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DIY Raspberry Pi 无人机：机械结构

今天，我们将使用一些现成的组件组装一架能够拍摄高质量航拍照片和稳定高清视频的四轴飞行器。 该飞行器还将配备多种安全功能，因此即使是新手也可以放心地操作四轴飞行器。 四轴飞行器的实时视频流通过 Wifi 从 Raspberry Pi 传输到移动设备。 无人机上还有一台 Linux 计算机，可以发挥很多创造力——额外的传感器、计算机视觉等。

在本系列的第一部分中，我们首先介绍四轴飞行器硬件 - 需要哪些部件、它们的作用以及它们如何组合在一起。 在本系列的第 2 部分和第 3 部分中，我们将介绍四轴飞行器的软件 - 故障保护功能、远程控制和飞行模式。

硬件：

工具：

在开始这个项目之前，我们必须了解四轴飞行器的每个部分是做什么的。 下面列出了构建此四轴飞行器所需的部件及其用途，以及本教程中使用的每个部件的确切模型。

组装步骤：

第 1 步：将电调焊接到底板上

我们使用的 DJI F450 机架由一个顶板和一个底板组成，安装时应将四个臂“夹在中间”。 每只手臂的末端安装了一个电机，手臂下方安装了一个电调。 这两块板将四个臂固定在一起，并为四轴飞行器上的所有组件提供安装表面。

图 1：DJI Flamewheel 机架底板 / © QuadcopterGarage

基板有一个非常重要的功能：它将电池的能量分配给所有的电调。 如上图所示，背板上有五对正极和负极焊盘——一对用于每个电调，一对用于电池连接器。 每个ESC（Electronic Speed Controller）都有两根线：一根两线的PWM信号线和一根较粗的黑色电源线。

图2：电子调速器（ESC）

目前我们只关注调速器的电源线，然后把PWM信号线接到飞控上。 这个电源线太长了，你可以剪到12cm左右长。 然后剥去电源线上的一段黑色绝缘层，露出红线（正极）和裸线（负极）。 将红线焊接到焊盘 (+)，将裸线焊接到焊盘 (-)。 为了防止短路，我在焊盘上涂了热胶。 请对每个电机重复此过程。

第 2 步：将稳压器和电池线焊接到基板上

将 ESC 焊接到底板上后，您会看到剩下一对焊盘（图 1 中的底部焊盘）。 这对焊盘用于连接电池引线和稳压器引线（图 3）。

图 3：两个白色腿之间的黑色矩形调节器

NAZA-M Lite 盒子应包含两根粗线 - 一根红色和一根黑色。 将盒子中的红线和稳压器中的红线焊接到正极 (+) 焊盘。 将盒子中的黑线和稳压器中的黑线焊接到负极 (-) 焊盘。 为了防止短路，我在焊盘上涂了热胶。

图 4：焊接到配电板上的电池和稳压器线

第 3 步：连接 T 型接头

我们不能直接将电池焊接到上述电线上，因为那样我们将无法更换电池或为电池充电。 要将电池连接到底板中的配电板，我们需要将公 T 形接头焊接到我们刚刚焊接的两根电线上。 为此，将连接器的短边朝上，将红线焊接到较短的水平部分，将黑线焊接到较短的垂直部分（请参见下图中右侧的连接器了解极性）。

图 5：T 型接头的极性 / © Ruberkon

这是完成焊接后接头的样子（我用电工胶带覆盖了裸露的金属hdmi焊接头，你当然可以使用热缩）：

图 6：连接电池的 T 型接头

第四步：安装飞控

图 7：NAZA-M Lite 飞控 / © djicdn.com

把NAZA-M Lite自带的黑色双面胶剪成和飞控一样长。 撕下双面胶一侧的保护膜，将其牢牢贴在底板中间。 然后，将飞行控制器标有 M1、M2、M3 等的一侧朝向您认为是四轴飞行器前部的底板一侧。 撕下双面胶另一面的保护膜，将飞控贴在上面。

