想建一个无人机吗?这个教程将非常详细地介绍制作的每个步骤:从理解基本的UAV/无人机术语,到组装四旋翼无人机。我把这个教程分成三次介绍。

你是真的想建一个无人机吗?

先提醒你一下,建无人机是需要有耐心和不断练习的,由其是对于初学者更是如此。如果你觉得从无到有太麻烦,我建议你去购买RTF版(到手即飞版)模型,因为这个DIY项目需要花的时间很长。我是在2014年建成我的第一架无人机,做了好几次尝试后才成功,但飞上天空的那一刻是令人无比激动的。

第1部分:了解无人机基本术语

在组装四旋翼无人机之前,你需要先了解很多基本的术语,这些术语会在这个教程中不断提到,因此你对这些术语要有基本理解。为方便起见,我对这些术语进行了归类:

基本术语

无人机(Drone):又叫做“四旋翼无人机(quadcopter)”或“UAV(Unmanned Aerial Vehicle/Drones:无人驾驶飞机)”。“无人机”一词最初是用于军事领域的无人驾驶飞行器的统称。

DIY:“Do-It-Yourself”缩写,用一些特别的材料定制一个四旋翼无人机。

UAV:(任何类型:民用或军用)“无人驾驶飞机”的缩写。

机械学

尺寸大小(Size):通常以毫米(例如350mm)计算,尺寸指无人机上的两个电机之间最大点对点距离。尺寸大小也确定无人机的种类(迷你型,微型等)。

重心(CG):“Center of Gravity”缩写,无人机重心应位于机身重力前后左右都平均分配的一点(重心位置在建无人机时非常重要!)。

减震器(Dampener):小型橡胶模制件,用于减少机身的振动。

机架(Frame):无人机的机架与人类的骨架相似,机架撑起所有部件,保护机身。

起落架(Landing Gear):为了让无人机着陆时不损坏易碎的硬件,必须使用起落架。飞机的起落架上安装有轮子,无人机的起落架与飞机不同,它使用塑料,金属或橡胶材料缓冲着陆。

LED:为了夜间定位无人机的位置,需要安装LED(发光二极管)。

螺旋桨保护罩(Prop Guards):螺旋桨保护罩有效的防止螺旋桨与外部环境碰撞,也能保护操作员免受锋利的螺旋桨割伤。

外壳(Shell):无人机的外壳由各种材料制成,它的设计既要考虑审美目的(风格),又要考虑功能目的(保护机身)。外壳形状是流线型的,减少空气阻力。

传感器

加速度传感器(Accelerometer):这个传感器设计用于测量线加速度。

气压计(Barometer):这个传感器通过测量气压提供无人机距离地面的高度。气压随高度而变化,无人机就可以通过气压计来确定自身的高度。

陀螺仪(Gyroscope):陀螺仪用于测量x,y或z轴上的角加速度,让无人机平稳飞行。

GPS:“全球定位系统”简称,GPS传感器允许卫星接收无人机的位置,无人机可以执行飞到指定坐标地点,GPS还提供可靠的续航能力,防止无人机失踪现象。

类型

RTF:“到手即飞型”(Ready-to-Fly)缩写,指已经完全组装好并调试好,包装内包含飞行所需设备,具备相关知识基础和经验的爱好者可以“到手即飞”。

BNF:“需连接型”(Bind-and-Fly)缩写,指已经完全组装好的四旋翼无人机,但没有安装无线电发射器,你需要选择兼容的无线电发射器来支持无人机上的接收器。

