一架只有一个电机的无人机完成了悬停、俯仰和横滚控制。这套设计把多电机与舵机承担的动作,交给铰接式螺旋桨、高速电机控制和自定义飞控固件。
1
电机。
6英寸
螺旋桨。
20,000
RPM。
先把四个电机拿掉。
常见四旋翼用四个电机分别制造升力和姿态变化。这个项目把结构压缩成一个电机、一副螺旋桨、带尾翼的机身和电子控制系统。项目仓库将它描述为一架安装单螺旋桨的欠驱动无人机。
核心部件是铰接式螺旋桨轮毂。两片桨叶通过约45度的铰链连接。电机加速时,桨叶相对轮毂产生滞后,一侧抬起,另一侧下压。控制加速发生在旋转周期中的位置,就能改变两侧升力差,进而控制俯仰和横滚。
机械侧。铰接轮毂改变桨叶角度,尾翼处理反扭矩。
软件侧。飞控读取转子角度,在正确时刻改变电机转速。
小螺旋桨带来高速控制问题。
作者先尝试普通无人机电子调速器。它依靠反电动势估计电机位置,快速扭矩变化让信号变得不稳定。项目随后换用 moteus 电机控制器,通过磁编码器直接读取转子位置。
视频展示的状态是:6英寸螺旋桨接近每分钟20,000转,电机每秒加速和减速约300次。控制循环若耗时约2毫秒,在这个转速下转子仍会转过约20度。作者因此把部分电机控制计算移入控制器固件,减少中间环节和额外重量。
减掉硬件后,控制系统要处理的时间窗口变窄了。姿态控制、转子定位和固件时序变成同一个问题。
自制高速摄影机查出了振动来源。
第一次飞行测试出现约160赫兹的强烈振动,飞控的加速度计被噪声干扰。高速旋转的桨叶肉眼只剩模糊影子,作者制作了由电机角度信号触发闪光灯的拍摄系统。
这个方案不连续记录数千帧,而是在同一个转子角度反复拍摄。照片显示桨叶在高转速下发生弯曲和摆动。作者更换刚性更高的桨叶后,振动明显下降。
最后一个问题是航向。
尾翼只能减慢机身旋转,无法长期提供稳定航向。电机距离磁力计太近,作者改用房间角落的红外信标,并在无人机上安装红外传感器。无人机识别到信标后,就能修正自己的航向估计。
经过多轮坠落、断裂和参数调整,测试架上的调参让无人机起飞、保持水平,并响应控制输入。
一个电机,换来一整套控制系统。
项目仓库公开了机身、螺旋桨轮毂和两版桨叶的 Fusion 360 文件与 STEP 文件。仓库也公开了 ArduPilot 飞控分支和 moteus 电机控制器分支。视频终点是室内环境中的可控飞行,导航仍依赖房间里的红外信标。
这个项目呈现了一种具体取舍。减少执行器和机械部件后,姿态控制、航向估计、振动诊断和故障处理进入软件、传感器与调试流程。作者下一步计划让无人机用线阵相机扫描环境,再脱离固定信标。
SOURCES。
视频:Joshua Bird《I Built a Drone With Only One Motor》。视频口径。
项目仓库:Single Propeller Drone。代码与 CAD 文件。
交叉报道:Tom’s Hardware、Hackaday。