第 5 步：安装 RC 接收器

我选择将RC接收器安装在机架背面底板的底部延伸处，用热熔胶或双面胶简单固定即可。 从接收器出来的电线是天线，在组装支腿之前暂时忽略它。

图 8：位于机架背面下方的接收器

第 6 步：将接收器的伺服线连接到飞行控制器

接收器上每三列引脚输出一个PWM信号。 在 RC 世界中，每个 PWM 信号都称为一个通道，代表操作员命令的一个组成部分。 例如，接收器的通道3是操作员需要的加速度信号。 为了使飞控能够接收到操作员的每一个指令，我们必须使用PWM信号线将接收器上的每个通道连接到飞控。 请注意，PWM 信号线上的橙色（信号）线在插入飞控时应朝上，棕色线的另一端在连接接收器时应朝下。

图 9：接收器的 PWM 信号线 注意电线的插入方式，橙色线应位于顶部。

PWM信号线连接如下（左边的通道号在接收机上，右边括号里的字母在NAZA的背面）：

第七步：将电调舵机线连接到飞控

还记得我之前提到的 ESC 的两线伺服线吗？ 现在，我们将它连接到飞行控制器。 飞机坠毁的一个常见原因是电调与飞控连接顺序错误，所以我们必须第一时间正确安装设备。

在NAZA-M Lite的正面，你会看到多列标有M1-M6的引脚，我们只需要连接M1-M4即可。 您必须根据下图将电机连接到飞行控制器，其中红色臂是四轴飞行器的前部。 例如右前电调的舵机线必须接M1； 左前电调舵机线必须连接到M2，依此类推，逆时针旋转。

图 10：NAZA 电机编号定义

第 8 步：将顶板连接到手臂上

图 11：机架的侧视图

现在我们已将所有电子设备安装在底板上，是时候从顶板开始并将顶板和底板与臂固定在一起了。 您可能已经注意到，DJI F450 框架包含两条红色臂和两条白色臂。 我们可以把两条红色的手臂放在四轴飞行器的前面，两条白色的手臂放在四轴飞行器的后面，当四轴飞行器在空中时，我们就会知道它的前方是哪个方向。

图 12：每个臂都用螺栓固定在顶板上

使用框架附带的螺栓将臂固定到顶板上，每个臂四个螺栓。 确保两个红色臂位于 NAZA 侧，ESC 伺服线连接到 M1 和 M2 - 这将是四轴飞行器的前部。 在下一步之后，您会看到每个手臂实际上都“夹在”顶板和底板之间。

第 9 步：安装支腿和底板

图 13：机架支腿

F450 ARF 套件附带的白色支腿（如上图所示）负责在起飞和降落期间保护四轴飞行器下方的重要电子设备。 请使用机架随附的长螺栓固定支腿。 支腿应直接位于手臂下方。 安装时，螺栓应穿过支腿、底板，进入小臂底部。 确保电调电源线在臂底部的弧形下方从机架中出来。 请对每只手臂重复此过程。

