部品の手持ちが少ないので一通り確認した後に手はんだで載せる予定です。

動作確認編へつづく・・・

フライトコントローラーを自作してみる。~その11~ Rev2基板

ブログを遡って読むと、ほぼ1年前からフライトコントローラー(以下FC)を作り始めていました。当初はFCを何度も壊すので自作して安く済まそうという魂胆でしたが、だんだんとFCを作る事自体が目的になっている気がします。

前回はRev1基板を使って3インチ機でFPVしたところまで書きました。その後5インチ機でも問題なく飛行できる事を確認しています(まあ3インチで飛べりゃ5インチでも飛べますよね)。

HOIHOIFC-F411 Rev1
ツギハギだらけです。パターンも何か無駄に遠回りしているところがあるし

という事で、Rev1基板の不具合修正や改良を加えたRev2基板を作っていきます。

まずはRev1基板の不具合点を振り返ると・・・

・USB信号のプラスとマイナスが入れ替わっていた。
・ブザー駆動トランジスタのピン配置を間違っていた。
・ブザー駆動トランジスタのベース100KΩという大きな抵抗値になっていた。
・DCDCコンバータ周りの配線が長すぎて電圧が揺れていた。
・取付穴位置を30mm角ジャストにしていた(一般的なサイズは30mmジャストではなく30.5mmでした)

当然ながらこれらは修正します。

BEC(DCDCコンバータ)について

バッテリー電圧から5Vを作り出すDCDCコンバーターICについて、前回はMonolithicPower社MP2359を使っていました。これは出力1.2A、最大入力24Vでしたが6セルバッテリーにすると耐圧が足りないのでMP1584に変更します。これだと出力3A、最大入力28Vです。
実際にはショットキーダイオードの3A品はサイズが大きいので2A品を使う事にして定格2A(瞬間的には3Aいける)BECです。
事前にMP1584を試した話はこの辺りに書きました。

左がMP2359,右がMP1584。
MP1584にするとだいぶ大きくなるなぁ。

DFUモード安定化

前回DFUモードに入りにくい(不安定)という問題があり、BOOT0に加えてBOOT1端子もLに落としたりしてみましたが今ひとつすっきりしていませんでした。
でも今回原因が分かった気がします。
STM32マイコンはBOOT1端子=H状態で起動するとブートローダーが立上るのですが、この時USARTやCAN等、幾つかのシリアルポートに信号が来ているかどうかをチェックし、その後USBを見に行きます。 この時USART端子に信号が入っているとその端子からプログラム書き込み信号を待つ様になってしまいます。
STM32F411の場合、USART1と3がブートローダー端子として動作します。そしてRev1基板ではUSART1にSBUS受信機を接続していました。
恐らくこれが邪魔してUSBを受け付ける状態まで進めなかったのだと思います。なのでRev2基板ではSBUS受信をUSART6に変更します。
そういえば市販FCもUSART6にSBUSを入るのが多いと思ったら恐らくこの理由なんだと思います。

ジャイロ

前回InvenSenseMPU6500を使っていました。
どうやらこれだと感度が高すぎて振動対策をしっかりする必要があるらしく、市販FCは大抵MPU6000を使っています。
という事でRev2もMPU6000に変更します。
またMPU6500はリードが0.4mmピッチに対しMPU6000は0.5mmピッチなので実装し易くなる事も期待しています。

左がMPU6500、右がMPU6000。
これも見比べると差が大きい。

マイコン本体

これまで最初に入手した評価基板に合わせてSTM32F411を使ってきたので今回もこのマイコンで進めます。
でもよりクロック周波数が高いマイコンにSTM32F405があり、ピン配置を調べたら1か所だけ変更すれば載せ替え出来そうなので後で試せる様に作っておきます。更にSTM32F722にも同じパッケージの製品があり、これもピン配置がほぼ同じなので使えるかもしれません(でも値段が高いんですよね)。

モーターの数

Rev1では基本の4本に加え予備として2本のモーター出力端子を持っていました。これでヘキサコプターを作れる筈なのです。
そしてRev2では更に2本追加し計8本にするので、その内オクタコプターを試してみたいと思います。

その他

発振子を小型の物に変えたり部品の配置を変更したり、結局かなりの変更量となりました。

最終的な回路図はこれ

そして基板パターン設計(これが一番大変だった)。

部品配置を変更したのでちょっと余裕ができた。
やっぱり基板設計は最初の部品配置が大事ですねー。

基板発注

基板はPCBGOGOに発注します。約500円の格安基板で作る場合、FusionPCBだとソルダーレジストの最小値が0.4mmなのでマイコンやジャイロのピン間隔(0.5mm)に対しては無理があるのです。
これに対しPCBGOGOは0.1mmなので多分大丈夫。(ただし送料が若干高い気がするし、また面付けすると高くなるので用途によって使い分けてます)

