本帖最后由 449294177 于 2020-3-19 17:18 编辑
很早之前就想搞个小直升机来玩玩，正好这段时间因为疫情没法去学校，就开始安排了。
本文主要分成5个部分，硬件部分，动力系统，图片集中介绍，飞行性能分析，视频展示。
首先是硬件配置
机身及伺服器：伟力V922原装件
电池：花牌3.8v 1S 450mah 85c
主控：omnibusf4V3
桨叶：大疆8331f
尾桨：45mm
接收机：LOLI8通，带100mw回传
电调：LOLI双路单向有刷电调，刷修改固件
激光测距模块：VL53L1X
光流模块：CX-OF V3.0
外置罗盘：HMC5883
转速传感器：红外光电式传感器
接下来就按上面的顺序一一讲解
一． 机身
机身是之前在咸鱼上看到有人在卖的，两架伟力V922机身，不包好坏100块包邮。
因为包装的原因，送过来断了一个脚架，一个尾桨，除了机身上螺丝有点生锈，其它都还好。
原机身没啥好说的，本来也是玩具，质量不做要求了。
二． 电池
咸鱼上30收了两块电池和一个充电器，成色挺新，感觉花牌这个电池还是不错，为了主控的正常工作买的高压电池。
三．主控
主控也是咸鱼上40收的，不带图传的LC滤波，板载的开关降压器也挂了，其它没问题。
为了能让这个主控在低至3.4V的电压下仍然可以正常工作，我对主控电路进行了一些改造。
首先可以发现这个主控的所有设备都工作在3.3v，所以从原理上是可以实现的。
通过查看原理图可以发现输入电压要先经过一个肖基特二极管然后输入3.3v的稳压管后给主控及其它设备供电。
这个二极管正向导通压降至少为0.2v，稳压管为0.1v。所以必须短接这个二极管，这样做的后果就是当插着USB的时候不能插电池，因为此时USB5V经过二极管后会直接输入电池。
去除了一些没有用的插座和开关稳压电路的那个电感。顺便拓展出了一个串口，原来的电路上RX6和RCIN是连接在一起的，查看原理图后发现把PPM/SUBS那个焊盘中SUBS和中间焊点的预置连接切断就可以了。这样以后可以再接个GPS或者数传。
四．桨叶
因为我已经用APM固件了，就不考虑飞3D了，摔了也不好修。所以就优先考虑桨效了。正好发现大疆的这个桨叶，感觉气动外型不错，还是降噪桨。到货后发现桨跟略厚一点，打磨了一下安装上，直径短2cm，主旋翼变为22.5cm。
通过推力公式计算，直径（厘米)×螺距(厘米）×浆宽度（厘米）×转速2（转/秒）×1大气压力（1标准大气压）×经验系数（0.00025）=拉力（克）
这个桨在5180RPM下推力为180g，同直径可以计算得60g推力下为2990转，考虑直径变大的原因，转速会更低。
查看了一些论文，我预估噪声为58Db左右,实际上齿轮和尾桨声音过大就不做测试了。
尾桨从原装36mm换成了小螺距的45mm桨叶，提高了一些效率。
五．接收机
接收机是咸鱼上买遥控器的时候送的，有点小重，以后换一个能轻2g，带个电压回传，其它没啥了。
六．电调
因为是有刷电机电调就比较简单了，直接用最轻的电调就是，一个电调可以直接解决尾桨和主旋翼的供电。为了更好的锁尾，我修改了一下原理的程序，提升了分辨率和PWM频率。
七，激光测距模块，光流模块
这两个都是淘宝上的，重量也比较轻，加起来差不多2g。
八．外置罗盘
因为F4飞控本身不带罗盘，就只能外置。其实如果它自带罗盘也没法用，大家可以看到我罗盘给放到尾杆上了，这是因为我尝试过放在主板前的不同位置，都会受到严重的干扰，甚至直接就bad compass health，只有扔到后面，顺便就把激光模块也放到它下面，便于走线。
九．转速传感器
为了使电机工作在最佳工作点，同时启用APM自带的转速控制器，自制了一个光电式转数传感器。转速传感器除了电调输出以外，有霍尔式和光电式，但是霍尔式需要有磁体在大齿上，难以操作。我就拿光电对管和LM393做了一个光电式传感器，总重0.7g，不会影响大齿的平衡，特别做了一些修改，让它在太阳底下也能工作。
硬件介绍完了，讲讲动力系统设计。
