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標題: DIY四軸飛行器制作過程 [打印本頁]

作者: 51hei森林 時間: 2016-3-15 01:48
標題: DIY四軸飛行器制作過程
本人是航模菜鳥，大概是去年11月份，迷上了四軸飛行器，經常上MK的網站看飛行錄相，四軸飛行起來穩定性真好，簡直是酷斃了。最終沒能抵制住誘惑，沖動之下決定自已也做個來玩玩。從網上收集資料，一切從0起步。經歷了幾個月的走走停停，現在已陸續完成了無刷電調、四軸機架、遙控器多通道改造、IMU模塊、飛控板設計制作。現小有成果，公布出來和大家交流交流，以資進步
由于水平所限，本人只熟悉和使用51架構的MCU，系統的所有模塊都是架構在C8051F的基礎上。但四軸所涉及的原理、控制理論都是一樣的原理，希望各位同好網友不吝賜教，多多指導，謝謝!!!
1.從舊貨攤買的兩個硬盤

2.費了九牛二虎之力，最后改造一個拆手機用的起子，搞定

下面接著來。機架打算用現有的電直尾管和管座配上硬盤片構成，電機用新西達2212 KV930，兩正兩反的槳用口碑不錯的德國EPP1045 。
3.固定電直尾管的座子，好貴呀.

4.和到手的電機、尾管合張照

5.外加工的4個電機安裝座

6.機體主要部分完成

7.加工機架的得力工具，桌面微型臺鉆

8.EPP1045

9.一正一反

為提高發帖效率，制作過程從略，一切用圖片說話
10.和市場上3塊錢一個的正槳對比

11.用電機原配的槳保護器固定兩葉槳

12.焊上香蕉頭，感覺重量不小，拆除前留個影

13.電機安裝固定方式

14.機架整體結構

15.平視角度，很有型吧

16.整機完成效果圖

好了，機架完成了。接下來是遙控器的改造時間，買了個又便宜又大塊的FT06-C，準備先把6通改到8通，增加兩個比例通道，并且配上LCD液晶屏，用來顯示控的相關參數。控的高頻頭還留用，PPM編碼板整個換掉它。
17.準備拿來折騰的天地飛6C控

18.FT06-C內部結構

19.在這個位置加個LCD屏

20.打回來的樣板，這樣做省￥￥

21.為裁板專門買的勾刀

22.花了一個多小時時間，搞定!

23.拆掉FT06-C控的原裝PPM板

24.比下位置，很正點

25.FT06-C的這個位置，剛好能放進一個5110屏

26.液晶屏的PCB板

27.預期效果

28.PPM控制板焊接完工

29.看背面。底部電源走線，被工廠做板時移錯了位置

30.新到手的5110LCD屏

31.布線時未注意，搞反了液晶的方向

32.液晶屏點亮成功

33.效果怎樣

34.安裝右邊電位器

35.右邊

36.安裝左邊電位器

37.左邊

38.液晶、電位器的連線

39.增加的兩個電位器

40.旋鈕安裝好的樣子

41.增加的電位器旋鈕高度

42.工程模式，校準搖桿中立點

43.工作時，顯示前6個通道的PPM有效值

44.從接收機輸出測得的8通道PPM波形

再來個控的最新圖片，通道數到目前為止還是夠用就好，沒去動它。根據PPM的信號格式，最多是可以做到12個通道的，一般的應用也不需要這么多，等確定需要的時候，再說吧，控的改造先到這里了。
46.控的最新效果

這里再來一段小插曲，活躍下氣氛。前面發的機架，在制作過程中沒有詳細拍下圖片，現在補上，發個我制作的第二套機架的詳細圖片，讓大家看得更爽一點。01.買到兩塊舊硬盤

材料基本都是采用現成的電直配件，電機的固定座得另外加工，這是在機加工店鋪做回來的鋁圓片，直徑35mm 厚度2.5mm。只鉆了電機固定的孔，要想固定到尾管上還得自已加工一下，鉆出尾管夾的螺絲孔來。這些工作要靠我的得力助手-------桌面微型臺鉆來完成了:05.外加工的電機固定片，自已加工尾管夾螺絲孔

