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本书采用步骤方式讲解了如何自行制作无人机，其内容包括什么是无人机以及无人机的发展现状，探究了从3D打印的mini飞行器到浮动机器人军队在内的最富有想象力的项目，对用来制作无人机的配件进行了对比，最后通过实例讲解了无人机的组装过程，以及组装零部件的选择。本书适合对无人机感兴趣的科研单位、无人机生产公司以及发烧友阅读。
书名：无人机DIY
ISBN：978-7-115-41098-6
本书由人民邮电出版社发行数字版。版权所有，侵权必究。
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• 著 [美] John Baichtal
译 姚 军
责任编辑 傅道坤
• 人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
• 读者服务热线：(010)81055410
反盗版热线：(010)81055315
Authorized translation from the English language edition, entitled Building Your Own Drones: A Beginners’ Guide to Drones, UAVs, and ROVs, 9780789755988, John Baichtal, Copyright © 2016 Que Publishing.
All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from Que Publishing.
本书中文简体版由Que Publishing公司授权人民邮电出版社独家出版。
未经出版者书面许可，不得以任何方式复制或抄袭本书内容。
版权所有，侵权必究。
本书采用步骤方式讲解了如何自行制作无人机，其内容包括什么是无人机以及无人机的发展现状，探究了从3D打印的mini飞行器到浮动机器人军队在内的最富有想象力的项目，对用来制作无人机的配件进行了对比，最后通过实例讲解了无人机的组装过程，以及组装零部件的选择。
本书适合对无人机感兴趣的科研单位、无人机生产公司以及发烧友阅读。
John Baichtal已经编著或者编辑过10余本图书，包括获奖的Cult of LEGO（No Starch Press, 2011）、与Adam Wolf和Matthew Beckler合著的LEGO hacker bible Make: LEGO and Arduino Projects（Maker Media, 2012）、Robot Builder（Que, 2014）和Basic Robot Building with LEGO Mindstorms NXT 2.0（Que, 2012），他的最新著作Maker Pro（Maker Media, 2014）收集了描写专业制作者生活的论文和采访。John和他的妻子及三个孩子住在明尼阿波利斯。
谨以本书献给我的祖母Marion，再有两个月就是她的98岁生日了。几周前她因为心脏问题入院治疗，医生让她将自己的事安排妥当，然后将她送往临终安养院。但是，她还没有准备好离开大家庭，在我母亲和阿姨的照顾下好了起来。她对生活的热爱和对写作的热情每天都给我带来力量。
每当想起我的家庭，就要面对两个无可辩驳的事实：
1）Arden、Rosemary和Jack是人见人爱的好孩子。
2）没有亲爱的Elise，一切都没有意义，我爱你！
在工作上，我要感谢以下人士的启发和帮助：Windell H. Oskay、Johngineer、Matthew Beckler、Riley Harrison、 David Lang、Trammell Hudson、AnnMarie Thomas、Pete Prodoehl、Bruce Shapiro、 Alex Allmont、 John Edgar Park、Dexter Industries、MiguelValenzuela、Pete McKenna、Steve Norris、Steven Anderson、MakerBeam、Jude Dornisch、SparkFun Engineering、Brooklyn Aerodrome、Adam Wolf, Michael Freiert、SophiKravitz、Christina Zhang、Lenore Edman、Rick Kughen、Sean Michael Ragan、John Wilson、SusanSolarz、Akiba、Mark Frauenfelder、Chris Berger、Michael Krumpus、Alex Dyba、Brian Jepson、Becca Steffen、Dave Bryan、Actobotics、Mike Hord、Makeblock、Pat Arneson和 ErinKennedy。如有遗漏，敬请谅解！
我母亲Barbara编辑了本书的术语表，我总是受惠于她在这方面和其他许多事情上的帮助。
