无人机设计教程，从零开始怎么学？

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无人机设计全攻略：从零到一的完整教程

设计一架无人机不仅仅是拧螺丝，它是一个融合了空气动力学、电子工程、编程和物理学的综合性项目，本教程将分为七个核心部分,带你系统地完成整个过程。

（图片来源网络，侵删）

第一部分：核心概念与原理

在开始动手之前,必须理解无人机飞行的基本原理。

无人机类型

多旋翼: 最常见的类型，如四旋翼、六旋翼、八旋翼，特点是悬停稳定、操控灵活，但飞行速度慢、效率低，适合航拍、短距离侦察。
固定翼: 像传统飞机，依靠机翼产生的升力飞行，特点是飞行速度快、续航时间长、效率高，但不能悬停，需要跑道弹射或手抛起飞，适合大面积测绘、长距离巡航。
垂直起降固定翼: 结合了多旋翼和固定翼的优点，垂直起降，巡航时像固定翼，设计最复杂,通常由资深玩家DIY。

本教程将以最常见的四旋翼无人机为例进行讲解。

飞行控制原理

四轴基本结构: 四个电机,呈X型或十字型布局。
姿态控制: 飞控是无人机的“大脑”，它通过内部的陀螺仪和加速度计感知无人机的姿态（俯仰、横滚、偏航）。
电机差速: 飞控通过控制四个电机的转速差来实现姿态变化。
- 前进: 前方两个电机加速,后方两个电机减速。
- 向右横滚: 右侧两个电机加速,左侧两个电机减速。
- 顺时针旋转: 顺时针方向的两个电机加速,逆时针方向的两个电机减速。
- 上升/下降: 四个电机同时加速/减速。

第二部分：核心部件选择

选择合适的部件是成功的关键,以下是一套典型的四旋翼无人机部件清单。

飞控

功能: 大脑，负责处理传感器数据、接收遥控信号、控制电机。
推荐型号 (入门级):
- F4/F7系列飞控: 如 Holybro Pixhawk 4、ArduPilot/PX4，功能强大，开源，社区支持好,是DIY的首选。
- Caddx Vista + DJI O3 (高端): 集成了图传和飞控，性能极佳,适合FPV竞速。
关键点: 确保飞控支持你选择的电机电调和遥控器协议。

电机

参数: KV值、尺寸、功率。
- KV值: 每伏电压下，电机空转的转速。KV值越高，转速越快，螺旋桨越小；KV值越低，转速越慢，螺旋桨越大。
- 尺寸: 如 2207、2306，前两位是定子直径，后两位是定子高度，尺寸越大，扭矩越大，适合更大、更重的无人机。
选择建议:
- 航拍/FPV: 选择高KV值（如 2300-2800KV）的电机，搭配小尺寸高速桨,追求灵活和速度。
- 长续航/载重: 选择低KV值（如 800-1200KV）的电机，搭配大尺寸慢速桨,效率和升力更好。

电调

功能: 飞控的“手臂”，接收飞控的低功率信号,并将其放大为能驱动电机的大电流信号。
参数: 电流，电调的电流必须大于电机在最大功率下的电流，并留有一定余量（通常多20%-30%）。
选择建议: 选择与电机功率匹配的电调，使用2207 2300KV电机,通常选择30A或35A的电调。

电池

参数: 电压、容量、放电倍率。
- S数: 电池的电压，4S电池 = 4 * 3.7V = 14.8V,电机KV值要与电池S数匹配。
- 容量: 单位是毫安时，容量越大，续航越长,但重量也越大。
- 放电倍率: 电池能安全输出的最大电流，一个1500mAh 25C的电池，最大持续放电电流为 1.5A * 25 = 37.5A。
选择建议:
- 入门/FPV: 4S电池是主流,能量密度和放电性能平衡得很好。
- 品牌: 选择知名品牌（如 Tattu, Gens ace, Diatone）,安全有保障。

螺旋桨

参数: 尺寸、螺距、正反桨。
- 尺寸: 如 5英寸、6英寸、7英寸，尺寸越大，升力越大,但转速越慢。
- 正反桨: 四旋翼需要两个顺时针旋转的（CW）和两个逆时针旋转的（CCW）桨,以抵消扭矩。
选择建议: 螺旋桨必须与电机KV值和电池S数匹配，2207 2300KV电机通常搭配5英寸桨。

