从 DIY 一个四旋翼聊起

写在前面

随着开源飞控越来越成熟,DIY一个四轴已经成了一件门槛很低的事情了。现在,DIY一个四旋翼基本只用两步:1.买买买。2.拼拼拼。

可能也是因为这样,各路大神们越来越不屑在这些硬件的组装细节上去多动笔墨。但博主觉得,这件事,其实还是有很多有趣的东西可以写的。

这篇文章从组装一个四轴开始聊起,内容包括科普和博主对设备选择的一点思考。

一点科普

要拼一个四轴,你最起码得知道下面这些吧。

5200mAh 35C 3S电池: 3S表示三个锂电池串联,电压为(3.7~4.2)*3V = 11.1~12.6V电压,以5200mA电流放电能放1个小时,35C表示最大持续工作电流为5200 * 35 = 182, 000 mA 。

轴距 450:机架的对角线为450mm。
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有些人觉得机架没什么好讲的,拼就是了。但我不知道有没有人想过,红色和黑色的机臂为什么要像上图这样放?为什么不放成「红黑相间」的形式?

博主的个人观点是:当四轴是X布局的时候,像上图这样安可以便于区分机头与机尾,这样一想,飞控该放在哪个方向也就很清楚了吧。当四轴是十字形布局的时候,应该把机臂安装成「红黑相间」 的形式,这样可以区分四轴的前后和左右两个方向。

当然以上只是博主的个人观点,如果你觉得我是错的,通过评论区告诉我。2215 kv960电机:直径22mm,高度15mm的电机。电机越粗、越大,电机能提供的拉力越大。至于kv值,你可以类比为开车的档位,挂1档的时候车劲大,跑得慢,挂4档的时候,车跑得快,但劲小。也就是说,kv值越小,电机的扭矩就越大。

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1050 桨叶:直径10英寸(25.4cm)的螺旋桨叶,1英寸=2.54厘米,注意:如果前面两位数大于30,一般要除以十(9450代表直径9.4英寸)。50代表螺距是5.0英寸,螺距定义为「在一种不能流动的介质中旋转,旋转一圈螺旋桨所前进的距离。」,你可以类比螺钉相邻两圈螺纹之间的距离。

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15A 电调:最大输出电流为15A的电调,电调用来控制电机的转速。这个够用就行,选太大的反而会增重。

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你要做一个多大的四轴?

很多人可能对长度没概念,找个尺子出来感受一下,把轴距定下来,轴距定好之后,在淘宝找一下相应的机架,把它的重量记下来。

以轴距 450 mm 的为例吧,随便找一家淘宝店,看到 F450 的沉金机架重量为 282 g ,由于博主还想在上面焊一些 XT60 方便拆装,再算上40颗螺钉(螺钉每个约0.5 g),机架拼好就可以按320g算。

载荷估算

控制模块:飞控 约163g

  • 电源模块:25g

  • 接收机+转接器:24g

  • gps + 支架 + 线材 :44g

  • 数传 + 线材 : 24g

  • pixhawk : 39g

  • bb响 + 安全开关 : 7g

其他载重:0 g

  • 如摄像头等

怎么选动力?

动力系统包括以下四个部分

  • 电机
  • 电调
  • 桨叶
  • 电池

动力系统选型过程大概是这样的:

动力选啥? -> 要提供多少升力?-> 四轴大概多重? -> 动力多重? -> 动力选啥?

动力系统第1次重量估算:724g

上面当然是开玩笑的,可以想到的是载荷越重,所需要的拉力就越大,动力系统也就越重。我们可以通过估计载荷重量(机架+载重)和设计起飞重量的比值(这里姑且把这个系数叫载荷系数),估算出四轴的起飞重量,从而打破这个死循环。

博主统计了一些数据,发现载荷系数的范围大约在0.3-0.5,如果追求载重,可以取大一点,如果追求机动,可以取小一点。这里我们取0.4,初步估个重量出来。

(320+163)/0.4 ≈ 1207g

也就是我们估计动力系统大概为1207-(320+163) = 724g

选择电机、电调、桨叶

知道了起飞重量就可以估算要提供多少升力了,我们一般要求油门推到40% - 60% 四轴可以起飞(考虑防风和机动,建议最大取80%以下),这里就按50%油门来算我们所要求每个电机的最大拉力:

1207 /0.5 /4 = 603.5 g

接下来,我们只需要在淘宝找到最大拉力至少为 600g 的电机+桨叶组合就可以了。打开万能的淘宝,可以在朗宇电机这里找到很全的型号表。(不一定要买这个牌子的,但大小可以参考)。

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可以看到2207的电机大概会比较合适,大致确定电机大小之后,就要确定具体的电机型号、桨叶大小和电池电压了。

随便找个电机品牌,比如银燕吧,上官网找找这个大小的四旋翼电机的数据,下面这张是银燕官网上的某型号电机的数据表格。根据这张表,我们可以选出最大拉力在600g附近的动力组合,动力大一点没关系,但最好别小了:

  • 3S电池,MT2208-2000kv电机,6045桨叶, 20A电调,最大拉力约690g。
  • 3S电池,MT2208-1500kv电机,8*4.5桨叶,20A电调,最大拉力约700g。

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接下来就能详细地确定动力系统的重量了,把选好的电调、电机、桨叶的重量记下来,再根据四个电机的电流大概选一个电池,把电池的重量记下来。(选电池要注意:电机总电流要小于电池的持续工作电流。)

达普电池型号-重量表

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动力系统第2次重量估算:610g

  • MT2208-1500kv电机:36g*4 = 144g
  • 20A好盈电调:33g*4 = 132g
  • APC9*4.5桨叶: 8g*4 = 32g
  • 3s 3300mah 25C 达普电池 重302g

动力系统重量:144 +132 + 32 +302 = 610 g

全机重量:163 + 320 + 610 = 1093 g

调整电池大小

到这里为止我们就已经完成了全机设备的选型,但这套选型的咋样呢?我们在「北航可靠飞行控制研究组」研究的旋翼飞行器性能评估网站上进行评估,并根据你需求的航程航时调整电池的大小(我们选电机的时候留了余量,电池重个一两百克没关系)。

评估网址:https://www.flyeval.com/

很遗憾我们选的这款电机数据库里没有,我们用差不多大小的GT-2210-11电机来代替,仿真参数如下:

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四旋翼性能如下:

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可以看到,这样就选出了一款剩余载重较大的四旋翼设备,如果你希望通过牺牲载重和机动性来增加航时,可以根据之前说过的步骤重新迭代,选取拉力更小,更轻的电机,这样电调、电池的重量也会变轻,这就要根据你的具体需求权衡了。

写在后面

本文中的一些系数是博主根据几款机型的统计值给出的,普适性可能不是很好。可能在某些重量范围内或者一些特殊需求的情况下会不适用(比如固定翼垂起不要求机动性,起飞油门可以设的比较大)。

要成为高手,除了根据仿真软件去迭代之外,平时在DIY的时候也要多积累数据。

不知不觉内容挺多了,祝大家都能顺利飞起自己设计的四旋翼。

原创不易,如果你看完发现有问题,请在评论区提出。也欢迎关注我的个人公众号「我不是药丸」,鼓励我继续写下去。