快速入门

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项目简介

ESP-Drone 是基于乐鑫 ESP32/ESP32-S2/ESP32-S3 开发的小型无人机解决方案,可使用手机 APP 或游戏手柄通过 Wi-Fi 网络进行连接和控制。该方案硬件结构简单,代码架构清晰,支持功能扩展,可用于 STEAM 教育等领域。项目部分代码来自 Crazyflie 开源工程,继承 GPL3.0 开源协议。

ESP-Drone 无人机

ESP-Drone 无人机

主要特性

ESP-Drone 具备以下特性:

  • 支持自稳定模式 (Stabilize mode):自动控制机身水平,保持平稳飞行。

  • 支持定高模式 (Height-hold mode):自动控制油门输出,保持固定高度。

  • 支持定点模式 (Position-hold mode):自动控制机身角度,保持固定空间位置。

  • 支持 PC 上位机调试:使用 cfclient 上位机进行静态/动态调试。

  • 支持 APP 控制:使用手机 APP 通过 Wi-Fi 轻松控制。

  • 支持游戏手柄 (gamepad) 控制:通过 cfclient 使用游戏手柄轻松控制。

主要组件

ESP-Drone 2.0 使用模块化的设计思路,由主控板和扩展板组成。

  • 主控制板:搭载 ESP32-S2 模组和支持基础飞行的必要传感器,并提供硬件扩展接口。

  • 扩展板:搭载扩展传感器,可对接主控制板的硬件扩展接口,支持高级飞行功能。

序号

模块名

主要元器件

功能

接口

安装位置

1

主控制板 - ESP32-S2

ESP32-S2-WROVER + MPU6050

基础飞行

提供 I2C SPI GPIO 扩展接口

2

扩展板 - 定点模块

PMW3901 + VL53L1X

室内定点飞行

SPI + I2C

底部,面向地面

3

扩展板 - 气压定高模块

MS5611 气压

气压定高

I2C 或 MPU6050 从机

顶部或底部

4

扩展板 - 指南针模块

HMC5883 罗盘

无头模式等高级模式

I2C 或 MPU6050 从机

顶部或底部

详情可查阅:硬件参考

ESP-IDF 简介

ESP-IDF 是乐鑫为 ESP32/ESP32-S2/ESP32-S3 提供的物联网开发框架。

  • ESP-IDF 包含一系列库及头文件,提供了基于 ESP32/ESP32-S2/ESP32-S3 构建软件项目所需的核心组件。

  • ESP-IDF 还提供了开发和量产过程中最常用的工具及功能,例如:构建、烧录、调试和测量等。

详情可查阅:ESP-IDF 编程指南

Crazyflie 简介

Crazyflie 是来自 Bitcraze 开源工程的四旋翼飞行器,具备以下特性:

  • 支持多种传感器组合,可以轻松实现定高模式、定点模式等高级飞行模式。

  • 基于 FreeRTOS 编写,将复杂的无人机系统,分解成多个具有不同优先级的软件任务。

  • 设计了功能完备的 cfclient 上位机和 CRTP 通信协议,便于实现调试、测量和控制。

crazyflie-overview

多架无人机同时探索周围环境,灵活避开障碍物,同时避开其它无人机。A swarm of drones exploring the environment, avoiding obstacles and each other. (Guus Schoonewille, TU Delft)

详情可查阅 Crazyflie 官网

准备工作

硬件组装

请按照下述步骤组装 ESP32-S2-Drone V1.2:

ESP32-S2-Drone V1.2 组装流程

ESP32-S2-Drone V1.2 组装流程

硬件介绍和管脚资源分配可查阅:硬件参考

安装 ESP-Drone APP

ESP-Drone APP 同时支持 Android 系统和 iOS 系统。

扫描下方二维码,下载 Android APP:

Android APP 扫码下载

下载 iOS APP:

在 App Store 中搜索 ESP-Drone,点击下载并安装。

iOS APP 源代码ESP-Drone-iOS

Android APP 源代码ESP-Drone-Android

安装 cfclient

安装 cfclient 为可选步骤,用于实现高级调试,非必须使用。

cfclient 上位机界面

cfclient 上位机界面

1. 安装 cfclient

1.1 下载源代码

git clone https://github.com/qljz1993/crazyflie-clients-python.git

1.2 进入下载目录

cd crazyflie-clients-python

1.3 安装 cfclient 客户端

pip3 install -e .

