DIY属于自己的小型四旋翼无人机——硬件选型与搭建

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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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