问题

如何学习自制四轴飞行器?

回答
想自己动手组装一架四旋翼飞行器,这可不是件简单的事,但绝对是个充满乐趣和挑战的过程。下面我就把我知道的,尽可能详细地跟你聊聊,希望能帮到你。

第一步:明确你的目标和预算

在你开始砸钱买零件之前,先想清楚你想做什么样的四轴。是想玩航拍,还是想进行特技飞行?是想要简单易上手,还是追求极致性能?这直接决定了你需要什么级别的零件。

入门级/练习机: 飞起来稳,不容易炸机,适合新手熟悉操作和调试。价格通常也比较亲民。
航拍级: 需要稳定的图传(实时画面传输),可能还需要云台(稳定相机)。对飞行平稳性要求高,续航也比较重要。
竞速/特技级: 要求动力强劲,响应速度快,机身轻巧灵活。对操控技巧要求也很高。

有了目标,你大概就能估摸出要花多少钱。一开始别想着一步到位买最贵的,可以先从入门级练起,等熟练了再升级。

第二步:了解四轴的基本构成

不管是什么类型的四轴,它们的核心组成部分都差不多:

1. 机架(Frame): 这是四轴的骨架,承载着所有的电子元件。材质有碳纤维、玻璃纤维、塑料等。碳纤维是最常见的,因为它轻且强度高。机架有不同的尺寸(如250mm、450mm、550mm等),这个数字通常指的是电机对角线之间的距离。新手一般从250mm或450mm的机架开始。
2. 电机(Motors): 四轴的动力来源,一般是无刷电机。你需要根据机架尺寸和预期的载重来选择合适的电机。电机的“KV值”是一个重要参数,表示电机每伏特电压每分钟的转速。KV值越高,转速越快,动力越强,但功耗也越大,续航越短。
3. 电调(ESCs Electronic Speed Controllers): 控制电机转速的设备。每个电机都需要一个电调。电调需要与电机匹配,并且要能承受电机工作时产生的最大电流。
4. 螺旋桨(Propellers): 就像飞机的翅膀,提供升力。螺旋桨的尺寸和桨距(Pitch)很重要,需要与电机和机架匹配。桨通常有顺时针(CW)和逆时针(CCW)两种方向,安装时要正确。
5. 飞控(Flight Controller FC): 这是四轴的大脑,负责接收遥控信号,计算姿态,控制电调来稳定飞行。市面上飞控种类繁多,最常见的是基于STM32芯片的飞控,如NAZE32、F3、F4、F7系列,以及大名鼎鼎的Pixhawk系列(更高端,功能更强大)。新手建议从兼容性好、社区资源丰富的飞控开始。
6. 电池(Battery): 通常是锂聚合物电池(LiPo Battery)。你需要根据电机的功耗、飞行时间要求以及电调的最大支持电流来选择电压(S数,如3S、4S)和容量(mAh)。
7. 遥控器和接收机(Transmitter & Receiver): 遥控器用来控制四轴,接收机则安装在四轴上,接收遥控器发出的信号并传输给飞控。牌子很多,常见的有FrSky、Spektrum、Radiomaster等。
8. 电源分配板(PDB Power Distribution Board)或一体化飞控: 负责将电池的电力分配给各个电调和飞控等设备。现在很多飞控都集成了PDB功能,或者电调上有DCDC转换器,可以直接供电给飞控。
9. 可选配件:
图传设备(FPV System): 包括摄像头、视频发射器(VTX)和视频接收器(VRX,通常集成在FPV眼镜里)。
GPS模块: 增加定位和定点飞行功能。
电调(ESC)一体板: 将四个电调集成在一块板上,简化布线。
LED灯、蜂鸣器等。

第三步:列出详细的零件清单

根据你的目标和预算,开始挑选具体的零件。这里需要做一些功课,比如看看其他玩家是怎么搭配的,查阅零件的评测和兼容性。

示例(入门级练习机 250mm):

机架: 250mm 碳纤维四轴机架 (带保护架更佳)
电机: 4个 2204 或 2205 尺寸的2300KV 无刷电机 (2个顺时针,2个逆时针)
电调: 4个 20A 或 30A 的BLHeli S/E 电调 (支持DShot更佳)
螺旋桨: 若干对 5040 或 5045 的螺旋桨 (根据电机推荐选择)
飞控: F3 或 F4 飞控 (如 Omnibus F4, Matek F405)
电池: 1300mAh 或 1500mAh 3S 或 4S 锂电池 (根据电机和电调选择)
遥控器: 支持PWM或SBUS输出的入门级遥控器 (如Flysky FSi6S, Radiomaster TX12)
接收机: 与遥控器匹配的接收机 (支持SBUS协议更佳,如FSiA6B)
电池充电器: 支持LiPo电池的平衡充充电器
连接线材、杜邦线、扎带、螺丝刀套装、焊锡、烙铁等
可选: 1S 报警器 (检测电池电压)