つづく・・・

HOI-LINK高分解能化

以前我が家に来られた事のあるNONSAYAさん、当時はレーザー加工機の話題で盛り上がりましたが、今はドローンレース界の重鎮です。
そんなNONSAYAさんと最近Facebookでお話しする機会があり、コントローラーの分解能が何bit必要かという話になりました。
最近はVelociDrone(ドローンシミュレーター)を使ってオンラインのレース を開催されており、この時コントローラーからPCに送られる信号の分解能がプロレベルの速さでは影響するのではないかと。

OpenStickにしてもHOI-LINKにしても今のところ8bit幅でデータを送っています。一方実機のドローンでよく使われるS-BUS信号は11bit幅です。
私の素人的感覚では8bit幅(=256分解能)もあれば十分かと思っていましたが、レースのプロには影響するのかもしれません。

そこでHOI-LINKを高分解能化して試す事にしました。
HOI-LINKはラジコン受信機が出すS-BUS信号をPICマイコンで受け、USBのジョイスティック信号に変換してPCに送る仕組みになっています。
これを使えば実物のラジコン送信機を使ってドローンシミュレータの練習をしたり、PCに制御信号を送ったりできるモノなのです。

こんな仕組みです。

ここで先ほど書いた通りS-BUSからは11bit幅のデーターが送られてきます。これを8bitに変換するため下3bitは捨てて上位8bitだけをUSBに送っていました。これに対し高解像度版では11bit幅のデーターの下に5bit分の0を付加し、16bitデーターとしてUSBに送ります。
よってデーターは16bitで送りますがS-BUSの11bitから情報が増えるわけではないので結果的に11bit(=2048)分解能です。
なおラジコン送信機/受信機がスティック操作の変化を本当に11bit分解能で通しているかは不明です(ここで削られてたらどうしようもないのですが、どうなんでしょうね?)。

そして11bit版を使ってVelociDroneで飛んでみたところ・・・私レベルの感覚ではスムーズになった様な気もしますが自己暗示かもしれずよくわかりません。もうちょっとハイレベルな人に試してもらう必要があります。

実際にオンラインレースに出場されている方々の環境は8bitだったり11bitだったり様々だそうで、必ずしも11bitの人が勝つ訳でもない様です。

今回作成した高分解能版のファームとソースを下のリンクにアップロードしておきます(デバイス名の最後の’HR’はハイレゾのつもり)。
HOI-LinkHR20200615.zip

また受信機の機種によっては電源投入順序に制約がある問題(HOI-LINKをUSBに挿した後から送信機の電源を入れる順序でないと動作しない)が見つかったので修正しています。

なお以前はS-BUSに含まれる18ch分すべてをUSBに送り出していましたが今回のファームではチャンネル数を8bitに制限しています。
これには事情があって、ドローンシミュレーターで使うには問題ないのですが、Windowsの設定画面(下の図みたいなやつ)でみるとはアナログチャンネルは8chまでしか表示されず、一番大事なスティック操作が動いていない様に見えて気持ちが悪い上に、キャリブレーションができず、以前ARマーカーでドローン制御をしたときに影響があったので8CHにしてしまいました。

Windowsのこういう画面です

後半のチャンネルをデジタル値にしてやればいいのかも知れませんが、S-BUS信号は各チャンネルがアナログかデジタルかの見分けがつかないのでどれをデジタルにするか悩みます。で、実際には8chあればまず足りると思うので取り合えず8chまでにしています。
※もし18ch版必要な方がおられたらご連絡ください。

という事なのでもし8bitと11bitの違いを試してみようという場合は同じ土俵で比べるため下記のファームを比べてください。
HOI-LinkA20200614.zip ・・・8bit/8ch版
HOI-LinkHR20200614.zip ・・・11bit/8ch版 (上のリンクと同じ)

2020-06-15追記
HOI-LINKをPCに挿し送信機がONの状態でPCを立ち上げたときうまく動作しない問題が見つかったので修正しました。原因はUSBの通信が確立する前にSBUS信号を受けてUARTがオーバーフローしていたためで、初期化する処理を追加しました。
( 今回11bit版だけ修正しています。今後8bit版のメンテナンスは止めるつもり。)
HOI-LinkHR20200615.zip

どどーんはじめました。~その7~いろいろ修理

前回書いた通り11月に鹿児島県出水市で開催されるレースに出る為、日々練習をしております。
しかし実機を飛ばすと(または飛ばさなくても)色々な箇所を壊し、そして修理を繰り返しており、その記録です。

フライトコントローラー その1

フライトコントローラーOMNIBUSF4 V3を修理した話を先日書きました。
このFCは息子が逆電圧を印加してレギュレータICが壊れたので交換した物で、その他は一見問題なさそうなので暫くは木のフレームに積んで飛ばしていました。ところがある時から飛行中に訳もなく墜落したり、電源を入れても何も操作が出来なかったり、その内BetaFlightConfiguratorとも接続できなくなってしまいました。結局はファームを書き直したら復活したのですが、逆電圧のせいでフラッシュメモリが消えた(又は書いていないbitが書き込み状態になった?)のでしょうかね?
そもそも 逆電圧で壊れない方が不思議な気もしますが。
とりあえず様子見中です。