无人机总是被大肆报道—我们必须面对现实，它们可能越来越成为我们生活的一部分。我们可以顽固不化地寻找小直升机形状的影子，也可以尽可能多地学习这些有趣设备的知识。我的建议是选择后者—有许多很酷的科技，控制它们的最佳方法就是了解它们。
有抱负的各类无人机制作者会喜欢本书，因为本书涵盖了自制无人机项目的许多领域，不仅包括电气方面，还包括马达、机身制作技术和工具。
本书包含一个主项目—四轴直升机，你将在多个章节中制作它。其他章节描述了各种无人机项目，如数据收集火箭式无人机、飞艇和用汽水瓶制作的小艇，帮助你认识除了众人趋之若鹜的四轴直升机之外的其他无人机。
第1章，“无人机的历史”，介绍了无人机的历史，带你快速了解目前的技术局限以及无人机驾驶员使用的术语。
第2章，“最酷DIY无人机展示”，描述了业余爱好者制作的10多种精巧无人机，包括UAV（无人驾驶飞机）、ROV（遥控无人潜水器）和漫游车（Rover）。
第3章，“商业化无人机和套件概述”，介绍了一些你可能想要购买的商业化无人机，涵盖了从携带摄像机的四轴直升机到水下探测器的所有设备。
第4章，“制作四轴直升机Ⅰ：选择机身”，启动四轴直升机项目，学习各种机身和底盘产品，开始使用成套装备制作四轴直升机的机身。
第5章，“火箭无人机项目”，本章暂时离开四轴直升机项目，而是制作一架火箭无人机—携带基本Arduino载荷的模型火箭。
第6章，“制作四轴直升机Ⅱ：发动机和推进器”，讨论了四轴直升机制作中的两个关键部分，介绍了购买发动机和推进器的各种选择，说明如何在四轴直升机机身上安装这些设备。
第7章，“无人飞艇项目”，展示了制作无人飞艇的方法，这是一种由氦气球提供升力的小型木制机器人。
第8章，“制作四轴直升机Ⅲ：飞行控制”，展示了在空中控制机器人的方法，大部分工作由飞行控制器和电子调速器完成。
第9章，“无人机制作者的工作台”，介绍了我用于完成本书中项目的不同工具。
第10章，“制作四轴直升机Ⅳ：动力系统”，介绍了一个非常重要的主题：如何为四轴直升机提供动力，包括了制作配电系统向发动机提供电力的指南。
第11章，“水上无人机项目”，阐述了用汽水瓶制作简单遥控潜水器的方法。
第12章，“制作四轴直升机Ⅴ：附件”，介绍了可以购买或者制作的各种附件，如摄像机支架。
第13章，“制作漫游车”，说明了使用RFID标记导航的滚动机器人的制作方法。
第14章，“制作四轴直升机Ⅵ：软件”，剖析了一些飞行控制软件和自动驾驶固件，还探索了我们在该项目中使用的自动驾驶控制软件的细节。在本书的最后，读者将完成四轴直升机的制作。
最后，术语表解释了各个章节中使用的术语。
如果你有任何问题，或者希望学习关于这些项目的更多知识和我的其他图书，最好的办法是访问我的Facebook页面：www.facebook.com/baichtal。也可以发邮件到nerdyjb@gmail.com或者加我的Twitter账户@johnbaichtal。祝你好运！在无人机制作中找到快乐！
想象一下汽车没有驾驶员、飞机没有飞行员，用一台计算机代替人操纵交通工具的情况，这就是无人机。
无人机出现在各种新闻报道中，尤其是有关无人驾驶飞行器（UAV）在远离操作者半个世界的地方向目标发射导弹的战场报道。但是，并不是所有的无人机都用于战争，有些无人机是“和平”的无人机。
NASA的预算削减将这些遥控设备的研究推到了聚光灯下——首要的是火星漫游车（见图1.1）。这些遥控“滚筒”的表现远远超出了NASA工程师的期望。
图1.1 艺术家创作的火星漫游车概念画（图片来源：NASA/JPL/康奈尔大学）
政府使用无人机是一回事，但是业余爱好者也可以使用无人机吗？答案是“当然可以”。一般爱好者、能工巧匠和小企业主都可以制作和操纵自己的无人机。例如，酿酒师放飞配备摄像机的四轴直升机（小型四旋翼直升机），无须离开房间就可以观察葡萄架上植株的状态。使用类似飞行器的其他企业家颠覆了航空摄影业务，消除了全尺寸直升机的需求。Amazon和其他公司正在探索无人机包裹运送服务。
本书的目的是介绍四轴直升机、UAV、ROV（遥控水下机器人）和这种技术的其他变种，并提供从事简单无人机项目的机会，例如携带加速计的火箭、水下无人机和用薄膜气球制作的无人飞艇。同时，你可以根据我的详细讲解精心装配四轴直升机，构建自己的无人机，或者学习如何制造更棒的设备。
我们首先来澄清一点：“无人机”（Drone）的定义并不是很清晰。
无人机的名称来自于雄蜂（honeybee drone），这种生物执行任务时全无头脑，受控于远处的蜂王。用经过编程的微控制器作为自动驾驶仪的机器，飞机工作方式也很类似，但这是依靠科技的帮助。
被描述为“无人机”的设备有两个大类。第一种是“自主式机器人”，其操纵者在必要的时候主动控制，在其余时间内由自动驾驶仪接管，理论上一名操纵者可以管理多个设备。但是，在有必要时，操纵者可以禁用自动驾驶仪，夺取控制权。
第二大类包括四轴直升机和其他“类直升机”飞行器。公众有时候称它们为无人机，但是它们大部分只是无线电遥控（RC）模型，而没有自主能力。这两种定义的合并可能是因为多旋翼（multirotors）飞行器最近已经成为自动驾驶仪驱动、基于微控制器的自主飞行的极佳平台。
