四軸飛行器原理教程

1、第一章四軸飛行器工作原理,1.1四軸飛行器機械結(jié)構(gòu) 四軸飛行器是一種由固連在剛性十字交叉結(jié)構(gòu)上的 4 個電機驅(qū)動的一種飛行器。飛行器動作依靠 4 個電機的轉(zhuǎn)速差進行控制， 其機械結(jié)構(gòu)相對簡單， 可由電機直接驅(qū)動，無需復(fù)雜的傳動裝置。四軸飛行器按照電機軸的布置方式可分為十字模式和 X 模式，對于姿態(tài)測量和控制來說，兩種方式差別不大。考慮到 X 模式使用比較廣泛， 本次以X模式講解。,1.2四軸飛行器飛行動作原理

2、 四軸飛行器各種飛行動作依靠 4 個電機的轉(zhuǎn)速差進行控制 ，有八個動作：前后、左右、上下、 順時針和逆時針。,1.3四軸飛行器算法設(shè)計地理坐標系：是固連在地面的慣性坐標系，采用“東北天坐標系”，重力是（0,0,1g），地磁是（0,1,X）。機體坐標系：是固連在四軸飛行器上的坐標系，其上有陀螺儀加速度計可以測量角度。,1.3.1四軸飛行器姿態(tài)姿態(tài)是描述一個剛體的剛體坐標系和參考坐標系之間的角度位置關(guān)系。用三

3、個姿態(tài)角表示：橫滾角（roll）、俯仰角（pitch）、偏航角（yaw）。姿態(tài)控制：橫滾角（roll）控制（在YZ平面繞X軸轉(zhuǎn)動產(chǎn)生） 俯仰角（pitch）控制（在XZ平面繞Y軸轉(zhuǎn)動產(chǎn)生）,偏航角（yaw）控制（在XY平面繞Z軸轉(zhuǎn)動產(chǎn)生）姿態(tài)解算 整個姿態(tài)解算的原理是：由于加速度計噪聲誤差和陀螺儀

4、積分誤差，導(dǎo)致測得的機體坐標系不準，得到的姿態(tài)也就會不準確。因為地理坐標系中飛行器所受的重力和磁場是個常量，如果將它們轉(zhuǎn)換到機體坐標系中，轉(zhuǎn)換后的重力向量和磁場向量與實際測量的向量會有誤差，只要消除此誤差，就可以校正機體坐標系得到準確的姿態(tài)。消除誤差采用PI互補濾波，姿態(tài)表示用四元數(shù)（a+bi+cj+dk，且 ）,1.3.2電機串級PID控制串級與單級PID區(qū)別：串級采用的是角度

5、和角速度兩級PID，單級只采用角度PID。假如我們控制物體位移為零，采用單級位移PID控制，由于物體速度不為零，我們就不能保證物體位移為零，如果采用位移和速度串級PID就能保證物體位移為零了。所以四軸采用串級PID控制性和穩(wěn)定新都將更強。,算法總結(jié)姿態(tài)角通過串級PID控制電機轉(zhuǎn)速姿態(tài)解算 整個姿態(tài)解算的原理是：由于加速度計噪聲誤差和陀螺儀積分誤差，導(dǎo)致測得的機體坐標系不準，得到的姿態(tài)也就會不準確

6、。因為地理坐標系中飛行器所受的重力和磁場是個常量，如果將它們轉(zhuǎn)換到機體坐標系中，轉(zhuǎn)換后的重力向量和磁場向量與實際測量的向量會有誤差，只要消除此誤差，就可以校正機體坐標系得到準確的姿態(tài)。消除誤差采用PI互補濾波，姿態(tài)表示用四元數(shù)（a+bi+cj+dk，且 ）,姿態(tài)解算得到姿態(tài)角,飛行動作,遙控器設(shè)定目標,姿態(tài)解算算法的實現(xiàn)步驟為：將濾波后的三軸加速度計值歸一化，該值為機體坐標系下

