如何制作一款可語音控制的3D打印無人機(jī)

這是一款完全 3D打印的Tricopter無人機(jī)，可以使用亞馬遜的Alexa地面站控制，通過語音控制進(jìn)行飛行 。這種語音控制的Tricopter也被稱為Oliver the Tri。

A Tricopter與Quadcopter更常見的無人機(jī)配置不同，只有3個(gè)螺旋槳。為了彌補(bǔ)一個(gè)較小程度的控制，其中一個(gè)轉(zhuǎn)子由伺服電機(jī)傾斜。 Oliver the Tri配備了Pixhawk自動(dòng)駕駛儀，這是一種先進(jìn)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，主要用于研究或先進(jìn)的無人機(jī)行業(yè)。該自動(dòng)駕駛系統(tǒng)具有多種飛行模式，包括跟隨我，航點(diǎn)導(dǎo)航和導(dǎo)航飛行。

亞馬遜的Alexa將使用導(dǎo)航飛行模式。它將處理語音命令并將它們發(fā)送到地面站，地面站將這些命令映射到MAVLink（微型飛行器通信協(xié)議）并通過遙測(cè)將它們發(fā)送到Pixhawk。

這種小型飛機(jī)盡管很小但功能強(qiáng)大。它長約30厘米，重1.2公斤，但我們的螺旋槳和馬達(dá)組合可以提升3公斤。

第1步：材料和設(shè)備

Tricopter

3無刷直流電機(jī)

3電機(jī)軸

3 40A電子速度控制器

8x4復(fù)合螺旋槳CCW

配電板

電線和連接器

TGY-777伺服電機(jī)

電池和電池連接器

6x 6-32x1“剪切螺栓，螺母*

3M Dual鎖*

Zip Ties *

自動(dòng)駕駛儀

Pixhawk自動(dòng)駕駛儀套件

GPS和外部指南針

900MHz遙測(cè)

安全RC控制

發(fā)射器和接收器對(duì)

PPM編碼器

語音控制地面站

Raspberry Pi Zero W套件或Raspberry Pi 3

Amazon Echo Dot或任何Amazon Echo產(chǎn)品

設(shè)備和工具

焊接站

3D打印機(jī)

針鼻鉗*

螺絲刀*

Allen Key Set *

*從本地硬件商店購買

第2步：內(nèi)容組織

由于這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的長期項(xiàng)目，我提供了一種方式將此構(gòu)建組織為可以同時(shí)執(zhí)行的三個(gè)主要部分：

硬件：三軸飛行器的物理框架和推進(jìn)系統(tǒng)。

自動(dòng)駕駛儀：飛行控制器計(jì)算PWM信號(hào)以提供每個(gè)3個(gè)無刷電機(jī)和伺服電機(jī)相應(yīng)的用戶命令。

語音控制：這允許用戶使用語音命令控制無人機(jī)，并通過MAVLINK協(xié)議與Pixhawk板進(jìn)行通信。

第3步：下載Tricopter框架部件

tricopter的整個(gè)框架是3D打印的在Ultimaker 2+上。框架分為5個(gè)主要部件，以便安裝Ultimaker 2+的底板，并使其更容易重印和修理特定部件，以防它們?cè)谂鲎仓惺軗p。它們是：

2前電機(jī)臂（main-arm.stl）

1尾臂（tail-arm.stl）

1連接尾部和兩個(gè)前部電機(jī)臂之間的一塊（tail-arm-base.stl）

1尾部電機(jī)座（motor-platform.stl）

步驟4：3D打印Tricopter幀

使用至少50％的填充打印這些部件，并使用線作為填充圖案。對(duì)于殼厚度，我使用 0.7mm 的壁厚和 0.75mm 的頂部/底部厚度。添加構(gòu)建板粘合并在 8mm 處選擇邊緣。這個(gè)框架是用PLA塑料長絲印刷的，但如果你喜歡更堅(jiān)固但更重的三角形，你可以使用ABS塑料長絲。使用這些設(shè)置，打印所需的時(shí)間不到20小時(shí)。

如果邊緣沒有粘在3D打印機(jī)的打印面上，請(qǐng)使用膠棒將裙邊粘到打印面上。在打印結(jié)束時(shí)，取下底板，清洗多余的膠水，然后擦干，再將其放回打印機(jī)。