爱好者们操纵大量的四轴直升机，创造了无人机相互竞争的新游戏，他们在自己的创造中加入了从摄像机到气压传感器和超声波测距仪在内的各种装置。同时，巨大的教育市场已经发展起来，青少年开始使用LEGO Mindstorms和VEX等拼装玩具组装自主式机器人。
我们正处于奇迹的孕育期，可以成为奇迹的一部分！让我们一起制作些无人机吧！
无人机根据穿越的地形区分为：
无人驾驶飞行器（UAV）；
遥控无人潜水器（ROV）；
漫游车。
下面介绍这3种类型。
无人驾驶飞行器一词指的是无人飞机（如图1.2所示的“捕食者”）和无人直升机。如果无人机在空中飞行，我们几乎都将其称作UAV。爱好者中最流行的UAV是四轴飞行器或者四轴直升机，因为这种飞行器很流行，本书将重点介绍此类UAV。
图1.2 “捕食者”无人机在帮助公众了解无人机及其工作原理方面贡献很大
（图片来源：美国空军）
UAV通常通过无线电波控制，如遥控手柄发出的信号。其他UAV使用WiFi或者蜂窝技术通信。许多UAV还携带GPS接收机，可以在地图上跟踪其飞行轨迹。
遥控无人潜水器是一种水下无人机，通常用一条数据线连接到小船或者潜水器上，这条数据线很有必要，因为无线电波在水中会受到很大的干扰。ROV已经被海洋探险家使用了很多年，在图1.3中可以看到ROV的一个例子。
图1.3 OpenROV在搜索一艘遇难的船只
（图片来源：OpenROV）
漫游车（Rover）是具备额外功能的遥控车，它在地面到处游走，使用传感器探测障碍物。漫游车通常配备坦克履带或者凸块高花纹轮胎，如图1.4所示。这种配置帮助它们穿越不平坦的路面。在地面航行使得漫游车有能力使用各种传感器进行导航，包括超声波、RFID和碰撞传感器。在第13章中我们将制作一辆漫游车。
图1.4 这辆携带摄像机的漫游车配备用于恶劣地形的凸块高花纹轮胎
（图片来源：Geoffrey Irons提供）
自制的无人机各不相同；话虽如此，大部分无人机都有一些共同特征。下面是常见的四轴直升机的各个组件。从图1.5中可以看到每个部件是如何融入整体的。
A. 推进器（螺旋桨）——四轴直升机的推进器通常包括2个标准推进器和两个反向旋转的“推式”推进器。
B. 马达——四轴直升机使用直流或者交流马达。马达有无数品种和价格，高价位的马达迎合的是富裕的制作者。在第6章中，我们将详细介绍最适合于爱好者们的一些马达。
C. 电子调速器（ESC）——ESC将直流电转换为交流电，用于无电刷马达，还触发马达的电源。每个马达都需要一个ESC。ESC的固件可以修改，以创建马达的不同行为。例如，ESC往往被配置为降低马达转速，而不是突然停止。
图1.5 四轴直升机有大量的元件和设备
（图片来源：Steve Lodefink）
D. 飞行控制器——飞行控制器用某些自主式功能协助手动飞行。例如，许多飞行控制器有用于保持无人机平衡的倾斜传感器。飞行控制器常常有某种预先编写的例程，在四轴直升机超出控制范围时执行。
E. 机身——机身（Airframe）是无人机底盘的正确名称。机身由许多不同元件组成，包括马达连杆和安放电子设备的外壳或者平台。
F. 电池组——往往是锂电池，无人机的电池组用于保持推进器运转，同时为机上的所有电子设备提供电力。
G. 摄像头云台——这是一个旋转平台，摄像头安装在上面。在飞行中，操作员可以利用伺服马达改变照相机的角度。
H. 着陆支柱——在底部携带摄像头云台或者其他突出物的四轴直升机需要着陆支柱——着陆时无人机停靠的小型支架。相反，没有携带云台的无人机往往不需要着陆支柱，而是直接以整个机身着陆。
I. 正面指示器——四轴直升机的操作者必须知道盘旋中的飞机的正面，而这可能不一定很明显。有多种解决方案，包括不同颜色的推进器、LED和反射材料，在图1.5所示的四轴直升机中，用彩球标记飞机的后面。重要的是对你有意义！
J. 第一视角摄像机——低分辨率摄像机，通过无线电波向地面发送图像。
K. 接收机——这个小盒子将无线电信号翻译为飞行控制器指令。
在本章中，我们学到了无人机的有关知识、常见配置和各种组件。在第2章中，我们将看到其他人用这些技术制作的成品。多彩多姿的精巧产品一定会让人吃惊！
想要制作自己的无人机吗？这是了不起的想法。第一步最好是欣赏一下其他人所完成的作品。下面12个项目只是DIY无人机精品的一些示例，你还可以找到很多！
这个项目证明了一个真理：四轴直升机的底盘可以用任何足够轻和足够坚固的材料制成。Sam Ley制作的这架四轴直升机（见图2.1）飞得很出色，并且在多次坠机中幸存下来。
在第4章中，你将购买或者制作自己的机身，但是在做出决定时，回顾一下这架疯狂的四轴直升机，就能知道自己有很多的选择。
这个机身是由Thingiverse用户Brendan22设计的，有各种不同的配置，包括图2.2中展示的四旋翼小型无人机。另一种配置（T-6）包含3根连杆，每根上装有两个马达和推进器。可以在如下网站找到Brendan22的设计：http://www.thingiverse.com/Brendan22/。
这是第4章中开始自己的制作时，应该考虑的DIY机身的另一个例子。你可以利用Thingiverse等免费资源，简单地制作想要的部件，从而节约大量的时间。当然，如果你有一台3D打印机，一切都很简单！