06.把機架上已加工好的拆下來，做模本

07.在一面貼上強力雙面膠

08.和待加工的圓片重疊在一起

09.保證完全重合

10.鉆出5.0mm的孔

11.再用6.2mm的鉆頭做一下孔的沉頭效果，去除孔邊緣的棱角

12.電機穿線孔完成

13.開始鉆尾管夾螺絲孔

14.全部完成

15.背面

好了，電機固定片做完。下面該加工硬盤片了，用已做好的機架上硬盤片做模具，把盤片用雙面膠粘在一起盡量重合，然后用臺鉆開螺孔。這次買硬盤時沒注意，買到了傳說中的IBM玻璃盤，表面看起來和鋁盤片一樣，鉆孔時才發現不對勁，壓下鉆頭時居然鉆不下去，一使勁，盤片碎了，拿起來一看：玻璃盤，My god!!!16.加工硬盤片時，出現了意外。竟然買到了傳說中的IBM玻璃盤

17.碎掉一大塊。算了.

放一邊 18.早上剛到的電直配件 19.電機固定座安裝完成的樣子 20.旁邊的是450電直腳架 21.電機固定座正面 22.近點看看 23.覺得不過癮的話，再來個側面 24.背面尾管夾的固定情況 25.換個角度26.用另一機架上的硬盤片裝上，看看效果先 27.用原機架的硬盤片把新機架裝起來，看下效果先28.四軸的“機頭”2930.31.仰視32.俯視。整體工作已完成，現在只差硬盤片了 沒辦法還得去一次電子市場。又買回兩塊舊硬盤，不管三七二十一趕快拆開看看，松了口氣，這回是鋁盤片。33.中午火速趕到華強北，買回3個硬盤34.幾乎8、9成新，看成色還能用，都是40G 35.不管三七二十一，拆開看看再說36.都是單體盤片的37.盤片拆出來了，這回的是鋁盤 38.做廢的IBM玻璃盤 39.開工40.貼上雙面膠41.把盤片重疊放好42.再放第二張盤片 43.加工好的成品 44.鉆孔邊緣都做了沉頭處理
45.尾管按長度裁好，開出定位孔

46.組裝完成

　新機架完工了，擺幾個pose來show show
47.這次買的腳架有點長，看起來很般配而且是銀色

48..JPG

49..JPG

50..JPG

51..JPG

52..JPG

53.機架翼展610mm，電機軸-軸距580mm左右。

54.看肚皮.JPG

55.JPG

56..JPG

57.太有成就感了^_^

到此為止，新機架制作跑題完畢。
要想用遙控來操控四軸飛行器，接收機還得進行下改造，引出接收機內的PPM綜合信號，方便四軸的飛控板進行通道采集。接收機的原通道輸出口留著不用。我是把PPM綜合信號從第6通道插口上引出的，這樣用條舵機延長線插到第6通道上就行了，很方便。/*****************************************************************///
1.6通道接收機

