一台可以操作的簡單四軸飛行器大致架構如下，由兩對正反槳、四顆無刷馬達、四個電子調速器、一顆電池、一個飛行控制以及一個接收機與遙控器所組成，這裡不探討額外的設備像是 GPS、FPV 等裝置。

四軸飛行器機身（Frame）

用來放置控制器、馬達、電池…等等的平台。通常我們會用對角馬達的軸距（M2M）來敘述機身的大小，如果對角馬達的兩個轉軸相距 250mm 的距離，則稱為 250 機身。

機身的大小，會影響螺旋槳的長度與馬達的選擇，進而影響到負載的大小，而機身的剛性（Stiffness），也會影響到馬達所產生的震動大小以及運動效能方面的影響。

Thingiverse 上的一個 250 機身的 3D 模型：http://www.thingiverse.com/thing:34552


圖片來源：http://www.thingiverse.com/make:94944

螺旋槳（Propeller）

安裝在馬達上，並透過馬達旋轉來產生推力的裝置。四軸中有兩對螺旋槳，一對螺旋槳順時針旋轉，另一對螺旋槳則是逆時針旋轉，並不是所有螺旋槳都一樣的，所以在購買的時候都會選擇正反槳。通常會用像 1045 或 10x4.5 的方式來分別不同規格的螺旋槳，其意思為直徑10 inch，螺距 4.5 inch。

在相同轉速下，螺旋槳越長，攻角越大，所提供的升力就越大，但所受到的阻力亦會越大，所以轉動大的槳需要扭力大的馬達。


圖片來源：http://www.rctigermotor.com/html/2013/prop_0904/26.html

無刷馬達（Brushless DC, BLDC）

轉動螺旋槳的裝置，與有刷馬達相比，無刷馬達具有扭力大、低耗損的優點，但由於其結構設計，必須加上一些電路與較為複雜的方法控制（換相），線圈的匝數，會影響到馬達的扭力與轉速，匝數越多扭力越大、轉速越低；匝數越少，扭力越小、轉速越快。

通常會使用 KV（No-load rpm per volt） 來表示一顆無刷馬達的匝數，KV 值表示電壓每升高 1V，空載轉速增加的數值，KV 越小匝數越多，KV 越大匝數越少，所以大的螺旋槳通常都會搭配低 KV 的馬達，小的螺旋槳會搭配高 KV 的馬達。


圖片來源：http://www.rctigermotor.com/html/2013/prop_0904/26.html

電子調速器（Electronic Speed Controller）

用來驅動無刷馬達的裝置，藉由此裝置可以簡化無刷馬達的控制，通常市售的電調只需輸入 PWM，並透過調整 PWM 的占空比即可控制無刷馬達轉速，但也有像是 I2C、CAN Bus 等方式控制的電子調速器。


圖片來源：http://autoquad.org/esc32/

鋰聚電池（Lithium polymer battery, Li-Po Battery）

提供控制板與馬達電源的來源，鋰聚合物本身的化學材料特性在正負極的跨壓大約 3.3～4.2V左右，使的單節（one cell）鋰聚電池的電壓平均大約為 3.7V 左右，若串聯兩節鋰電池，則有 7.4V 的電壓，我們通常會用 11.1V 3S 2200mAh 25C/35C, 來敘述一個鋰聚電池的規格，其表示輸出 11.1 V 電壓、最大放電 25C（2.2 * 25 = 55A）、瞬間放電 35C（2.2 * 35 = 77A）。

其實鋰聚電池雖然是一個很棒的電源來源，但從上速規格的電池，瞬間輸出可以達到 77 安培的電流，當電池充飽後瞬間輸出功率快達到 1000W，在安全性上面不容小覷，使用上需要小心，下面有一個影片在實驗不同外力下鋰聚電池的冒煙、膨脹、燃燒等情況。

Youtube - Lipo battery combustion test鋰聚合物(手機)電池燃燒實驗 by RC Mania
https://www.youtube.com/watch?v=eZxDC-whz14


