如何制作一款可语音控制的3D打印无人机

这是一款完全 3D打印的Tricopter无人机，可以使用亚马逊的Alexa地面站控制，通过语音控制进行飞行 。这种语音控制的Tricopter也被称为Oliver the Tri。

A Tricopter与Quadcopter更常见的无人机配置不同，只有3个螺旋桨。为了弥补一个较小程度的控制，其中一个转子由伺服电机倾斜。 Oliver the Tri配备了Pixhawk自动驾驶仪，这是一种先进的自动驾驶系统，主要用于研究或先进的无人机行业。该自动驾驶系统具有多种飞行模式，包括跟随我，航点导航和导航飞行。

亚马逊的Alexa将使用导航飞行模式。它将处理语音命令并将它们发送到地面站，地面站将这些命令映射到MAVLink（微型飞行器通信协议）并通过遥测将它们发送到Pixhawk。

这种小型飞机尽管很小但功能强大。它长约30厘米，重1.2公斤，但我们的螺旋桨和马达组合可以提升3公斤。

第1步：材料和设备

Tricopter

3无刷直流电机

3电机轴

3 40A电子速度控制器

8x4复合螺旋桨CCW

配电板

电线和连接器

TGY-777伺服电机

电池和电池连接器

6x 6-32x1“剪切螺栓，螺母*

3M Dual锁*

ZipTies *

自动驾驶仪

Pixhawk自动驾驶仪套件

GPS和外部指南针

900MHz遥测

安全RC控制

发射器和接收器对

PPM编码器

语音控制地面站

Raspberry Pi Zero W套件或Raspberry Pi 3

Amazon Echo Dot或任何Amazon Echo产品

设备和工具

焊接站

3D打印机

针鼻钳*

螺丝刀*

Allen Key Set *

*从本地硬件商店购买

第2步：内容组织

由于这是一个相当复杂的长期项目，我提供了一种方式将此构建组织为可以同时执行的三个主要部分：

硬件：三轴飞行器的物理框架和推进系统。

自动驾驶仪：飞行控制器计算PWM信号以提供每个3个无刷电机和伺服电机相应的用户命令。

语音控制：这允许用户使用语音命令控制无人机，并通过MAVLINK协议与Pixhawk板进行通信。

第3步：下载Tricopter框架部件

tricopter的整个框架是3D打印的在Ultimaker 2+上。框架分为5个主要部件，以便安装Ultimaker 2+的底板，并使其更容易重印和修理特定部件，以防它们在碰撞中受损。它们是：

2前电机臂（main-arm.stl）

1尾臂（tail-arm.stl）

1连接尾部和两个前部电机臂之间的一块（tail-arm-base.stl）

1尾部电机座（motor-platform.stl）

步骤4：3D打印Tricopter帧

使用至少50％的填充打印这些部件，并使用线作为填充图案。对于壳厚度，我使用 0.7mm 的壁厚和 0.75mm 的顶部/底部厚度。添加构建板粘合并在 8mm 处选择边缘。这个框架是用PLA塑料长丝印刷的，但如果你喜欢更坚固但更重的三角形，你可以使用ABS塑料长丝。使用这些设置，打印所需的时间不到20小时。

如果边缘没有粘在3D打印机的打印面上，请使用胶棒将裙边粘到打印面上。在打印结束时，取下底板，清洗多余的胶水，然后擦干，再将其放回打印机。

步骤5：去除支撑和边缘

3D打印部件将随处打印，并带有需要的外边缘在组装之前将其移除。

边缘是单层PLA，可以用手轻易地从零件上剥离。另一方面，支撑更难以移除。为此，您需要一把尖嘴钳和一把平头螺丝刀。对于不在封闭空间内的支撑，请使用尖嘴钳压碎支架并将其拉出。对于使用尖嘴钳难以触及的孔或封闭空间内的支撑，要么钻孔，要么使用平头螺丝刀从侧面撬开，然后用尖嘴钳将其拉出。当移除支撑件时，如果您对3D打印部件施加过大的压力，则可能会松开。

