核心概念：一个完整的STEM项目闭环
这个项目的核心思想是：使用3D打印技术，亲手设计并制造一台无人机，然后通过编程和控制，完成特定的任务。 这整个过程完美地串联起了STEM的各个环节。
（图片来源网络，侵删）
- S - Science (科学): 空气动力学（升力、阻力、重力、推力）、物理学（牛顿定律）、材料科学（不同打印材料的特性）。
- T - Technology (技术): 3D建模软件、3D打印机技术、飞控系统、遥控与通信技术、电池技术。
- E - Engineering (工程): 结构设计（机臂、机身、起落架）、系统集成（将电机、电调、飞控等组装在一起）、测试与迭代优化。
- M - Mathematics (数学): 计算螺旋桨尺寸与推力比、确定重心、进行坐标转换（用于飞行姿态控制）、数据分析（飞行日志分析）。
第一阶段：规划与设计
这是项目的起点,也是STEM思维应用的关键一步。
确定项目目标
- 入门级: 组装一个开源的3D打印无人机套件,学会飞行和基本调试。
- 进阶级: 根据开源设计（如Tricopter, Quadcopter）进行修改和优化，例如改变轴距、设计个性化外壳。
- 挑战级: 从零开始设计一个全新的无人机结构，例如一个六旋翼、一个固定翼与多旋翼结合的垂直起降无人机，或者一个用于特定任务（如航拍、投递、竞速）的专用无人机。
3D建模与设计
这是技术的核心应用,你需要使用3D建模软件来创建无人机的各个部件。
-
软件推荐:
- Tinkercad: 适合初学者，界面简单,适合设计简单的结构。
- Fusion 360 (推荐): 功能强大，集CAD（计算机辅助设计）、CAM（计算机辅助制造）于一体,非常适合进行复杂的机械设计和工程分析。
- Blender: 开源的3D建模软件，功能强大,但学习曲线较陡。
- Onshape: 基于云端,适合团队协作。
-
设计哪些部件？
（图片来源网络，侵删）- 机臂: 连接电机和机身的核心部件，需要考虑强度、重量和空气动力学。
- 机架/机身: 安装飞控、电池、摄像头的主体，需要坚固、易于维修。
- 起落架: 保护螺旋桨和机身在降落时不受损坏。
- 电机支架/保护罩: 固定电机并防止异物缠绕。
- 相机云台: 如果需要航拍,需要一个可以稳定相机的云台。
- 个性化外壳: 为电池、飞控等设计保护壳。
科学与数学计算
在动手打印前，必须进行科学和数学的计算,以确保设计的可行性。
- 推重比: 这是最重要的参数，计算所有螺旋桨在最大油门下能产生的总推力，然后除以无人机的总重量，一个稳定的飞行器，推重比通常需要大于2:1。
- 公式:
推重比 = 总推力 / 总重量 - 实践: 你需要在网上查找你选用的电机和螺旋桨的推力数据表。
- 公式:
- 重心位置: 无人机的重心必须位于正确位置，否则飞行时会难以控制,通常在几何中心附近。
- 材料选择:
- PLA: 成本低，打印容易，但较脆，不耐冲击,适合设计原型或室内飞行器。
- PETG: 强度、韧性和耐热性都优于PLA,是无人机的常用材料。
- ABS/ASA: 强度高，耐温性好，但打印时有异味,需要加热床。
- 碳纤维填充/玻纤填充材料: 极高的强度和刚性，但价格昂贵，会磨损喷嘴,适合高性能竞速机。
第二阶段：制造与组装
3D打印
- 切片软件: 将你的3D模型文件（如.STL）转换为打印机可以识别的指令文件（如.GCODE），常用软件有 Cura, PrusaSlicer, Simplify3D。
- 打印设置:
- 层高: 影响打印精度和表面质量，一般无人机部件用0.2mm即可。
- 填充率: 影响部件的强度，承重部件（如机臂）建议填充率30%-50%,非承重件可以更低。
- 打印速度: 根据材料调整,过快可能导致模型失败。
- 后处理: 去除支撑、打磨毛刺,使部件更美观和精确。
电子设备选型与组装
这是工程集成的核心,你需要将一堆电子元件组装成一个完整的系统。
-
核心部件清单:
- 飞行控制器: 无人机的“大脑”，负责接收信号、计算姿态并控制电机，推荐开源飞控，如 Holybro Pixhawk 4、CubePilot 等，它们功能强大,社区支持好。
- 电子调速器: 连接飞控和电机，控制电机的转速,数量和电机数量一致。
- 无刷电机: 无人机的“肌肉”，根据你的无人机的重量和 desired 性能选择KV值（每伏特转速）和尺寸。
- 螺旋桨: 产生升力的关键，尺寸和螺距需要与电机匹配，且旋转方向（正桨/反桨）要正确。
- 电池: 无人机的“能量源”，常用的是LiPo（锂聚合物）电池，标称电压（如4S）和容量（如1500mAh）是重要参数。
- 遥控器和接收器: 用于在地面上控制无人机，选择支持你飞控协议的遥控器（如TBS, RadioMaster, FrSky）。
- GPS模块 (可选): 用于实现自动悬停、航线飞行等高级功能。
- 图传系统 (可选): 用于在地面实时看到无人机拍摄的画面。
-
组装过程:
（图片来源网络，侵删）- 将3D打印的机臂和机架组装起来。
- 将电调、电机、飞控等用扎带或双面胶固定在机架上。
- 关键一步：接线！ 按照飞控的说明书，将电调的信号线连接到飞控的输出通道，将电机连接到电调。注意：接线错误可能导致电机烧毁或飞控损坏！
- 连接接收器、电池、GPS等。
第三阶段：编程、调试与飞行
固件烧录与参数配置
- 固件: 飞控需要运行固件才能工作，最常用的是 ArduPilot 和 Betaflight，前者功能全面，适合航拍和自主飞行；后者响应灵敏,适合竞速和特技飞行。
- 地面站软件: 通过USB线将电脑连接飞控，使用地面站软件（如 Mission Planner for ArduPilot, Betaflight Configurator）来配置飞控的各种参数，如PID（控制姿态的算法）、传感器校准（陀螺仪、加速度计）、混控等。
调试与测试
- 静态测试: 在不旋翼的情况下，检查所有连接是否牢固,重心是否正确。
- 动态测试: 将无人机绑在测试架上，接上电池，缓慢增加油门，测试每个电机是否按预期方向旋转，这是安全第一的步骤！
- 手动试飞: 在开阔、无人的场地，由有经验的人或自己（如果已熟练）进行手动试飞,通过微调PID参数来优化飞行手感。
任务挑战
当无人机能够稳定飞行后，就可以进入STEM的应用和挑战阶段了。
- 数学挑战:
- 计算并规划一个“8”字形航线,飞控需要执行精确的坐标转换和角度计算。
- 通过分析飞控日志中的数据，计算出无人机在悬停时的姿态抖动幅度,并与PID参数关联。
- 工程挑战:
- 设计并3D打印一个可以自动投递小物料的机构。
- 设计一个可以折叠的机架,方便携带。
- 科学挑战:
搭载一个简单的传感器（如温湿度传感器）,收集不同高度的环境数据。
