教你DIY私人无人机

从利比亚使用无人机进行军事侦察，事后被发现淘宝同款有售；到Amazon的无人机托运，世界杯期间无人机偷窥对手信息；以及Airdog/ hexo，Parrot Ar.drone这类无人机玩具的出现.种种迹象表明：归功于极客们的努力，多旋翼无人机的热潮已经到来。

然而这还远远不够。极客们的目标，是把无人机带入生活，让无人机私人化成为可能。

多旋翼飞行器（Multirotor），是一种具有两个旋翼以上的飞行器。由每个轴末端的电动机转动，带动旋翼从而产生上升动力。通过改变不同旋翼之间的相对速度可以改变推进力的扭矩，从而控制飞行器的运行轨迹。

多旋翼飞行器外型相对飞机来说小很多，直径通常在两米以内，最小的可以达到5cm。我们最常见的当属四旋翼飞行器，方方正正的布局，十分有科技感；实际上，除了四旋翼之外，还有双旋翼、三旋翼、六旋翼、八旋翼、十二旋翼、十六旋翼（参见e-volo载人多旋翼）。不同的旋翼数目，不同的尺寸大小，但是它们的优势是一致的：与传统直升机相比，多旋翼飞行器更加小巧灵活，飞行更稳定；与固定翼飞机相比，多旋翼能够垂直起降（VTOL），还可以稳定地悬停在某一点执行任务。

事实上在1907年，Breguet兄弟Louis和Jacque在Richet教授的指導下就已经建造了第一架旋翼式飛行器，按照现在的标准来看，它是四旋翼双层旋翼飞行器。但是由于控制太过困难，难以有实际用途。近年来，随着新材料科技发展、MEMS蓬勃发展，使得自动检测姿态、精确操控电机转速变得十分容易。随着控制难题的解决，多旋翼飞行器再一次出现在历史舞台上，几年前，我们还从未听说一种长着四个螺旋桨的奇怪飞机；但现在在战场上，在摄影棚里，甚至在披萨店都能看见他们的身影。

得益于微电子技术和新材料的发展，DIY一架多旋翼飞行器并不显得很困难。因为多旋翼飞行器具有简洁的机械结构，不复杂的电路，较低的材料要求，所以任何一个人，只要拥有基本的电路知识，就可以动手DIY一架属于自己的飞行器；如果拥有更多的探索精神，我们甚至可以使这架飞行器具备GPS导航，避障，图像通信等一系列功能。

我本人从高三开始研究多旋翼飞行器，从套机到自主设计，制作了不下二十架多旋翼。极客什么的称不上，但是我是一名切实的多旋翼爱好者。接下来，我会分享一些基本的多旋翼知识和制作的经验。

多旋翼飞行器是如何工作的？

多旋翼飞行器的外形各不相同，但它们一般是这个样子的：飞控处于中间，多个机臂向外延伸开去。飞控通过数个电子调速器，控制着机臂外端的电机。当你通过遥控做出动作时，飞控就从接收机获取信息，给各个电机分配不同的转速，从而做出动作。同时，飞控也从陀螺仪和加速度计中获取信息，并以此分配电机转速，保证整个飞机稳定。

一般使用的遥控器，它们的工作频率为2.4G，和无线网络频率相同；但不要担心干扰，因为多数遥控器都能够通过跳频来避免干扰。

多旋翼飞行器使用电池飞行。它使用的电池，和手机、笔记本电脑一样，是锂电池。但不同的是多旋翼飞行器使用的是超大倍率锂电池——它具有十分大的放电电流，甚至可以达到200A。

多旋翼飞行器通常使用航模无刷电机，这种电机需要特殊的电子调速器来驱动，但这物有所值：它的重量很小，但功率却很大——一个鸡蛋那么大的电机的功率甚至可以超过一千瓦。

飞控板看上去十分高端，其实不然。相信不少人知道arduino编程语言，它是2005年由意大利工程师研发的。目前的飞控大多数为arduino编程。例如著名的APM飞控便是使用mega2560作为主控芯片，外接磁力计、气压计等等一系列传感器，以组成一个无人机飞控系统。

如何确定载重？

有些人可能看过Domino的飞行器搬运披萨视频，但是就多旋翼的负载能力来说，运送披萨是小事一桩。

现在能够实现的最大载重——是由一个德国团队创造的 。E-volo实现了载人多旋翼飞行器。它的飞行高度并不高，但确实升空了。

盲目追求大载重是不可取的，没有人会愿意为了搭载一部相机而花费上千万打造一部100kg级别的多旋翼。确定需要的载重，再来确定飞机配置。

空中摄影

这是很多人接触飞行器的原因。要知道使用飞行器升到100米高空记录周围的世界，这情景简直和梦幻一样。当然，有些飞行规定必须遵守，例如不能在机场周围飞行，飞行高度不能超过120米等等。