移除支撑件后，将支撑物所用的粗糙表面打磨掉或小心地雕刻用爱好刀保持支持。使用砂磨或研磨钻头和dremel来平滑螺孔。

步骤6：组装Tricopter框架

对于装配，你将需要六个螺栓（最好是剪切螺栓，6-32或更薄，1英寸长）将框架固定在一起。

采用名为main-arm.STL和tail-arm-base的3D打印部件。 STL。这些组件像拼图一样互锁，尾臂基座夹在两个主臂的中间。对齐四个螺孔，然后从顶部插入螺栓。如果零件不适合很容易，不要强迫它们。将尾臂基部打磨直到它们为止。

接下来，将尾臂滑到尾臂底部的突出端，直到螺丝孔对齐。同样，您可能需要在适合之前进行打磨。从顶部将其固定。

要组装电机平台，首先需要将伺服器插入尾臂上的开口，向后指。两个水平孔应与伺服系统上的螺孔对齐。如果摩擦配合不充分，可以通过这些孔将其固定到位。然后将控制喇叭放在伺服上，但不要将其拧入。稍等片刻。

将电机平台的轴滑入尾臂末端的孔中，另一侧在喇叭上。喇叭应该很好地适合平台上的插入物。最后，将喇叭螺丝穿过平台上的孔和喇叭，如上图所示。

步骤7：安装电机

无刷电机不会随附螺旋桨轴和安装的十字板预先连接，所以先将它们拧紧。接下来，使用随附的螺钉或M3机器螺钉和螺母将它们固定在电机平台和三轴飞行器的主臂上。您可以在此步骤安装螺旋桨以确保间隙并欣赏您的手工，但在飞行前测试之前将其移除。

步骤8：连接自动驾驶仪板

将传感器连接到Pixhawk Autopilot板，如上图所示。这些也在自动导航板本身中标记，并且连接非常简单，即蜂鸣器连接到蜂鸣器端口，开关连接到交换机端口，电源模块连接到电源模块端口，遥测连接到telem1端口。 GPS和外部罗盘将有两组连接器。将带有更多引脚的引脚连接到GPS端口，将较小引脚连接到I2C。

进入Pixhawk自动驾驶仪板的这些DF13连接器非常易碎，所以不要拉扯电线，直接推拉塑料外壳。

步骤9：连接无线电通信系统

无线电控制通信系统将用作安全备份来控制四轴飞行器，以防地面站或Alexa发生故障或错误命令另一个。

将PPM编码器连接到无线电接收器，如上图所示。 PPM编码器和接收器都有标签，因此将S1到S6连接到接收器的信号引脚1到6。 S1还将带有接地线和电压线，通过PPM编码器为接收器供电。

步骤10：焊接配电板

PDB将从锂聚合物（LiPo）电池输入电压和电流为11.1V和125A，并将其分配给三个ESC，并通过电源模块为Pixhawk Autopilot板供电。

这个电源模块是从之前与朋友合作完成的项目中重复使用的。

之前，焊接电线，切断热缩以适应每根电线，这样就可以了之后可以滑到暴露的焊接端，以防止短路。首先将公XT90连接器引线焊接到PDB焊盘，然后将16 AWG焊线焊接到ESC，然后将XT60连接器焊接到这些电线上。

要将导线焊接到PDB焊盘上，您需要将其直立焊接，以便热缩可以穿过并使端子绝缘。我发现最简单的方法是用伸出的手将电线直立（特别是大型XT90电缆）并将其放在桌子上的PDB顶部。然后在PDB焊盘周围焊接导线。然后，将热缩管向下滑动并加热以使电路绝缘。在ESC线的其余部分重复此操作。要焊接XT60，请按照上一步说明如何用XT60s替换ESC电池端子。

步骤11：连接电机和电子速度控制器

由于我们使用无刷直流电机，它们将配备三根电线，连接到电子设备的三个电线端子速度控制器（ESC）。电缆连接的顺序与此步骤无关。当我们第一次打开三轴飞行器时，我们会检查这个。