机架

功能: 承载所有部件。
类型:
- 航拍机架: 通常为X型或十字型，结构坚固,有减震云台安装位。
- FPV竞速机架: 专为FPV设计，非常轻便,有保护桨臂。
尺寸: 与螺旋桨尺寸对应，如5寸机架、6寸机架。

遥控器和接收器

遥控器: 你的“手”，控制无人机。
- 通道: 至少需要6个通道（油门、副翼、升降、方向、陀螺仪锁定、模式切换）。
- 协议: 现代遥控器支持多种协议（如 Crossfire, ExpressLRS, ELRS）,图传和遥控信号可以整合。
接收器: 接收遥控器信号并发送给飞控。
- 关键点: 接收器必须与飞控兼容。

图传和摄像头

图传: 将摄像头拍摄的实时画面传输到你的FPV眼镜或显示器上。
- 频率: 5.8GHz是主流。
- 功率: 功率越高，传输距离越远,但干扰也可能越大。
摄像头: 拍摄画面的设备。
- 分辨率: 如720p, 1080p。
- FOV (视场角): 广角镜头（如170°）视野大，但边缘畸变严重；窄角镜头视野小,画面更真实。

第三部分：设计与计算

在购买零件前，需要进行简单的计算,确保无人机能稳定飞行。

（图片来源网络，侵删）

动力系统匹配

总推力: 所有电机推力的总和。
推重比: 总推力 / (无人机总重量)。
黄金法则:
- 休闲航拍: 推重比 > 2:1 (安全，可轻松应对风扰)。
- FPV竞速: 推重比 ≈ 1:1 (极限性能，续航短)。
- 长续航: 推重比 ≈ 1.5:1 (平衡性能和续航)。

计算步骤:

查询你选用的电机在特定电压（如4S）和螺旋桨（如5寸）下的单轴推力（通常在电机官网或评测中可查）。
估算无人机其他部件的重量（飞控、电调、机架、电池、摄像头等）。
计算总推力 = 单轴推力 * 4。
计算目标推重比,反推出所需电池重量。
根据电池重量，调整其他部件,最终确定总重量和推重比。

第四部分：组装与焊接

这是将理论变为现实的步骤。

准备工具

螺丝刀套装
烙铁和焊锡
热缩管
扎带、魔术贴
胶水（如哥俩好）

组装步骤

安装电机: 将电机用螺丝固定在机臂上，注意电机轴的方向,确保安装桨叶时能正确旋转。
安装电调: 将电调用扎带或双面胶固定在机架内侧或电机附近,注意散热。
焊接飞控、电调和电机:
- 飞控 -> 电调: 连接信号线（通常是白/黄线），飞控的 AUX1-4 等端口可以连接LED灯或摄像头云台。
- 电调 -> 电机: 连接三根粗线。务必确认电机旋转方向！ 如果方向反了,交换任意两根线即可。
安装飞控: 用螺丝或双面胶将飞控固定在机架中心。
安装电池板: 在机架底部安装电池魔术贴,用于固定电池。
安装接收器: 将接收器安装在飞控顶部或机架前方，确保天线朝向开阔空间,避免被金属部件遮挡。
安装图传和摄像头: 根据机架设计安装图发射器和摄像头。

第五部分：飞控固件配置与调试

这是让无人机“活起来”最重要的一步。

固件选择

ArduPilot / PX4: 功能强大，支持多种机型（多旋翼、固定翼等）,适合航拍和任务。
Betaflight / INAV: 专为FPV竞速和自由飞行优化，设置相对简单,响应灵敏。

安装与配置

连接: 将无人机通过USB线连接到电脑。
安装地面站软件:
- 对于ArduPilot，使用 Mission Planner。
- 对于Betaflight，使用 Betaflight Configurator。
基本设置:
- 传感器校准: 必须进行陀螺仪校准和加速度计校准,确保飞控能正确感知姿态。
- 遥控器校准: 在地面站软件中校准遥控器的每个通道，确保油门、方向等信号正确。
- 电机测试: 在安全的环境下（如用手指堵住桨叶），在地面站中测试电机是否按正确的方向旋转,并响应遥控器的指令。
- 飞行模式设置: 设置不同的飞行模式，如手动模式、自稳模式、定高模式、GPS模式等。