自製四旋翼,實現空拍夢

六月 25, 2015
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機身只要花40美元和一個週末就搞定。
四軸飛行器主要分成兩種:「+」型交叉和「×」型交叉。我們選擇「×」交叉,讓攝影機前方的視野不受干擾。
我們將會一一介紹如何製作機身、安裝飛控系統ArduPilot,讓飛行器能夠自動飛行。安裝好之後,就能預先設定好路徑,控制飛行器飛到一系列地標,為你拍攝空拍照片。

線路圖

图片

線路圖提供者Sam Freeman;繪製者Rob Nance


  • battery 電池
  • battery monitor 電池監控器
  • antenna 天線
  • receive 接收器
  • fight controller 飛行控制器
  • gimbal controller 攝影機雲臺
  • gimbal motor 穩定器馬達
  • GPS
  • Power hub 集線器
  • 電子速度控制器(ESC)
  • Motor 馬達
材料

  • 鋰聚電池,2200mAh(3S 20C)
  • 雲臺馬達,iPower 2208-80(2)
  • 電池監控器,APM電源模組及XT60接頭
  • M/M伺服導線,10cm(5)
  • HD攝影機,GoPro Hero3 白色基本版
  • 雲臺控制器,iFlight V3.0
  • 飛行控制器,3D Robotics ArduPilot Mega 2.6
  • 無刷外轉馬達,850kV,AC2830(4)
  • 螺旋槳,Turnigy 9047R SF(2)
  • 遙控訊號接收器(頻道五個以上)
  • 遙控訊號發射器(頻道五個以上)
  • GPS模組,3D Robotics LEA-6H,
  • 螺旋槳,Turnigy 9047L SF(2)
  • 電子變速器(ESC)(2)
  • 魔鬼氈束帶,½”×8″(2)
  • 魔鬼氈束帶,¾”×18″
  • 泡綿防水膠條,3/8″×12″
  • 雙面膠,1″×5′
  • 絕緣電線,12AWG,12″紅色(1),12″黑色(1)
  • PC板,Lexan 0.093″×8″×10″
  • 電線接頭絕緣膠
  • 束線帶,4″(100條包裝)
  • PVC軟管,1¼” 至1¼”
  • 銅漸縮管,1″ 至 ½”
  • 鋁棒,1/8″×¾”×36″
  • 螺絲密封膠
  • 平墊圈,M3,(4)
  • 六角螺帽,M3(8)
  • 平頭螺絲,M3×25mm(4)
  • 平頭螺絲,M3×20mm(12)
  • 平頭機械螺絲,M3×6mm(8)
  • 方木釘,½”×36″(2)
  • C型管夾,1½”(4)
工具

  • 電腦,連接印表機
  • 直尺
  • 塑膠雕刻刀
  • 鑽頭:1/8″, 3/16″, ¼”, 5/16″, 3/8″
  • 木鋸
  • 十字頭螺絲起子:#1和#2
  • 鉗子
  • 剪線鉗/剝線器
  • 弓形鋸
  • 烙鐵和焊錫
  • 剪刀
  • 鉛筆
  • 銼刀
  • 筆型美工刀

步驟一:打造機身

  • 四軸飛行器的中心樞紐由兩塊PC板所組成。在這裡下載裁剪和鑽孔的模板,照原尺寸輸出,暫時黏貼在PC板上。先以塑膠雕刻刀劃出刻痕,再以1/8″鑽頭鑽孔。

步驟二:切割支架並鑽孔

  • 鋸好四個10″–11″方型木榫支架。支臂愈短,飛行器愈敏捷,但支臂愈長,飛行器愈穩定。各鑽兩個3mm的小孔,一個距離尾端6mm,另一個距離尾端26mm。

步驟三:組裝機身

  • 用螺絲把支臂固定在PC板上。用M3×25mm螺絲鎖住內孔,M3×20mm螺絲鎖住外孔。支臂用螺絲固定好以後,外觀看起來也不錯的話,「只要在外孔螺絲」塗上螺絲密封膠,套上並栓緊螺帽;內孔螺絲則輕輕套上螺帽,還不用拴緊。

步驟四:連接動力核心

  • 動力核心包括六個零件:四個電子速度控制器、電源模塊和攝影機穩定器控制板。首先,分離XT60公連接座和APM電源模塊線。每條紅色和黑色電線大約都要剝除¼”絕緣外皮,剝線的尾端鍍錫。從銅漸縮管兩端各鋸下⅜”的環圈,銼平凹凸不平的邊緣,六條紅色電線的正端子焊在內環,相應的六個黑色負端子連接外環,以泡綿防水膠條包裹內環,以外環套住。最後,整個中心塗上絕緣膠。
  • 連接馬達和電子速度控制器,可說是令人煩悶的工作,直接購買配電盤會很省事,卻會佔空間和徒增重量。我偏好自製配電盤,只要利用漸縮銅管的兩個環圈即可完成,看起來也很精簡和整齊。