图2.1 Sam Ley巧妙地使用能找到的材料，制作四轴直升机的机身
（图片来源：Sam Ley[CC-A]）
图2.2 对机身设计有主意了？那就把它打印出来
（图片来源：Brendan22）
这个自主式机器人由Mike Hord制作，可以沿着一根晒衣绳或者缆绳到达终点，然后返回。它非常简单，但仍然称得上是无人机! 控制系统很简单——超声波传感器告诉微控制器反转马达——没有转向装置。在
图2.3中可以看到这辆赛车。
图2.3 这个自主式巡线机器人可以来回走动
（图片来源：Pat Arneson）
这辆赛车说明，无人机可以具有任何外观。在制作无人机时不要仅限于一个类别。本书中用4章的篇幅详细介绍了四轴直升机之外的无人机，包括火箭、飞艇、小艇和汽车。
Vessels（意为“船只”）项目由Stephen Kelly、 Sofian Audry和 Samuel St. Aubin设计制作，包含数10个小型漂浮机器人（如图2.4所示）。它们在一个水池中疾驰，用红外线和语音相互通信。这个项目的思路是，这些机器人的表现就像是自然出现的生物一样。在http://vessels.perte-de-signal.org/project/上可以更多地了解Vessels项目。
第11章详细介绍了使用计算机风扇来运动的一个漂浮式无人机。这种简单的慢速小艇非常适合于在后院试验，因为可以很容易地测试它们！
图2.4 这些自主式机器人的行动真的像生物
（图片来源：Beatriz Orviz，LABoral[西班牙]）
这艘飞艇由爱达荷州立大学机器人学专业的学生及讲师制作的，使用两个直流马达作为推进装置，每个马达由一个伺服马达控制方向，因此可以独立转向（见图2.5）。操作者用定制的手持遥控单元控制飞艇；飞艇座舱中的XBee无线卡与控制器相互通信。可以在http://www.thingiverse.com/thing:98815了解这一项目的更多细节。
在第7章中，你将有机会制作一艘飞艇，其中使用激光切割的木制内舱支撑一对马达，艇上配备无线电控制接收机。
Steve Lodefink制作的这架漂亮的四轴直升机（见图2.6）已经不复存在——因为拍摄照片之后的第一次飞行中，它遭遇故障从空中坠落，在地面摔成碎片。它有两个摄像头：一个低分辨率FPV（第一视角）摄像头通过无线电波传递图像，另一个GoPro Hero2摄像头用于高分辨率拍摄。
图2.5 这艘飞艇配备了3D打印的客舱
（图片来源：Geran Call）
图2.6 这架可爱的四轴直升机失去动力，坠落到地面
（图片来源：Steve Lodefink）
这架无人机如此漂亮，足以说明四轴直升机成为流行类别的原因。在本书中，你将分阶段制作一架四轴直升机（比Steve的更小、更简单）。
图2.7中的三轮车使用3D打印的车身和车轮，由伺服系统控制可转向的前轮，马达驱动的后轮推动车辆。转向和行动由一个经典的无线电控制装置控制。在http://www.thingiverse.com/thing:499130可以找到设计文件。
图2.7 这辆无线电控制三轮车采用了3D打印的底盘
（图片来源：cupidmood）
在地面行走的无人机称作漫游车，你将在第13章中制作一辆。漫游车和飞行机器人相比有不同的优先考虑因素和挑战，制作的时候很有乐趣。
Roger Mueller设计和打印了他的四轴直升机的机身，使其容易折叠，这样就可以在户外远足的时候带上它。在图2.8中，你可以看到它从20米的空中跌落之后的情况——只有着陆支柱折断。在Thingiverse.com上可以找到它的设计：http://www.thingiverse.com/thing:71972。
设计和构建无人机时所要考虑的一个因素是它们可能发生坠机！每只“飞鸟”都至少会从空中跌落一次。第12章详细介绍一些保护无人机免受冲击损害的附件，例如降落伞和塑料内舱。
Steve Doll的“SK!TR”四轴直升机（见图2.9）只有手掌那么大（不含马达连杆），使用开源的飞行稳定装置OpenPilot CopterControl（openpilot.org）。Steve经营自己的四轴直升机商店（hovership.com），销售马达、机身和成套组件。
图2.8 Roger Mueller的可折叠四轴直升机从坠机事故中幸存，只有着陆支柱折断
（图片来源：Roger Mueller）
第8章详细介绍其他一些自动驾驶仪（也称为飞行控制器）。我们将为自己的四轴直升机添加一个普通的控制器。
图2.9 Steve Doll的“SK!TR”四轴直升机很小，可以装进饭盒中
（图片来源：Steve Doll）
Michael Christou的3D打印小艇使用螺旋桨、推进器和其他推动装置穿行于水面。Michael是一位退休的前工程师，他发挥了想象力来设计外观帅气的交通工具，如图2.10所示的小艇。在http://www.thingiverse.com/thing:272132可以了解更多。
图2.10 Michael Christou的无线电控制小艇设计可以下载和打印
（图片来源：Michael Christou）