所有三个电机的旋转应逆时针旋转。如果电机没有逆时针旋转，则切换ESC和电机之间的三根导线中的任意两根以反转旋转。

将所有ESC连接到配电板，为每个ESC提供电源。然后将右前方的ESC连接到pixhawk的主输出1.将左前方的ESC连接到pixhawk的主输出2，将伺服系统连接到主输出7，将剩余的尾部ESC连接到主输出4。

步骤12：设置自动驾驶仪固件

为此选择的固件Tricopter构建是Ardupilot的Arducopter与Tricopter配置。按照向导中的步骤操作，在固件中选择tricopter配置。

步骤13：校准内部传感器

连接tricopter通过选择右上角的“自动”使用无线遥测模块，然后单击“连接”。由于它通过900MHz连接，因此无线连接需要一段时间。

按照向导中的步骤校准以下内部传感器：

加速度计

外部指南针

由于三旋翼底部有组件，因此在用加速度计校准水平位置之前，先用一个盒子支撑三轴飞行器。这是至关重要的，因为加速度计将用于确定三轴飞行器的姿态。

指南针需要从各种位置进行采样，因此您应该在校准过程中如上图所示移动直升机。

步骤14：使用亚马逊进行语音控制服务概述

我们将使用三种亚马逊开发人员工具和服务来为Oliver the Tri提供语音控制。这些工具和服务将允许我们处理语音命令，运行我们的代码，并通过MQTT与我们的地面站进行通信，然后将其转发到Tricopter Drone。

我们将在接下来的步骤中设置以下内容：

亚马逊网络服务（AWS）物联网核心

亚马逊网络服务Lambdas

亚马逊Alexa技能套件

此外，我们还将使用Raspberry Pi作为我们的地面站，运行自定义版本的Mission Planner，它在导航自主飞行模式下运行并使用MAVLink协议进行遥测。

AWSIoTCore 将通过MQTT与Raspberry Pi地面站的“物联网”（来自物联网）进行通信。与MAVlink一样，MQTT也是一种消息传递协议，但不是通过900MHz遥测，而是通过WiFi进行通信（在我们的例子中为2.4GHz）。简而言之，AWS IoT核心在自身，服务器和它的节点Raspberry Pi之间建立了连接。

AWS Lambdas是一个运行我们的NodeJS代码的云计算平台。 NodeJS代码将处理解析的语音命令并处理特定技能的意图。这包括Alexa的语音输出，命令，验证有效命令等。

Amazon Alexa Skills Kit将用于通过Amazon Alexa设备收听语音命令，并通过一组解析它我们定义的意图和样本话语。

步骤15：使用AWS IoT设置事物

首先，创建一个帐户并登录AWS控制台。您可以免费注册。

登录后，将服务器更改为N. Virginia，因为这是支持Alexa Skills Kit的地方。我的默认为俄亥俄州，所以我不得不为N. Virginia重做它。