步驟五:馬達底座鑽孔

  • 這裡教你如何用一般的C型管夾輕鬆自製起落架。你也可以買便宜的組合式起落架/馬達底座,以簡化製作流程。對組合式降落裝置有興趣的話,請上flitetest.com參考我們的產品。
  • 若你打算自製降落支架,你將需要把馬達直接安裝在支架上。首先要在每根支架做記號,並鑽好不明顯的盲孔,好讓馬達轉軸可以自由旋轉。使用5/16″鑽頭是很好的選擇。

步驟六:安裝馬達

  • 裁切馬達的支架,用兩個M3×20mm螺絲將馬達和馬達支架固定在四旋翼支架的尾端。你必須鎖緊每個螺絲,並確保馬達軸可以自由旋轉,若無法自由旋轉,再度檢查四旋翼支架的凹槽,最後以銼刀磨平馬達支架的邊緣。

步驟七:加上起落架

  • 將動力核心滑入兩片透明板之間,再將電子變速器的電源線纏繞在四條支架上。若馬達和電子變速器的製造商相同,很可能會有預先安裝好的「子彈」接頭,這時候直接把馬達導線插入變速器導線,多餘的電線盤繞在支架底下。你也可以把電線直接焊在電子變速器控制板上以簡化結構。固定好馬達導線和電子變速器導線,再以束線帶綑好支架底下多餘的電線。
  • 用剪線鉗將四個C型夾剪成對半,J型底座擱置一旁,以銼刀磨平切割面,接著在安裝孔兩側磨出兩個小凹槽,把這個底座安裝在每條支架的尾端,亦即馬達機架內側,束線帶則繞過剛剛磨好的凹槽。

步驟八:安裝防震座

  • 移除PVC軟管的水管扣環,留待其他專題使用。利用筆式美工刀,從橡膠軟管切下兩個3/4″的塑膠環,對好機身突出來的內孔螺絲,以拇趾用力擠壓,形成兩個凹痕,再以⅛”鑽頭在凹痕鑽洞,但不要鑽過另一面。以M3平墊圈和螺帽把塑膠環鎖在機身上,調整好鬆緊度後,就用螺絲密封膠固定住。
  • 從軟管上裁切兩個防震座,之後會用來安裝雲臺和電池座,以免攝影機受到螺旋槳震動而受影響。順便在上方騰出一點空間,來安裝雲臺控制器。

步驟九:安裝攝影機和電池座

  • 萬象支架和電池支架主要由三組簡單的L型支架便可組裝而成,我將他們稱為支架、翻滾軸和俯仰軸支架。
  • 把鋁棒(1/8″×¾”×36″)鋸成兩根18″鋁條,再把其中一根鋸成9″的鋁條,總共會拿到三根鋁條。每一根鋁條都折成直角,可利用有斜邊的木塊或鋁塊,把彎曲的半徑增加到⅜”(劇烈彎曲可能帶給鋁條過多壓力,進而有損鋁條的支撐力)。鋁條彎曲好以後,把每個支架割成樣板大小。
  • 將支架放在正確的安裝位置上,並在X軸與Y 軸支架上較短的那一端,劃記並在正中央鑽出3個半徑1/8″ 的孔。在兩個支架上,外側的小孔應該要距離支架尾端3mm遠,而兩個小孔之間的距離則應為9.5mm。最後,使用階梯鑽頭將中間孔擴成2″ 大,以便馬達軸保有轉動空間。
  • 用兩個M3×6mm的螺絲將雲臺馬達的底部固定在支架上,再用另外兩個螺絲將馬達頂端固定到翻滾軸支架的長邊上。
  • 將第二個馬達的底部接翻滾軸支架的另一端上,而馬達的頂端則依照同樣的方式接到俯仰軸支架上。

步驟十:安裝攝影機和電池

  • 我設計的這臺四旋翼可以適當地平衡3S 2,200mAh鋰電池和GoPro Hero3白色款的重量。若你使用其他設備,請確保你的CG(重心)維持在機身中央。以下示範如何使其達到平衡。
  • 小提示:雖然GoPro 這款相機相當耐摔,但你或許也會想製作一臺具有相同重量與大小的「假」相機,在首次與後續幾次試飛時可以先裝在機上。
  • 若要讓雲臺馬達運轉平順,相機必須要在兩軸上達成平衡。將雙面膠帶的其中一側先黏在自己的襯衫上以減弱其黏性。將膠帶另一面貼在俯仰支架上,再把你的GoPro固定在黏性較弱的那一側, 慢慢找出平衡只需使用兩支螺絲便可將馬達固定在支架上,裁切馬達支架以減輕重量。可用厚橡膠軟管來製作兩組防震裝置,也可以做出方向控制器支架與電池支架,以防止相機受螺旋槳震動影響,並且預留可安裝方向控制板的空間。
  • 將骨架反過來放,讓攝影機、支架與電池在骨架底部的防震裝置中央點取得平衡。將組裝的裝置沿骨架前後調整位置,直到整臺四旋翼裝置可在你的兩指間取得平衡點,且平衡點也位於任兩端的中心。
  • 找到重心之後,將兩組束線帶以交叉的方式將支架綁在防震裝置上。在電池底部黏上魔鬼氈膠帶,再將電池固定在支架上。你也可以在支架和電池上添加魔鬼氈膠帶以提供額外的固定效果。

