奇妙又美妙的空拍機設計製作之旅

年初提到在學Audino，自己做驅動機器人，斷斷續續看了幾個月的書，發現離想要做出來的目標，先期門檻有很高難度，再加上考慮未來應用的實用性，於是打消念頭再找別的題目。雖然暫停這項目，可也對未來的另一個項目奠定基礎。

大概是在九月初的時候，看著身邊朋友一個又一個拿起手機自拍，甚至要拍團體照都得勞煩四周的人來幫忙，於是腦袋興起個念頭，想想說：「能不能做個可以遠端拍攝又能在不同角度拍出自己想要的照片。」接下來，第一個想到的就是Mini空拍機。實際買了兩台之後發現，市面上賣的Mini空拍機實在不大方便隨手自拍，因此，打算自己動手做。

邊上課，邊問老師、同學相關電子零組件、晶片與各式各樣問題。說真的，一開始撞牆撞得很厲害，我這幹行銷十多年的人，頂多就是會修車而已，電子零組件還從未碰過，一台空拍機到底要哪些零組件，可說是完全沒有概念，問四周的人可也是隨性隨意地亂問，沒有組織也沒有任何關聯性。

恰巧，十月開始的幾個週末比較有空擋，再加上沒什麼其它事情能讓我分心，正式專心投入設計跟製作空拍機的項目裡。起先，我先畫機構與外型，但隨著邊設計邊找資料時，發現過程好像顛倒，得先從怎麼控制飛行開始搞懂做起。然後，重新回頭開始找尋各種空拍機的設計結構，這裡面學到幾件事情，如果要做出一台像樣的空拍機，整個飛控電子系統會有：

1. 飛控模組（含陀螺儀）
2. GPS
3. 電力監控模組
4. 電力供應模組
5. 電子變速器
6. 無刷馬達
7. 螺旋槳
8. 機架
9. 雲台（攝影機架，分2D、3D差別在2D是上下，3D多左右）
10. 攝影器
11. 數據傳輸模組
12. 圖像傳輸模組
13. 遙控器（多通道，至少要6通道才能控到雲台拍攝）
14. 遙控器螢幕支架
15. 加強天線
16. wifi模組（可與智慧型裝置連線）
17. 大氣壓力感測模組

其中最複雜的是「飛控模組」，飛控模組裡面有很多東西組合在一起，像是：

a. 飛控處理器 - 用來處理3軸以上馬達運作的各種參數
b. 陀螺儀 - 新版的飛控模組會內涵電子陀螺儀，一樣要校正
c. 羅盤 - 告訴飛控處理器現在東南西北在哪邊
d. 大氣壓力感測晶片 - 用來計算感測當下大氣壓力
e. 輸入訊號Port - 遙控器傳操作訊號進來或圖傳、數傳用
f. 輸出訊號Port - 將操控電子變速器的訊號輸出或控制雲台
g. 雙電源Port - 支援雙電源避免其中一個沒電造成無法控制
h. USB port - 用來跟電腦連結來設定飛控模組裡的各項參數
i. GPS Port - 外接GPS輸入給飛控模組能用來定點飛行

核心當然就是「飛控處理器」，現在的飛控處理器功能蠻強大的，有的甚至直接用行動裝置的CPU（ATOM）之流，但主要還是看要控制到什麼程度，以及客製化程度越高，自己寫韌體燒進去的複雜度就越高，例如我想要加上「智慧感應與機器學習」，那至少我還要多加「感應器」。並且要將感應與學習的功能記錄到「記憶體」裡，飛控模組上的晶片功能就得越多。一樣，客製化程度越高，我要付出的學習曲線代價就越陡峭。

大概花一天的時間把整個空拍機來龍去脈弄清楚之後，這就進入選擇「自製」還是「模組」的階段。要自制飛控模組，一定得對程式有基本概念，而且要先買電路板回來試做，Audino跟Raseberry Pi的電路學習方案。我看了兩天，看不出頭緒，頭很大但零件不難買，想想還是先驗證自己懂得怎麼組空拍機再說，其他的就以後再講。於是，最後選擇「模組化」方案。