图 14：位于手臂正下方的支腿。 注意 ESC 线穿过手臂空间的方式。

图 15：支脚如何连接到机架底部

第 10 步：将电调安装到手臂上

现在框架的核心已经形成，我们可以开始将各种组件连接到手臂上。 您可以使用电缆扎带将每个电调连接到机械臂的下方，如下图所示。

图 16：使用卷起的带子将 ESC 固定到框架臂上

第 11 步：用螺栓将电机安装到机械臂上

请将电机安装到每个臂的末端，电机的旋转方向如下图所示。 电机的旋转方向在电机的侧面。 例如，请在左后方安装逆时针电机，在左前方安装顺时针电机。

图 17：NAZA / Ⓒkenstone6.net 的电机编号定义

第 12 步：将电机引线连接到 ESC

图 18：连接到 ESC 的三根电机线

将每个电机的三根导线连接到相邻 ESC 前面的三个孔。 在这种情况下，电线的连接顺序无关紧要。 （如有必要，我们将更正第 2 部分中的行顺序）。

第 13 步：将 LED 模块连接到飞控和 Arm

NAZA-M Lite 随附的这个小模块集成了 LED 指示灯（如低电量警告、良好的 GPS 锁定指示）和一个 USB 端口以连接到您的 PC。 LED模块如下图所示。 将长电线的一端连接到 NAZA-M Lite 背面标有“LED”的插槽中。 我们将在本教程的第 2 部分中使用此 USB 端口配置飞控。 我将模块热粘在左后臂的一侧。

图 19：后臂上的 NAZA-M Lite LED 指示灯模块

第 14 步：安装 GPS

NAZA-M Lite 附带的 GPS 具有安装杆。 将GPS安装在这个安装杆上可以增加电机和电调与GPS之间的距离，从而减少电磁干扰的可能性。 GPS 杆分为三个部分：底座，有四个腿； 一根细杆（与底部和顶部紧密连接，接头处有胶水）； 和一个用于安装 GPS 的平顶。 我将 GPS 安装杆安装在机架的右后端。 GPS 电缆末端的连接器与 LED 模块上的连接器相同。 请将 GPS 线连接到相邻 LED 模块的“EXP”插槽。

图 20：安装在机架顶部的 GPS

第 15 步：安装树莓派

图 21：安装在机架底部的树莓派

我发现安装 Raspberry Pi 最方便的地方是在支腿之间的底板上以及它连接到机架的地方（见上图）。 请将 GPIO 引脚朝下，使 USB 端口朝向电池连接器。 树莓派不能与底板平面接触，所以不能用双面胶粘贴。 我用热胶将四个角贴在腿上。

第 16 步：安装稳压器

当我们处理四轴飞行器的底部时，电压调节器可以粘在基板上，就在其电线焊接位置的正下方。

图 22：两个白色支腿之间的黑色矩形调节器

第 17 步：安装树莓派摄像头

由于 Raspberry Pi 摄像头的目的是提供四轴飞行器飞行前部的实时视图，因此应安装在四轴飞行器的前部。 我将一小块纸板热粘到两个臂之间的机架前面，然后将 Raspberry Pi 相机粘到纸板上（见下图；我的相机有一个广角镜头，所以你的相机看起来可能略有不同).

图 23：图的上半部分是 Raspberry Pi 摄像头拍摄四轴飞行器的第一人称视角 (FPV) 图像。 图片的下半部分是我们即将安装的云台的顶部。

您的 Raspberry Pi 相机应该已经带有一根柔性电缆。 柔性电缆的另一端必须连接到四轴飞行器底部的 Raspberry Pi。 首先将柔性电缆穿过硬纸板的背面并穿过正下方的孔； 然后稍微弯曲柔性电缆，使电线上裸露的金属背对 USB 端口。

图 24：相机与树莓派的连接

要将柔性电缆连接到 Raspberry Pi，请轻轻拉下标有 CAMERA 的黑色连接器上的白色盖子（在 HDMI 端口和音频输出/复合视频输出端口之间）。 牢固插入电缆，确保电缆均匀插入。 抓住柔性电缆，同时用我们之前打开的白色盖子将其锁定到位。

第 18 步：使用稳压器为飞控和树莓派供电

图25：稳压器的棕红线分别焊接到Micro USB数据线的正负线上

我们之前安装的电压调节器提供 5V 输出，方便为飞行控制器供电。 我们还可以使用这个 5V 电源为 Raspberry Pi 供电。 为此，我从电压调节器的 PWM 信号线上剪下红色和棕色线，并将它们分别焊接到 Micro USB 线的正极（红色）和负极（黑色/棕色）线上。 务必将 PWM 信号线的末端也焊接到这个新线束上！ 否则，您将无法为飞控供电。 然后只需将 Micro USB 数据线插入 Raspberry Pi 即可为其供电。