圖片來源：https://traxxas.com/products/parts/batteries/powercellbatteries/lipo

飛行控制器（Flight Controller）

控制飛行器平衡、運動的裝置，這裡簡稱飛控板，飛控板是一個集成微控制器、感測器... 等的裝置，以人來比喻，就像是大腦和中樞神經，絕大部分的訊息都在這裡做處理，這也是四軸飛行器的核心控制部分。


圖片來源：https://pixhawk.org/modules/pixhawk

遙控器（Remote Controller）

遙控飛行器、給予飛行器控制指令的裝置，需要與接收機做搭配傳輸訊號。


圖片來源：http://www.futabarc.com/systems/futk9410-14sg/

上一篇 → 從零開始做四軸 (三) - 運動原理
下一篇 → 從零開始做四軸 (五) - 感測器原理

四軸飛行器具有以下優點：

1、體積小、重量輕

2、機構簡單

四軸飛行器與直升機最大的不同處在於，直升機透過主旋翼的傾斜與葉片攻角來實現不同的運動，並且靠尾旋翼來抵銷主旋翼產生的反作用力，這種設計使得直升機的機構較為複雜，同時當主旋翼無法工作時即無法飛行，產生升力，而四軸飛行器則透過四個旋翼來互相抵銷反作用力，並且透過不同的升力，來實現不同的運動，詳細會面會在說明，下面有一個影片，可以告訴你四軸飛行器的結構可以多簡單。

Youtube - diy drone it yourself v1 0
https://www.youtube.com/watch?v=TQhHO7UvazA

影片中可以看出來，飛行器只需要四個螺旋槳，放置間距與位置不要太誇張，基本上都可以平衡與飛行，一個四邊對稱的機構（正方形）與非對稱的機構（這裡指的是非正方形，像是梯形、長方形、平行四邊形）差別僅在於飛行器的模型複雜程度，將對稱機構的模型用在非對稱的機構上只是容易在控制上產生誤差，說白了就是不容易達到你想要的結果，非對稱的程度越大、就越效果就越差，所以大部分的四軸為了在控制上簡單，通常都會使用對稱的機構來簡化控制上的問題。

3、機動性高

下面有一個影片，可以告訴你四軸飛行器機動性如何，最高時速應該有超過 100 km/hr。

Youtube - minicp120 x2208 2000kv 6x4.5 hqprop kiss esc 18a nanowii 4s1800 40c
https://www.youtube.com/watch?v=8p5uDf9i_Yc

RC Groups - quadmovr's blog
http://www.rcgroups.com/forums/member.php?u=534985

4、演算法核心

並不是說其他都不重要，機構、螺旋槳等都會影響飛行器的效能，只是合理設計的簡單機構、螺旋槳等即可提供一個穩定飛行的平台，所以飛控板上的核心演算法就成主宰飛行器運動與平衡的主要部分，而任何的應用實現也在於此部分，這個人認為也是在學術上的一個研究優勢。

四軸飛行器飛行的原理：

飛行器的螺旋槳配置示意圖如下圖的左上角所示（本文默認使用 "x" 形配置，而非 "+" 形），兩兩對角的螺旋槳轉向剛好相反，透過這種配置，來互相抵銷旋轉上的力矩，在已經平衡的情況下，同時增加或減少四個旋翼的推力的話，可以做出上升與下降的動作，同時增加或減少相鄰的兩個旋翼的推力，可以做出前後左右運動的動作，若同時增加或減少對角旋翼的推力時，則可以做出順逆時針旋轉的動作，而任何的飛行運動都可以由上升、下降、前後左右、順逆時針旋轉的運動所組成。

上一篇 → 從零開始做四軸 (二) - 相關資訊
下一篇 → 從零開始做四軸 (四) - 飛行器組成

在說原理之前，要先了解知道四個螺旋槳的飛行器的中文、英文名稱，有助於找資料或文獻，中文說法大致有這些，四旋翼、四旋翼飛行器、四軸飛行器甚至是四軸，英文的話則是 Quadcopter、Quadrotor、Quadrocopter、Quadrotor Helicopter ...等等，可以 Vertical Take-Off and Landing（VTOL）的旋翼飛行器，其實就只是在強調有四個螺旋槳的直升機而已。

