打造屬於自己的三軸飛行器

四月 28, 2015
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三軸飛行器大勝四軸飛行器,飛行更順暢,攝影品質更好

四軸飛行器比較容易製作,但三軸飛行器優點不少,尤以空拍效果著稱,自造者不禁躍躍欲試。2010年我首度打造三軸飛行器,靈感來自David Windestal利用GOPRO相機空拍的美麗。話說我的第一架三軸飛行器並沒有非常成功,不過我從中學習不少,後來我又製作幾架飛行器,終於設計出大家都負擔得起的作法,我稱其「自造者機棚三軸飛行器」(Maker Hangar Tricopter)。

為什麼是三軸飛行器?

三軸飛行器有三個引擎,通常以120度角分隔,不像四軸飛行器以90度角分隔,更適合拍攝影片,讓攝影機近距離拍攝物體,卻沒有螺旋槳擋住視線。四軸飛行器仰賴反向旋轉螺旋槳,來控制扭矩並平衡機體,三軸飛行器沒有這個需求,後有偏轉伺服器,專門扭轉尾引擎來抗衡扭矩。 


三軸飛行器的飛行方式也不同,配備偏轉專用引擎,飛行更加流暢自然,一般飛機做得到的轉彎、俯仰和偏轉,三軸飛行器也沒有問題,還會像直升機一樣盤旋。四軸飛行器的動作比較像機器人,控制板計算好四個引擎確切的旋轉,創造出合適的扭矩和平衡,讓整架飛行器完成偏轉。如果放掉操縱桿,四軸飛行器馬上停止轉動,這會影響、干擾攝影工作,但換成三軸飛行器,放掉控制桿的話,傾斜的尾引擎隨即回復盤旋狀態,而非嘎然而止,甚至有點補攝,彷彿有人在移動攝影機。

最後,三軸飛行器還很好玩,尤其它可以特技飛行,傾斜引擎也可以產生更高的偏轉速,轉彎會更快。

三軸飛行器對自造者的意義

「自造者機棚三軸飛行器」以木頭為材料,容易砍切、鑽孔和裁割,也是絕佳的吸震材料,畢竟空拍最怕震動了。機身很大,有多餘空間放置大型控制板、影像傳輸器、降落裝置或任何你想像得到的東西。我們也把前臂間距加寬到150度左右,行動更加敏捷。

這架飛行器包含
3D列印尾翼組,以及你所需的一切硬體,外加鋼絲索減震器,就算螺旋槳失衡也可以大幅吸震。此外,我採用碳纖維鉸鏈,讓尾馬達和機身無縫接軌。

最後,三軸飛行器的前臂在飛行時會固定住,但運送途中或平時收藏時,則會往後摺疊,這架飛行器也不例外。

對多軸飛行器和空拍有興趣的人,都會喜歡這個裝置。你也可以從無到有完全自造:下載PDF檔設計圖、雷射切割設計圖、3D列印檔、飛行控制設定,還有
 makezine.com/makerhangar觀賞系列指導影片。

說明書:
1.飛行時間:12分鐘
2.機身重量:325g
3.載重限制:1kg
4.跟8″–10″螺旋槳相容
5.鋼絲索減震器
6.22mm引擎腳


材料

  • 「自造者機棚三軸飛行器」套件組,85美元, 可從lucasweakley.com/product/maker-hangar-tricopter-kit購入,內容包括:
  • 雷射切割飛行器骨架夾板
  • 3D列印尾翼組件
  • 碳纖維鉸鏈
  • 橡木條:7/16″× 7/16″×12″ (3),用來製作前臂
  • 螺栓不鏽鋼,M3,25mm(8)、6mm(4)、10mm(16)和22mm(8)
  • 防鬆螺帽:M3 (25)
  • 墊片,M3 (16)和 M4(2)
  • 螺栓尼龍6-32×3/8″ (4)
  • 螺帽,尼龍,6-32(4)
  • 固定座, 6-32×1-1/2″(4)
  • 束帶(20)
  • 推桿:2-1/2″×0.047″ (2)
  • 推桿螺栓(2)
  • 魔鬼氈(2)
  • 鋼絲索夾,長度3″ (4)

  • 電子零件(未包含在套件包內),可以參考套件包網頁上推薦的材料
  • 飛行控制板,參考步驟十二
  • R/C接收器,要和R/C傳輸器相對應
  • 外轉子無刷馬達: 900kV (3),Emax商品編號GT2215/12
  • 電子速度控制器(ESC),20A(3),Emax Simon
  • 撐架,10×4.7(3)
  • 鋰聚合物電池,3,300mAh(2)
  • 微型伺服機
  • 伺服機連接線,6″
  • 電線,標準線規16
  • 熱縮套管
  • 伺服機連接線,公頭對公頭
  • JST連接器(非必要)

工具

  • 電鑽和鑽頭
  • 尖嘴鉗
  • 斜角鉗
  • 剪線鉗/剝線鉗
  • 熱熔膠槍
  • 快乾膠
  • 螺絲起子
  • 內六角螺絲起子
  • 可調式扳手
  • 砂紙
  • 銼刀
  • 筆刀
  • 烙鐵和焊錫
  • 熱風槍或吹風機
  • 夾具(非必要)



