嵌入式开发-四旋翼飞行器飞行控制原理普及

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收藏于 : 2018-02-21 10:17   被转藏 : 1   


简介


硬件结构

四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源,旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向,四个旋翼处于同一高度平面,且四个旋翼的结构和半径都相同,旋翼1 和旋翼3 逆时针旋转,旋翼2 和旋翼4 顺时针旋转,四个电机对称的安装在飞行器的支架端,支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。四旋翼飞行器的结构形式如图 1.1所示。

四轴主要硬件组成:

  • 架子

  • 电池

  • 四个电机+螺旋桨+电机驱动

  • 飞控板(姿态测量传感器+无线遥控模块+其他)

【电池】

四轴电池示意图

为什么要选锂电池?

同样电池容量锂电最轻,起飞效率最高。

电池的多少 mah时什么意思?

表示电池容量, 如 1000mah电池, 如果以 1000ma 放电, 可持续放电 1小时。 如果以 500mh放电,可以持续放电 2 小时。

电池后面的 2s,3s,4s什么意思?

代 表锂电池的节数,锂电池 1 节标准电压为 3.7v,那么 2s电池,就是代表有 2 个 3.7v电池在里面,电压为 7.4v。

电池后面多少 c 是什么意思?

代表电池放电能力,这是普通锂电池和动力锂电池最重要区别,动力锂电池需要很大电流放电, 这个放电能力就是 C 来表示的。 如 1000mah电池 标准为 5c, 那么用 5x1000mah,得出电池可以以 5000mh 的电流强度放电。这很重要,如果用低 c 的电池,大电流放电,电池会迅速损坏,甚至自燃。

【电机(motor)】俗称马达,是飞行器的重要组成部分,为四飞行器的飞行提供动力

【螺旋桨】

碳纤维材料螺旋桨

木质材料螺旋桨

首先要说明的是螺旋桨工作时一定要与它要保持一定的距离,不要让它伤到你。

螺旋桨有两个十分重要的指标:直径和几何螺距。几乎所有的螺旋桨在售出的时候都会在其包装上注明例如 8×4.5 这样的字样,第一个数字 8 代表了它的直径,第二个数字4.5代表了它的几何螺距,二者单位均为英寸。此处直径的定义为叶片的直径大小,而它决定了在标准流体实验条件下,螺旋桨在桨旋一周形成的圆形区域内切割空气量的大小, 但是它只能决定产生飞行拉力的大小和扭矩的大小,并不能影响飞行的速度。

螺旋桨螺距示意图

几何螺距这个参数就可以代表飞行的速度,它定义了在标准流体实验条件下,桨旋一周带动飞行器行进的距离。其实飞行器的桨旋行进轨迹和螺丝的钉头螺纹是一样的,我们不妨这样类比一下。当螺纹的密集程度越大时,将螺丝旋转一周拧进物体的深度越浅,但是密实程度越强;而螺纹密集程度越小时,将螺丝旋转一周拧进物体的深度越深,密实程度反而越弱。螺丝的密集程度在模型参数上其实可以类比为几何螺距尺寸,而密实程度可以类比为扭力大小。当然,由于模型在户外飞行时并不能保证户外空气的标准流体模型,但是这种分析方法同样会对我们选择螺旋桨提供一个很好的参考。几何螺距越大, 飞行速度越快, 但需要更长的时间来加速, 所以加速上升能力就比较差。就像一辆手动挡汽车,假设你在五档行驶,速度肯定比一挡要快很多,但是五档是没有办法爬坡的,因为它扭力不够,航模也是一样,只不过它的扭力取决于几何螺距,也就是桨的尺寸。低螺距的螺旋桨正好相反,速度可能没有前者快,但是它的加速能力较强,攀爬能力较强,控制性较好,这和我们通常开车坡道起步采用低挡位是一个原理。于是有人就会问,有没有一种方法就像汽车能够换挡一样,让飞行器在飞行的时候能够改变桨的尺寸,适应不同情况的需求呢?答案是肯定的,有种可变螺距的螺旋桨能够在飞行的时候改变飞行姿态,满足不同条件,但是这种螺旋桨一般是用在直升机上的,多旋翼飞器涉及的不多。

什么是正反桨,为什么需要它?

四轴飞行为了抵消螺旋桨的自旋,相隔的桨旋转方向是不一样的,所以需要正反桨。正反桨的风都向下吹。适合顺时针旋转的叫正浆、适合逆时针旋转的是反浆。安装的时候,一定记得无论正反桨,有字的一面是向上的(桨叶圆润的一面要和电机旋转方向一致)。

【飞控板】

飞控板示意图

飞行控制器(飞控)是飞行器的大脑,飞控板上配置有中央处理器、姿态测量传感器、无线接收器等器件,飞控板完成自身稳定的飞行,并且它还要从接收器接受信号,并把信号传输给电调告诉它如何飞行,其中最困难的在于如何保持飞行器飞行的稳定性。为了保持稳定性,飞控板就需要各种各样的传感器完成自身的姿态解算并控制四个电机的输出动力,使自身保持稳定。


自动控制原理

我想对四轴感兴趣的朋友们,一定想过四轴飞行的原理,为什么四轴可以稳定的飞起来呢?外行看热闹,内行看门道,对于四轴可以悬停在空中温度的飞行,不懂内在原理的人有这样一个误区,就是只要四轴的四个螺旋桨旋转的速度一致就可以让四轴平稳的飞起来了,在这里我非常负责任的告诉大家这是不可能的,为什么呢?首先四轴飞行器的重心无法保证刚好在四个螺旋桨的正中心,其次如果有风的干扰等情况都会造成四轴飞行时的不稳定。所以千万不要天真的以为四轴只要四个螺旋桨旋转速度一致就可以让四轴飞起来了,要不然还学自动控制技术干什么用啊,自动控制原理是一门很有用也是很深奥的学问。