從 Wikipedia - Quadcopter上看到，最初的四軸飛行器是在 1907 由 Louis Breguet 設計的（天知道是真是假，有興趣自己去考證吧），假設訊息無誤的話，到現在也有百年的歷史了。

近十年的四軸飛行器發展迅速成長，個人認為很大部分都歸功於微機電（MEMS）與積體電路製程技術的提升，從原本高成本、大體積的感測器變成幾微米、低成本的 IC，使得飛行器體積縮小、造價降低，才得以廣泛研究。（此部分為個人想法，若有誤可以提出來）

第一次看到四軸相關的研究是 2012 年 Vijay Kumar 教授在 TED 上的演說，也是我開始做四軸的時候，Vijay Kumar 教授任教於美國的賓州大學，他的實驗室也做了很多有趣的東西。

之後也有另一位教授在 TED 上演講四軸飛行器，任職於瑞士蘇黎世聯邦理工的 Raffaello D'Andrea 教授，不過知名度似乎是這位教授較高，可能觀眾靠的比較近印象比較深刻吧... 哈哈。

也有與太陽馬戲團合作的影片，感覺這種合作方式頗不錯的，可以增加資金、增加研究內容、同時也增加知名度。

SPARKED: A Live Interaction Between Humans and Quadcopters
https://www.youtube.com/watch?v=6C8OJsHfmpI

幕後花絮　SPARKED: Behind the Technology
https://www.youtube.com/watch?v=7YqUocVcyrE

Raffaello D'Andrea 教授也做了很多有趣的專案，其中印象最深刻的是叫 Cubli 的專案，透過角動量平衡，這種技術在很多機器人平衡上都會用到。
http://raffaello.name/projects/cubli/

還有很多影片沒有放上來，因為真的是太多了，只放舊一點的影片，有興趣可以自己找找，最後，看了這麼多，其實只是想說明，四軸不是只能拿來空拍而已...，兩間頂級大學的研究室研究的東西真的很好，值得學習，想研究相關方向的人，可以多看兩間實驗室所發表的學術論文，畢竟已經累積了幾十年的成果。

＂從零開始做四軸＂除了是記錄自己的過程，方便自己再查閱，同時也提供分享給想研究四軸的人、想自己做一台而不是裝一台四軸的 Maker，這裡的 Maker 指的是了解電路、焊接、寫微控制器等多領域的人，畢竟一台四軸飛行器是跨了許多領域的結晶，像是控制、電子電路、數位邏輯、程式語言、機構、數學、物理、運動學 ... 等等，已經數不勝數了，還有最重要的＂藝術＂！沒錯，就是藝術！



以下有幾個 Github 上不錯的開源專案：

使用空心杯馬達（微型四軸）
https://github.com/bitcraze
https://github.com/HexAirbot

使用無刷馬達
https://github.com/PX4
https://github.com/pixhawk
https://github.com/multiwii
https://github.com/TauLabs
https://github.com/paparazzi
https://github.com/openpilot
https://github.com/diydrones
https://github.com/cleanflight
https://github.com/UrsusPilot

值得參考的資訊：
Build A Quadcopter From Scratch – Hardware Overview
http://blog.oscarliang.net/build-a-quadcopter-beginners-tutorial-1/

上一篇 → 從零開始做四軸 (一) - 構想
下一篇 → 從零開始做四軸 (三) - 運動原理

最近單晶片需要用到 IAP 的功能（可以參考基於 STM32 的 IAP 程式更新），不過之前電腦端是透過自己寫 Python 實現 .bin 檔案的傳輸，有時候重灌電腦後 Python 就被刪掉了，之後後還要再找符合相對應版本的 pySerial，蠻麻煩的，所以就想說直接用 C 語言來取代之前寫的 Python 功能。