第四步:购买零件和工具

确定好清单后,就可以开始购买了。国内淘宝、京东是常见的购买渠道,也有一些专门的航模零配件网站。国外的如Banggood, GetFPV, RaceDayQuads等也是不错的选择。

需要的工具:

螺丝刀套装: 各种型号的内六角螺丝刀和十字螺丝刀。
烙铁和焊锡: 焊接电机线、电调线等。建议买个质量好一点的电烙铁,温控的最好。
剥线钳/剪刀: 剥离电线绝缘层。
扎带/扎线枪: 固定线材。
热缩管/绝缘胶带: 绝缘处理。
万用表: 检测电压、电流、电阻,排查问题。
伺服胶/减震胶: 固定飞控,减少震动。
轮胎扎等: 固定螺旋桨或机架。
如果玩FPV,还需要眼镜、视频发射器、摄像头等。

第五步:组装和焊接

这是最关键的一步,需要耐心和细心。

1. 阅读说明书: 仔细阅读你购买的每个零件的说明书,特别是飞控和电调的。
2. 焊接:
电机到电调: 大部分无刷电机有三根线,需要焊接连接到电调的三个焊盘上。注意: 焊接完成后,可以通过改变三根线中任意两根的连接顺序来改变电机的转向。
电调到PDB/飞控: 电调通常有电源线(红正黑负)和信号线需要焊接。按照飞控或PDB上的标识进行焊接。
接收机到飞控: 接收机信号线、电源线、地线需要连接到飞控的对应接口上。通常是SBUS或PPM信号。
其他设备: 如果有GPS、摄像头等,也需要按照说明书连接。
3. 固定电机和电调: 将电机用螺丝固定在机架的四个臂上,电调也需要固定好,通常用扎带或双面胶。
4. 安装飞控: 将飞控安装在机架中间,并使用飞控自带的减震垫或螺丝固定。注意: 飞控的安装方向至关重要,通常箭头指示方向是前进方向,要与机架前进方向一致。
5. 布线: 将所有线材整理好,用扎带固定,避免在飞行过程中被螺旋桨打到或缠绕。电源线和信号线分开布线,减少干扰。
6. 安装接收机: 将接收机放在不容易受到干扰的位置,天线要正确摆放,通常呈“十”字形或者“L”形,远离碳纤维和金属部件。

第六步:飞控软件配置(刷写固件与调参)

组装完成后,就需要给飞控刷写固件,并进行软件配置。这是决定你四轴能否正常飞行和性能好坏的关键。

1. 选择固件: 目前主流的飞控固件是Betaflight、INAV、ArduPilot等。
Betaflight: 适合竞速和花式飞行,配置灵活,性能强大。
INAV: 适合航拍和长航时,支持GPS、定点、航线飞行等功能。
ArduPilot: 功能非常全面,支持自动驾驶,可以做很多高级应用。
新手建议从Betaflight或INAV开始。
2. 连接电脑: 使用USB线将飞控连接到电脑。
3. 刷写固件: 下载对应的飞控地面站软件(如Betaflight Configurator, INAV Configurator)和固件文件。按照软件提示进行固件刷写。
4. 配置参数:
电机方向和顺序: 必须确保电机的旋转方向和飞控配置的电机顺序一致。Betaflight等软件都有测试电机旋转方向的功能。
接收机协议: 配置好接收机连接飞控的协议(如SBUS, PPM, CRSF等)。
遥控器通道映射: 确保遥控器上的摇杆(油门、俯仰、滚转、偏航)与飞控接收到的通道信息一致。
PID参数: 这是飞控的核心参数,影响着飞行的稳定性和响应速度。出厂时通常会有默认值,但根据你的机架、电机、螺旋桨等情况需要进行微调。
飞行模式: 设置各种飞行模式,如自稳模式、定高模式、返航模式等,并绑定到遥控器的开关上。
OSD(如果使用): 设置OSD(屏幕显示)参数,显示电压、飞行时间等信息。

第七步:地面站测试和螺旋桨安装

在装上螺旋桨之前,一定要进行全面的地面站测试。

1. 连接电脑: 再次连接飞控到电脑。
2. 检查遥控器: 在软件中查看遥控器各通道的响应是否正常。
3. 测试电机: 在没有安装螺旋桨的情况下,低速转动电机,检查电机的旋转方向是否正确。如果方向错误,需要通过修改电调固件或调整线序来纠正。
4. 螺旋桨安装: 确认所有连接都正确无误后,按照电机旋转方向,正确安装螺旋桨。注意: 螺旋桨有方向性,装反了会飞不起来。一般顺时针旋转的电机安装逆时针的桨,逆时针旋转的电机安装顺时针的桨。

第八步:首次飞行和调参

终于到了激动人心的时刻!