步驟一:磨光並上漆

图片

  • 磨掉木頭上的附著物或裂片,還可以漆上顏色。

步驟二:組合鉸鏈機尾

  • 鉸鏈的製作:以快乾膠黏合2-1/2″ 碳棒和3/4″ 碳管。以熱熔膠黏接這一端和3D列印引擎接腳,再黏接1″碳管和3D列印機尾。
  • 組合:鉸鏈桿套上M4墊圈,再來是機尾,接著又是墊圈,最後黏接這一端和 1/2″碳管,機尾組總算大功告成。
  • 以熱熔膠黏接伺服器和機尾,並在伺服器臂 1/16″大小的洞口,安裝兩個「快速接頭」,硬木接臂也順便一起黏。

步驟三:組合鉸鏈機尾(續)

  • M3墊圈拴住尾引擎和引擎腳。
  • 最後,完成伺服機組裝。鉗子在每個推桿尾端折出「小Z」,「小Z」的那一端鉤住引擎接腳,另一端則滑入快速接頭。

步驟四:組裝前臂

  • 利用墊木為前臂鑽孔:一端針對引擎腳,另一端針對轉栓(以摺疊前臂)。
  • 注意:墊木有兩種行距;同一支前臂,採用相同的行距,引擎安裝起來才會對稱。

步驟五:組裝前臂(續)

  • 利用4輪夾板引擎接腳,來安裝其餘兩個引擎(中心孔比較大的,直接正對引擎),再以墊圈安裝M3×22mm螺栓。

步驟六:準備機身

  • 把尼龍固定座安裝在上模板,但暫且不要安裝頂模板。
  • 在下模板拴好4個小夾板托座,另外4個安裝在攝影機/電池托盤,採用M3×10mm螺栓和螺帽。這托盤可有可無(電池可以只用魔鬼氈固定),但若有攝影需要,強烈建議使用托盤,因為鋼絲索可減震,把四條鋼絲索夾在底板托座之間,但暫且不要連接攝影機托盤。

步驟七:安裝電子速度控制器(ESCs)

  • 連接三個電子速度控制器和引擎,以束帶固定在前臂上。
  • 配置摺疊情況下的前臂,裁量足夠長度的鋼絲索,方便前臂延展,把鋼絲索一起固定在機背。焊接延長鋼絲索,並以熱縮管讓快速接頭絕緣。多餘的尾端剝線後,焊接到電池接頭。
  • 注意:如果你想驅動機上視訊遙控(FPV),即時收看攝影畫面,可以順便安裝JST連接器(可有可無)。自造者機棚三軸飛行器系列影片第一季,就有介紹電池、視訊遙控等飛行零件。

步驟八:黏接機臂

  • 利用M3×25mm螺栓和防鬆螺帽,穿過表面安裝孔,把兩支前臂拴在下模板。上模板疊在上面,2個以上螺栓接連穿過鎖孔和內臂鑽孔,以墊圈和防鬆螺帽固定好。最後,以四個螺栓把機尾夾在兩片模板之間。
  • 測試摺疊情況,直到前臂可以順利摺疊並牢牢鎖住。

步驟九:安裝降落裝置

  • 以束帶捆住兩個夾板降落桿和前臂

步驟十:懸掛攝影機托盤

  • 把多餘的鋼絲索夾到攝影機托盤的托座之間。攝影機平臺絕對要朝前,螺栓頭朝外(你待會還要靠螺栓頭調整托盤)。
  • 以魔鬼氈束線帶捆住電池和托盤。

步驟十一:安裝接收器和飛行控制器

  • 黏接飛行控制器和上模板,熱熔膠、雙面膠或螺栓皆可考慮(我們採用Flip 1.5 MWC控制器,你可以從自造者機棚專題網頁下載設定)。
  • 連接R/C接收器和傳輸器(參考自造者機棚專題第1季第12集),依序插入三個電子速度控制器,以設定節流閥範圍,接著是接收器的節流閥(第2季第4集)。安裝接收器並插入飛行控制器,偏轉伺服器置中。
  • 最後,把頂模板鎖在固定座上,以保護你的電子裝置,整個專題就完成了!

步驟十二:關於飛行控制器

  • 飛行控制板把傳輸器的訊號,轉化成引擎速度,進而驅動你的三軸飛行器。控制板透過機上的迴轉儀和加速計,解讀飛行器的位置和動向,小幅調整引擎速度來抗衡風速、扭矩等因素。
  • 以下是我建議的控制板:
    OpenPilot CC3D最佳飛行體驗,容易設定,但轉彎耗時
    HobbyKing KK2飛行體驗尚可,轉彎快,最適合初學者
    ArduPilot APM2.6最強大也最貴,可自行編寫航點,備有GPS、羅盤和氣壓計
    Flip1.5 Multi Wii ControllerMWC)小型、簡易、價錢公道,但也很強大,飛行狀況不錯,可選配氣壓計和羅盤
  • 若想要更瞭解飛行控制器,以及如何使用三軸飛行器,到makezine.com/makerhangar觀賞解說影片!


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LUCAS WEAKLEY
大家好!我叫盧卡斯‧威克力,我剛從森林高中(Forest High School)的工程暨製造科技研究所(EMIT)畢業,我們製作過機器人,並參加FIRST機器人大賽,EMIT也推薦我去製圖,我已經獲得AutoCAD的認證。最近成功申請安柏德瑞航空大學(Embry Riddle Aeronautics University),今年秋天就會開始上課。我會主修航太工程,並副修商業和飛機維護。

(譯:謝明珊)
原文) 


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