转到服务并选择 AWS IoT Core。

选择管理》》内容并选择 注册商品

在下一个屏幕上，单击创建单个内容

给你的东西一个合适的名称，我打电话给我的PiGroundStation然后点击下一步。

我们现在为物联网创造了一件事。接下来我们需要设置证书和策略来提供我们的东西和lamda。

步骤16：设置安全证书

从AWS继续IoT Thing向导，我们将创建一个证书。

选择创建证书

然后，下载所有文件，证书，公钥，私钥和根CA 。将这些文件保存到安全的地方，因为我们稍后在配置地面站时需要它们，以便它可以与AWS通信。

导航至安全标签，找到您的证书。然后，选择附加内容，选择您的内容，并通过单击附加将证书附加到该内容。请注意证书ARN ，将其复制到记事本中，因为我们稍后会需要它。

现在，我们将收集一些更重要的信息，为地面站的配置做准备。

导航到 Interact 标签并复制 Rest API端点，这将是我们的主机信息，以及 MQTT Thing影即可。

步骤17：创建策略

理想情况下，Thing和Lambda都有自己的策略。为了演示，我们将创建一个非常开放和宽松的策略，可以被Thing和Lamda使用。

在安全》》政策标签下，选择创建政策

恰当地命名策略，我将其命名为very_permissive_policy

将操作指定为 iot：* ，将资源指定为 *

选择允许效果，然后点击创建。

完成后，就像在证书步骤中一样，将政策附加。请注意，策略ARN ，将其复制到记事本中。

步骤18：设置Lambdas

首先，确保您在N. Virginia服务器上，因为这将托管我们需要的Alexa技能套件。

导航到顶部面板并选择服务》》 Lamda 。然后单击，创建Lamda功能。

在创建功能窗口下，选择从头开始作业。为其指定名称 EchoDroneControl ，因为这需要匹配Raspberry Pi上目录的名称。运行时将是Node.js4.3 。

选择“创建自定义角色”;这将打开一个弹出窗口，并为其指定一个角色名称 lambda_basic_execution 。点击Lambda角色页面底部的允许。

返回Create Lamda Function页面，将其他选项保留为默认值，除了超时，将其增加到 10秒。然后点击下一步。

在触发器下，添加 Alexa技能套件从左侧窗格。

步骤19：创建新的Alexa技能

使用Alexa开发人员门户创建一个帐户。这是我们将创建自定义alexa技能的地方。

在顶部栏中，选择 Alexa技能套件》》开始技能。

为您的Alexa技能提供适当的名称和调用名称。我分别使用Drone Control和Drone作为我技能的名称和调用名称。然后单击下一步。

将意图架构代码复制到文本块。

将示例话语代码复制到底部文本块。然后单击下一步。

复制并粘贴之前步骤中保存在记事本中的 ARN链接，然后点击下一步。

现在，在测试技能之前，我们需要设置地面控制站，lambdas将在下一步中与之通信。

步骤20：将Raspbian安装到Raspberry Pi

从raspberry pi网站下载最新版本的noobs NOOB并解压缩内容。

将内容复制并粘贴到格式化的FAT32SD卡上。

然后将raspberry pi插入监视器和电源，并按照向导安装操作系统。

步骤21：安装AWS命令和配置参数

在我们上传文件并测试Lambda之前，我们首先需要安装AWS Commands并配置一些访问参数。

在Raspberry Pi上打开终端（或SSH）并运行以下命令来安装和验证AWS命令：

pip install awscli --user

aws --version

打开IAM控制台并设置用户详细信息如下所示

在角色标签下，附上显示在中的政策如下图所示，然后单击Next。这将用于在地面站上运行配置文件。

步骤22：在Rasberry pi上设置自定义地面控制站

SSH ，并使用默认密码raspberry登录。

登录后在终端上输入以下命令

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

该代码是开源的，可以在这里找到。这将被克隆到覆盆子pi地面站。

下载 Cyberduck ，这是一个 SFTP 应用，可以与raspberry pi进行文件传输。

使用默认用户名pi和密码raspberry登录Cyberduck上的Raspberry pi。

将证书转移到证书文件夹。

在Raspberry Pi上，导航到〜/dronecontrol/EchoDroneControl/Lambda和Alexa技能所需的文件套件存储并编辑 upload.sh 文件，并进行以下更改：

将角色ARN值 e添加到第3行的变量中。

将 Rest API端点添加为主机。

添加 MQTT主题

添加 Alexa技能应用ID

然后，将您为Lambda创建和下载的所有证书添加到 config.js 文件中。

最后，运行upload.sh脚本文件，然后在终端中输入以下内容，输入您从配置步骤中保存的密码：

。 upload.sh

步骤23：享受飞行

找一个天气好的日子，享受你选择的任何模式飞行，无论是完全自主的航点导航，手动飞行或语音控制。

以下是一些可以帮助您入门的命令：

Alexa Launch

Alexa向左转

Alexa向前移动5米

Alexa Land