1. 选择开阔场地: 找一个远离人群、障碍物和水源的开阔场地进行首次飞行。
2. 安全第一: 确保周围环境安全。
3. 低空试飞: 先进行低空悬停测试,感受四轴的响应。
4. 缓慢操作: 逐渐增加操作幅度,进行小范围的飞行。
5. 观察和记录: 注意四轴的飞行状态,是否有抖动、晃动等异常。如果出现问题,记录下来。
6. PID调参: 如果感觉飞行不够稳定,就需要进行PID调参。这是一个需要耐心和经验的过程,网上有很多教程,可以学习如何通过观察飞行状态来调整P、I、D参数。通常是先调整P值,再调整D值,最后调整I值。也可以从网上下载别人分享的推荐参数作为参考,但最终还是需要根据自己的飞行器进行微调。

第九步:不断学习和升级

自己动手组装四轴,就是一个不断学习和进步的过程。

查阅资料: 遇到问题不要慌,多去网上搜索,比如一些无人机论坛、QQ群、贴吧,很多问题都会有人遇到过并且分享了解决方案。
观看教程: YouTube、Bilibili等平台有很多优秀的四轴组装和调参教程。
参与社区: 加入一些无人机玩家的社区,与其他爱好者交流经验。
尝试升级: 熟练之后,可以尝试升级更高级的飞控、更强劲的电机、更长的续航电池,或者添加FPV系统,让你的四轴更加强大和有趣。

一些建议:

耐心: DIY的过程可能会遇到各种意想不到的问题,保持耐心非常重要。
细心: 每一个小细节都可能影响飞行,焊接要牢固,布线要整洁。
安全: 螺旋桨旋转时非常危险,操作时一定要小心。
循序渐进: 不要一开始就挑战高难度,从简单的练习机开始。
多问: 遇到不懂的地方,大胆向有经验的人请教。

自己组装一架四轴飞行器,虽然过程中会遇到很多挑战,但当你看着自己亲手组装的飞行器成功飞起来的那一刻,那种成就感是无与伦比的。祝你玩得开心!

网友意见

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我以前是用分立元件自己搭的,算法和上位机也都是全自己开发的

现在都是买现成的模块自己组装啊,开发的难度小了很多的。

入门什么的真不难,多泡泡论坛……

四轴大概是在08年的时候兴起的,51mix,阿莫神马的那几年的帖子很多关于四轴的。

要是你只是想了解一下,或者并不想花太多时间,那就买现成的模块自己组装就行了,上位机,PID模型都是现成的,都不用自己搭。

要是你想深入了解一下,可以尝试从底层开始完全自己开发,做好持久战的准备了……

四轴就几个模块——

惯性导航,电机控制,PID控制,无线控制

惯性导航就是9轴模块,三轴加速度,三轴陀螺仪,三轴磁阻。

电机控制,现在比较常见的是无刷电机。无刷电机的控制其实就是一个简单的三相逆变桥。

PID控制,四轴的PID说实话调试起来不算麻烦,PID多尝试一下就可以了。

无线控制,这个方案就更多了,你当然可以买航模专用的遥控器和接收器,不过那玩意儿就已经很贵了……我不太建议你一开始就买这个。一开始其实可以都不要遥控器,编程想办法让飞行器飞起来稳住就好了。控制的话,简单的可以用CC1101无线模块,距离近了点,不过也够用了。

专业遥控器这东西可以等你的飞机飞起来再说。

主控的话,现在STM32F407的方案很多,不过四轴的控制更新率要求不高,50Hz都足够,200Hz算是比较常见的,一个算法周期是毫秒级别的,就算是STM32F103也完全可以胜任。当然要是你想在上面加一些其他功能,我建议还是用F407。

最后,推荐两本书吧。

关于四轴,据我所知没有什么系统的教材介绍这个,我就介绍一下我当时看的两本书

《惯性导航》秦永元

这本书是惯性导航算法的基础。最为基本的惯性导航算法都在这里面有介绍。不过难度较高,里面相当一部分算法看看就好,不必要较真。掌握姿态解算的基本概念,剩下的结合自己的理解手动编程就好。

《3D数学基础:图形与游戏开发》

没错,这本书其实是讲游戏开发的……

不过惯性导航,其实就是那三个传感器的坐标轴不断转换,飞行器不断旋转的过程。在这之中,四元数算法是使用的最多的一种算法,而这本书对四元数有非常详尽的讲解和实例。不管是游戏还是飞行器,最基本的数学知识都是一样的~

这本书相对来说比较简单,很快就能看完。

PID,卡尔曼神马的,大学教材里到处都是,就不多说了。

祝你好运~

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