7、重力向量的測量值 將地理坐標系的重力向量轉(zhuǎn)換到機體坐標系中將地理坐標系轉(zhuǎn)換到機體坐標系下的重力向量與機體坐標系測量的向量外積（叉積），得到的就是兩坐標系的誤差。,因為陀螺儀會有積分誤差，且四元數(shù)更新姿態(tài)是用陀螺儀來跟新的，所以陀螺儀的誤差是導(dǎo)致機體坐標系產(chǎn)生誤差的根本原因，這里用兩坐標系誤差的PI來補償陀螺儀，使得到的機體坐標系更加準確。四元數(shù)姿態(tài)更新，對四元數(shù)進行微分方程的一階畢卡算法由于誤差的引入

8、使得四元數(shù)的模不再等于1，四元數(shù)失去了規(guī)范性，因此在利用更新后的四元數(shù)計算歐拉角時，必須對四元數(shù)進行規(guī)范化處理。,地理坐標系中重力的水平分量為零，僅用三軸陀螺儀和三軸加速度計無法計算出航向角，由于四軸飛行器保持穩(wěn)定飛行只需要橫滾角（roll）和俯仰角（pitch）就行，航向的改變通過遙控器就可以控制，所以四元數(shù)轉(zhuǎn)換成歐拉角，這里只需轉(zhuǎn)換橫滾角和俯仰角。結(jié)論：消除誤差的本質(zhì)是利用加速度計來補償陀螺儀。,第二章四軸飛行器硬件

9、組成,四軸飛行器主要由電機、電調(diào)、漿、機架、電池、充電器、遙控器、飛控板等部件組成。飛控板：包含各種算法，控制中心。電調(diào)：飛控板和電機的中間轉(zhuǎn)換器，避免12V強電壓對飛控板精確信號的干擾。,2.1遙控器篇什么是通道？通道就是可以遙控器控制的動作路數(shù)，比如遙控器只能控制四軸上下飛，那么就是 1 個通道。但四軸在控制過程中需要控制的動作路數(shù)有：上下、左右、前后、旋轉(zhuǎn)，所以最少需要 4 通道的遙控器。如果想以后玩航拍這些就需

10、要更多通道的遙控器了。什么是日本手、美國手？遙控器上油門的位置在右邊是日本手、在左邊是美國手，所謂遙控器油門，在四軸飛行器當中控制供電電流大小，電流大，電動機轉(zhuǎn)得快，飛得高、力量大，反之同理。判斷遙控器的油門很簡單，遙控器 2 個搖桿當中，上下板動后不自動回到中間的那個就是油門搖桿。,2.2飛控板篇（簡稱飛控）飛控板的用途？ 如果沒有飛控板，四軸飛行器就會因為安裝、外界干擾、零件之間的不一致型等原因形成飛行力量不

11、平衡，后果就是左右、上下的胡亂翻滾，根本無法飛行，飛控板的作用就是通過飛控板上的陀螺儀，對四軸飛行狀態(tài)進行快速調(diào)整（都是瞬間的事，不要妄想用人肉完成） ，如發(fā)現(xiàn)右邊力量大，向左傾斜，那么就減弱右邊電流輸出，電機變慢，升力變小，自然就不再向左傾斜。,2.3電調(diào)篇為什么需要電調(diào)？ 電調(diào)的作用就是將飛控板的控制信號，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯拇笮?，以控制電機的轉(zhuǎn)速。因為電機的電流是很大的，通常每個電機正常工作時，平均有 3a 左右的電流，

12、如果沒有電調(diào)的存在，飛控板根本無法承受這樣大的電流（另外也沒驅(qū)動無刷電機的功能） 。同時電調(diào)的 BEC 輸出功能在四軸當中還充當了電壓變化器的作用，將 11.1v 的電壓變?yōu)?5v 為飛控板和遙控接收機供電。在四軸上，4 個電調(diào)的正負極需要并聯(lián)（紅色連一起，黑色連一起） ，并接到電池的正負極上；電調(diào) 3 根黑色的電機控制線用于連接電機。,需要 多大 的電調(diào)？電調(diào)都會標上多少 A，如 20A，40A 這個數(shù)字就是電調(diào)能夠提供的電流。大電

