換種思路做四軸飛行器（下）

韓旭

上期回顧

從2016年第6期的文章中我們了解到，無(wú)人機(jī)常制造成四軸飛行器，是從飛行器的實(shí)用性和飛行的穩(wěn)定性兩方面綜合考慮的結(jié)果。同時(shí)，筆者提出了一種以犧牲易替換、廉價(jià)的薄弱部件來(lái)保護(hù)貴重部件和電子設(shè)備的四軸飛行器制作新思路。

本期將這種按照新思路制作四軸飛行器的方法介紹給大家。

一、主板選擇及測(cè)繪

機(jī)身主板選擇市面上容易買(mǎi)到的0AV250系列，以此為基準(zhǔn)做出的機(jī)架臂會(huì)有較好的通用性。由于機(jī)架臂的長(zhǎng)度與機(jī)身主板、螺旋槳直徑有關(guān)，因此需要參考現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)主板進(jìn)行測(cè)繪，主要用游標(biāo)卡尺和毫米刻度尺，得到對(duì)應(yīng)的尺寸數(shù)據(jù)。

二、圖形設(shè)計(jì)及3D打印

四軸飛行器替換零件的圖形設(shè)計(jì)，選用簡(jiǎn)單、實(shí)用的Soliworks軟件來(lái)完成。

首先，運(yùn)行Soliworks軟件，并新建一個(gè)“零件”文檔，類型選擇為“裝配體”（圖1）。

由于不需要生成布局，應(yīng)在彈出窗口中點(diǎn)擊“取消”（圖2）。

右鍵單擊“上視基準(zhǔn)面”，建立草圖（圖3）。

為了方便，可以只繪制整個(gè)圖形的四分之一，然后使用鏡像命令，得到整個(gè)主板的草圖。需要注意，使用鏡像命令時(shí)除了選擇已經(jīng)繪制的線段，還要選擇中心線，因此要提前畫(huà)好中心線（圖4）。

退出草圖，使用拉伸凸臺(tái)命令，生成厚度為2mm的機(jī)身主板（圖5）。

新建裝配體，插入剛剛繪制好的主板。在裝配體中新建零件，并將零件文檔名改為“機(jī)架臂”。這樣可以使機(jī)架臂與機(jī)身尺寸相關(guān)聯(lián)，方便檢查螺旋槳是否會(huì)碰到機(jī)身。

選擇編輯零件，此時(shí)進(jìn)行的操作是對(duì)零件“機(jī)架臂”的，與裝配體中的其他零件無(wú)關(guān)，但可以與其他零件的尺寸相關(guān)聯(lián)，使得最終設(shè)計(jì)好的機(jī)架臂剛好可以安裝到主板上。選擇上視基準(zhǔn)面建立草圖，選擇轉(zhuǎn)換實(shí)體引用，將本不屬于機(jī)架臂的安裝孔尺寸和位置“投影”到機(jī)架臂的草圖平面上。否則，一旦原有尺寸改動(dòng)，新的尺寸也會(huì)隨之更改。

由于我們希望使用一張圖紙就能打印整架飛機(jī)所需的機(jī)架臂，因此設(shè)計(jì)將機(jī)架臂與原有機(jī)架安裝孔對(duì)稱分布。

原來(lái)的四個(gè)安裝孔呈矩形分布，與機(jī)身成一定角度。繪制對(duì)稱中心線，以便找到螺旋槳圓心所在位置。由于飛行器前后對(duì)稱，而且我們希望有較高的效率，使設(shè)計(jì)可容納直徑為6in（1in=25.4mm）的螺旋槳，因此由機(jī)身中心做平行線。螺旋槳半徑設(shè)定為3in（76.2mm），可預(yù)留一些余量，所以螺旋槳安全線設(shè)定為80mm。安全線與機(jī)架臂軸線的交點(diǎn)即為螺旋槳圓心（圖6）。