組裝空拍機之前，先搞定「飛控模組」，市面上的飛控模組有：

1. APM - 最多人用，目前最新2.8板
2. MWC - 以前主流，用了wii模組，全名Multi Wii Controller
3. CC3D - 有很多OpenSource可以用
4. PixHawk - 有很多OpenSource可用，設定參數多
5. KK - 不是太熟悉
6. TMF - 單價高，但沒有看到太多人用。
7. 其他 - 有工廠出的、淘寶也有很多小廠自己設計的

決定「飛控模組」後，就要決定第二個重要的零件「電子變速器」，市面上電子變速器很多，功能也有些差別，有的是做扭力高，用來定點拍攝好，有的是做轉速高，適合拿來飛行穿越用，相對這也得搭配「馬達」，空拍機的話大多選擇「無刷馬達」，因為出力較強，而馬達選擇也是門訣竅，我是新手，選擇扭力高的為主。特別強調一下，馬達看得是KV值，KV搭配伏特可以算出轉速，越高扭力越大。但高或低還是看自己想要的空拍機功能而定。

市面上要買齊各類產品都不是問題，各項裝置想買都一定有，只是這次組裝經驗學到的是「不要一開始就買太貴的，以及功能不要一次買齊。」因為，要先能飛才是，不能飛功能外掛越多，煩惱就越多，畢竟連怎麼組裝電路要怎麼走都不懂，更遑論機板上滿滿一堆要去焊接的接點。看不懂，那就得花更多時間去找電路圖、說明書，很多找到的都是原文，英文能力普通的人，應該可以輕鬆駕馭，只是要將各條線焊在小小的面積裡才是一大挑戰。

組裝步驟：

Step 1. 電子變速器 連結 無刷馬達。（要自己焊香蕉公母頭）
Step 2. 做電力供應器電力連接線的XT插頭。
Step 3. 將電力供應氣 連接 電力連接線 連接 電子變速器。
Step 4. 用電表測試電子變速器跟無刷馬達是否正常。
Step 5. 再做三組電子變速器 連結 無刷馬達。
Step 6. 測試四組電子變速器連結馬達後的通電狀況。
Step 7. 將四組電子變速器 焊接 到「四軸」分電盤上。
Step 8. 將電力連接線 焊接 到四軸分電盤上。
Step 9. 四組電子變速器上的訊號線 連結 飛控模組。*
Step 10. 測試飛控模組跟電子變速器的各項參數。
Step 11. 測試馬達運轉是否為前（正反）後（反正）在轉。
Step 12. 從電腦檢測馬達轉的參數是否符合相近。
Step 13. 分電盤、飛控模組、電子變速器、馬達裝機架上。
Step 14. 每個馬達一定都要鎖緊並且確認方向沒有錯。
Step 15. 確認飛控模組面對「前方」的方位沒有錯。
Step 16. 飛控模組最好安裝在「飛控避震支架」上（額外買）
Step 17. GPS 連接 飛控模組，相隔離至少10公分方向要對。
Step 18. 遙控器的「接受模組」 連結 飛控模組。
Step 19. 依照「接受模組」對應飛控模組的數字標示安裝。*
Step 20. 電力供應器 連接 分電盤上的電源連接線。
Step 21. 再用USB 連結 電腦做測試。
Step 22. 將電力供應器與各項模組安裝穩固到機架上。
Step 23. 測試馬達轉速跟方向是否正常。
Step 24. 用遙控器簡易測試一下訊號是否正常。
Step 25. 安裝螺旋槳，並測試馬達轉速狀態。
Step 26. 找個無人安全的戶外進行測試。

以上，大概就是空拍機的組裝步驟，過程省略很多要焊、做接頭、跟鎖模組的相對位置，不過要注意，沒鎖好就一定會出事，因為馬達轉動時會造成相當大的震動，如果螺絲鎖不緊，或力道不平均，機架撐不住也是會散掉。額外解釋一下幾個注意事項：

1. Step 9的電子變速器連接飛控模組，這一定要參考飛控模組說明書上的順序，飛控模組上的Output有1-8的數字，這時，以飛控模組上標示箭頭的前方，我的馬達配置是 前（1正轉,3反轉）後（4反轉, 2正轉），為什麼馬達轉的方向要相反，可以去查一下氣流原理，即使都是氣流向下打來製造浮力，但如果全部都是同一個方向的馬達再轉，左右兩側的力矩沒有抵銷，空拍機就會往同一個方向一直固定旋轉，所以左右兩側的馬達轉向要相反，前後也要對角相反才不會原地旋轉。