步驟十一:架設航空電子設備

  • 先將飛行控制板、接收器和其他模組排列好之後,再安裝到機身上。找出你滿意的擺放方式之後, 用雙面膠帶將所有零件固定到機身上。這裡可以下載詳細的配線圖。
  • 進行飛行控制器的安裝, 這次我使用3DRobotics 所推出內含加速度計的ArduPilot Mega( APM )2.6, 其有特定的正確安裝方向。請將APM盒上的箭頭對齊四旋翼的正前方,再以雙面膠帶將其固定。
  • 安裝GPS/ 羅盤模組時, 需對齊骨架底部的延伸線,同時模組上的箭頭也必須對準前方。同樣用雙面膠固定住,再把線接到APM的「GPS 」接頭。
  • 從右前方開始,依順時針方向(由上往下看)將ESC線接到APM的1、4、2和3號接頭上。
  • 將接收器沿著APM安裝,並用雙面膠固定,再將其1至5頻道接到APM上的相對應輸入孔。

步驟十二:安裝雲臺控制器

  • 雲臺控制器包含兩塊電路板:控制板較大與IMU感測器套件較小。控制板裝在支架上,也就是在安裝防震裝置時所預留的空間裡。
  • 用泡棉膠帶覆蓋支架的表面,以防焊點與裸露的鋁發生短路,接著將控制板以束線帶固定於其上。IMU能偵測相機方向,但需要安裝在同一架飛機上才行。用雙面膠將它安裝於俯仰軸支架的底部,接著把線接回控制板上。將雲臺馬達的3條線接至控制板的接頭上。用束線帶固定每條線,預留一部分電線讓雲臺馬達可自由旋轉。

步驟十三:安裝軟體

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飛行控制板、ESC和方向控制器都需在起飛前先進行校準與設定,可依照裝置上隨附的說明書或線上說明的步驟來進行,這篇文章下方也會附上詳細教學步驟的連結。

步驟十四:加上螺旋槳

  • 在安裝螺旋槳之前,可在馬達轉軸貼一些遮蔽膠帶,以方便觀察它們旋轉的方向。從上方往下看,馬達3與馬達4應該以順時鐘旋轉,而馬達1與馬達2則是以逆時鐘旋轉。(參照第34頁的〈無人飛機解剖圖〉)如果其中一個馬達方向錯置,只要將其連接至ESC的3條線中的2條互換即可。
  • 警告:如果你需要使其中一顆馬達反轉,只要將馬達的控制線對調即可,而不是改變ESC 的線。千萬不要將ESC 的電線反接!
  • 對穩定飛行而言,最重要的便是螺旋槳需要平衡!有一些簡單的小方法,但最簡單的莫過於打磨每片螺旋槳上較厚的部分,直到螺旋槳與水平軸達成平衡為止(只磨平整面,不要動到前緣或尾緣)。
  • 一旦螺旋槳取得平衡之後,將它們裝到馬達轉軸上並鎖緊螺絲。你會用到兩個傳統的「拖曳式」螺旋槳和兩個反向的「推進式」螺旋槳。馬達1與馬達2使用拖曳式螺旋槳,馬達3與4則使用推進式螺旋槳(若你並非使用APM飛行控制器,你的螺旋槳配置可能會有所不同)。待配置完畢後,在各個馬達支架上劃記其編號和轉動方向以利參考。
  • 確定螺旋槳達到平衡,所有零件都安裝牢固,且沒有任何螺旋槳、陀螺儀或控制器反裝。檢查你所有的無線電修改設定皆已歸零(若你需要修改,請透過APM進行,不要在無線電上進行修改),請等到無風的時候再進行首航測試。

結論

  • 請不要期待你的四旋翼可以在第一次飛行時就飛得很完美。很可能需要再幾次微調與修正之後才能讓它飛得漂亮。若你之前沒有玩過四旋翼,請務必記得溫柔地操作控制器,因為大部分的初學者都容易過度轉向。最剛開始的目標應該是先讓它能在離地24″ 處盤旋1到2秒,然後立即降落。當你對於這件事非常熟悉之後, 試試看讓它起飛, 再從有「地面效應」的區域上方(3′ 至4′ )輕輕地降落。之後再慢慢嘗試飛得更久,升得更高。
  • 你或許也會摔機幾次,尤其這還是你首次接觸多軸飛行器的話。就請你保持正向思考且專心,並試著在每次飛行中汲取經驗。一路從摔機、得到教訓與修理來提升你的技巧,而你的機器也是個有趣且富有挑戰性的嗜好。

飛行電子裝置的詳細安裝步驟連結


Chad Kapper
查德‧凱博是一位擁有18年以上拍片經驗的攝影製作人。他對於影片及飛行技術的熱情,促使他成立Flite Test(flitetest.com),也使其成為遙控飛行器產業的領導品牌之一。3年多來,Flite Test團隊不只替遙控飛行器領域帶來許多啟發,還有教育意義及娛樂效果。
原文
譯:曾吉弘、謝明珊
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