　2.拍圖片用的輔助工具

3.接收板正面

4.背面，用的 31136G

　5.天線輸入端的加感線圈(小電感)，可減短天線的長度

　6.插針邊是6通道PWM的輸出隔離電阻，PPM信號在邏輯轉換芯片VHC164的1、2兩腳

7.PPM信號從接收機第6通道引出，把輸出隔離電阻焊起來

　8.焊接完成。為安全起見烙鐵斷電焊接

9.換個角度

10.拿萬用表測已連通

　11.跟隨我多年的老功臣：4位半DT930F+

到這里為止，四軸飛行器的機架和遙控相關圖片已貼完了，馬馬虎虎做了一點圖片解說。機械結構對各位在座壇友達人來說，很容易看懂，我也就不多費口舌了。　　眼下四軸飛行器機架和外圍相關設備改造已大功告成，接下來到四軸的靈魂部分---飛控+電調了。為什么電調也算是四軸的靈魂部分呢?因為四軸要用的電調，還是有所不同的。各看官稍安勿躁，且聽我慢慢道來。　　先說飛控的核心組成和大概原理，四軸飛行器相對于常規航模來說，最最復雜的就是電子部分了。之所以能飛行得很穩定，全拜電子控制部分的功勞。在常規固定翼飛機上，陀螺儀并非常用器件，在相對操控難度大點的直機上，如果不做自動穩定系統，也只是鎖尾才用到陀螺儀。四軸飛行器與其不同的地方是必須配備陀螺儀，這是最基本要求，不然無法飛行，更談不上飛穩了。不但要有，還得是3軸向(X、Y、Z)都得有，這是四軸飛行器的機械結構、動力組成特性決定的。在此基礎上再輔以3軸加速度傳感器，這6個自由度，就組成了飛行姿態穩定的基本部分，也是關鍵核心部分---慣性導航模塊，簡稱IMU。飛行中的姿態感測全靠這個IMU了，可見它是整架模型的核心部件。　　再說說電調，四軸飛行器有四個槳(純屬費話:em15: )，兩兩相對呈十字交叉結構，在槳的轉向上分正轉和反轉，這樣可抵消模型自身的旋轉。每個槳的直徑很小，通常是10寸左右。四個槳轉動時的離心力是分散的。不象直機的槳，只有一個能產生集中的離心力形成陀螺性質的慣性離心力，保持機身不容易很快的側翻掉。所以通常用到的舵機控制信號更新頻率很低。四軸為了能夠快速反應，以應對姿態變化引起的飄移，需要高反應速度的電調，常規PPM電調的更新速度只有50Hz左右，滿足不了這種控制所需要的速度，且PPM電調MCU內置PID穩速控制，能對常規航模提供順滑的轉速變化特性，用在四軸上就不合適了，四軸需要的是快速反應的電機轉速變化。用高速專用電調，IIC總線接口傳送控制信號，可達到每秒幾百上千次的電機轉速變化，在四軸飛行時，姿態時刻能夠保持穩定。即使受到外力突然沖擊，依舊安然無恙。　　我是個行動派+實干派，文字描述能力欠佳，讀書時的那點寫作文的“天份”，早就還給老師了。還是用圖片說話吧，這樣來得直接點。　　接下來是IIC高速電調，這個也是自已通過測試、不斷完善才制作成功的。以前在另一個帖子有發過，一時找不到了。四軸飛行器的整機重量+3S鋰聚電池通常在800g上下，懸停總電流最大不超過12A，分攤到每個電調上也就3～4A電流，考慮到可能出現的機身姿態大動態變化的情況，單個電調能提供25A的峰值電流已足夠了。所以我做的電調只用了6個MOS管，測試過整機持續電流20A 工作20分鐘，電調工作良好，這樣的表現完全夠四軸用了。再大的電流沒條件測試了，我的直流電源只能提供到20A。　　先貼幾張實驗時的電調板子圖片。* 電調測試板，新西達2212A電機，KV930

* 全部使用N-MOS，TO-220封裝

* 測試用的15V20A直流電源

下面來真的了，打板子做的電調，用上了電調常用的高頻電解電容，以前沒接觸過這些東西，不曉得還有高頻電容這回事　　電調板子上有條飛線，是用來測試的，正常使用中需拆除。　　1.電調板焊完正面

2.電調板反面

3.持續電流可達14A以上

4.電調板焊完正面

5.電調板反面

6.電調PCB，四塊一套

飛控板也已完工，該上上圖片了。飛控板的核心就是IMU慣導模塊，先貼IMU的吧。IMU由三軸陀螺儀和三軸加速度計協同組成，是整個飛控板乃至整架模型的核心，有了它才算具備飛行穩定的先天條件。為了飛行性能的提升和提高飛控實現的成功率，陀螺儀選用了MEMS工藝的LISY300AL，300度/秒感測量程，工作電壓3V3，和飛控的CPU工作電壓一致，用ADC采集陀螺儀的輸出信號。加速度計是IIC接口的LIS3LV02DQ，每個感測軸都可設置軸滾動觸發功能，用來感測飛行器姿態滾轉，在飛行失控時可觸發降落傘裝置，使飛行器安全著陸。此功能做為備選項，暫放一邊不管它，先從最簡單的功能做起。限于個人能力，功能不急著搞得太多，以免目標太高對自已失去信心。7.IMU模塊PCB尺寸

8.IMU模塊組裝好的樣子

9.這邊是加速計

因選型的ST陀螺儀當時市場上沒現貨，找到一家代貨公司直接從ST原廠買進，價格很貴。在抱著無限耐心中等待了漫長的兩個星期后，總算是拿到了。10.ST陀螺儀芯片

11.LISY300AL

12.MEMS單軸陀螺儀

13.LGA28封裝

14.3軸陀螺儀，模擬軸出

15.3軸加速計，使用IIC接口

全部完工的飛控板。板上接口共計有4路電調、1路PPM輸入、2路UART通信串口，可接數傳電臺、GPS。另有一路可控的11V輸出，用來接高亮LED發光條做夜航燈用。蜂鳴器做操作必要的提示音用，電池低電時可通過發音提醒操作者需要著陸更換電池了。16. 飛控板完成效果圖