典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾浆。他们是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角,从而控制直升机的姿态和位置。四旋翼飞行器与此不同,是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速,实现升力的变化,从而控制飞行器的姿态和位置。由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化,这样会导致其动力不稳定,所以需要一种能够长期确保稳定的控制方法。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直起降机,因此非常适合静态和准静态条件下飞行。但是四旋翼飞行器只有四个输入力,同时却有六个状态输出,所以它又是一种欠驱动系统。

四旋翼飞行器的结构形式如图1.1所示,电机1 和电机3 逆时针旋转的同时,电机2 和电机4 顺时针旋转,因此当飞行器平衡飞行时,陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。与传统的直升机相比,四旋翼飞行器有下列优势:各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反,因此当电机1 和电机3 逆时针旋转的同时,电机2 和电机4 顺时针旋转,可以平衡旋翼对机身的反扭矩。

与直升机相比,四轴飞行器可以实现的飞行姿态较少,不过基本的前进、后退、平移等状态都可以实现。但是四轴飞行器的机械结构远远比直升机简单,维修和更换的开销也非常小,这让四轴飞行器有了比直升机更大的应用优势。

为了保持飞行器的稳定飞行,在四轴飞行器上装有3个方向的陀螺仪和3 轴加速度传感器组成惯性导航模块,可以计算出飞行器此时相对地面的姿态以及加速度、角速度,飞行控制器通过算法计算保持运动状态时所需的旋转力和升力,通过电子调控器来保证电机输出合适的力。

如果四轴上装有气压计模块、电子指南针模块、GPS模块、摄像头,还可以拥有更多的功能,比如定高,定位,拍摄功能等等。

四轴的两种飞行模式:

四轴六种飞行姿态(+模式):

+模式和 x 模式虽然控制算法不完全一样,但是根本原理是一样的,只要明白一种另一种也就明白了。

  • 垂直运动

  • 俯仰运动

  • 翻滚运行

  • 偏航运动

  • 前后运动

  • 侧向运动

(1)垂直运动:垂直运动相对来说比较容易。在图中,因有两对电机转向相反,可以平衡其对机身的反扭矩,当同时增加四个电机的输出功率,旋翼转速增加使得总的拉力增大,当总拉力足以克服整机的重量时,四旋翼飞行器便离地垂直上升;反之,同时减小四个电机的输出功率,四旋翼飞行器则垂直下降,直至平衡落地,实现了沿 z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时,在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时,飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。

(2)俯仰运动:在图(b)中,电机 1的转速上升,电机 3 的转速下降,电机 2、电机 4 的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变,旋翼 1与旋翼 3转速该变量的大小应相等。由于旋翼1 的升力上升,旋翼 3 的升力下降,产生的不平衡力矩使机身绕 y 轴旋转(方向如图所示),同理,当电机 1 的转速下降,电机 3的转速上升,机身便绕y轴向另一个方向旋转,实现飞行器的俯仰运动。

(3)滚转运动:与图 b 的原理相同,在图 c 中,改变电机 2和电机 4的转速,保持电机1和电机 3的转速不变,则可使机身绕 x 轴旋转(正向和反向),实现飞行器的滚转运动。

(4)偏航运动:四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩,为了克服反扭矩影响,可使四个旋翼中的两个正转,两个反转,且对角线上的来年各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关,当四个电机转速相同时,四个旋翼产生的反扭矩相互平衡,四旋翼飞行器不发生转动;当四个电机转速不完全相同时,不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图 d中,当电机 1和电机 3 的转速上升,电机 2 和电机 4 的转速下降时,旋翼 1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩,机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴转动,实现飞行器的偏航运动,转向与电机 1、电机3的转向相反。

(5)前后运动:要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动,必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图 e中,增加电机 3转速,使拉力增大,相应减小电机 1转速,使拉力减小,同时保持其它两个电机转速不变,反扭矩仍然要保持平衡。按图 b的理论,飞行器首先发生一定程度的倾斜,从而使旋翼拉力产生水平分量,因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。当然在图 b 图 c中,飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿 x、y轴的水平运动。

(6)倾向运动:在图 f 中,由于结构对称,所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

四轴飞行控制算法:

四轴作为一个飞行控制系统,其本身是一个闭环控制系统,具有反馈调节功能,其主要控制过程分为两个步骤。

  • 姿态解算

  • 控制过程

(1)姿态解算:姿态解算是借助陀螺仪和加速度计传感器测量出系统坐标系的3个方向的角速度以及加速度,然后进行卡尔曼滤波做数据滤波+融合处理,最后用四元素算法或者是欧拉角公式求解出惯性坐标系下的俯仰角(pitch)、翻滚角(roll)、偏航角(yaw),这3个角度成为姿态角。

(2)控制过程:控制过程就是飞控板不停进行姿态解算并算出来当前时刻的姿态角,然后通过控制算法计算出来当前时刻要对四个电机转速的控制值,最终使四轴是3个姿态角始终保持在设定的状态下。如果想要四轴处于悬停状态,只要把3个目标姿态角都设为0°就行了;如果想要四轴处于其他飞行状态,只要调整3个目标姿态角就可以了,四轴就会自动的变化到预设的飞行状态上去。控制算法还是用的PID比较多,不过不是传统的PID,而是对PID做了改进和优化处理了。

因为具体算法有点复杂,所以就不在这里详细解释了,以后我会开源出了我以前做的四轴项目供大家参考。如果有什么问题,可以关注小编并私信。

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