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瑞薩R7F0C014 四軸飛行器設(shè)計資料，文檔設(shè)計說明稿件
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2018-11-14 15:47 上傳
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2018-11-14 15:47 上傳
1.1 四軸飛行器原理介紹
四軸飛行器通過調(diào)節(jié)四個電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。結(jié)構(gòu)上，本次應(yīng)用中使用四軸飛行器的飛行模式是 X 模式，如圖“圖 1.1”所示，四軸飛行器的四個電機(jī)一對正轉(zhuǎn)，一對反轉(zhuǎn)使得垂直方向旋轉(zhuǎn)的反扭矩平衡, 從而保證了飛行的穩(wěn)定。四軸飛行器可以用作航拍、玩具等，在我們生活中已經(jīng)越來越常見。
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2018-11-14 15:47 上傳
四軸飛行器的基本飛行狀態(tài)可以分為：垂直飛行、水平飛行（俯仰和翻滾）、偏航飛行，分別如“圖 1.2”
所示。
（1）垂直飛行：如下圖（a）所示，同時增加或減少四個電機(jī)的轉(zhuǎn)速，四軸飛行器則會垂直上升或下降。
（2）水平飛行：如下圖（b）所示，增加兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)速，如電機(jī) M1 和 M4，同時減少另兩個電機(jī) M2和 M3的轉(zhuǎn)速，則四軸飛行器將向右飛行，同理可得向前、向后、向左方向的飛行方式。
（3）偏航飛行：如下圖（c）所示，增加兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)速，如電機(jī) M1 和 M3，同時減少另兩個電機(jī) M2和 M4的轉(zhuǎn)速，則四軸飛行器將順時針偏轉(zhuǎn)，同理可得逆時針偏轉(zhuǎn)的飛行方式。
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2018-11-14 15:49 上傳
1.2 PID平衡控制
對于四軸飛行器平衡控制算法中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速并不是單獨(dú)由油門來決定，而是以油門為基準(zhǔn)整合上空間三軸俯仰（Pitch）、翻滾（Roll）和偏航（Yaw）的控制量來決定，如下公式所示。
例如，四軸飛行器機(jī)頭向下傾斜時（對應(yīng)俯仰），為了達(dá)到平衡，電機(jī) 3和電機(jī) 4增大轉(zhuǎn)速，電機(jī) 1和電機(jī) 2減小轉(zhuǎn)速，此時俯仰控制量應(yīng)該向負(fù)增大（控制量的正負(fù)由姿態(tài)芯片 MPU6050擺放決定）。
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2018-11-14 15:49 上傳
由于實際偏航角（Yaw）無法由 MPU6050 測得，需要用電子羅盤，但是電子羅盤在四個電機(jī)的電磁作用下，精度受影響較大，所以上式中偏航（Yaw）控制量去除比例項，僅由微分項得到。 MPU6050的姿態(tài)刷新頻率約為 10ms一次。
1.3 定高控制
高度的采集通過超聲波模塊 HC-SR04 實現(xiàn)，由于測量距離的限制（約 2cm-120cm），本系統(tǒng)僅適用于室內(nèi)低空飛行，默認(rèn)高度設(shè)定為 60cm。
定高部分算法，根據(jù)超聲波檢測的距離進(jìn)行 PID控制，定高控制的輸出量與初始油門（由機(jī)身本身的重力和當(dāng)前電池電量決定）疊加作為當(dāng)前油門，從而不斷調(diào)節(jié)四軸飛行器油門值來實現(xiàn)垂直方向上的定高，而水平方向由于缺少 GPS相關(guān)模塊，未能得到進(jìn)行水平方向的控制量，所以本系統(tǒng)只能實現(xiàn)簡單的懸停。 超聲波模塊 HC-SR04置于四軸飛行器底部，高度刷新頻率約為 50ms一次。
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2018-11-14 11:09 上傳
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