第11章将介绍水中的无人机，在那一章中，你将了解制作无人小艇的重要方面：防水。
图2.11中的碳纤维UAV是围绕非常便宜的开源电路板——MultiWii飞行控制器制作的。三轴直升机的工作原理和四轴直升机不同，因为其中一个马达不是固定的。三轴直升机的后推进器在伺服机构的帮助下移动，可以进行超高机动性飞行。此外，这架三轴直升机的正面有一个GoPro摄像机支架。更多信息请参见http://theboredengineers.com/2013/07/the-tricopter/。
这个三轴直升机项目说明了多轴直升机的一个现象：除了常规的老式四轴直升机之外，还有很多值得探索的有趣配置，包括6个、8个和3个推进器的型号。
图2.11 这架3轴直升机具有很高的机动性，这归功于可移动的第三个马达
（图片来源：theboredengineers）
车轮对于漫游车很重要，因为这是它用来“漫游”的装置！图2.12中的3D打印漫游车配备万向轮，从而提出了更高的要求，万向轮由马达驱动车轮和边缘携带的无动力小轮组成，使车辆可以向任何方向移动。这辆漫游车由一个Chumby One微控制器控制，可以在http://www.thingiverse.com/thing:5681了解更多细节。
你将在第13章中学习到各种车轮。对于漫游车制作者来说，这和四轴直升机玩家选择推进器一样重要。好消息是，购买或者制作车轮有很多很酷的选择。
图2.12 这辆漫游车使用万向轮，可以任意转向
（图片来源：Madox）
希望本章已经让你对四处可见（在某些情况下，这并不夸张）的无人机有了感性认识。你有机会学习更多关于各种无人机的知识，包括四轴直升机、小艇、飞机和汽车。在第3章中，你将看到一些和本章中的无人机很相似但制作更精良的成套组件和成品。
和平常一样，获得无人机的最简单方式是购买。购买成品没有任何错误，因为这能使你更快地飞起来。但是，这样做就无法真正学到关于电子产品或者机器人制作的任何知识了。相比之下，套件可以为你提供组装不同组件的机会。完成组装后，你会学到一些关于部件以及组装方法的知识。套件组装是完全自己动手和购买成品之间的一个中间阶段。
ELEV-8（P/N MKPX23）是Parallax进军四轴直升机市场的第二个版本。Parallax制造微控制器，最有名的是配备PBX32A芯片的Propeller。巧合的是，ELEV-8的飞行控制器也配备相同芯片。因此，这种四轴直升机是Parallax硬件的一个组合。
ELEV-8的设计干净利索（可以在图3.1中看到），它将通常很丑的电线和束线带藏在中空的连杆中，同时将ESC收纳在中置的两块固定板之间（见图3.2）。
注意，Parallax没有包含电池组、遥控发射器或者遥控接收器。显然，你必须购买上述设备才能飞行。该公司建议使用特殊的锂聚合物电池（后面将作介绍），并声称几乎任何遥控发射器和接受器的组合都可用于这种硬件。
最后，Parallax说明道，这种四轴直升机需要高级技巧才能很好地飞行，建议有经验的遥控飞机操作者购买。
图3.1 ELEV-8因其简洁的外观而引人注目，可见的电线远少于平均水平
（图片来源：Parallax）
图3.2 ELV-8是难以驾驭的飞行器
（图片来源：Parallax）
ELEV-8有以下特征，在图3.3 中可以看到组成套件的部件。
框架：带有塑料板和接插件的铝管。
着陆支柱：塑料。
马达：4×1000kV。
ESC：GemFan 30A。
飞行控制器：套件中包含Hoverfly Open飞行控制板。
电源：套件不含电池，推荐3300毫安时的3芯锂聚合物电池。
价格：400～550美元。
URL: http://www.parallax.com/product/elev-8。
图3.3 ELEV-8套件的组装具有挑战性，但是物有所值
（图片来源：Parallax）
大疆（DJI）Phantom是一种高端成品四轴直升机，具有不同配置，价格为580～1300美元。最高端型号是Vision+（见图3.4），配备了一个电机驱动的云台（见图3.5），可以将摄像头对准任何方向。
图3.4 大疆Phantom外形美观，到手即飞
（图片来源：DJI）
图3.5 Vision+正如其名，自带一部安装在云台上的摄像头
（图片来源：DJI）
Phantom的控制选项远多于大部分四轴直升机。Vision+自带一个5.8GHz控制器，它还有一个智能手机支座，可以使用手机应用控制Phantom，或者使用手持单元上的控制杆来控制。
最后，Vision+很有魅力，拥有漂亮的外壳和连杆上的LED灯带，如图3.6所示。
图3.6 Phantom与众不同的LED不仅能够装饰四轴直升机，还能告诉操作者哪一面是正面
（图片来源：DJI）
Phantom2 Vision+的规格如下。
机身：金属和塑料。
马达：4部T-Motor MN2214 920kV外转式无刷马达。
ESC：定制DGI控制器。
飞行控制：大疆NAZA自动驾驶仪。
电源：5200毫安时锂聚合物电池。
价格：579～1229美元。
URL：http://www.firstpersonview.co.uk/quadc
opters/dji-phantom-2-vision-plus。
