DIY Raspberry Pi 無人機：機械構造 – 第一部分

Deviceplus 編輯團隊

Published by Deviceplus 編輯團隊 at 2020.08.20

硬體：

DJI F450 ARF（幾乎到手即飛）套件
3300mAh 3S 35C LiPo 電池（附帶T型連接器）
EV-Peak – AP606 – 50W DC LiPo 電池充電器/放電器（大多數LiPo充電器都適用）
RadioLink AT9 2.4GHz 9CH 射極器，R9D 9CH接收器
Xiaomi Yi 運動相機（附帶microSD卡）
FeiYu Tech Mini 3D 3軸無刷萬向節
Raspberry Pi（Model A+）, microSD卡
Raspberry Pi 相機模組
任意支援 802.11a/n/ac（5GHz 頻段）的USB無線網卡——本專案用的是D-Link DWA-160
備用 micro USB
各種公母T型連接器
RadioLink AT9 2.4GHz 9CH 射極器，R9D 9CH 接收器
吸盤式車電手機支架
4個M3螺栓，8個M3螺母
安卓手機

工具：

電烙鐵
焊料
內六角扳手
熱熔膠槍
熱熔膠棒

啟動該項目之前，我們必須瞭解四軸飛行器各個部分的作用。下文列出了構建該四軸飛行器所需的零零件及其用途，以及本課程中所使用的每個零零件的具體型號。

機架：

作用： 該機架為安裝馬達和電子裝置提供了一個簡易環境
本專案所使用的零件： DJI Flame Wheel 450 (F450) 機架（包含在ARF套件中）

無刷馬達和螺旋槳：

作用： 馬達帶動螺旋槳旋轉產生推力，以抬升四軸飛行器
本專案所使用的零件： DJI E305 960KV馬達和DJI 9450螺旋槳（兩者均包含在ARF套件中）

電子調速器（ESC）：

作用： ESC為無刷馬達供電，並提供PWM介面，以允許飛行控制器控制每一個馬達的速度和推力
本專案所使用的零件： DJI E305 960KV馬達（包含在ARF套件中）

飛行控制器：

作用： 顧名思義，飛行控制器負責控制四軸飛行器如何飛行。飛行控制器其實是一台小型電腦，配備了慣性測量裝置（IMU，包含陀螺儀和加速度計），目的是保持四軸飛行器穩定。飛行控制器還搭載了氣壓計、GPS和磁力計，以便讓飛行控制器分別知道它目前的高度，所處的地區，面朝的方位。
本專案所使用的零件： NAZA-M Lite，附帶GPS套件（包含在ARF套件中）

穩壓器、飛行控制器狀態LED/USB介面：

作用： 穩壓器旨在為飛行控制器提供5V恒壓。狀態LED負責在飛行過程中將四軸飛行器的狀態資訊傳遞給操縱人員。狀態LED燈包括電池電量低指示和GPS鎖定指示。USB介面則允許我們在電腦上配置飛行控制器（我們將會在第2部分用到）。
本專案所使用的零件： 穩壓器和狀態LED燈包含在NAZA-M Lite中

電池：

作用： 鋰聚合物（LiPo）電池具有較高的能量重量比以及較大的最大放電電流，因此是為四軸飛行器提供動能的首選方式。在將LiPo電池裝上四軸飛行器之前，瞭解如何安全地使用和充電是非常重要的。否則，可能會引起火災及爆炸。有一些電池規格需要瞭解，它們的定義如下：
- 容量：電池以特定電流放電，“耗盡”之前能夠持續的放電時間。比如，如果一個電池的容量是1200mAh（毫安培小時），然後連續向外界提供一個1000mA的電流，那麼在1200mAh/1000mA = 1.2小時後，該電池耗盡。通常，電池壽命=容量（mAh）/電流（mA）。但我們建議在LiPo電池剩餘電量在20%時就對其進行充電。
- 電池芯數量：每個LiPo電池由1個或多個電池芯組成。一個電池內的電池芯串聯連接，因此電池的總電壓即為各個電池芯電壓的總和。LiPo電池的電池芯數量通常為電池上字母“S”之前的數位——2S表示電池是兩芯電池。
- 放電率：放電率反映了電池的最大安全放電電流。LiPo電池的放電率通常為電池上字母“C”之前的數位——標記為35C的電池可提供的最大電流為“35 x 容量”。
本專案所使用的零件： 本專案使用的電池為ReadyMadeRC 3300mAh 3S 35C LiPo電池（附帶T型連接器）。

LiPo 電池充電器：

作用： LiPo電池充電器負責對LiPo電池進行安全充電。請注意，必須用LiPo電池充電器充電，而不能用其他充電器（例如鎳鎘電池或者鎳氫電池充電器）。
本專案所使用的零件： EV-Peak–AP606–50W DC充電器/放電器

射極器+接收器：

作用： 射極器透過多個操縱杆和切換接收操作人員指令，然後透過Wifi發送到四軸飛行器的接收器上。接收器負責解碼操作人員的命令，然後將其轉發給飛行控制器。
本專案所使用的零件： RadioLink AT9 2.4GHz 9CH射極器，R9D 9CH接收器