步驟5：去除支撐和邊緣

3D打印部件將隨處打印，并帶有需要的外邊緣在組裝之前將其移除。

邊緣是單層PLA，可以用手輕易地從零件上剝離。另一方面，支撐更難以移除。為此，您需要一把尖嘴鉗和一把平頭螺絲刀。對(duì)于不在封閉空間內(nèi)的支撐，請(qǐng)使用尖嘴鉗壓碎支架并將其拉出。對(duì)于使用尖嘴鉗難以觸及的孔或封閉空間內(nèi)的支撐，要么鉆孔，要么使用平頭螺絲刀從側(cè)面撬開，然后用尖嘴鉗將其拉出。當(dāng)移除支撐件時(shí)，如果您對(duì)3D打印部件施加過大的壓力，則可能會(huì)松開。

移除支撐件后，將支撐物所用的粗糙表面打磨掉或小心地雕刻用愛好刀保持支持。使用砂磨或研磨鉆頭和dremel來平滑螺孔。

步驟6：組裝Tricopter框架

對(duì)于裝配，你將需要六個(gè)螺栓（最好是剪切螺栓，6-32或更薄，1英寸長）將框架固定在一起。

采用名為main-arm.STL和tail-arm-base的3D打印部件。 STL。這些組件像拼圖一樣互鎖，尾臂基座夾在兩個(gè)主臂的中間。對(duì)齊四個(gè)螺孔，然后從頂部插入螺栓。如果零件不適合很容易，不要強(qiáng)迫它們。將尾臂基部打磨直到它們?yōu)橹埂?/p>

接下來，將尾臂滑到尾臂底部的突出端，直到螺絲孔對(duì)齊。同樣，您可能需要在適合之前進(jìn)行打磨。從頂部將其固定。

要組裝電機(jī)平臺(tái)，首先需要將伺服器插入尾臂上的開口，向后指。兩個(gè)水平孔應(yīng)與伺服系統(tǒng)上的螺孔對(duì)齊。如果摩擦配合不充分，可以通過這些孔將其固定到位。然后將控制喇叭放在伺服上，但不要將其擰入。稍等片刻。

將電機(jī)平臺(tái)的軸滑入尾臂末端的孔中，另一側(cè)在喇叭上。喇叭應(yīng)該很好地適合平臺(tái)上的插入物。最后，將喇叭螺絲穿過平臺(tái)上的孔和喇叭，如上圖所示。

步驟7：安裝電機(jī)

無刷電機(jī)不會(huì)隨附螺旋槳軸和安裝的十字板預(yù)先連接，所以先將它們擰緊。接下來，使用隨附的螺釘或M3機(jī)器螺釘和螺母將它們固定在電機(jī)平臺(tái)和三軸飛行器的主臂上。您可以在此步驟安裝螺旋槳以確保間隙并欣賞您的手工，但在飛行前測(cè)試之前將其移除。

步驟8：連接自動(dòng)駕駛儀板

將傳感器連接到Pixhawk Autopilot板，如上圖所示。這些也在自動(dòng)導(dǎo)航板本身中標(biāo)記，并且連接非常簡單，即蜂鳴器連接到蜂鳴器端口，開關(guān)連接到交換機(jī)端口，電源模塊連接到電源模塊端口，遙測(cè)連接到telem1端口。 GPS和外部羅盤將有兩組連接器。將帶有更多引腳的引腳連接到GPS端口，將較小引腳連接到I2C。

進(jìn)入Pixhawk自動(dòng)駕駛儀板的這些DF13連接器非常易碎，所以不要拉扯電線，直接推拉塑料外殼。

步驟9：連接無線電通信系統(tǒng)

無線電控制通信系統(tǒng)將用作安全備份來控制四軸飛行器，以防地面站或Alexa發(fā)生故障或錯(cuò)誤命令另一個(gè)。

將PPM編碼器連接到無線電接收器，如上圖所示。 PPM編碼器和接收器都有標(biāo)簽，因此將S1到S6連接到接收器的信號(hào)引腳1到6。 S1還將帶有接地線和電壓線，通過PPM編碼器為接收器供電。