13、流的電調(diào)可以兼容用在小電流的地方。小電流電調(diào)不能超標使用。四軸 專用電調(diào)是什么意思？因為四軸飛行要求電調(diào)能夠快速響應(yīng)，而電調(diào)有快速響應(yīng)和慢速響應(yīng)的區(qū)別，所以四軸需要快速響應(yīng)的電調(diào)，其實大多數(shù)常見電調(diào)是可以編程的，能通過編程來設(shè)置響應(yīng)速度。電調(diào)編程什么意思？電調(diào)是有很多功能模式的，選擇這個功能就是對電調(diào)編程。編程的途徑可以直接將電調(diào)連接至遙控接收機的油門輸出通道（通常是 3 通道） ，按說明書，在遙控器上通過搬動搖桿進行設(shè)置，這個

14、方法比較麻煩，但節(jié)約。另外，還可以通過廠家的編程卡來進行設(shè)置（需要單獨購買） ，方法簡單，無需接遙控器。為了保險，一定要將購買的電調(diào)設(shè)置一致，否則容易難于控制。如：電調(diào)的啟動模式不一樣，那么有些都轉(zhuǎn)很快了，有些還很慢，這就有問題了。注：通過遙控器進行設(shè)置電調(diào)，一定要接上電機，因為說明書上說的“滴滴”類的聲音，是通過電機發(fā)出來的。,2.4無刷電機與螺旋槳篇電機分為有刷電機和無刷電機，無刷是四軸的主流，它力氣大，耐用，有刷電機就是我們所

15、說的馬達，用于微型四軸。電機的型號含義？說什么 2212 電機，2018 電機等等，到底是什么意思呢？這其實電機的尺寸。不管什么牌子的電機，具體都要對應(yīng) 4 位這類數(shù)字，其中前面 2 位是電機轉(zhuǎn)子的直徑，后面 2 位是電機轉(zhuǎn)子的高度。注意，不是外殼哦。簡單來說，前面 2 位越大，電機越肥，后面 2 位越大，電機越高。 又高又大的電機，功率就更大，適合做大四軸。 通常 2212 電機是最常見的配置了。,什么是電機

16、KV 值？電機都會標準多少 KV 值，這個 KV 是外加 1V 電壓對應(yīng)的每分鐘空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，例如：1000KV 電機，外加 1V 電壓，電機空轉(zhuǎn)時每分鐘轉(zhuǎn) 1000 轉(zhuǎn)，外加 2V 電壓，電機空轉(zhuǎn)就 2000 轉(zhuǎn)了。槳的型號含義？槳也有啥 1045,7040 這些 4 位數(shù)字，前面 2 位代表槳的直徑（單位：英寸 1 英寸=254 毫米）后面 2 位是槳的角度。什么是正反槳，為什么需要它？為了抵消螺旋槳的自旋，相隔的槳旋轉(zhuǎn)方向

17、是不一樣的，所以需要正反槳。正反槳的風(fēng)都向下吹。適合順時針旋轉(zhuǎn)的叫正漿、適合逆時針旋轉(zhuǎn)的是反漿。安裝的時候，一定記得無論正反槳，有字的一面是向上的（槳葉圓潤的一面要和電機旋轉(zhuǎn)方向一致） 。電機與螺旋槳的搭配 ？螺旋槳越大，升力就越大，但對應(yīng)需要更大的力量來驅(qū)動；螺旋槳轉(zhuǎn)速越高，升力越大；電機的 KV 越小，轉(zhuǎn)動力量就越大；綜上所述，大螺旋槳就需要用低 KV 電機，小螺旋槳就需要高 KV 電機（因為需要用轉(zhuǎn)速來彌補升力不足） ，如

18、果高 KV 帶大槳，力量不夠，那么就很困難，實際還是低速運轉(zhuǎn)，電機和電調(diào)很容易燒掉。如果低 KV 帶小槳，完全沒有問題，但升力不夠，可能造成無法起飛。例如：常用 1000KV 電機，配 10 寸左右的槳。這是一個復(fù)雜的問題，建議大家采用最常見的配置，槳的選擇是與機架有關(guān)的。,2.5電池與充電器篇為什么要選鋰電池？同樣電池容量鋰電最輕，起飛效率最高。電池的多少 mAh 是 什么意思？表示電池容量，如 1000mAh 電池