我上一段有提到馬達配置，上面有標示1正轉、2正轉、3反轉、4反轉，依照這順序插到飛控模組的Output上，別插錯不然會出事。

2. Step 19. 遙控器提供的「接受模組」上會有四組控制Output，一組AUX Output，這要額外再多準備五條3 Pin訊號線。其中四條先插到四組控制訊號Output上，然後這四條線對應飛控模組的Input，接受器上會有四組數字，各別對應AILE（副翼） 、ELEV（升降）、THRO（油門）、RUDD（方向），這四個接受器連上線後，則對應到飛控模組前四個3 Pin 插槽，AILE是1、ELEV是2、THRO是3、RUDD是4，插錯就會出問題。

最後一個AUX1會在接受器的另一側，每家遙控器廠牌做的接受器都不一樣，但那就是留著可以用來控制「雲台」的。遙控器主要是看「通道Channel」再分，通道越多，空拍機上外掛裝置越多能做的動作就越多，像我買的是6通道，目前比較適當的是用9通道，然後10通道或14通道，這些都是看自己設計空拍機需要多少功能而定，或是遙控飛機要控制的裝置是多是少。

到此，差不多就是一台空拍機自己組裝跟焊接還有設定韌體，甚至要重燒韌體的過程，韌體設定時，真的就是要多番Google，看看別人怎麼去設定的，有時候韌體版本出問題，還是得自己想辦法重新燒一次，畢竟這些都不是主流的東西，製作過程中問題會非常多，有時多到會讓人做著做著想放棄。因為，沒有一件事情是容易的，但就老闆說的，如果以購買兩萬元左右的材料，要有能力自己組裝跟設計還有調校，是可以做出市面上五萬元以上的效能，不過這跟能力與經驗有關，不一定錢花得多效果就會好。

最後，題外話。

學做空拍機只是想要把原理與技術學起來，沒有特別想玩，一如一開始所提到想要做的目標。因此，這次做完後，下個短期目標也設定好，要來改裝單價1000元以內的Mini空拍機，要嘗試看看是不是能依照自己的想法去外掛別家廠商做好的市售產品，進而將自己想像中要實現的東西給做出來，而目前買來的兩台Mini空拍機，拆開來後不得不讚嘆別人飛控板設計的功力，整台空拍機只有5公分左右，太厲害。

終於跨入Audino的實作世界，上述我提到個各項零件，都有現成模組，也有一堆散裝零件，像是晶片可以購買，從最基本的晶片與設計電路板做起都行，不過這條學習之路好像對我現在有點太早，也許之後做到Mini空拍機之後，得想辦法學起來才是。

我在實作之前，開著一堆資料，以為這是離我非常非常有距離的一件事情，在沒有實際動手，沒有去跑過電子材料行，沒有用過任何電子零組件去焊接的我而言，感覺相當陌生以及害怕。特別是想到這是機電整合又搭配程式得做，光想像就一道巨大門檻在眼前。不過實作後，一點一滴的累積學習經驗，筆記本上滿滿是各式各樣零組件的比較與安裝順序，邊做就慢慢化解心中的障礙與不安。

去買零件時，老闆還看我是個大外行，連碰電子零件都沒碰過，甚至勸我就不要買不要做，買現成的還比較便宜。但，我不是想買來玩的，是要買來做實驗跟研究，老闆聽了依舊勸我不要，幾間電子材料行的老闆對我要做的事情總搖搖頭，他們認為我買這些回去不會通的，雖然當我洋洋灑灑跟他們報出要購買的各項零件與不同零件的效能比較差異，令他們有些驚訝，似乎我不是個完全沒準備的人，但他們依舊抱著不怎麼相信的角度在看。

直到我將燒掉的拿給老闆看，老闆點出幾個問題後，又給了不少建議，從一個什麼都不懂的大外行，在老闆眼中應該是個半路殺出又沒經驗的菜鳥，很多事情都不願意跟我說，到燒掉跟老闆討論，老闆竟主動列印出他設計空拍機的筆記，把自己做空拍機、飛行器十多年經驗的知識跟我分享，也真是始料未及。

有時候要打動別人，實際採取行動去做，自然能感動他人。

#空拍機製作日誌