步驟10：焊接配電板

PDB將從鋰聚合物（LiPo）電池輸入電壓和電流為11.1V和125A，并將其分配給三個(gè)ESC，并通過電源模塊為Pixhawk Autopilot板供電。

這個(gè)電源模塊是從之前與朋友合作完成的項(xiàng)目中重復(fù)使用的。

之前，焊接電線，切斷熱縮以適應(yīng)每根電線，這樣就可以了之后可以滑到暴露的焊接端，以防止短路。首先將公XT90連接器引線焊接到PDB焊盤，然后將16 AWG焊線焊接到ESC，然后將XT60連接器焊接到這些電線上。

要將導(dǎo)線焊接到PDB焊盤上，您需要將其直立焊接，以便熱縮可以穿過并使端子絕緣。我發(fā)現(xiàn)最簡單的方法是用伸出的手將電線直立（特別是大型XT90電纜）并將其放在桌子上的PDB頂部。然后在PDB焊盤周圍焊接導(dǎo)線。然后，將熱縮管向下滑動(dòng)并加熱以使電路絕緣。在ESC線的其余部分重復(fù)此操作。要焊接XT60，請(qǐng)按照上一步說明如何用XT60s替換ESC電池端子。

步驟11：連接電機(jī)和電子速度控制器

由于我們使用無刷直流電機(jī)，它們將配備三根電線，連接到電子設(shè)備的三個(gè)電線端子速度控制器（ESC）。電纜連接的順序與此步驟無關(guān)。當(dāng)我們第一次打開三軸飛行器時(shí)，我們會(huì)檢查這個(gè)。

所有三個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)應(yīng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。如果電機(jī)沒有逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則切換ESC和電機(jī)之間的三根導(dǎo)線中的任意兩根以反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)。

將所有ESC連接到配電板，為每個(gè)ESC提供電源。然后將右前方的ESC連接到pixhawk的主輸出1.將左前方的ESC連接到pixhawk的主輸出2，將伺服系統(tǒng)連接到主輸出7，將剩余的尾部ESC連接到主輸出4。

步驟12：設(shè)置自動(dòng)駕駛儀固件

為此選擇的固件Tricopter構(gòu)建是Ardupilot的Arducopter與Tricopter配置。按照向?qū)е械牟襟E操作，在固件中選擇tricopter配置。

步驟13：校準(zhǔn)內(nèi)部傳感器

連接tricopter通過選擇右上角的“自動(dòng)”使用無線遙測(cè)模塊，然后單擊“連接”。由于它通過900MHz連接，因此無線連接需要一段時(shí)間。

按照向?qū)е械牟襟E校準(zhǔn)以下內(nèi)部傳感器：

加速度計(jì)

外部指南針

由于三旋翼底部有組件，因此在用加速度計(jì)校準(zhǔn)水平位置之前，先用一個(gè)盒子支撐三軸飛行器。這是至關(guān)重要的，因?yàn)榧铀俣扔?jì)將用于確定三軸飛行器的姿態(tài)。

指南針需要從各種位置進(jìn)行采樣，因此您應(yīng)該在校準(zhǔn)過程中如上圖所示移動(dòng)直升機(jī)。

步驟14：使用亞馬遜進(jìn)行語音控制服務(wù)概述

我們將使用三種亞馬遜開發(fā)人員工具和服務(wù)來為Oliver the Tri提供語音控制。這些工具和服務(wù)將允許我們處理語音命令，運(yùn)行我們的代碼，并通過MQTT與我們的地面站進(jìn)行通信，然后將其轉(zhuǎn)發(fā)到Tricopter Drone。

我們將在接下來的步驟中設(shè)置以下內(nèi)容：

亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（AWS）物聯(lián)網(wǎng)核心

亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)Lambdas

亞馬遜Alexa技能套件

此外，我們還將使用Raspberry Pi作為我們的地面站，運(yùn)行自定義版本的Mission Planner，它在導(dǎo)航自主飛行模式下運(yùn)行并使用MAVLink協(xié)議進(jìn)行遙測(cè)。