19、，如果以 1000mA 放電，可持續(xù)放電 1 小時。如果以 500ma 放電，可以持續(xù)放電 2 小時。電池后面的 2S ，3S ，4S 什么意思？代表鋰電池的節(jié)數(shù)，鋰電池 1 節(jié)標準電壓為 3.7V，那么 2S 電池，就是代表有 2個 3.7V 電池在里面，電壓為 7.4V。電池后面多少 C 是什么意思？代表電池放電能力，這是普通鋰電池和動力鋰電池最重要區(qū)別，動力鋰電池需要很大電流放電，這個放電能力就是 C 來表

20、示的。如 1000mAh 電池 標準為 5C，那么用 5x1000mAh，得出電池可以以 5000mh 的電流強度放電。這很重要，如果用低 c 的電池，大電流放電，電池會迅速損壞，甚至自燃。,多少 C 快充是什么意思？這個與上面的 C 一樣，只是將放電變成了充電，如 1000mAh 電池，2C 快充，就代表可以用 2000mA 的電流來充電。所以千萬不要圖快冒然用大電流，超過規(guī)定參數(shù)充電，電池很容易損壞。怎么配電池？這與選擇的

21、電機、螺旋槳，想要的飛行時間相關(guān)。容量越大，C 越高，S 越多，電池越重。基本原理是用大槳，因為整體搭配下來功率高，自身升力大，為了保證可玩時間，可選高容量，高 C，3S 以上電池。最低建議 2200mAh，20C，3S。小四軸，因為自身升力有限，整體功率也不高，就可以考慮小容量，小 C，3S 以下電池。平衡充電什么意思 ？如 3S 電池，內(nèi)部是 3 個鋰電池，因為制造工藝原因，沒辦法保證每個電池完全一致，充電放電特性都有差異

22、，電池串聯(lián)的情況下，就容易照常某些放電過度或充電過度，充電不飽滿等，所以解決辦法是分別對內(nèi)部單節(jié)電池充電。動力鋰電都有 2 組線，1 組是輸出線（2 根） ，1 組是單節(jié)鋰電引出線（與 s 數(shù)有關(guān)） ，充電時按說明書，都插入充電器內(nèi)，就可以進行平衡充電了。,2.6機架篇機架的軸長短有沒有規(guī)定？理論上講，只要 4 個螺旋槳不打架就可以了，但要考慮到，螺旋槳之間因為旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的亂流互相影響，建議還是不要太近，否則影響效率。 這也是為什么四

23、軸用 2葉螺旋槳比用 3 葉螺旋槳多的原因之一。 （3 葉螺旋槳還有個缺點，平衡不好做）,2.7總結(jié)篇 四軸硬件除了飛控板外，電機和電調(diào)的選擇也非常重要，建議大家購買的時候最好選擇專業(yè)做四軸的淘寶店購買，以防止買到次品（好的電機電調(diào)比差的電機電調(diào)效果明顯，差的幾乎飛不起來）。 四軸電機一般選朗宇電機，其它如新西達和銀燕電機都不靠譜，也要防止買到次品。四軸電調(diào)一般選用好盈電調(diào)，其它如新西達和銀燕電調(diào)都不靠

24、譜，也要防止買到次品 做四軸是個燒錢東西，一般電機、電調(diào)、螺旋槳、機架、遙控器、電池、充電器都需要買，這些自己動手做幾乎不可能了，我們能夠自己做的也就是飛控板可以自己設(shè)計，初學(xué)者要能夠完全做會四軸一般得花3000元以上，所以選擇做四軸飛行器的請慎重考慮。,第三章四軸飛行器程序設(shè)計,3.1飛行器程序整體設(shè)計 由于姿態(tài)結(jié)算和串級PID都是有周期性質(zhì)的，且為了保證各數(shù)據(jù)的實時性，所以四軸飛行器程序都在定時器

25、中斷里面完成。而主函數(shù)主要做其它次要任務(wù)，如上位機通信、狀態(tài)燈指示、液晶顯示等。四軸飛行器程序（定時器中斷完成）讀取遙控器控制數(shù)據(jù)（輸入捕捉）讀取三軸加速度、陀螺儀和磁力計，減零偏并進行濾波處理（I2C）姿態(tài)結(jié)算串級PID控制（PWM輸出）,姿態(tài)解算C語言代碼實現(xiàn)如下：norm = Q_rsqrt(ax*ax + ay*ay + az*az); //加速度計數(shù)據(jù)歸一化ax = ax *norm;ay = ay * n