STEP 1

先下載 RS232 for Windows Librery → http://www.teuniz.net/RS-232/
將 RS-232.tar.gz 解壓縮，只需要 rs232.c 和 rs232.h 即可。


STEP 2

建立一個 C 語言的專案，來撰寫程式，個人是使用 Code::Blocks
http://www.codeblocks.org/

選擇 Empty project 即可

新增一個 .c 檔，存在專案目錄下，
我是命名成 main.c，然後加入 main.c, rs232.c rs232.h 到專案。

在 main 裡面加入 #include "rs232.h" 後，就可以使用 rs232 library 的功能了

STEP 3

下面程式是 main.c 裡面寫的內容，做簡單的字串接收並顯示出來， 另一端用自己設計的開發板 RedBeanSprout 實現，一直發送 5 個不同的字串到電腦。 

#include "rs232.h"
#define RECV_BUF_SIZE 5

int main()
{
    int state = 0;

    int com_port = 6;       /* COM7 */
    int baudrate = 115200;  /* 115200 */
    char mode[]  = {'8', 'N', '1', 0};

    int i = 0, n = 0;
    unsigned long count = 2000000;

    unsigned char recv_buf[RECV_BUF_SIZE + 1] = {0};

    /* Open COM Port */
    state = RS232_OpenComport(com_port, baudrate, mode);
    if(!state)
        printf("Open COM Port Success\n\n");

    /* Recv Data */
    do {
        n = RS232_PollComport(com_port, recv_buf, RECV_BUF_SIZE);
        if(n == RECV_BUF_SIZE) {
            printf("count = %7i, n = %i, recv data = ", count, n);
            recv_buf[n] = '\0';
            printf("%s", (char *)recv_buf);
        }
        else if(n > 0) {
            printf("count = %7i, n = %i, recv data = ", count, n);
            printf("*****\n");
        }
       Sleep(1);
    } while(--count);

    /* Close COM Port */
    RS232_CloseComport(com_port);
    printf("\nClose COM Port\n");

    return(0);
}



發射部分使用 RS232_SendByte 或 RS232_SendBuf 就可以了，
這邊沒有放上來測試，主要是因為官網都已經解釋得很詳細了。
　
使用 C 語言來做 RS232 的好處主要在於可以有更多的變化，像是傳檔案、模擬部分 UART 裝置等，不像終端機只能做字串或字元的傳輸。
　
最後完整的專案可以在 github 上下載
https://github.com/Hom-Wang/C-Language/tree/master/serial

自行車照明系統照明控制部分簡介

照明部分由 7 片 PCB 組成一個圓形，剛好與車輪的內圈相同大小，每一片 PCB 上面都有一個微控制器與連接 2*8 個 LED 燈，微控制器採用 TSSOP20 的 STM32F031F4，ARM CortexM0，最高工作頻率 48MHz，詳細規格可以參考→ST官方，分配 1 個 LED 做為指示燈（也可以用來擴充功能）， 8 個 PWM 輸出分別接到 LED 的驅動電路，剩下 1 個 UART 用來接收控制指令。

7 片 PCB 之間，透過杜邦公座母座連接 UART，整個圓（7 片 PCB）形成一個類似先進先出的暫存器（FIFO），指令從模組的 RX 輸入，經過每一個微控制器，最後從 TX 出來，每一片 PCB 都有自己獨立的編號，也就是說可以透過這種方式來獨立控制圓上的 8*7 LED 中每一顆 LED 燈的亮度、開關。