给飞控供电，将稳压器的PWM信号线接到飞控背面的X3插座上。

第十九步：安装稳定云台

图 26：装有橡胶球的万向节侧视图

万向节通过六个防抖橡胶球连接到四轴飞行器的框架上，这些橡胶球充当防止相机抖动和旋转运动的第一道屏障。 安装胶球时，必须先将其装入云台下部的小孔中，然后将球的顶部装入云台顶板中。 为了防止云台在飞行中掉出来（如果防抖球碰巧坏了），我在球孔中间的云台两边各贴了一块胶带。 完成此步骤后，机架应与上图类似。

第 20 步：将万向节固定到框架的前延伸部分

图 27：已安装螺栓的万向节俯视图

为了减少四轴飞行器的支腿在快速转弯时进入框架的机会，我决定将云台用螺栓固定在框架的前延伸部分（如果云台安装在框架的中心下方hdmi焊接头，那么支腿更有可能进入框架出现在拍摄画面中）。 为此，我将 M3 螺栓头（您也可以使用 M4 螺母和螺栓，但需要将两个后孔的尺寸加大一点）插入云台顶板的两个孔中，然后插入另外两个M3 螺栓插入宽开口的右下角（螺栓位置见上文；注意小箭头的方向表示万向节的前部）。

然后我在每个螺栓上安装了一个螺母并拧紧，将其固定到万向节上。 为了将万向节固定到框架上，我将螺栓滑入框架前部延伸部分的两排开口中，并用螺母固定它们（要查看如何将万向节用螺栓固定到框架的前面，请参见下文）。

图 28：树莓派相机和云台前视图

第 21 步：制作单独的电池接头延长线并将其焊接到云台电源线上

FeiYu Tech Mini 3D Gimbal 需要连接电池才能正常工作。 我特意做了一个电池连接器延长线，也剪掉了云台电源线上的JST连接器，将电源线焊接到延长线上。 延长线由公丁字头、母丁字头和中间焊接的云台电源线组成。 使用延长线后，我们就不用再将云台电源直接焊接到配电板上了。 这样，就可以将云台从框架上取下来进行运输，或者实现不带云台飞行的可能性。

图 29：如何将万向架线（上面的红色和黑色细线）焊接到延长线上

第 22 步：将相机安装到云台上

图 30：安装在云台上的小米易相机

本项目使用的小米易相机比这款云台设计自带的GoPro略大。 但是，如果先拧底部螺栓，再拧顶部螺栓，小米易相机仍然可以正常安装，无需对云台进行任何修改。

第 23 步：将手机支架连接到发射器

图 31：安装在发射器背面的手机支架

具体手机座的安装步骤可能不一样，我的手机座我就用了一个比座子的吸盘稍大一点的带双面胶的圆盘。 我首先用双面胶带将冰球牢固地粘在发射器的背面。 然后，将吸盘（即手机支架）固定到发射器上。 将支架的金属板（手机支架随附）粘到手机外壳后，弯曲支架的柔性臂，以便在正常握住发射器的同时可以看到手机屏幕。 手机支架的侧视图见上图。

手机支架末端的磁铁通过上述金属板将手机固定在支架上。

第 24 步：安装发射器电池

只需取下发射器的电池盖并将 AA 电池装入电池盒即可。 然后，将电池盒的小接头按照两针附近印制的极性插入发射器（如下图发射器电池槽内视图）。

图 32：变送器电池连接器

图 33 四旋翼侧视图

图 34：四轴飞行器底视图（照片中没有树莓派）

恭喜！ 您刚刚完成了航拍四轴飞行器的组装。 然而，四轴飞行器目前无法正常飞行。 在第 2 部分和第 3 部分中，我们将介绍如何配置四轴飞行器的软件、学习如何驾驶它并进行一些飞行测试。

-结尾-

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