vannnnn 发表于 2022-10-23 16:15:47

DIY属于自己的小型四旋翼无人机——硬件选型与搭建


图1 本人DIY的竞赛类四旋翼无人机


一架学校竞赛类四旋翼无人机的基本硬件构成,需包括:锂电池、电机、电调、香蕉头、桨叶、机架、保护罩、飞机控制板、小型计算机、摄像头等其他传感器、配套数据线若干。
事先声明,本次所有照片并没有推广其产品的意思,只是方便大家认识这些零件的样子。
以上所说的基本硬件是为了能完成一个基本的竞赛项目,因为竞赛一般要求起飞后全自动完成任务,所以整个硬件架构需要采用上下位机来进行控制。那么,接下来我分别详细说明一下这些硬件的特性。
锂电池:就像蓄水池一样,是整架飞机的能源起点,由于无人机对于能源要求较高,因此选取锂电池的容量一般要求较高,这样不仅是为了比赛时的稳定性,而且也为了实验过程中的效率,众所周知,锂电池的充电速度是比较慢的。所以我们一般对于一架电机对角线距离450mm的无人机而言(后面例子都是这种型号),选取5400mAh·35C的锂电池合适,5400mAh指以5400mA空容量充电或满容量放电,时间为一小时;35C时电流可以放大的倍数。这样的锂电池一般可以使无人机稳定情况下飞行15分钟左右,容量一般越大越好,但随着容量增大,价格和锂电池重量也会增大。锂电池还有个重要参数是S,一般我们使用3S或者4S,意思是三节3.7V或者四节3.7V串联,显然这导致电压不同,进而影响后续电机的转速。




图2 常见无人机锂电池


电机:就像水龙头一样,是飞机最后能输出多少能量,一般都采用无刷电机。选取参数为2216·950KV,其中22为定子外径,16为定子厚度,950KV为每增加1V,转速增加950,2216的值越大,电机的动力越大,对于KV值越大的,转速越快,扭力越小;KV值越小的,则相反。因此大桨叶需要小一点的KV值来保证扭力够大,一般10英寸(254mm)的桨叶需要800-1200左右KV值。另外,还有最大承载电流20A等参数,是为了选取配套的电调。




图3 电机的选取


电调:就像输送水的导管一样,但是不单单是导管,它担任了半导体电子开关的作用,从而改变无刷电机三相交流电和直流电的转化。市面上的电调有大致分为有无BEC,也就是电调的另一端是三根信号线还是两根信号线,如果是三根线,那么接到后面的飞机控制板后,飞机控制板则不需要另外采取供电措施,意味着电调将锂电池电压降压后,直接给飞机控制板供电。一般采用30A-40A(持续输出电流)的电调,电流不小于电机所需要的电流。




图4 40A有BEC的电调


香蕉头:四个桨叶,对角线一对是逆时针旋转,一对是顺时针旋转(具体连接网上有教学),因此电调和电机的连接有时候需要任意交换两根线,来改变电机的转动方向,香蕉头可以快速插拔。
桨叶:一般用254mm长度的桨叶,桨叶较大,升力比较大,有部分桨叶和电机配套,方便旋转进电机。




图5 配套前面电机的一对桨叶


机架、保护罩:作为刚开始竞赛的同学,一般不需要考虑机架的问题,直接采购450mm及以下碳纤维材料的机架比较合适,其重量较轻,较为结实,需要考虑飞机上传感器的摆放,来决定机架的类型;保护罩是必须要有的,选择自己SW构图碳纤维打印,一般选择半包,或者全包,这样不容易触碰障碍物,伤及人和飞机。




图6 碳纤维450机架


飞机控制板:常见的PIXHAWK系列,一般用2.4.8或者4版本,两者在硬件接口上有一定区别。飞机控制板主要是控制飞机的基本飞行动作,包括飞机飞得平稳,按照路径飞行等,控制板内包含了软件代码(固件),利用USB或者Linux可以更改代码,我们一般只需要将PIXHAWK板连入电脑,打开地面站,在参数表里按照自己飞机的特性,更改PID参数和其他解锁有关的参数即可。到这里,满足以上这几个硬件,再加上遥控器和接收机,无人机就可以通过遥控飞行。




图7 PIXHAWK4


小型计算机:作为无人机的上位机,对下位机飞机控制板进行无人机的规划控制。飞机控制板一般有严格的软件框架,我们很难在这些框架中添加属于自己的任务代码(框架都有时钟周期,破坏时钟可能导致整个代码崩溃),而且其处理器不能完成AI代码和视觉代码,很难完成竞赛中的任务。选取一个小型计算机,将外设传感器连接到此,在上面完成代码的编写,传感器数据的处理,无人机路径的规划等等操作,再通过数据线向下位机发出指令。在小型计算机上的系统环境和代码架构,我将在之后的文章中重点解释,有兴趣的可以关注我!




图8 小型计算机jetson nano


摄像头等其他传感器:这块需要根据竞赛题目而设置,一般的摄像头和双目摄像头都是需要的,这就像我们的眼睛一样,如果对视觉处理要求不高的,采用Openmv就足够,再根据USB转换器就可以直接连接在上位机上;双目摄像头用于无人机的自主定位,能够很好地反馈出无人机室内所在的位置。其他的重要传感器有激光雷达,GPS,激光传感器等等,我将在之后的文章中逐一深度分析以上传感器的原理及用法。
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