萬向節 + 相機

作用： 有了相機和萬向節，四軸飛行器就能變成一個拍攝專業鏡頭的航拍平台。相機安裝在萬向節上，而萬向節的動作實際上與四軸飛行器的相反——確保相機始終保持水平。
本專案所使用的零件： Xiaomi Yi 運動相機，FeiYu Tech Mini 3D 3軸無刷萬向節

RPi，RPi相機，WiFi無線網卡：

作用： 雖然安裝在萬向節上的相機能夠以驚人的2K解析度錄製視訊，但是，如果我們無法確定想要拍攝的物體是否位於鏡頭內，再好的攝像裝備也沒用。Raspberry Pi相機透過5GHz WiFi無線網卡連接到Raspberry Pi 3代A +。因此，Raspberry Pi可以將前向Raspberry Pi相機的即時視訊流傳輸至透過WiFi連接的任何裝置。
本專案所使用的零件： Raspberry Pi Model A+，Raspberry Pi相機模組，D-Link DWA-160。

安卓手機，手機支架：

作用： 手機的作用是為Raspberry Pi提供Wi-Fi熱點，並提供一個顯示幕幕，方便我們查看無人機傳輸的即時視訊流。手機支架負責將手機與射極器連在一起。
本專案所使用的零件： LG Nexus 5（任何支援行動熱點的安卓手機都可以）。任意一端是吸盤、另一端是磁性零件的手機支架。

組裝步驟：

第1步：將ESC焊接到底板上

我們使用的DJI F450機架包含一個頂板和一個底板，安裝完成後，它們應該將四個機臂“夾在中間”。每個機臂的末端安裝一個馬達，機臂下方安裝一個ESC。這兩塊板將四個機臂固定在一起，並為四軸飛行器上的所有元件提供了一個安裝表面。

圖1：DJI Flamewheel機架底板 /©QuadcopterGarage

底板有一個非常重要的功能：它將電池的能量分配給所有的ESC。如上圖所示，底板上有五對正負極焊盤——每個ESC用一對，電池連接器用一對。每個ESC（電子調速器）都有兩條電纜：一根雙線PWM訊號線和一根較粗的黑色電源線。

圖2：電子調速器（ESC）

目前我們只關注調速器的電源線，後面再將PWM訊號線連接到飛行控制器。這根電源線太長，可以將其剪成約12釐米長。然後剝掉電源線上的一段黑色絕緣層，露出紅色電線（正極）和裸線（負極）。將紅線焊接到焊盤(+)上，將裸線焊接到焊盤(-)上。為了防止短路，我在焊盤上打了熱熔膠。請為每個馬達重複此過程。

第2步：將穩壓器和電池導線焊到底板上

將ESC焊接到底板上之後，您會看到還剩下一對焊盤（圖1底部的焊盤）。這對焊盤是用來連接電池導線和穩壓器導線的（圖3）。

圖3：兩個白光支腿之間的黑色矩形穩壓器

NAZA-M Lite盒中應包含兩根大規格的導線——一根紅色和一根黑色。將盒中的紅色導線和穩壓器的紅色導線焊接到正極(+)焊盤上。將盒中的黑色導線和穩壓器的黑色導線焊接到負極(-)焊盤上。為了防止短路，我在焊盤上打了熱熔膠。

圖4：焊接到配電板上的電池和穩壓器導線

第3步：連接T型連接器

我們不能直接將電池焊接到上述導線，因為那樣的話我們將無法更換電池或為電池充電。要將電池連接至底板中的配電板，我們需要將一個公的T型連接器焊接到我們剛剛焊接的那兩根導線上。為此，將連接器的短邊朝上，將紅色導線焊接到較短的水平部分，將黑色導線焊接到較短的垂直部分（有關極性，請參見下圖右側的連接器）。

圖5：T型連接器的極性 / ©Ruberkon

完成焊接後，連接器的樣子如下所示（我用電工膠帶包住了裸露的金屬部分，當然您也可以用熱縮管）：

圖6：連接電池的T型連接器

第4步：安裝飛行控制器

圖7：NAZA-M Lite飛行控制器 / ©djicdn.com

將NAZA-M Lite附帶的黑色雙面膠切成與飛行控制器一樣長。撕掉雙面膠一面的保護膜，然後將其牢固地粘在底板的中間。然後，將飛行控制器標有M1、M2、M3等多個標籤的一側朝著底板上您認為是四軸飛行器正面的那一側。撕下雙面膠另一面的保護膜，將飛行控制器粘在上面。

第5步：安裝RC接收器

我選擇將RC接收器安裝在機架背面底板底部延伸處，用熱熔膠或者雙面膠對其簡單固定。從接收器伸出的那根導線是天線，暫時不用管它，等組裝支腿的時候再考慮。

圖8：位於機架背面下方的接收器

第6步：將接收器的伺服線連至飛行控制器

接收器上每三個一列的引腳會輸出一個PWM訊號。在RC領域，每個PWM訊號都稱為一個通道，代表操縱人員命令的一個組成部分。比如，接收器的通道3是操縱人員所需的加速訊號。為了讓飛行控制器能夠接收操縱人員的每個命令，我們必須使用一根PWM訊號線將接收器上的每個通道連接到飛行控制器。請注意，插入飛行控制器時，PWM訊號線上的橙色（訊號）導線應位於頂部，而棕色導線的另一端連接接收器時應朝下。