飛控板背面。4路電調通信接口，2路UART，1路PWM

　找朋友幫忙做的上位機，調試姿態使用。
18. 3軸陀螺+3軸加速計上位機

19. 飛控使用串口和上位機通信

20. 陀螺、加速計姿態

到此做四軸飛行器的必備之硬件條件、工具等前期工作已全部準備完畢。剩下的就是飛控軟件的編寫調試了，這注定是個痛苦+辛苦+漫長+繁瑣+N次不規則循環的過程，希望千萬別是死循環。當然，更期待的是成功一瞬間那種無可名狀的激動心情。為了成功，加油了!也請各位在座的壇友，多多支持!多多鼓勵!好讓我感受到，偶不素一個人在戰斗。
前不久對機架和電調的位置進行了調整，把4個電調全放進了硬盤中心架的夾層里去了。以前放在外面是怕調試中萬一燒了MOS管，方便更換的。試驗了幾個月，MOS管安然無恙。放入中心架里會美觀很多。　　4個電機的線全部從尾管中穿過

安裝完成的樣子

電池掛在中心架下面，用彈力帶和魔術貼固定

另加了四個彈性腳架，防止過分摔機

傳個圖上來吧，很多人搞不明白四軸飛行器如何能旋轉飛行。要注意的是，4個槳分兩組，一組正槳，一組反槳，兩組槳出現轉速差，那么動平衡就沒了，飛行器對外呈現整體旋轉力，根據正、反槳的轉速不同，實現左旋右旋。

前幾天傍晚在小區籃球場飛四軸，當時有2級左右的風，在飛第二塊電池時沒控制好高度，在做了個連續旋轉平飛的動作后，四軸被風吹得飄遠了，眼看著要撞上樓房了，一時情急亂了手腳，沒控制好。四軸撞上房子后從4層樓的高度直接掉下來，摔到了水泥地面上，機架摔損嚴重。所幸的是飛控板、電調、電機、電池都沒受傷。這兩天又重新制作了一款更輕的機架，模仿MK的結構。感覺這樣簡單的才實用，用電直配件做出的機架，看著漂亮，但造價太貴了。摔壞的機架，過兩天再看下能否修復。　　02.碳纖四軸飛行器

03.別看錯了，是兩個

04.中心架用尼龍螺絲固定

05.換個角度

06.這里要裝電池，螺絲反過來裝

07.機架的凈重

08.兩個一起的重量

　09.新買的XXD2212電機

　10.裝上電機后的重量

　11.新焊的電調板

　12.新焊的電調板

13.裝上電調和飛控板

　14.飛控板

15.裝完了，上電看看效果

　16.來個近距離的

新機架電路部分徹底完工了，剩下腳架暫時沒想到好方法，沒有做上去。今晚在室內試飛，看看新機架有無穩定性問題。首飛2分鐘后，降落重新標定陀螺儀中立點，再次飛行中，一時大意撞上了凳子，小炸一下，洗衣粉袋子慘遭破皮。　　后在室外進行了Z軸連續旋轉平飛測試，效果比之前有大幅進步，搖桿操控手感靈敏，四軸反應動作麻利，抗風能力也有明顯提高。懸停表現還不太滿意，遙控無操作情況下最長能保持5、6秒不漂移，得繼續努力。由于相機SD卡壞掉，無法拍下飛行過程。　　　本人的操作水平略有提高在室內測試偏航感度效果很滿意，房間太小，連續快速水平旋轉的動作沒做測試。新代碼里加入了上電無遙控信號告警、飛行中遙控信號丟失時告警、飛機回到水平姿態執行自動降落動作，這個功能需要在室外測試。測試拍的視頻用軟件編輯后轉RM，出來的圖象慘不忍睹，試了N種方法和格式，在網上下了好幾款視頻后期編輯軟件，要么不好用，要么轉出來的圖象一塌糊涂。一直拖到今天，才算弄得象點樣子。把我的全金屬機架又裝起來了，單向碳纖容易裂，編織的太貴，并且沒有方形的，還是鋁管來得實在！