1.4 启动客户端

cfclient

2. 配置遥控器

游戏手柄配置

遥控器配置

2.1 配置 4 个控制轴:Roll 、Pitch、Yaw、Thrust

2.2 配置一个按键为 Assisted control,用于飞行模式切换。

手机 APP 使用指南

Wi-Fi 连接

  • 手机扫描 Wi-Fi AP。ESP-Drone 设备用作 AP,其 SSID 及密码如下:

SSID:ESP-DRONE_XXXX(XXXX 根据 MAC 设置)PASSWORD:12345678
  • 点击该 AP,手机与 ESP-Drone 设备建立 Wi-Fi 连接。

个性化设置

在该步骤中,您可以按照具体的应用场景进行个性化配置,或使用默认配置。

```
默认配置:

Flight control settings
    1. Mode: Mode2
    2. Deadzone: 0.2
    3. Roll trim: 0.0
    4. Pitch trim: 0.0
    5. Advanced flight control : true
    6. Advanced flight control preferences
        1. max roll/pitch angle: 15
        2. max yaw angle: 90
        3. max thrust: 90
        4. min thrust: 25
        5. X-Mode: true
Controller settings
    1. use full travel for thrust: false
    2. virtual joystick size: 100
App settings
    1. Screen rotation lock: true
    2. full screen mode:true
    3. show console: true
```

控制飞行

  • 打开 APP,点击 Connect 按钮,连接小飞机。连接成功,小飞机绿灯闪烁。

  • 轻推油门,小飞机起飞。

  • 在 APP 上滑动,控制小飞机方向。

Android APP 用户界面

Android APP 用户界面

PC cfclient 使用指南

cfclient 是 Crazeflie 源工程的上位机,完全实现了 CRTP 协议中定义的功能,可以加快飞机的调试过程。ESP-Drone 项目对该上位机进行裁剪和调整,满足功能设计需求。

cfclient 架构

cfclient 架构

cfclient 控制台界面

cfclient 控制台界面

项目中有很多相关的文件,例如配置文件和缓存文件,其中 JSON 文件用来存储配置信息。关于配置信息中内容的解读,可参考:User Configuration File

飞行设置

基本飞行设置 (Basic Flight Control)

  1. 飞行模式 (Flight mode):基本模式和高级模式

    • 基本模式 (Normal mode):初学者使用。

    • 高级模式 (Advanced mode):设置解锁最大角度,设置最大油门。

  2. 自动模式 (Assisted mode)

    • 定海拔模式 (Altitude-hold mode):保持飞行海拔,需要气压计支持。

    • 定点模式 (Position-hold mode):保持当前位置,需要光流和 TOF 支持。

    • 定高模式 (Height-hold mode):保持相对高度,触发时保持高于地面 40 cm,需要 TOF 支持。

    • 悬停模式 (Hover mode):触发时保持高于地面 40 cm,并悬停在起飞点,需要光流和 TOF 支持。

  3. 角度修正 (Trim)

    • 翻滚角修正 (Roll Trim):用于弥补传感器水平安装误差。

    • 俯仰角修正 (Pitch Trim):用于弥补传感器水平安装误差。

注意,在自动模式下,油门摇杆变为高度控制摇杆。

高级飞行设置 (Advanced Flight Control)

  1. 最大倾角 (Max angle):设置最大允许的俯仰和翻滚角度:roll/pitch。

  2. 最大自旋速度 (Max yaw rate):设置允许的偏航速度:yaw。

  3. 最大油门 (Max thrust):设置最大油门。

  4. 最小油门 (Min thrust):设置最小油门。

  5. 压摆极限 (Slew limit):防止油门骤降,油门低于该值时,下降速度将被限定。

  6. 压摆率 (Slew rate):油门到压摆极限之后的最大下降率。

遥控器设置 (Configure Input Device)

按照提示绑定遥控器摇杆与各个控制通道:

cfclient 控制器配置

飞行数据 (Flight Data)

驾驶仪可以看到当前飞机姿态,右下方显示对应的详细数据。

  1. 目标角度 (Target)

  2. 测量角度 (Actual)

  3. 当前油门值 (Thrust)

  4. 电机实际输出 (M1/M2/M3/M4)

在线参数修改

在线调整 PID 参数

PID 参数调整

cfclient PID 参数调整

注意事项

  1. 修改的参数实时生效,避免了频繁烧录固件。

  2. 可在代码中通过宏定义,配置哪些参数可被上位机实时修改。

  3. 注意,参数在线修改仅用于调试,掉电不保存。

飞行数据监控

配置要监控的参数

PID 参数调整

监控参数配置

PID 参数调整

参数配置区

实时波形绘制

陀螺仪加速度计实时数据监测:

PID 参数调整

陀螺仪加速度计数据监测

螺旋桨方向

  • 按照下图所示位置,安装 A、B 螺旋桨。

  • 飞行器上电自检时,检查螺旋桨转向是否正确。

螺旋桨方向示图

螺旋桨方向示图

起飞前检查

  • 将小飞机头部朝前放置,尾部天线朝向自己;

  • 将小飞机置于水平面上,待机身稳定时上电;

  • 观察上位机水平面是否置平;

  • 观察通信建立以后,小飞机尾部绿灯是否快速闪烁;

  • 观察小飞机头部红灯是否熄灭,亮起代表电量不足;

  • 轻推左手小油门,检查飞机是否能快速响应;

  • 轻推右手方向,检查方向控制是否正确;

  • 起飞吧!