I built a drone with only one motor [video]

**TL;DR：一架仅靠单电机驱动、通过铰链桨叶实现俯仰与偏航控制的无人机，机械结构极简，却需要定制固件、红外灯塔与自制闪光成像等大量软件与测试工作才得以成功飞行。** ## 一架"不该存在"的无人机 四旋翼需要四个电机，直升机需要两个电机加多个舵机，就连 Tom Stanton 的无斜盘直升机也需要两个电机。而这架无人机只靠一个电机和一些电子元件，就能悬停和转向。 作者的出发点很明确：更少的执行器意味着更小、更便宜、更容易制造的无人机。但机械上的简洁是有代价的——让这东西飞起来所需的软件极其复杂。为此他不得不编写飞行与电机控制器的定制固件、搭建红外灯塔让无人机知道自己朝向何方，甚至还自制了一台简易高速相机。 ## 一个电机如何同时控制俯仰和偏航 ### 铰链式螺旋桨轮毂 秘密在于铰链式螺旋桨轮毂。早期版本中，这些铰链呈 **45° 角倾斜**。当电机加速时，桨叶因惯性滞后于轮毂，导致一片桨叶上仰、另一片下俯，两侧产生的升力因此不等。只要把加速度控制在每转中的正确时机，就能让无人机向任意方向倾斜——至少理论上如此。 ### 用舵机控制器取代无人机 ESC 最初的尝试失败了。无人机 ESC 用反电动势估算电机位置，而超过每秒 50 次的加速就会让 ESC 失步，因为剧烈的扭矩变化使反电动势信号噪声过大。 其他铰链桨叶无人机的做法是用巨大的螺旋桨——大桨叶转速低得多，问题就不明显。但作者想让无人机小巧便宜，和前臂一样大的螺旋桨显然不可行。 解决方案是用 **Motius R4 舵机控制器**替换无人机 ESC。舵机驱动器通过磁编码器直接测量位置，快速扭矩变化不会导致失步。结果：一个 6 英寸螺旋桨以接近 **20,000 RPM** 的速度旋转，电机每秒加减速 **300 次**。 据作者所知，这是迄今为止在无人机上演示过的最快、最小的铰链桨叶，桨面积比 Pulsar 无人机小了六倍以上。 ### 2 毫秒的延迟在 20,000 RPM 下等于 20° 高桨叶转速让时序成为问题。原方案中，一个 MCU 读取旋转编码器、与飞控指令结合、再发回控制指令，整个过程约需 **2 毫秒**。这听起来快得离谱，尤其在机械领域——但在 20,000 RPM 下，2 毫秒相当于电机旋转了整整 **20°**。 于是作者重写了电机控制器固件，让它直接与飞控通信并板载计算电机指令，响应近乎瞬时，同时省掉一个额外的微控制器，既减重又降本。 ## 轮毂的重新设计 ### 单枢轴与 PPACF 打印 缩小了螺旋桨之后，轮毂依然非常显眼，于是作者重新设计，只用一个枢轴，体积缩小了一半以上。他在电机上钻孔攻丝，让轮毂直接拧入电机，进一步降低轮廓高度。 这个小零件要承受相当大的力：固定桨叶的仅是一颗凸缘螺栓，它必须同时传递电机的全部扭矩和螺旋桨的推力。因此作者用 **PPACF**（一种强度和刚性都高得惊人的工程级线材）在 Bamboo Lab 寄来的 **H2C** 上打印了这个轮毂。他打趣道："我们都见过 PPACF 的钟形罩，但你见过 PPACF 的桨毂吗？"他不认为这个螺旋桨用任何其他材料能存活下来。轮毂里还塞进了两个滚珠轴承和一个微型推力轴承，确保桨叶在高负载下自由转动。 ### 用 90° 配重恢复离心回正力 单枢轴设计与双枢轴原理相同——电机加速使一片桨叶上仰、另一片下俯。但有一个关键区别：**将铰链移到中心会消除通常把桨叶拉回中立位置的离心力**。没有它，桨叶在高速时会因气动阻力偏离中位而变得歪斜，导致剧烈振动。 