26、orm;az = az * norm;vx = 2*(q1q3 - q0q2); //轉(zhuǎn)換成機體坐標系中的重力向量vy = 2*(q0q1 + q2q3);vz = q0q0 - q1q1 - q2q2 + q3q3 ;ex = (ay*vz - az*vy) ; //向量外積就是誤差ey = (az*vx - ax*vz) ;ez = (ax*vy - ay*vx) ;exInt = exInt + Vari

27、ableParameter(ex) * ex * Ki;//對誤差積分eyInt = eyInt + VariableParameter(ey) * ey * Ki;ezInt = ezInt + VariableParameter(ez) * ez * Ki;gx = gx + Kp * VariableParameter(ex) * ex + exInt; //補償陀螺儀gy = gy + Kp * VariablePa

28、rameter(ey) * ey + eyInt;gz = gz + Kp * VariableParameter(ez) * ez + ezInt;,q0 = q0 + (-q1*gx - q2*gy - q3*gz)*halfT; //四元數(shù)的微分方程q1 = q1 + (q0*gx + q2*gz - q3*gy)*halfT;q2 = q2 + (q0*gy - q1*gz + q3*gx)*halfT;q3 = q

29、3 + (q0*gz + q1*gy - q2*gx)*halfT;norm = Q_rsqrt(q0q0 + q1q1 + q2q2 + q3q3); //四元數(shù)歸一化q0 = q0 * norm;q1 = q1 * norm;q2 = q2 * norm;q3 = q3 * norm;angle.pitch = asin(-2*q1q3 + 2*q0q2); //四元數(shù)轉(zhuǎn)換成歐拉角angle.roll = atan2(

30、2*q2q3 + 2*q0q1, -2*q1q1 - 2*q2q2 + 1);,串級PID算法：,第四章四軸飛行器參數(shù)調(diào)試,對于四軸飛行器來說，真正需要調(diào)試的參數(shù)只有串級PID參數(shù)，由于四軸非常對稱，roll和pitch的串級PID參數(shù)相同。對于姿態(tài)結(jié)算中的參數(shù)，由于MPU6050集成了三軸加速度和陀螺儀，故互補濾波PI參數(shù)用我們的參數(shù)就行，不需要調(diào)。調(diào)試的時候先綁住四軸飛行器，只讓四軸在水平面的一個軸可以轉(zhuǎn)動。按照先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，先調(diào)

31、 P 再調(diào) D 最后調(diào) I 的順序調(diào)試參數(shù)。航向角的參數(shù)根據(jù)實際飛行效果，實際飛行調(diào)試，航向角的參數(shù)不需要精調(diào)，差不多就可以。依據(jù) PID 調(diào)試原理，在調(diào)試某個參數(shù)的時候，其它還未調(diào)的參數(shù)設(shè)定為零，根據(jù)施加干擾后實際效果來確定參數(shù)。內(nèi)環(huán) P 小了四軸會往一邊傾斜，大了施加干擾四軸會晃動很厲害；內(nèi)環(huán) D 小了效果不明顯，大了高頻振動很厲害。外環(huán) P 小了施加干擾四軸會慢慢往一邊傾斜,大了四軸會在平衡位置晃動很厲害;外環(huán) D 小了效果不

32、明顯,大了會在平衡位置高頻振動;外環(huán) I 小了四軸的平衡位置不在水平面上,外環(huán) I 大了四軸會在平衡位置低頻振動。注：只調(diào)試內(nèi)環(huán)參數(shù)時四軸并不會在平衡位置，會在你綁住四軸力、重力的合力平衡位置。內(nèi)環(huán)和外環(huán)參數(shù)調(diào)好后，四軸的角度也并不一定為零，在-3~+3度是屬于正常范圍，因為你綁住四軸的時候四軸是受力的，四軸無法抵消這個力才會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，綁四軸的時候很對稱可以減輕這種現(xiàn)象。,4.1串級PID參數(shù)調(diào)試 串級PID參數(shù)調(diào)