低成本入门级教育无人机与模块化去中心化智能邮箱系统

### 低成本入门级教育无人机与模块化去中心化智能邮箱系统 #### 低成本入门级教育无人机 在当今社会，机器人技术的普及程度迅速增加，未来的一代需要对机器人系统有深入的了解和熟悉，这就对机器人教育工具提出了相当大的需求。而低成本入门级教育ATR无人机正是为满足这一需求而设计的。 ##### 硬件方面 ATR无人机运行所需的所有硬件都集成在定制设计的印刷电路板（PCB）中。这块PCB实现了诸如蓝牙连接、电机控制、方向感应以及通过串行USB连接进行编程等必要功能。以下是PCB上一些关键组件的介绍： - **微控制器**：ATMEGA328P - AU芯片是无人机的“大脑”，负责管理和控制PCB的其他部分。 - **IMU集成电路**：MPU - 6050负责确定无人机的方向。 - **蓝牙IC**：HM - BT4502负责无人机的蓝牙连接。 在电源管理方面，PCB有以下组件： - **USB Type - C端口**：通过串行转换器为电路板供电，并提供与计算机的串行连接。 - **电池连接器**：允许3.7V锂聚合物电池在飞行过程中为无人机供电，并且电路板使用STC4054GR芯片对电池进行充电。 - **其他组件**：负责电路保护和电源管理，还有四个MOSFET用于驱动电机。 无人机的电机是7mm×20mm的微型直流电机，搭配135mm直径的转子。选择它们是因为价格便宜、体积小且每分钟转速高。每个电机通过4毫米空心铝管和3D打印部件与PCB连接。此外，PCB中央有一个大孔，用于安装一个3D打印的陀螺仪装置，在测试时，无人机通过这个陀螺仪连接到一个直立的铝制固定装置上，以限制其水平移动，确保安全测试。整个结构和ATR无人机在研究时的总成本为42美元。 下面用表格总结一下硬件组件及其功能： | 组件名称 | 功能 | | ---- | ---- | | ATMEGA328P - AU微控制器 | 管理和控制PCB其他部分 | | MPU - 6050 IMU集成电路 | 确定无人机方向 | | HM - BT4502蓝牙IC | 实现蓝牙连接 | | USB Type - C端口 | 供电和提供串行连接 | | 电池连接器 | 连接电池供电及充电 | | MOSFET | 驱动电机 | ##### 软件方面 软件分为三个组件：Scratch、ATR Linker和ATR Drone，它们使用JavaScript、Python和C++组合实现。以学生按下“以50%功率向前飞行”块为例，其交互流程如下： 1. 学生执行该块时，Scratch向ATR Linker执行HTTP POST请求。 2. ATR Linker验证请求，如果无效则返回HTTP “400 Bad Request”；否则应用PID控制器并将数据发送到ATR Drone。 3. ATR Drone应用新的电机功率，ATR Linker向Scratch返回HTTP “200 OK”响应。 ATR Linker中的事件处理程序负责处理Drone Broker和Scratch Broker之间的通信。当任何一个Broker引发事件时，事件处理程序会根据流程图决定如何处理该事件。 下面是这个交互过程的mermaid流程图： ```mermaid graph LR A[学生按下飞行块] --> B[Scratch执行HTTP POST请求] B --> C[ATR Linker验证请求] C -->|无效| D[返回400 Bad Request] C -->|有效| E[应用PID控制器] E --> F[发送数据到ATR Drone] F --> G[ATR Drone应用新电机功率] G --> H[ATR Linker返回200 OK响应给Scratch] ``` ##### ATR协议 以“右转”块为例，信息从Scratch块执行到ATR无人机采取行动的流程如下： 1. 在Scratch GUI中，该块映射到其对应的函数