折腾无极限，爆改小直升飞机

创作立场声明：本人非相关方向的从业人员，只是一名普通模友，文章的内容欢迎大家深入探讨

很早之前就想搞个小直升机来玩玩，几年前从车玩到多轴，后来又搞穿越，一直想要玩直升机，但一直没时间。正好这段时间因为疫情没法去学校，就开始安排了。因为这回用的arducopter的固件，支持许多外接设备，所以就先添加了这些东西，买的用于电机温度测量的传感器和北斗导航模块还在路上，文章有点技术性，不想了解的可以直接后面看图看效果 。

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原装件换1020电机

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有人在卖的两架伟力V922机身，不包好坏100块包邮。

伟力V922也是许多年前的型号了，当时配备的超轻直线舵机现在已经很少了。

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

部分原理图

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arducopter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50px，主旋翼变为562.5px。

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。

原来的桨

新换的桨

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。

动力系统

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，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。

飞行性能分析

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，当然这显然不是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。

飞行展示

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