設計的指令格式如下表： * SET_DEVICE_x_OUT 指令是用來設定 LED 的輸出，CHANNEL 是設定要輸出的 LED 通道 1 ~ 8，D[7:0] 是設定 LED 亮度 0 ~ 255。 * CMD_RUN_MODE 是用來進入 RUN_MODE，在 RUN_MODE 下才能控制 LED。 * CMD_SET_MODE 是用來進入 SET_MODE，在 SET_MODE 下才可以設定一些預設參數。 * CMD_IAP_MODE 是用來進入 IAP_MODE，在 IAP_MODE 下可以直接升級韌體，不須再經過燒錄器來燒錄，詳細方法請參考→基於 STM32 的 IAP 程式更新。 * CMD_SET_RESTORE 是用來還原預設的參數。 * CMD_SET_DEVICEID 是用來設定裝置編號，透過這個指令可以讓每次燒錄不需更改編號，減少開發時間。 * CMD_SET_BAUDRATE 用來設定鮑率的指令。 最後預留了兩個保留的指令。
目前製作這個 WheelLED - Light 的 PCB 版本，將 LED 與 PCB 分開，兩著之間透過杜邦接頭連接，方便更換車燈的顏色與維修，基本上除了 IAP 與鮑率的設定還沒實現外，其他部分都已經實現，整個 WheelLED - Light 只需要連接電源與 UART 就可以使用，模組化的程度也算是頗高了。

但最近實際的實驗發現，目前設計的 LED 驅動部分，因為採用 PNP 電晶體，加上電源端(4.2V)大於控制端(3.3V)電壓，導致再關閉 BJT 時，因壓差的關係無法完全關閉，換句話說就是沒辦法全暗...所以預計下一版本的PCB將會採用 NPN BJT 來解決此問題。

WheelLED-Light Github → https://github.com/KitSprout/WheelLED-Light

2015.09.06 更新
新版的機構測試版本出爐了，由翁偉吾大大設計＆製作，初步測試找到幾個可以改進的地方，但不影響實際的應用，新的機構除了配合新版本的 PCB 外，也讓 PCB 可以先固定在其中一片機構上再夾起來裝在車輪上，降低了組裝的複雜度。





自行車照明系統核心控制部分簡介

核心部分由三片不同功能的 PCB 組成，分別為 POWER、SENSOR、CONTROL，每一片 PCB 占 120 度，三片組成一個 360 度的圓形，此設計的好處在於可以任意更換不同功能，且在硬體升級上也可以依需求、區塊更新，不需要全部更新，對於日後改版、升級則可以降低成本。

目前規劃的放置與元件如下圖所示，Microsoft 的 visio 蠻好用的，雖然 PowerPoint 也很方便用來做這些小圖示，不過 visio 在形狀及製作上多了較多的功能與選擇，像交連集、合併、剪裁等，對圖有興趣可以從 Google 雲端硬碟下載 visio 檔案。

POWER 部分主要負責供電給其他兩片 PCB 與充電。

SENSOR 部分主要負責感測自行車運動資訊，上面放有 MPU9250（加速度計、陀螺儀、磁力計）與預留的擴充感測器放置空間，像是可以擴充旋轉編碼器、光強度感測器...等。

CONTROL 部分主要負責讀取感測器、控制 WheelLED 與藍牙連線，SMT32 透過 MPU9250 取得輪胎加速度、角速度、磁場等資訊，經過演算法處理，得到轉速、角度、運動方向需要的控制資訊，並透過 Command port 向 WheelLED 傳送 LED 控制指令，來實現定像照明的功能，另外透過 BLE 模組來建立使用者與兩輪控制器之間的通訊。

目前實驗測試階段，僅先將感測器與穩壓部分做在一起，控制器獨立出來做實驗，在已知感測器的旋轉半徑的情況下先將基本照明功能先實現，之後在設計仔細設計細部的電路。



機構部分由翁偉吾大大製作，仍然以 3D Printer 來負責生產，為了就是容易讓想製做的人，可以更容易的模仿複製或是改造它。

機構部分分成兩大部分，電池盒與固定 PCB 部分，固定 PCB 部分由兩塊機構組成，中心部分設計成六邊形是為了使擴充的裝置或機構接觸面積增加，讓兩者間可以更好的固定組合，兩大部分透過兩根內六角螺絲來連接固定，內部加入類似橡膠的東西，增加軸心與機構的摩擦力，同時也當做與軸心間的固定緩衝，目前看起來大致上都沒有問題，有效讓 PCB 中心可以與輪胎的旋轉中心重合，至於騎車時的震動是否會引發其他問題，有待實際測試才會知道。







