前言

說是從零開始做四軸其實也不太算，因為之前已經做過，

很久了，對四軸的最初印象是在寶萊塢電影＂三個傻瓜＂裡，但有想做的想法應該是2011年(大二下)時，在自控社辦跟其他朋友討論比賽可以拿甚麼作品參加，當時打算做一個可以作室內規劃路徑與空間定位的四軸，不過說歸說，比賽也沒參加，最後自己也跑去玩 FPGA、學計組，忘記甚麼原因，2012年(大三下)打算跨系參加電機系的專題競賽，就把這個想法再搬出來，最後實作一年的結果離一開始預期的功能相當遙遠，但在物理系背景下，看了不少書與不斷 try & error 的調 PID，一年內還是可以做出一台免強平衡的四軸，

詳細可以參考
→四軸飛行器_研究紀錄
→[QCopter] 自製四軸飛行器

從陽春的洞洞板做起，自己設計電路、焊接、驅動、通訊、姿態算法、平衡控制，到之後把洞洞版本的飛控板、遙控器設計成 PCB 版本送廠打樣，不斷的改版，不斷的更新，當時就有想做一台全部自己設計的四軸飛行器，從最基本的機構、算法到電調、飛控、遙控器等（馬達、電池、螺旋槳就算了），一台全部開源、適合做研究、學習、實現演算法的四軸飛行器 QCopter。

最初的構想是以小型四軸加上無刷馬達為主，而且馬達、螺旋槳需要取得容易，所以設計了一台 160mm 軸距的四軸，雖然設計圖畫好，但口袋一直空空，一直沒有試過... 畢竟買一個商品價格跟開發一個的成本是天差地遠。

雖然到現在已經過了快兩年了，不過一個人要做完全部還是需要不少時間的，可能幾年後才有機會面市吧... 哈哈，反正先把之前與現在的構想紀錄下來，一步一步的實現。

以研究與學習方面，以下幾點是設計的考量：

硬體、軟體、基本演算法必須開源，方便模仿、學習、修改、重製。
製作成本與門檻盡量低，以具備基本手做能力與開發能力的對象為主。
一個高效能、資源豐富的控制器對實現演算法的可能性與種類有很大的幫助。
飛行器先以小型、室內為主，減少危險以及增加開發、實驗方便性（坐著也可以開發）。
容易擴充、新增硬體、應用，畢竟研究、學習也是要跟上時代的。
演算法相關的有數學流程與軟體模擬更好。

下面是 QCopter 預計要實現的部分，目前先以飛行器和遙控器這兩部分為主。

飛行器部分：

打算以 200mm 軸距與 5-inch 的槳為主，與之前設計大了些，但相對的負載也增加了，在飛行器底下預留相機腳架的接口，方便連接攝影用萬向雲台，使在調整參數與測試時的難度減少、便利性增加，另外會設計一個 2 維的雲台來固定 QCopterMV。

• 飛控板 QCopterFC
  實現運動、平衡方面的演算法，最重要的核心裝置，上面裝載 SmartIMU 與 SmartBLE，SmartBLE 尚未設計，天線與功率放大部分尚在實驗，預計以 nRF51 或 nRF52 系列做為主控器，主要用來做 BLE 或 2.4G 傳輸，目前預計透過 CAN Bus 來做為 QCopterESC 與 QCopterPM 之間的溝通方法，但沒用過 CAN Bus 所以可行性還未知。

• 電子調速器 QCopterESC
  驅動無刷馬達的裝置，預計採用 Field Oriented Control (FOC) 技術，透過採樣電流來找出轉子位置做控制，並且可以回授轉速、電流、溫度等資訊到 QCopterFC 和 QCopterPM 上面，基本功能都有完成的話，再加入自適應控制，可以自動補償電機參數。

• 電源管理 QCopterPM
  飛行器的電源管理裝置，除了管理、監控與檢測飛行器上的電池電量、用量、電流與狀況外，也打算具備無線充電的功能。

• 機械視覺 QCopterMV
  實現影像處理的裝置，預計採用 MT9V034 攝像頭，具有灰階與彩色兩種版本，可以針對不同的處理需求做替換，實現光流、特徵辨識等演算法。

控制部分：

• 遙控器 QCopterRC
  遙控飛行器的裝置，最重要的是具有螢幕，可以直接將飛行器上回傳的資料顯示出來，遙控器上打算加入加速度計與陀螺儀，用來實現體感控制。

• 地面站 QCopterGS
  這部分偏向室外的應用，室內的部分預計以矩陣燈搭配影像處理為主（如下述的應用），其實在想室內的部分要不要分出來，畢竟不太像地面站。

目前有幾個想實現的四軸應用：

空間定位
這是最一開始想做的，可靠的實現方法都是加載高速攝影機，但這缺點就是照價高，自己打算以低成本的 IMU / RSSI 方案來實現飛行器的空間定位，因為室內定位也是自己的研究的題目，所以這部分已算是進行中了，整個最大的難點應該是飛行器產生的噪音與干擾，誤差若可以在限制在 30cm 內覺得就很不錯了。

飛行器間通訊
之前過一篇透過聲波傳遞訊息的病毒 badBIOS (詳細文章)，除了RF，聲波確實是一個非常有效的交換訊息方法，每天都在說話，每天都在用嘴巴和耳朵傳遞與接收訊息，但在飛行器上自己卻常常忽略，若是飛行器有聽與說的能力，那在協同合作方面的肯定會有許多應用。

最直覺的想法是喇叭和麥克風，喇叭依照想傳遞的範圍傳出不同頻率與振幅的訊號來夾帶資料，若只要濾除螺旋槳聲，整體難度應該不大，但真的想做看看的是自己的指導教授隨口講的一個想法，透過螺旋槳或馬達轉速來發出不同頻率的聲音，跟電調讓無刷發聲的概念類似，若資訊量不大應該是不會影響到平衡和飛行，而且也可以有效的減少成本。

飛行器導引
這是之前參加比賽所想的一個慨念，最初的想法是結合GPS在不同的塔台間自動的移動與起降，主要是為了降低和解決飛行器續航力不足的問題，塔台透過矩陣燈與飛行器上的機械視覺來實現起降定位的功能，不過之後想到了一個延伸的有趣應用，一組矩陣燈可以用來傳遞訊息給飛行器，實現上下運動甚至空翻的指令，若多組的矩陣燈，就可以讓飛行器前後左右移動，或許意義不大，但在室內展示上卻有不錯的視覺效果，藉由電腦來控制矩陣燈圖案，就可以讓飛行器依自己想走的路徑運動或是做出特定動作。