ATF:“需组装型”(Almost-Ready-to-Fly)缩写,这类无人机没有完全组装,在飞行前需要自己安装额外的零件/配件。

六翼无人机(Hexacoter):这类无人机具有六个电机/螺旋桨。

多旋翼无人机(Multirotor):具有三个及以上旋翼轴的无人机。

八旋翼无人机(Octocopter):这类无人机具有八个电机/螺旋桨。

四旋翼无人机(Quadcopter):这类无人机具有四个电机/螺旋桨。

三旋翼机型(Tricopter):这类无人机具有三个电机/螺旋桨。

驱动

ESC:“电子速度控制系统”(Electronic Speed Controller)缩写,连接飞行控制器,电机和电池,调节电机旋转的速度。

Li-Po:“锂聚合物电池/高分子锂电池”(Lithium Polymer),几乎是无人机驱动通用的电池类型,这种电池非常轻便,并能释放大量的电流。

电机(Motor):电机是无人机中驱动螺旋桨旋转的一部分。大的无人机通常使用“无刷”电机,而小的无人机通常使用“有刷”电机。

PCB:“线路板”(Printed Circuit Board)缩写,无人机许多不同的部件焊接到这种扁平的玻璃纤维部件上。

配电板(Power Distribution):为了给无人机的不同部分供电,电池电量必须在不同设备中共享或“拆分”,这就需要一个配电板。配电板从无人机的电池中取出单个负极和正极,并为整个无人机提供许多其他终端(或连接点),以便其他设备可以接收到电力。

螺旋桨适配器(Prop Adaptor):用于将无人机的电机连接到螺旋桨。

视频

FPV:“第一人称视角”(First Person View)缩写,你可以看到无人机相机所录制的直播视频,能为用户带来身临其境的飞行体验。

LCD:“液晶显示器”(Liquid Crystal Display)缩写,这种屏幕用于显示接收器发送的图像。

万向节(Gimbal):万向节用于在飞行过程中固定相机,这样拍摄出来的镜头就不会抖动。

GoPro:这是一款受欢迎的运动/动作相机,可以通过适当的支架连接到无人机。

第2部分:为你的无人机选择一个机架

在这一部分,你将了解用于建无人机的不同类型机架。下面我将介绍所有最基本的/常见的机架配置,以及制作机架的不同类型的材料。

无人机/机架设置的类型

我将介绍最常见的机架设置类型,另外会介绍每种机架类型的优缺点和特征。

机架类型1:四旋翼(Quadcopter)

这是目前无人机行业中最普遍的机架类型。这种机架有四个机臂,每个机臂连接到单个电机。在图示中,你可以注意到,四旋翼的设计是X型的,十字型的设置也存在。如果是第一次学习如何建无人机,我强烈建议你使用四旋翼机架。这种机架设计不光是最简单,而且还是最通用,非常流行的无人机型号(如DJI Phantom 3和Parrot Bebop)都是使用这种机架类型。

优点:使用四旋翼机架的最大好处之一是,这种类型的机架设计支持目前市场上几乎所有的飞行控制器。它也是最简单的机架设计类型之一,如果你是第一次学习如何构建无人机,这种机架绝对是首选。

缺点:任何机架类型的设计都不是完美无缺的。使用这种机架的缺点是,如果一个电机或螺旋桨发生故障,其余的电机/螺旋桨将无法正常运行,最终导致失控坠落。因此,如果你要使用四旋翼机架,一定要保证它的电机或螺旋桨没问题!

机架类型2:三旋翼(Tricopter)

这种类型的机架并不像四旋翼机架那么常见,但对于学习如何建无人机的人来说,肯定值得一试。这种无人机设计有三个机臂,每个机臂连接到单个电机,每个机臂之间大概是120°。由于这种设计是不对称的,因此落单的那个后置电机(见上图)必须使用正常的RC伺服电机进行旋转,以便弥补旋翼数量不均匀的特点。

优点:如果你想从美学的角度进行挑战,那么三旋翼机架设置值得一试。这种类型的机架飞行时与飞机非常相似。此外,安装时所需的无刷电机数量少于其他类型,所以在学习如何建无人机时,这种类型是最经济实惠的。

缺点:由于这种设计需要RC伺服电机来驱动后置电机的旋转,从理论上说,整体构建过程要复杂得多。我在这儿就不详细说明,但我只想说的是,它的后臂需要大量的复杂工作才能使其进行有效运行。

机架类型3:六旋翼(Hexacoter)

这种六旋翼无人机机架有六个机臂,每个机臂连接到单个电机。一般来说,这些类型的设置适合那些想做航拍的人。这种机架有两种设计:一种是机身的前部位于两个电机之间,另一种是机身前部位于单个电动机的正后方。