AWS IoT Core 將通過MQTT與Raspberry Pi地面站的“物聯(lián)網(wǎng)”（來自物聯(lián)網(wǎng)）進(jìn)行通信。與MAVlink一樣，MQTT也是一種消息傳遞協(xié)議，但不是通過900MHz遙測(cè)，而是通過WiFi進(jìn)行通信（在我們的例子中為2.4GHz）。簡而言之，AWS IoT核心在自身，服務(wù)器和它的節(jié)點(diǎn)Raspberry Pi之間建立了連接。

AWS Lambdas是一個(gè)運(yùn)行我們的NodeJS代碼的云計(jì)算平臺(tái)。 NodeJS代碼將處理解析的語音命令并處理特定技能的意圖。這包括Alexa的語音輸出，命令，驗(yàn)證有效命令等。

Amazon Alexa Skills Kit將用于通過Amazon Alexa設(shè)備收聽語音命令，并通過一組解析它我們定義的意圖和樣本話語。

步驟15：使用AWS IoT設(shè)置事物

首先，創(chuàng)建一個(gè)帳戶并登錄AWS控制臺(tái)。您可以免費(fèi)注冊(cè)。

登錄后，將服務(wù)器更改為N. Virginia，因?yàn)檫@是支持Alexa Skills Kit的地方。我的默認(rèn)為俄亥俄州，所以我不得不為N. Virginia重做它。

轉(zhuǎn)到服務(wù)并選擇 AWS IoT Core。

選擇管理》》內(nèi)容并選擇 注冊(cè)商品

在下一個(gè)屏幕上，單擊創(chuàng)建單個(gè)內(nèi)容

給你的東西一個(gè)合適的名稱，我打電話給我的PiGroundStation然后點(diǎn)擊下一步。

我們現(xiàn)在為物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造了一件事。接下來我們需要設(shè)置證書和策略來提供我們的東西和lamda。

步驟16：設(shè)置安全證書

從AWS繼續(xù)IoT Thing向?qū)?，我們將?chuàng)建一個(gè)證書。

選擇創(chuàng)建證書

然后，下載所有文件，證書，公鑰，私鑰和根CA 。將這些文件保存到安全的地方，因?yàn)槲覀兩院笤谂渲玫孛嬲緯r(shí)需要它們，以便它可以與AWS通信。

導(dǎo)航至安全標(biāo)簽，找到您的證書。然后，選擇附加內(nèi)容，選擇您的內(nèi)容，并通過單擊附加將證書附加到該內(nèi)容。請(qǐng)注意證書ARN ，將其復(fù)制到記事本中，因?yàn)槲覀兩院髸?huì)需要它。

現(xiàn)在，我們將收集一些更重要的信息，為地面站的配置做準(zhǔn)備。

導(dǎo)航到 Interact 標(biāo)簽并復(fù)制 Rest API端點(diǎn)，這將是我們的主機(jī)信息，以及 MQTT Thing影即可。

步驟17：創(chuàng)建策略

理想情況下，Thing和Lambda都有自己的策略。為了演示，我們將創(chuàng)建一個(gè)非常開放和寬松的策略，可以被Thing和Lamda使用。

在安全》》政策標(biāo)簽下，選擇創(chuàng)建政策

恰當(dāng)?shù)孛呗?，我將其命名為very_permissive_policy

將操作指定為 iot：* ，將資源指定為 *

選擇允許效果，然后點(diǎn)擊創(chuàng)建。

完成后，就像在證書步驟中一樣，將政策附加。請(qǐng)注意，策略ARN ，將其復(fù)制到記事本中。

步驟18：設(shè)置Lambdas

首先，確保您在N. Virginia服務(wù)器上，因?yàn)檫@將托管我們需要的Alexa技能套件。

導(dǎo)航到頂部面板并選擇服務(wù)》》 Lamda 。然后單擊，創(chuàng)建Lamda功能。

在創(chuàng)建功能窗口下，選擇從頭開始作業(yè)。為其指定名稱 EchoDroneControl ，因?yàn)檫@需要匹配Raspberry Pi上目錄的名稱。運(yùn)行時(shí)將是 Node.js 4.3 。

選擇“創(chuàng)建自定義角色”;這將打開一個(gè)彈出窗口，并為其指定一個(gè)角色名稱 lambda_basic_execution 。點(diǎn)擊Lambda角色頁面底部的允許。

