一、基本概念

• 飛控：飛機(jī)的控制系統(tǒng)，其中硬件包含傳感器部分IMU和控制部分的MCU，軟件部分包含控制算法。

• 俯仰：pitch，繞坐標(biāo)系y軸旋轉(zhuǎn)，想象一下平時(shí)的飛機(jī)

• 航向：yaw，繞坐標(biāo)系z(mì)軸旋轉(zhuǎn)，想象一下平時(shí)的飛機(jī)

• 橫滾：roll，繞坐標(biāo)系x軸旋轉(zhuǎn)，想象一下平時(shí)的飛機(jī)

• 陀螺儀：感測(cè)角速度，具有高動(dòng)態(tài)特性， 但是它是一個(gè)間接測(cè)量角度的器件， 它測(cè)量的是角度的導(dǎo)數(shù)， 角速度，要將角速度對(duì)時(shí)間積分才能得到角度。一般不受外界影響干擾，不過(guò)會(huì)出現(xiàn)積分誤差的問(wèn)題。

• 加速度計(jì)：感測(cè)加速度，包括重力加速度，重力加速度和地理坐標(biāo)系是固連的，因此可以通過(guò)這種關(guān)系得到加速度計(jì)和地面的角度關(guān)系，但是如果繞著Z軸旋轉(zhuǎn)是不會(huì)改變的，也就是無(wú)法感知水平旋轉(zhuǎn)。生活中的手機(jī)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)屏幕就用到這個(gè)。

• 磁力計(jì)：HMC5883L，是利用地磁場(chǎng)來(lái)定北極的一種方法,由地球的磁場(chǎng)來(lái)感測(cè)方向類(lèi)似與指南針的功能。

• MPU6050：六軸傳感器，集成了3軸陀螺儀和3軸加速度計(jì)，還有預(yù)留的IIC接口可以接磁力計(jì)，同時(shí)含有DMP可以進(jìn)行硬件解算四元數(shù)，而輸出的是通過(guò)IIC輸出AD值。

• 慣性導(dǎo)航模塊：IMU,包括陀螺儀，加速度計(jì)和磁力計(jì)。

• MEMS：微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System),微電子微機(jī)械加工出來(lái)的、 用敏感元件如電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、 隧道電流等來(lái)感受轉(zhuǎn)換電信號(hào)的器件和系統(tǒng)。

• 氣壓計(jì)：MS5611氣壓計(jì)主要通過(guò)氣壓的變化來(lái)感測(cè)物體的相對(duì)和絕對(duì)高度，可以用來(lái)定高，尤其是在室內(nèi)GPS不起作用的情況下。

• 姿態(tài)解算：指把陀螺儀、加速度計(jì)、磁羅盤(pán)等數(shù)據(jù)融合在一起，得出飛行器的空中姿態(tài)。

• 深度解算：也叫長(zhǎng)期融合，可以比較準(zhǔn)確得解算出姿態(tài)。

• 快速解算：也叫快速融合，比較粗糙地得到姿態(tài)。

• 四元數(shù)：在無(wú)人機(jī)里面四元數(shù)是姿態(tài)的一種數(shù)學(xué)表示方式，也是用的最多的，因?yàn)樗脑獢?shù)比較適合組合旋轉(zhuǎn)。在姿態(tài)解算中，一般用四元數(shù)來(lái)保存姿態(tài)，也就是用來(lái)保存從MPU6050得到的AD值。

• 歐拉角：姿態(tài)的另外一種數(shù)學(xué)表示方式，在姿態(tài)解算中主要用于講四元數(shù)轉(zhuǎn)換成歐拉角，然后用于姿態(tài)解算，姿態(tài)解算的輸入只能是歐拉角。

• 剛體：指在運(yùn)動(dòng)中和受力作用后，形狀和大小不變，而且內(nèi)部各點(diǎn)的相對(duì)位置不變的物體。

• 地理坐標(biāo)系：地球所在的坐標(biāo)系， 這個(gè)坐標(biāo)系是固定不變的， 正北， 正東， 正上方分別表示X， Y， Z軸。

• 無(wú)頭模式：四軸的方向是從兩個(gè)電機(jī)中間的方向飛

• 有頭模式：四軸的方向是從其中某個(gè)電機(jī)的方向飛

二、基本結(jié)構(gòu)

1.動(dòng)力部分

• 機(jī)架：DJI的F450
• 電機(jī)：有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)，有刷電機(jī)是指電機(jī)內(nèi)有換相電刷，而無(wú)刷電機(jī)是指電機(jī)內(nèi)沒(méi)有換相電刷。有刷的定子是永磁體，無(wú)刷的定子是線(xiàn)圈，直觀來(lái)看是無(wú)刷電機(jī)有三個(gè)線(xiàn)并配合電調(diào)使用。大四軸一般都是用的無(wú)刷，小四軸用的是有刷的空心杯電機(jī)。
• 槳葉：碳纖槳，木槳，注塑槳，相同的電機(jī)和電池， 大KV值用小的螺旋槳， 小KV值用大的螺旋槳
• 電調(diào)：電子調(diào)速器，也叫電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，主要是用來(lái)控制電機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)速，通過(guò)改變固定線(xiàn)圈內(nèi)部電流的方向， 保證它跟永磁體之間的作用力是相互排斥， 持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)得以延續(xù)。
• 電池：航模的鋰電池需要的放電能力強(qiáng)，一般用C來(lái)做單位，這是與普通鋰電池的區(qū)別。