我已经提到了一类无人机——遥控无人潜水器（ROV）。DIY无人驾驶潜水装置的最佳示例是OpenROV，这是一个开源的半专业ROV，已经在全世界的湖泊和海洋中进行了测试（见图3.7）。它已经被用于探测洞穴、沉船和极地冰川。换种不那么浪漫的说法，它曾经被用于检查水下的一些地形特征，这些特征本需要专业潜水员探测，如船体。
图3.7 OpenROV是小型潜水器，可以探索水下世界，操作者可以在水面之上进行控制
（图片来源：OpenROV）
OpenROV有3部马达，电子控制设备为防水而进行了密封。由于无线电波在水中传播不畅，操作者必须用很长的电线连接便携电脑和ROV（可以在图3.8中看到），这条电线在ROV探索水下世界时拖在后面。
图3.8 OpenROV的系留电缆向机器人发送指令
（图片来源：OpenROV）
操作者通过ROV上固定的网络摄像头观察，并用浏览器应用来交互，从而移动ROV。此外，因为水下通常很暗，ROV有一对LED矩阵，作为头灯。
OpenROV套件（见图3.9）包含以下零件。
机身：激光切割亚克力材料。
马达：3部带有Graupner高效船用螺旋桨的无刷直流马达。
ESC：3部FalconSEKIDO无刷马达控制器。
控制：OpenROV使用插入定制Arduino Mega主控板的BeagleBone Black开发板；以太网扩展板处理与水面的通信。
电源：不包含电池，可以使用6个“C”锂电池芯。
价格：套件899美元，组装好1450美元。
URL: openrov.com。
图3.9 将这些部件组合起来就可以制作一艘潜水器
（图片来源：OpenROV）
Actobotis是一组很酷的积木式套件，其标志元素是图3.10中所见的打孔横梁。它们最新的机器人产品是Nomad（“游牧民”）——只需加上传感器和控制系统就可以使用的漫游车。我的意思是你买到的不是带有微控制器或者控制系统的完整套件——在你将底盘组装好，加上马达和车轮之后，其他部件则需要DIY。
对于一个小机器人来说，Nomad的车轮很结实。最大的底盘部件有1英尺（30.5厘米）长。每个车轮的直径为5英寸（12.7厘米），厚度超过2英寸（5.14厘米）——这正是翻越障碍所需要的。图3.11展示了这些部件。
图3.10 Nomad是底盘和马达——只需要加上微控制器和电池组！
图3.11 Nomad配备了有趣的“越野”底盘
即便如此，你还必须寻找自己的电池组、马达控制器等部件。除非你有这些部件，否则你购买的Nomad套件不能立刻上路！但是，对于一辆漫游车，这个套件是很好的起点，其结构经久耐用（见图3.12），可以探索后院所能提供的任何地形。
图3.12 穿越恶劣地形时，凸块高花纹轮胎是项福利
Nomad的规格如下。
车身：挤制铝材框架，ABS外壳。
马达：4部12V、313转/分的直流马达。
车轮：全地形轮胎。
ESC：无。
控制系统：无。
电源：无。
价格：280美元。
URL: https://www.sparkfun.com/actobotics 或 https://www.servocity.com/html/actoboticstm.html。
Brooklyn Aerodrome（brooklynaero.com）是纽约的一个用家用隔热材料（看起来像彩色的泡沫塑料，在图3.13中可以看到一个例子）制作无线遥控飞机的组织。Flack（Flying Hack的简写）配备一个电动马达作为推进器，以及用于操纵控制面的伺服装置，具备极高的机动性。因为飞机是用泡沫塑料制作的，很容易重新制作——如果飞机坠落、泡沫塑料断裂，只需要拿下电气装置舱室，将其放在新的机翼上即可。
图3.13 Brooklyn Aerodrome Flack是任何人都能制作的廉价RC飞机
Flack套件最初的价格为100美元，但是现在使用了更好的电气装置并包含一本详细介绍该组织研究成果的出色图书，因此价格差不多翻了一番。如果你只想实施廉价的RC项目，这本书绝对能助你一臂之力。
套件（部分制作好的Flack可以在图3.14中看到）提供了飞行所需的所有装置，包括电池、基本型控制器和接收机、马达以及在飞机损毁时足以重建的隔热材料。它巧妙地使用了束线带等轻量级的材料（见图3.15），但是很结实，足以承受撞击。
Flack规格如下。
机身：Coroplast束线带制成的驾驶舱和泡沫隔热材料制作的机翼。套件中附送一些机翼，也可以自制。
马达：1个1800kV HiModel外转式无刷马达；2个TG9E微型伺服马达。
ESC：没有名气的18A ESC。
推进器：9×9慢飞螺旋桨。
图3.14 Flack是一个套件，必须由买家组装
图3.15 Flack巧妙地利用了轻量级材料，如双面胶带和束线带
飞行控制：Hobby King HK-T6A控制器和接收器。
电源：Turnigy 1800毫安时锂聚合物电池。
价格：从brooklynaero.com购买为199美元，从makershed.com购买为249美元。
URL: http://www.brooklynaerodrome.com/。