优点:六旋翼机架的主要优点之一是你拥有更多的推力,能举起更重的有效载荷。另外,如果一个电机失效,无人机仍然有可能安全着陆,而不是失效坠机。这种设计的另一大优点是几乎所有的飞行控制器都支持这种类型的机架设置。

缺点:一般来说,建立一个六旋翼机架比前两个成本更高,因为飞行所需的部件数量较多。另外更多的零件意味着更多的重量,所以为了达到飞行所需的推力,你需要更大型号的电池。

机架类型4:八旋翼(Octocopter)

八旋翼机架有八个机臂,每个机臂连接到单个电机。你可以想象,这种类型的设置可以产生很大的推力,但我并不建议初学者去尝试这种机架建造。

优点:大量的电机意味着更多的推力,这意味着它的载重能力更大。这种设计的另一大优点是,如果一台电机失效,无人机仍然可以安全着陆,而不是坠机。

缺点:更多的电机意味着更贵的电池,以及更大的电池组。在大多数情况下,建造较大八旋翼机架的人是对专业的航拍摄影感兴趣的人。

无人机机架的常用材料

虽然这个列表不包含你DIY时能用的每一种材料,但它囊括了最受欢迎的和最经济的材料。

木材

如果你想用最省钱的方式建一个无人机,可以考虑使用木制机架。木材并不是最美观的选择,但它肯定是最便宜材料的之一。我喜欢木制机架的一个原因是,即使坏了,你也可以快速轻松地换掉。如果你要使用木材作为无人机的机架,请确保没有任何弯曲或变形的地方。

碳纤维

如果你能负担得起,我强烈建议你用碳纤维建机架。原因很简单:碳纤维非常坚固,重量轻。这种材料让你的无人机更好地飞行,消耗更少的能量。但请记住,碳纤维会阻碍RF信号,当你安装重要的电子元件(如天线)时,请确保记住这一点。

PCB

也称为“线路板”(Printed Circuit Board),这是一种与玻璃纤维具有相同的基本结构和性能的材料。与玻璃纤维不同的是,PCD总是平坦的。当机架尺寸小于600mm时,通常使用PCB作为底板和顶板。事实上小型的机架完全可以用一个线路板构建。

塑料

现在你购买的大多数商用无人机都配有塑料机架。3D打印塑料机架模型已经在无人机DIY爱好者中非常受欢迎了。一般来说,使用3D打印机打印的塑料机架只适用于较小的无人机。当你的材料使用的是塑料板(不是3D打印的形状或物体)时,你可以将其用于起落架或无人机的盖子上。

G10

G10是玻璃纤维的一种变体,通常用作碳纤维较划算的替代品。外观上,G10和碳纤维看起来几乎相同,但是它们的基本属性稍有不同,G10是以单张形式购买的。就价格而言,其成本低于碳纤维,但仍比木材,铝或塑料贵。

建造机架时也可以使用铝。它是轻质的(虽然不如碳纤维那么轻),灵活,相对容易使用。你可以使用铝制作整个机架,也可以用来制作机架某些部分(机臂,起落架等)。铝质机架的另一个好处是,这种类型的材料既便宜又容易买到。

你想建个多大的无人机?

当学习如何建造无人机时,你需要熟悉现在已有的标准尺寸。例如,一些无人机只有手掌大小,这种无人机被称为“纳米”无人机,而超大型无人机通常需要放在卡车后面才能运输。在任何一种情况下,了解你想建造多大的无人机是非常重要的。作为初学者,我推荐400mm至500mm的尺寸范围,这个大小范围既省时省力又实用。

较小的无人机比较大的成本更低?

看情况。在你学习如何构建无人机时,你会发现无人机总成本更多地依赖于你的飞行控制器的性能,是否安装摄像机等。一般来说机架是整个工程中最便宜的部分,但这并不意味着它是最不重要的。

 

下次将介绍无人机的电机,螺旋桨,驱动,最后将介绍无人机的飞行控制器,和如何组装各部件,未完待续。