2.控制部分

• 飛控：主要是PIXHAWK，其采用的STM32做主控芯片，其中硬件包含傳感器部分IMU和控制部分的MCU，軟件部分包含控制算法
• 通信方式：NRF24L01，藍(lán)牙4.0或者WIFI
• 遙控器：美國(guó)手和日本手，美國(guó)手是指油門(mén)在左邊的搖桿，日本手則相反。注：左手是理智，右手是感情，劍是危險(xiǎn)的事物，要用理智來(lái)操控。

三、算法分析

姿態(tài)解算是指把陀螺儀、加速度計(jì)、磁羅盤(pán)等數(shù)據(jù)融合在一起，得出飛行器的空中姿態(tài)，也叫姿態(tài)融合。姿態(tài)解算涉及到傳感器數(shù)據(jù)的讀取和濾波、四元數(shù)與旋轉(zhuǎn)、姿態(tài)解算框架和長(zhǎng)期融合。飛行器通過(guò)四元數(shù)法從陀螺儀的三軸角速度得到俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)角，這是快速解算，然后結(jié)合三軸磁力計(jì)和三軸加速度計(jì)得到漂移補(bǔ)償和深度解算。

我們用坐標(biāo)系R來(lái)表示地球的坐標(biāo)系（地理坐標(biāo)系），這個(gè)坐標(biāo)系是固定不變的，有X、Y、Z三個(gè)軸，同時(shí)用坐標(biāo)系r來(lái)表示四軸飛行器的坐標(biāo)系。所謂的姿態(tài)解算就是測(cè)量坐標(biāo)系r與坐標(biāo)系R的角位置關(guān)系，通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)以及分析測(cè)量，最終得到這個(gè)關(guān)系。這當(dāng)中用到的數(shù)學(xué)表示方法有歐拉角、四元數(shù)、矩陣和軸角。

姿態(tài)解算可以通過(guò)軟件解算和硬件解算來(lái)實(shí)現(xiàn)。姿態(tài)控制算法的輸入?yún)?shù)必須要是歐拉角。 AD值是指MPU6050的陀螺儀和加速度值， 3個(gè)維度的陀螺儀值和3個(gè)維度的加速度值， 每個(gè)值為16位精度。AD值必須先轉(zhuǎn)化為四元數(shù)，然后通過(guò)四元數(shù)轉(zhuǎn)化為歐拉角。這個(gè)四元數(shù)可能是軟解，主控芯片（STM2）讀取到AD值，用軟件從AD值算得，也可能是通過(guò)MPU6050中的DMP硬解，主控芯片（STM32）直接讀取到四元數(shù)。

四、思考

1.無(wú)人機(jī)續(xù)航問(wèn)題

小四軸最多十幾分鐘，消費(fèi)級(jí)大四軸最多也只有30分鐘。

2.無(wú)人機(jī)起飛和下降的滯粘性

無(wú)人機(jī)用遙控器起飛的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)不小心油門(mén)加大了會(huì)突然沖上去，下降的時(shí)候也可能松油門(mén)過(guò)多而一下子下降。因此我們希望能夠飛機(jī)上升的時(shí)候，不會(huì)因?yàn)橛烷T(mén)突然加大而突然猛升，也不會(huì)因?yàn)橛烷T(mén)不小心拉低過(guò)快導(dǎo)致飛機(jī)快速跌落到地面。

解決方法：

1.數(shù)據(jù)曲線(xiàn)化

將遙控器的值給飛機(jī)后，飛機(jī)不是一下子就輸出，先把這個(gè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)再輸出，這可以起到一定的緩沖作用。將數(shù)據(jù)變成向下凹的拋物線(xiàn)，遙控器的油門(mén)搖桿取值范圍跟飛機(jī)的油門(mén)量有一一映射的關(guān)系。因?yàn)閽佄锞€(xiàn)是下凹的，最大值跟最小值是一樣的，而這變化的過(guò)程不是線(xiàn)性的，因此可以在一定程度上解決猛升的問(wèn)題。

2.負(fù)反饋控制

將無(wú)人機(jī)的當(dāng)前的加速度值減去當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣鹊鹊揭粋€(gè)加速度的差值，然后用當(dāng)前的油門(mén)量減去這個(gè)差值就可以在一定程度上起到緩沖的作用，但這個(gè)方法需要我們知道當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?#xff0c;這個(gè)可以通過(guò)串口助手進(jìn)行查看，但比較麻煩，我們可以通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)學(xué)習(xí)這個(gè)最優(yōu)的值，從而實(shí)現(xiàn)緩沖的作用。（為什么油門(mén)量減去差值？為什么是150*這個(gè)差值？）
轉(zhuǎn)自
無(wú)人機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)總結(jié) - LYX_BlackPearl - 博客園

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的无人机基础知识的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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