フライトコントローラーその2

同じ様に修理したフライトコントローラー(以下FC)がもう一つあります。
「Mini F3 Flytower」という名称でAliexpressから購入した物。購入時はESCとセットでしたがESCは燃えてしまって交換しています。
ところが元々のESCはBEC回路(5Vレギュレータ)を内蔵していたのに、交換後のESCはBECを搭載しておらず、FCの5V入力端子にバッテリー電圧(11.1Vや14.8V)が直接加わっていました。これで息子が飛ばしていたのですが、今回私がレースに出る為に借りたら上記の接続が発覚しました。とりあえず飛べはするのですがいつ壊れても不思議はありません。また5V端子に(高電圧の)電源が入っていますが本来バッテリ電圧を与えるはずの端子はオープンのままなのでOSD表示にバッテリー電圧が出ないという問題もあります。もちろん電圧低下アラームも出ないので非常に不安です。
そこで正しい接続(VBAT端子にバッテリーを接続)してみると・・・案の定レギュレータが壊れていてFC内の5V電源が出ていませんでした。
レギュレータの型番をみると先日修理したOMNIBUSF4V3と同じ型番のICを使用しています(FCでは標準的なICなんですかね?)。先日買ったICがまだ残っているので交換すると、ちゃんと5Vが出る様になりました。・・・という事でこのFCでレースに出場予定です(大丈夫か?)。

真ん中付近に写っている1F8のマーキングがあるのが交換したレギュレータIC。

木のフレーム

予備機として使用予定の木のフレームは相変わらずポキポキと折れていきます。しかし木のフレームの良いところはエポキシで修理できる点です。また原価が安いので沢山レーザーカットしておきどんどん交換していけます。 強度アップの工夫も色々としており今のところ4代目となりました。
が、やっぱり木製フレームでレースするのは無謀なのかも。

色々強度アップの工夫をした4代目フレーム。
縦に補強を入れてT字型の断面になっています。その分重くなるのを防ぐためアームを少し細くたりFCの下を肉抜きしたり・・・。

カーボンのフレーム

こちらは息子が折ったカーボンのフレーム。カーボンの板が折れると重ねた層が分離した様になるんですね。繊維が完全に切れている訳でもなさそうなので(いや多少は切れているんでしょうけど)、ダメ元で修理してみました。エポキシ接着剤をドライヤーで温めて柔らかくしておき、層の隙間に行き渡る様にした後、万力で挟んで固定したところ結構いい感じに固まっています。耐久性は分かりませんが。

VTX

練習していて息子の機体と空中衝突し、VTXの押しボタンスイッチとLEDが吹き飛んでいました。とりあえず電波は出ているので周波数や出力を変更しないならこのまま使えるのですが・・・これもその内なんとかしたいと思います。
しかしレースに間に合わないとマズイのでVTXは新たに発注しました。

FPVゴーグルのスポンジ

以前書いたEachineの安いゴーグルを使っていますが、顔に当たる部分のフェルトが剥がれてきました。スポンジとフェルトの2重構造になっているところが剥がれるのです。そこで「ボンドGPクリアー」で接着してもまたすぐ剥がれるので今度は「ボンドウルトラ多用途」で試したところ上手くついています。

他にも根本で電線が切れたモーターとかパワーMOSFETから煙を吐いたESCとか、なんとかしたいパーツが色々あるので、いずれ修理にトライしたいと思います。

どどーんはじめました。~その6~

昨年11月、鹿児島県出水市で開催されたU199ドローンレースに息子が参加した話を書きました。 この大会が今年も開催されるそうです。 そこで今回、ついに私もエントリーしてしまいました。
因みにU199とは航空法的に「無人航空機」とはみなされない200g未満の機体で速さを競います。200g未満だと「模型飛行機」という扱いだそうです。

私が使用する機体は昨年息子が飛ばした物をベースに宮崎ドローンクラブの方から頂いた部品を使って色々と修理したもの・・・

息子のお下がり。


予備機も欲しいなという事で先日修理したFCその他を載せて製作する事にしました。このFCは本来5インチ機等で使う物なのでサイズが大きく、普通のU199フレームには収まらないので合板をレーザーカットして製作しました。エポキシ接着剤をドライヤで温めて木に浸み込ませています。

2.5mmの合板2枚をエポキシで貼り合わせ。

レースまでに何とか落ちずに飛べる様、日々シミュレータ(VelociDrone)および時々実機で特訓中です。

実機で練習すると壊しては修理の繰り返しです。
合板のフレームはやっぱり折れやすいですが エポキシで修理できるし予備も簡単に作れます。

ポッキリ。
折れたところをエポキシで固めるとその部分は丈夫になるのですが次は別の場所が折れます。

さてどうなる事やら。。。