在本章中，我们深入介绍了5种出色的无人机产品，有些是套件，有些是预先制作好的，但是都提供了独特的挑战和学习机会。现在，了解了广泛的项目和套件后，我们已经为自行制作做好了准备！在下一章，我们将开始制作自己的四轴直升机，第一步是选择机身。
本书的主要项目是四旋翼直升机（见图4.1）——也称为四轴飞行器或者四轴直升机。首先选择底盘——在飞机中称作机身。
图4.1 自己制作这架四轴直升机！
本章首先介绍一些底盘的选择，但是最终（剧透!）我将选用一组MakerBeam铝制主梁，用螺栓连接成一个精细的机身。然后，用一个便于制作的木质平台完成整个机身，该平台用于安装四轴直升机的微控制器、电池组和其他电子装置。
但是，还是从头道来吧！在我们使用MakerBeam制作之前，先来了解一些其他选择，包括商业化产品和可以DIY的产品。介绍完它们之后，我将指导你组装自己的MakerBeam机身。
无人机或者机器人机身的有趣之处在于，大部分机身只是用来将所有装置组合在一起，因此任何有一定刚性、坚固的轻质材料都可以用于（也已经用于）制作机身。有时候，奇怪的材料能够造成滑稽的效果——回头看看第2章中的项目。
机身可用木材、塑料和金属制成。如果材料有合理的强度，轻巧且可以在上面固定各种装置，就可以作为底盘的材料。话虽如此，某些机身有着明显的优势。
例如，图4.2中的机身来自Parallax的ELEV-8四轴直升机，马达连杆采用了轻质的铝管，专门设计了与马达和套件中其他组件配对的塑料垫圈。这是意料之中的事情，不过知道所有零件都能够组合在一起是很好的事。
图4.2 Parallax ELEV-8配备了用塑料和铝材制作的轻质机身
无须费力就能实现兼容以及更精致的外观，是商业化机身的两大好处。在下一节中，我们将介绍在购买这些产品时需要考虑的一些特性。
我们先来研究选择机身时可能考虑的条件。下面讨论了一些需要考虑的特性。
外观——普通的外观人人都能做出来。如果花钱购买机身，它应该具有专业的设计和加工水平。商业化的产品在外观上应该要胜过你在地下室里做出来的东西。
配置——你的直升机将配备多少个马达？马达连杆的数量不是唯一需要考虑的配置问题。你想不想在直升机上配备摄像头？根据摄像头的位置，可能需要着陆支柱。最常见的机身是已成经典的四轴直升机，它配备4根马达连杆，以及支撑控制器和电池的中心板。
尺寸——你想要多大的四轴直升机？我的Parallax ELEV-8主尺度超过2英尺（60.96厘米），但从四轴直升机的标准来看只算是普通。要牢记你的项目总体需求，以及马达及推进器的规格。不要迟疑，首先尝试较小的项目——小的马达和其他组件可能比较便宜，因为技术要求较低。
材料——正如我所提到的，任何轻质而结实的材料都可以用在机身上。但是，铝和塑料——或者两者的组合——最为流行。
安装零件——这对我来说极其重要。如果上面不能很容易地固定各个组件，机身就算很酷，又有什么用？要在机身上很容易地固定马达，意味着需要有特殊的板材和连接件，但这不是必需的。许多四轴直升机主要是由管道胶带和束线带固定的。
价格——我发现机身的价格有很大的差别，但有时候付出更多的钱，所得并不明显。对于所有爱好者所用的硬件，有些产品的外壳上有很酷的丝印图案，价格贵了一倍，但是最终并不是那么令人印象深刻。
强度——四轴直升机有个羞于启齿的秘密——经常坠机！它们经常在电量耗尽或者技术故障发生之后撞上草皮。你想要制作哪种耐用度的无人机？另一方面，由于强度往往伴随着重量，坚不可摧却无法升空的四轴直升机又有什么意义？这就将我们带到下一个问题。
重量——最后要考虑的是重量。马达的升力会被机身重量抵消，如果你有怪兽级的马达和推进器，就可以使用更坚固的机身。
购买始终是一个选择，但是如果有时间、工具和材料，最好是自己制作机身。那样，你可以有最适合要求的机身，而且可以为自己的创造感到骄傲！
下面讨论自制机身的3个基本途径。
使用积木式组件，你不需要任何设计，只需要用塑料或者金属横梁就可以简单地搭建机身。大部分DIY套件都需要将零件固定在一起——但是，用的是定制零件而不是毛坯零件——不过，仍然可以看到搭建自己的机身有多么容易。
本节将介绍如何使用方便灵巧的铝制积木式组件MakerBeam搭建机身，如图4.3所示。
图4.3 本章后面所介绍的步骤搭建出来的是图中的机身
另一个选择是用3D打印机（用熔化的塑料制作三维物体的工具）打印你的机身。在Thingiverse（一个展示可免费下载3D打印机文件的网站）上已经有许多四轴直升机零件。例如，图4.4中的T-6四轴直升机。它的创作者Brendan22设计和打印了马达连杆和外壳，可以在http://www.thingiverse.com/Brendan22/designs下载他的设计。
如果你不满足于下载别人的作品，可以使用 Sketchup（sketchup.com）或者Tinkercad （tinkercad.com）等3D设计软件构建项目所需的零件，然后在你的3D打印机上输出。听起来有些贵？确实如此。3D打印是一个新颖的行业，价格还没有低到人手一台的程度。不要担心，还有许多其他方法可以制作机身！
图4.4 T-6四轴直升机采用3D打印的机身和6个马达
（图片来源：Brendan22）