如何选择机型？

最普遍的多旋翼飞行器外观是有四个电机的四旋翼飞行器。有十字型的四旋翼，也有X型的旋翼，还有不那么普遍的Y型四旋翼（前两机臂安装单电机，后机臂上下电机）。

不同的布局有什么优劣之分吗？十字型和X型布局更为普遍（事实上大多数都是X型），但选择机架一般都是根据喜好和需要来，例如十字型操控更直接，Y型折叠后方便携带，等等。

六旋翼飞行器——基本的设计就是前后各有一个电机，两边各分布着两个电机。H型六旋翼在左右两个机臂上各自均匀分布着3个电机。Y型六旋翼，也就是Y6，每个机臂上下各有一个电机。

当旋翼数扩展到8以上时，会有更多的机架布局。

使用四旋翼入门非常不错。因为四旋翼更容易操控，设置更简单直接，成本也比较低。

虽然更多的旋翼意味着升力的提升，但同样也意味着成本的提高。要维持飞行时间必须使用更高的电池容量。但是这是值得的：六旋翼和旋翼有一个优势，就是冗余动力。八旋翼飞行器即使丢失一个电机的动力，它还是能够保持飞行状态。在六旋翼上，根据布局的不同，丢失一个电机的动力，飞机勉强能够降落。但是在四旋翼和三旋翼上，丢失一个电机的动力会使它直接坠机；当然，在TED上也演示了一种不同的四旋翼飞行器稳定方法，但是采取不停自旋的动作来维持稳定显然不是一般人能接受的。

多旋翼飞行器的尺寸各不相同，但是通常最受欢迎的轴距有550mm，450mm，330mm。实际上，任何轴距都可以，只要用用更大的电机和电池来适配更大的轴距。所以，机型选择也是一种平衡：尺寸、重量、升力和续航之间互相关联。

如何获得材料？

在动手之前，确定好需要哪些材料是十分重要的，包括电机，电子调速器，飞控，机架的确定。通常这些都可以在电商网站上买到，如果想要进一步DIY，尝试定制部件，或者自主设计，外包加工也是一个不错的选择。

建造自己的飞行器！

极客，不拥有一架自己的飞行器怎么行？接下来我会展示如何制作一台四旋翼飞行器。

不断地研究

450-600mm轴距的X四旋翼显然是最简单的选择——它的扩展性很高，可以搭载gopro之类的相机，也可以配备其它传感器。如果是购买成品机架，我推荐大疆的F450风火轮机架，虽然有点笨重，但是强度很高，机身自带焊点，可扩展性也大。

飞控板很小，但是功能却十分强大。它有陀螺仪、气压计、磁力计等一系列传感器，是整个飞机的灵魂。对于极客我推荐APM飞控，这是一款基于arduino的开源飞控，功能强大，可改造度高，但可能会需要一些英文基础。想要更快上手的朋友可以选择大疆的NAZA飞控，这是一款商品飞控，十分可靠并且容易上手。

选择电机

最难挑选的配件就是电机。由于拉力、重量和电池容量之间的内在联系，由最低的花费来打造最好的搭配，几乎不可能。我推荐的是朗宇V2216kv800的电机。22是指电机定子内径，16是指电机定子长度。电机越长或者越大，动力越充足。

选好电机后，就可以选择电子调速器了，也就是用来连接飞控板和电机的部件，可以控制电机转速。电调的安培应该足够大，大到可以稳住电机的功率。中特威的蜘蛛20A/30A十分具有性价比，好盈的飞腾30A也十分不错。但是要注意一些标有opto的电调，它们将不会对飞控供电，也就意味着需要另一个独立的5V降压模块（ubec）来给飞控供电。

电池和螺旋桨

最后的主要部件是电池和螺旋桨。理论上，只要螺旋桨不互相打到对方就可以，但是也要考虑到电机的功率和转速来选择合适的螺旋桨。电池电压越高，转速越快，也会影响桨的选择。对于V2216，可以使用14.8V 4200mah的电池搭配1045螺旋桨。这样的搭配，续航可以达到二十分钟。需要一提的是，锂电池有一定的危险性，应该注意使用安全，例如存储电压3.85V，不要大电流充电等等。