解决办法是把质量放置在与桨叶成 **90°** 的位置——从轮毂上伸出来的那些螺钉就是干这个的，从而被动地产生恢复力，让桨叶在高速下保持中立。 ## 变成一架能飞的无人机 ### 反扭矩叶片与机身 作者打印了机身，内置电池仓，并带有反扭矩叶片来抵消螺旋桨的旋转力。通常会用尾桨或舵机驱动的襟翼，但那会增加额外执行器、重量和复杂性。代价是机身会持续缓慢旋转——这个问题稍后再说。 ### 160 Hz 振动淹没加速度计 以床为测试场地慢慢推油门，无人机几乎立刻坠毁，声音也难听至极。加速度计被剧烈的 **160 Hz 振动**淹没，导致完全无法控制。 问题在于：高桨叶转速意味着桨尖速度超过 **500 km/h**，几乎达到音速的一半，桨叶几乎变成一团模糊，作者根本看不到螺旋桨在做什么。高速相机能拍到，但要花几千美元且需要大量照明。 ### 自制"超高速"成像：用闪光灯冻结桨叶 诀窍是不需要每秒记录数千帧，只需要**反复捕捉一帧完美定时的画面**： 1. 修改电机控制器，在螺旋桨到达已知角度时发出一个脉冲； 2. 一个微控器将该脉冲与相机快门信号结合，在精确时刻触发闪光灯； 3. 闪光灯充当超高速快门，脉冲仅持续几微秒，把 500 km/h 的桨叶冻结在清晰画面中。 通过在拍照时改变电机的横滚指令，作者第一次看到桨叶来回俯仰的姿态。但图像也揭示了一个始料未及的现象：**高速下桨叶在巨大载荷下会拍动和弯曲，这正是 160 Hz 振动的根源**。换上刚性大得多的桨叶后，振动消失了。 ## 漫长的试飞与坠毁循环 飞行测试并不顺利： - "这东西是个死亡机器。" - 他第一次去检查故障保护参数。 - "这东西不抗冲击。直接碎了。" 数周时间里，每次测试带来一点微小改进，然后又是一次坠毁。他弄坏了螺旋桨、电机控制器、接收机，甚至弄裂了好几个 TPU 机身——"拜托，柔性 TPU 怎么会裂？"他甚至觉得无人机像一枚热追踪导弹直奔自己的脸。有一次他尝试手抛起飞，结果不出所料。**每 3 分钟就坠一次完全不是办法。** 解决方式是搭一个测试台，用一个外卖西装袋压稳，然后认真调试 **P 控制器**，无人机终于开始展现出稳定迹象。 ## 用红外灯塔解决航向漂移 反扭矩叶片只能减缓机身旋转，无法阻止它缓慢转动。久而久之，无人机会搞混哪边是前方，变得不可操控。 通常用指南针跟踪航向，但旁边就是几厘米之遥的大电机，磁力计完全不可信。于是作者搭了一个灯塔——更准确说是"反向灯塔"，因为旋转的是无人机而不是灯塔： - 从他的**运动追踪器项目**上拆下一个红外发射器，对准房间一角，创造固定的红外信标； - 在无人机上加装红外传感器； - 编写定制飞控固件，把每次检测结果输入**姿态估计器**，每次看到灯塔就修正朝向估计，提供绝对参考。 终于，无人机第一次能够起飞、保持水平并响应操控。整个装置就是一个电机、一个 6 英寸螺旋桨和一些电子元件。 ## 结论与下一步 作者坦言，机械上的简洁背后隐藏着让这东西飞起来所需的巨大软件工作量。据他所知，这是迄今为止在可飞行无人机上演示过的**最小、转速最快的铰链桨叶**。他也很庆幸坚持了小型化路线——"如果这东西装的是一个 15 英寸螺旋桨，我可能已经不在人世了。" 项目远未结束：无人机仍依赖红外灯塔，意味着无法在卧室之外飞行。下一个视频计划安装**线阵相机传感器**，让它在旋转时扫描周围环境，并利用这些信息维持航向和自主导航。代码和 3D 文件均免费开源，仓库链接在视频下方。 Source: [I built a drone with only one motor — hakonjdjohnsen](https://www.youtube.com/watch?v=Ndftcft6XhU)