以圓心為基準(zhǔn)，繪制電機(jī)安裝孔與電機(jī)座，使用拉伸命令得到機(jī)架臂的平臺(tái)部分，其厚度設(shè)置為8mm（圖7）。

筆者最初設(shè)計(jì)的機(jī)架臂，在使用中發(fā)現(xiàn)更換螺絲時(shí)經(jīng)常對(duì)不準(zhǔn)螺孔，十分麻煩。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，直接在機(jī)架臂上做出螺母固定孔，大大方便了拆裝操作（圖8）。

將繪制好的文件另存為“.STL”格式，這是3D打印的專用格式。使用Cura軟件打開(kāi)STL文件，設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)，就可以打印了（圖9為3D打印的設(shè)計(jì)圖）。為了確保重量輕而又有一定強(qiáng)度，這里3D打印的參數(shù)選擇壁厚1.6mm，填充密度15%?？梢酝ㄟ^(guò)預(yù)覽圖看到材料的分布情況。軟件自動(dòng)計(jì)算出打印時(shí)間為56min模型重11g。

由于四只機(jī)架臂尺寸完全一樣，只需要一個(gè)文件即可完成全部打印。每次需要打印時(shí)，準(zhǔn)備好3D打印機(jī)，按一下按鈕，剩下的就交給3D打印機(jī)好了。

打印完成的機(jī)架臂如圖10所示（從左至右為不斷改進(jìn)的版本，右側(cè)為最新版成品）。

三、安裝與試飛

1.器件配置及參數(shù)

2.安裝電路接線圖（圖11）

3.KK飛控的安裝

KK飛控各接口指示如圖12所示。左側(cè)的AlL接到接收機(jī)的副翼通道，ELE升降，THR油門(mén)，RUD方向，AUX接起落架通道，并設(shè)置為撥動(dòng)開(kāi)關(guān)控制。右側(cè)M1到M4接四個(gè)電機(jī)對(duì)應(yīng)的調(diào)速器信號(hào)線，電子調(diào)速器的三根輸出線連接到電機(jī)的三根線。電池經(jīng)過(guò)M 1電機(jī)的調(diào)速器降壓為5V電壓輸出給飛控板、接收機(jī)供電。KK飛控連接完畢，如圖13所示。

4.圖像傳輸設(shè)備的安裝

本機(jī)采用的攝像頭與圖傳均為7～24V供電，因而可以采用2節(jié)鋰電池（每節(jié)電壓3.7V）直接供電。攝像頭（圖傳）帶有紅、黑、黃三根連接線，紅、黑線為電源輸入，黃、黑為圖像輸出（圖像輸入）。三色線連接如圖14所示。

5.整裝

機(jī)架臂安裝十分簡(jiǎn)單，由于飛行器有一定震動(dòng)，需用防松螺母保證結(jié)構(gòu)牢固（圖15）。

攝像頭固定板用AB膠粘在主板上。需要注意，碳纖維材質(zhì)零件在生產(chǎn)時(shí)會(huì)使用脫模劑或進(jìn)行表面處理，這樣表面看起來(lái)閃閃發(fā)亮，但膠水很難浸潤(rùn)其中。粘接之前用砂紙磨掉表層，可以使粘接強(qiáng)度大大提高（圖16）。

6.試飛

輕推油門(mén)，伴隨著呼呼風(fēng)聲，飛行器輕松地浮起。操控模型做平移與旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，飛行器十分聽(tīng)話，操控性良好（圖17、圖18）。

四、總結(jié)

這種飛行器的設(shè)計(jì)故意將易換零件設(shè)計(jì)為薄弱部件，使得當(dāng)飛行器粗暴著陸或意外墜毀時(shí)，讓廉價(jià)易更換的部件破損，吸收沖擊力，從而保護(hù)脆弱的機(jī)體和電子設(shè)備。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，只要多打印幾只機(jī)架臂，并帶一把螺絲刀，就可放心出門(mén)了。想象一下，當(dāng)飛行器不幸墜落后，你發(fā)現(xiàn)鏡頭、天線、電源線甚至螺旋槳都毫發(fā)無(wú)傷，損壞的僅是一個(gè)廉價(jià)的3D打印零件，你難道不會(huì)暗自慶幸？