SmartIMU 更新已經在進行中了（原始的版本→SmartIMU），初步先更改兩部分，STM32F401C 更換成 STM32F411，從原本的 84MHz 工作頻率升級到 100 MHz，同時也增加了 RAM 的大小（96KB→128KB），另外則是更換氣壓計，本來打算使用 LPS25HB，不過目前淘寶上似乎買不太到，所以就暫時先用 LPS25H 來代替，氣壓計除了在體積上大大的縮小外，LPS25HB 精度也達到 1 pa RMS，大氣壓力與高度之關係為每上升9公尺，大氣壓降低100Pa，1 pa 相當於 9 cm 的精度，頗期待之後的實驗結果。
　
今天下午焊了兩片版子，把感測器都吹上去之後，覺得特別髒，就拿去清洗了，洗到一半才想到器壓計上面有一個孔...應該是用來測量氣壓用的，希望器壓計不會有問題才好...，錯愕了一會後，寫了一個GPIO的測試程式，測試了一下燒錄功能，兩個都可以正常燒錄，RGB LED 也都正常頻率閃爍，MCU 部分應該是沒有問題了，之後等有空時再來測試 MPU9250 與 LPS25H 是否有問題。
　
等都沒問題就來開始設計最新版的 SmartIMU 了，挑戰超小高效能的 IMU 開發板！
　
－－－補充
這次的 MCU 焊接沒有用吹的，而是直接用刀頭焊上去，細刀頭果然厲害，以後旁邊長腳的QFN應該都不是問題了，對好後成功率百分百。




一個好的作品背後都有一個好的工具！ 最近換了 HAKKO 的 FX-951 烙鐵，也從 GOOT 跳槽到 HAKKO 了。

這兩天拿到 PCB 正好測試一下焊接的效果，與之前用了幾年的 TQ-95 比較，在手把的地方不會發熱，而且更細，握起來很輕鬆，設計上透過卡榫的方式更換烙鐵頭，烙鐵頭的種類也頗多，另外買了細刀頭與細尖頭以應付不同的情況，銲槍座部分裝有微動開關，可以在放入銲槍時自動進入休眠降溫，這種設計應該是為了延長烙鐵頭的壽命吧，不過每次拿起銲槍，自動加熱到預定溫度時都會有嗶聲，雖然方便但有點吵...整體用起來很滿意也很方便。

HAKKO 官方的產品說明：
https://www.hakko.com/english/products/hakko_fx951.html











　　新設計的數位電表 - MicroMultimeter，這是一個多功能的數位電表，著重於簡單、攜帶以及擴充性，以應付日常電路、微控制器開發除錯及測量為主要目的。MicroMultimeter 同時也是一個開源硬體、軟體的一個項目，相關的資源都可以從 GitHub 上取得，基本功能有電壓測量、二極體測量、短路斷路測量、PWM 輸入輸出、波形顯示，搭配其包含 UART、SPI、I2C、PWM 的擴充埠，可及增加更多樣化的應用及延伸。


Github Link - https://github.com/KitSprout/MicroMultimeter




　　MicroMultimeter 主要的微控制器採用 ST 的 STM32F103CB，48 Pin 72MHz，透過自己設計的 OLED_9.6-inch 顯示，其解析度 96*64，上面有放置 2 個通道的定電流電路用來測量待側物，蜂鳴器用來提是使用者，USB 用來傳輸資料至 PC 端，另外拉出 8 個含有 SPI, UART, I2C 功能的 I/O 至擴充埠。硬體設計軟體使用 Atium Designer，主體大小約 43.05 * 25.4 mm。


主體電路圖


目前實現的擴充
ExpIO ( 引出所有 I/O )
ExpProbeA ( 三用電表探棒 4mm )
ExpProbeB ( 示波器探棒 BNC )
ExpDigiPower ( 數位電源 LM1084 + AD5292 )