首先，我认为总推力的效率由连接损耗，电调效率，电机效率，传动效率，桨效率，尾桨效率，控制因素叠加。
连接损耗：就是指各种插头，线的阻抗，因为我除了电池以外均是焊接，所以连接损耗就是电池插头的阻抗损耗，后面可能会换成小香蕉头。
电调效率：就是MOS管内阻及续流二极管的损耗，这里我用得AO4402，导通电阻5毫欧多，比插头电阻还小，算是可以了。
电机效率：这个参数非常重要，大家可以从下图中看到
这是N30电机的效率图，虽然型号不是飞机上那个，但是趋势和效率应该是一样的
这是我更换的1020空心杯电机的效率图
其实查下资料就可以发现无刷电机趋势也是这样，最高效点都是在低扭高转取得的，而且效率变化幅度很大，N30/N50这种电机最高效率47%左右，空心杯75%左右，无刷电机75%-83%。也就是说其实用得好，无刷和空心杯效率还是比较接近的，当然无刷的最大功率高多了，过载能力也很强，单电机重量也小。
所以我们可以计算一下，我买的空心杯是3.7v时40000转，那么取0.875倍为设计负载转数就是35000转，乘7/61的齿比，主旋翼就要在4000转左右，很显然和我们刚刚计算的2990转相差甚远，但是我们可以调节油门大小，使空载转速降低，从而使电机高效转数点下降直到，同时减少螺旋桨螺距（可能会降低桨效），提升桨速，最终匹配上。
传动效率：这个就是齿轮的传动效率，一般来讲这种直齿轮传动效率还是挺高的，都是95%左右，但是我看它那个大齿齿型貌似不是标准的渐开线齿型，和我新买的渐开线齿轮装配上以后也确实结合不好，空载磨合了两块电以后才变得很顺畅。
桨效率：原装桨效率相当低，因为是为3D飞行设计的，可以理解。我更换为大疆的8331f桨，效率提升挺大，噪声也减少不少，直径还小2cm，都变成80级的小飞机了。
尾桨效率：直升机很大一部分功率花在尾电机上，减少尾电机损耗也相当重要。一是从提高尾桨效入手，换用效率更高的尾桨，二是从减少尾桨推力入手，就是减少主旋翼的扭矩，从这点也更倾向于使用高转低扭的主旋翼。
控制因素：这个影响比较小，主要是使飞行控制更加稳定，减少无意义的能量损耗。
下面看看图再讲
大家可以看到我使用插针把接收机电调都固定在主控上，并且使用了大量的漆包线作为小电流供电及数据的导线，同时在某些地方用胶点了一下，避免因为晃动破坏掉漆包线表面的绝缘层。
机身和尾杆上用天然复合材料（牙签）加固了一下，减少晃动。
接下来就是飞行性能分析了
得益于mission planner强大便捷的功能，可以进行一些分析。
先上续航10分钟的截图，再优化工作点一下应该能到11分钟多，下来电机都是温热，估计就40多度，比摸额头略热一点。 然后可以通过快速傅里叶变换把IMU采集到的震动数据从时域变换到频域
可以看到左侧的主峰对应的是3000转左右的主旋翼震动，右侧逐渐递减是2，3，4次谐波的波峰，最右侧的尖峰是尾桨17000转的震动。 所以我想如果搭载计算性能足够强的处理器和采样率足够高的IMU，应该是可以做到不需要转速传感器的，但是这显然不是100块以内搞得定的。
从上面两图可以看到震动非常小，主要是空心杯和桨叶震动均较小，这也有助于提升滤波器低通频率和光流传感器数据质量。
这是电机油门输出，中间出现的震荡是转数控制器在调节，根据wiki上的介绍，它的转数控制器不是PID控制器，而是一种类似于 瓦特蒸汽机调速器数字模型的东西，要基于原油门曲线基本符合的情况下才能使用，曲线后面我再调整。 可以看到油门基本是在43%-58%之间，说明冗余升力充足，其实我之前试过38%油门也能起飞，但是估计不在高效点。 其它都是一些普通参数就没什么讲的了。
接下来是飞行展示，光流用得默认参数，会有丁点抖，后面再慢慢调。
今天又调整了油门曲线，续航破11分钟
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发表于 2020-3-17 13:28
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