木材是非常轻质而结实的机身材料，尤其适合于较小、较轻的四轴直升机。许多滑翔机模型使用巴尔沙木——一种超轻且容易成型的木材。但是，四轴直升机有能力运载一定的重量，木材相对较低的强度/重量比就显得不成问题了。
木制机身的一个有趣特点是，你可以在薄木条上用激光切割出框架，然后像拼图一样组合起来。图4.5展示了这类创作的一个例子。这是一个用智能手机控制的四轴直升机的机身，称作Flone（http://www.thingiverse.com/thing:113497）。它看上去很棒，且很容易制作——如果你有激光切割机的话。
木材的另一个好处是，很容易对它进行快速的改良——只需要在上面钻孔！和商业化的机身或者金属及塑料机身不同，在木制机身上切割或者钻孔很容易。如果把事情搞糟了，所要采取的措施就是用激光再切割一个！
我决定用一些以前随便扔着的铝制横梁，为自己的四轴直升机制作机身。这些横梁（见图4.6）用螺栓固定在一起，并连接到多块角板，以免在空中飞散。
图4.5 Flone机身很容易在一个木片上用激光切割出来
（图片来源：Lot Amoros）
图4.6 MakerBeam是一个轻质、灵活的平台，你可以此为基础制作四轴直升机
MakerBeam（www.makerbeam.eu）横梁很酷，它们用M2.5螺丝固定在一起，采用了不同寻常的连接方法——螺丝头是正方形的，划入铝制横梁刻出的凹槽上。螺丝上加入了连接片，螺母用六角扳手旋紧（见图4.7）。
图4.7 MakerBeam螺纹头孔和巧妙的凹槽使其很适合于制作四轴直升机机身
这种产品的思路很巧妙。2012年启动的一项众筹活动OpenBeam筹到了10万美元的开发资金。这一活动的想法是创造一种开源铝制积木式组件，使每个人都可以制作自己的附件，或者在基本设计上扩展。
MakerBeam是那个原始项目的一个分支，使用不同的接插件和稍做改良的横梁，但是仍然保持了原始项目的精神。在美国，可以从Amazon.com购买MakerBeam（搜索ASIN：B00G3J6GDM）。
也可以从Adafruit购买原创的OpenBeam（www.openbeamusa.com）。它的工作原理基本相同，但是使用陷入凹槽中的螺母，而非螺丝头。OpenBeam还提供可下载的设计，可以输出自己的3D打印接插件。
制作机身需要如下零件（见图4.8）。注意，所有MakerBeam零件都可以在MakerBeam Starter Kit中找到（P/N 01MBTBKITREG）。
A. 4根150毫米横梁（P/N 100089）。
B. 4根100毫米横梁（P/N 100078）。
C. 4根60毫米横梁（P/N 100067）。
D. 8个角架（P/N 100315）。
E. 4个直角托架（P/N 100326）。
F. 4个L型托架（P/N 100304）。
G. M3 x 6毫米螺丝（P/N 100359），它们还提供更长的螺丝，但不包含在Startet Kit中。
H. M3螺母（P/N 100416）：它们还提供自锁螺母（P/N 100405）。
I. 一块木片。我使用13×13厘米、3毫米厚（1/8英寸）的波罗的海桦木板制作平台，螺丝孔距11厘米。
图4.8 制作MakerBeam机身需要这些零件
收集所有零件之后，按照如下步骤制作机身。
1. 制作4个相同的组件，每个包含一根马达支柱以及中心方格的一部分。下面是制作每个组件的子步骤。
a. 将两个螺丝滑入150毫米横梁的凹槽中，用套件中提供的螺母和六角扳手将直角托架固定在这两个螺丝上，如图4.9所示（注意，每两个螺丝中我只上紧一个，这样就可以更快地做出调整。后面，我将仔细检查，并在设计符合要求之后停止增加螺母）。
图4.9 将两个M3螺丝头滑入150毫米横梁的凹槽
b. 将两个螺丝滑入100毫米横梁的凹槽中，将其连接到150毫米横梁和你已经准备好的托架，如图4.10所示。用两个螺母固定。
图4.10 用两根横梁组成“T”型，并用托架固定
c. 添加角架以帮助固定横梁，如图4.11所示。用常规方法固定角架。
图4.11 用另一个角架加固“T”型结构
d. 将L型托架连接到100毫米横梁的顶部，像图4.12那样放置。
图4.12 添加另一个托架
2. 制作完全部四个部件之后，用平常的五金件将它们连接到一起，如
图4.13所示。
图4.13 将四个部件连接起来，可以看到机身具备雏形
3. 翻转机身，使扁平的L型托架朝下。添加4根60毫米横梁，用L型托架固定它们，如图4.14所示。
图4.14 增加脚架
4. 现在，你已经为添加木制平台（见图4.15）做好了准备。我用激光切割出所需的准确形状，也可以使用旧（薄）木片手工钻孔。不要使用太厚的木板！不厚于1/8英寸（3毫米）的波罗的海桦木就可以达到效果。用M3螺栓将平台锁进四脚顶部的螺纹孔中，用六角扳手
锁紧。
图4.15 将木制平台连接到脚架顶端
四轴直升机似乎还没有完成？应该考虑到还没有马达、螺旋桨或者电气装置，确实如此，保持耐心！在后面的几章中，你有机会完成制作。
我们已经走上了制作四轴直升机的道路——用铝制横梁搭建了机身！在下面的几章中，我们将添加马达和螺旋桨、电池组和微控制器。但是，我们要混进其他的内容！在第5章中，我们将制作一个电子载荷，记录火箭模型飞行中所遇到的重力作用。