返回Create Lamda Function頁面，將其他選項(xiàng)保留為默認(rèn)值，除了超時(shí)，將其增加到 10秒。然后點(diǎn)擊下一步。

在觸發(fā)器下，添加 Alexa技能套件從左側(cè)窗格。

步驟19：創(chuàng)建新的Alexa技能

使用Alexa開發(fā)人員門戶創(chuàng)建一個(gè)帳戶。這是我們將創(chuàng)建自定義alexa技能的地方。

在頂部欄中，選擇 Alexa技能套件》》開始技能。

為您的Alexa技能提供適當(dāng)?shù)拿Q和調(diào)用名稱。我分別使用Drone Control和Drone作為我技能的名稱和調(diào)用名稱。然后單擊下一步。

將意圖架構(gòu)代碼復(fù)制到文本塊。

將示例話語代碼復(fù)制到底部文本塊。然后單擊下一步。

復(fù)制并粘貼之前步驟中保存在記事本中的 ARN鏈接，然后點(diǎn)擊下一步。

現(xiàn)在，在測(cè)試技能之前，我們需要設(shè)置地面控制站，lambdas將在下一步中與之通信。

步驟20：將Raspbian安裝到Raspberry Pi

從raspberry pi網(wǎng)站下載最新版本的noobs NOOB并解壓縮內(nèi)容。

將內(nèi)容復(fù)制并粘貼到格式化的FAT32 SD卡上。

然后將raspberry pi插入監(jiān)視器和電源，并按照向?qū)О惭b操作系統(tǒng)。

步驟21：安裝AWS命令和配置參數(shù)

在我們上傳文件并測(cè)試Lambda之前，我們首先需要安裝AWS Commands并配置一些訪問參數(shù)。

在Raspberry Pi上打開終端（或SSH）并運(yùn)行以下命令來安裝和驗(yàn)證AWS命令：

pip install awscli --user

aws --version

打開IAM控制臺(tái)并設(shè)置用戶詳細(xì)信息如下所示

在角色標(biāo)簽下，附上顯示在中的政策如下圖所示，然后單擊Next。這將用于在地面站上運(yùn)行配置文件。

步驟22：在Rasberry pi上設(shè)置自定義地面控制站

SSH ，并使用默認(rèn)密碼raspberry登錄。

登錄后在終端上輸入以下命令

cd ~

sudo apt-get install avahi-daemon

sudo chown pi /usr/local/ -R

sudo apt-get install nodejs npm -y

sudo apt-get install zip

sudo apt-get install screen

pip install awscli

pip install dronekit

pip install paho-mqtt

git clone https://bitbucket.org/veggiebenz/echodronecontrol/ dronecontrol

cd dronecontrol

mkdir certs

該代碼是開源的，可以在這里找到。這將被克隆到覆盆子pi地面站。

下載 Cyberduck ，這是一個(gè) SFTP 應(yīng)用，可以與raspberry pi進(jìn)行文件傳輸。

使用默認(rèn)用戶名pi和密碼raspberry登錄Cyberduck上的Raspberry pi。

將證書轉(zhuǎn)移到證書文件夾。

在Raspberry Pi上，導(dǎo)航到?/dronecontrol/EchoDroneControl/Lambda和Alexa技能所需的文件套件存儲(chǔ)并編輯 upload.sh 文件，并進(jìn)行以下更改：

將角色ARN值 e添加到第3行的變量中。

將 Rest API端點(diǎn)添加為主機(jī)。

添加 MQTT主題

添加 Alexa技能應(yīng)用ID

然后，將您為Lambda創(chuàng)建和下載的所有證書添加到 config.js 文件中。

最后，運(yùn)行upload.sh腳本文件，然后在終端中輸入以下內(nèi)容，輸入您從配置步驟中保存的密碼：

。 upload.sh

步驟23：享受飛行

找一個(gè)天氣好的日子，享受你選擇的任何模式飛行，無論是完全自主的航點(diǎn)導(dǎo)航，手動(dòng)飛行或語音控制。

以下是一些可以幫助您入門的命令：

Alexa Launch

Alexa向左轉(zhuǎn)

Alexa向前移動(dòng)5米

Alexa Land