遥控器

遥控器是最重要的一部分，直接决定飞行器的可靠程度。一些廉价的遥控器采用翻新元件，容易产生失控现象。熟悉英文的同学可以选择futaba，jr之类的品牌控，喜欢折腾的同学可以选择FS ER9X，taranis x9d等开源系统的遥控器，喜欢用中文遥控的话，也有天地飞可以选择。

一些小部件

在装配的过程中，我们会需要一些小部件：例如XT60电源插头，3.5mm香蕉插，3P杜邦对插头等等。以及一些尼龙扎带，尼龙搭扣，对于安装设备很有用处。这些都可以在网上购买到。

等到所以配件到齐，装配完成后，我们需要检查一遍所有的连线：电源到电子调速器到电机，电子调速器到飞控，飞控到接收机。另外还应该特别注意螺旋桨并没有安装在飞行器上，以免第一次调试出错造成伤害。

飞行 ？

在下了这么多功夫之后，要把这一堆心血飞上天是很让人紧张的事。现在，检验成果的时候到了。

飞行器就像是飞行的刀片——它的螺旋桨非常锋利，以至于它可以轻松割伤手臂。想象与一下一台五百瓦功率的电风扇到处飞吧——一台吊扇功率也只要60瓦。因此起飞前，应当做好调试工作，并且在正式飞行时安装好螺旋桨。一般飞行时可以选择一个人流量很少，比较空旷的地方。

第一步是检查。螺旋桨安装情况，飞控指示灯的闪烁，是否通过自检，是否是普通的姿态模式飞行。之后需要解锁。将遥控器打到某一位置保持几秒就可以解除锁定，进入待命状态。这时一推油门，螺旋桨就可以转动起来，慢慢加速，等推到50%左右就可以起飞了。飞机起飞后很可能会往某一个方向漂移，这时就需要操控飞行器往反方向飞行以保持在原地——这就是最基本的定点练习。等到定点无压力后，可以尝试快速飞行，旋转，偏移等一系列技巧了。练习过程中难免会有坠机，这时就需要多买几副螺旋桨备用了。

飞行时必须注意的，是安全因素。而且，不仅仅是自身的安全，也有身边人的安全，尤其是在一些十分危险的飞行环境中。下面是一些最基本的安全技巧：

• 永远不要在有小孩子或者人多的地方飞行。

• 永远不要在电线边飞行。

• 在接近你的飞行器之前，确保飞机已经锁定。

• 先断开飞机电源，再关遥控器。

• 养成失控关闭油门的习惯。

• 永远不要把飞行器飞的太高、太远或太快，会导致无法操控飞行器。

装载相机，扩展功能

任何机型都能够搭载相机。通常，运动相机（如gopro）会比较适合用来空中摄影；如果是想拍照的话，常规相机也是不错的选择（例如sony的QX100）。但是要确保挂载相机后总重在电机承受范围之内。要保证摄影的稳定，一个云台是非常必要的。通常会使用一个无刷云台，它通过电子电路来抵消空间位移，如同一个鸡头，它能保证摄像不晃动。

一些功能强大的飞控可以提供更多功能。例如APM飞控，搭配一些模块之后，甚至可以让它自动起飞，按照在地图上设计好的线路飞行，到某个点执行任务，然后返航。整个过程中不需要任何的人为干预。

很快，极客们会想把很多东西带到飞行器上去。但是如果负载太多以至于超过电机负荷，电机会烧掉。不过也有办法搞清楚飞行器究竟能负载多大的重量。

能够起飞只不过说明了飞行器的升力比重量大。大多数的电机都会说明在某种型号的螺旋桨下能够提供多大的升力。螺旋桨越大，升力越大（在一定范围内），需要使用的功率就越高。根据螺旋桨尺寸，把每个电机的升力乘以四，就是飞行器能提供的最大升力了。用电子称得到你的飞行器的起飞重量。总升力和起飞重量之差就是你的飞行器能够负载的额外重量。或者也可以这样表示：

                      额外负载=总升力-起飞重量

负载过大会使电机总是工作在峰值。电机功率越大，电池消耗越快。这就意味着在一般情况下15分钟的续航时间可能会减少到3分钟。尽管电机负载很高，还是得确保不让飞行器超过最大负载，或者是在做动作时不超过相应电机的最大负载。这也是设计和建造自己的飞行器的乐趣之一。更多的乐趣，就看各位极客们如何发挥了。