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穿越机(FPV)的前世今生-飞行控制器

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飞行控制器
来到帖子的重点飞行控制器;
经过多年的发展,现在的无人机已经达到消费级的水准,而特别地其中最重要的一部分就是IMU-inertia measurement unit 惯性测量单元这里我们先说说飞行器(四轴)飞行器的控制。本身四轴飞行器的控制规定来自于固定翼飞行器,分为Roll 横滚轴、Yaw 偏航轴、Pitch俯仰。 M100_Airframexyz.jpg
早期的四轴飞行控制器,并不集成IMU单元,飞行控制器的主要作用是协调各个电机的转速,通过物理的方式实现飞行器的Roll、pitch、Yaw 动作;这一点类似于早期的遥控直升机。

可能大多数新手无法想象它的具体的表现;由于无刷电机,电子调速器,一致性很难控制,四个电机的转速都需要一一调节,才能保证飞行器的的基本平衡。
早期的时候,楼主用过不集成陀螺仪的KK飞控,那是怎样的一段黑历史,相信也只有骨灰级玩家能懂。
到后来,飞控集成了陀螺仪,也是到此,四轴飞行器才基本达到了自平衡的要求,具体效果相当于精灵系列的手动模式。
即:飞机能保持平衡,但会由于惯性,无法从当前的水平运动状态中恢复静止,需要手动介入才不会一直飘下去。
这里,我们就简单的介绍一下飞行控制器的传感器组成:

陀螺仪:这里以MPU6050为例,该陀螺仪,集成6轴运动处理组件,能够分别两三个轴向的角速度,加速度,通过四元素输出可以得到,各个轴向的角度偏差,再经过滤波算法可以得到较为稳定的角度偏差数据。其精度取决于硬件及其滤波算法。以下为主控获取的角度偏差数值。
姿态roll.png

电子罗盘:以HMC5833为例,电子罗盘的主要作用是确定飞机航向,防止飞机因为电机性能不一致导致自旋。特别是在目视情况,不能确定飞机机头方向是非常很危险的。(楼主为此炸机无数)

气压计:以MS5611为例,气压计主要靠测量大气压变化来感知飞行器所处高度的变化,一般我们认为气压随海拔高度线性变化,但前提是,气压计不能受到气流扰动。所以集成气压计的飞行控制器,大多都需要用海绵垫来隔开气压传感器,防止气流扰动影响飞行器的高度保持。
那么问题来了,如果在飞行过程中,大气压发生变,静止无操作飞机会怎样?
楼主的理解是:由于滤波算法的滞后效应,飞行器高度不会发生短时间的突变,但飞行器所处的海拔高度会在一段时间内发生缓慢变化,这也是通过气压来测量海拔高度的一个缺点。

GPS: GPS这个设备,相信大家都了解。技术以及发射设备来自于美帝,地面装置通过接收来自于多颗中轨道卫星发射的无线电波,来计算自身方位的装置(实际上也包含海拔高度数据,只是这个数据精度较差,达不到应用要求)。大多数GPS(以U-Blox芯片为例)采用NEMA协议,数据包含:时间、经纬度、速度、卫星数量等等信息。我们知道在地球以及其表面的任意两点距离是可以计算的,也可以通过一个方程或者多个方程近似的描述某一条曲线,那么根据GPS所扩展出来的应用就一大把了;我们暂且不论其实现的难度,这里也只简单提及。例如:飞行器定点、航迹规划、距离测量、热点跟随,兴趣点环绕、地理围栏等等。

PID控制PID实际上自动控制原理中一个比较常用的闭环控制算法,这里应从传感器参数到飞行器姿态的闭环控制过程中。早期KK、MWC等飞控都需要手动调整PID的控制参数,以实现飞行器的稳定控制。其过程比较复杂,这里只是提及。当然随着电子技术的进步,PID参数的整定趋于智能化,一些能够自整定的飞行器模型渐渐出现,后期的APM,PIX4都提供了自动配置PID控制参数的功能。例如:基于模糊控制的PID参数整定,基于神经网络…………,(我是从这里看到的:《pid控制器参数整定与实现-黄友锐》)楼主才疏学浅,看不太懂,欢迎大神拍砖。
如果你弄懂得了以上这些,也学过一些编程语言,并且懂一点硬件和电路方面的知识,那么恭喜你,你可以自己做飞控了(效果嘛……………………因人而异!!差距也可能很明显)

这里呢,再加入一部分补充内容:
飞行控制器硬件配置:早期在早期,飞行控制器的主控芯片,还停留在比较初级的阶段,以avr系列单片机为例。而由于avr系列单片机资源有限,很难运行比较复杂的控制算法,在性能上很难实现突破。随着时间推移,目前市面飞行控制器架构以ARM为主,性能上具有较大幅度的提高,这样促成了飞行控制器各方面性能的提升。
无人机黑匣子:黑匣子本是飞机上用于记录飞行数据的设备,商业无人机为了分析飞机姿态,还原事故情况,也配置了用于记录飞行数据的存储设备(内存卡),将飞机姿态数据以图表或者数字的形式记录到存储介质内。后期我们可以通过分析这些数据,来判断飞行器抖动情况,以及炸机原因等。
比如:加速度有瞬时跳变,就有可能受到撞击;加速度小范围波动,就可能是飞机出现抖动;通过进一步地分析摆动数据,可获得更适合飞机的PID参数。





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jiewen   2016-1-8 2#
沙发.....
石榴姐  超级版主 2016-1-8 3#
非常好的一篇科普贴,谢谢楼主的分享哇
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楼主   2016-1-8 4#
石榴姐 发表于 2016-1-8 14:38
非常好的一篇科普贴,谢谢楼主的分享哇
这些是电子硬件的入门知识啦
wqqtongg  Mavic 2 Pro认证用户 2016-1-14 5#
楼主还没好意思发挥展开大讲,学习了,谢
</strong>[color=DarkRed][b]wqqtongg[/b][/color] [color=Blue]20150430 have phanton 3 professional[/color]
captain.zhu   认证飞友 2016-1-14 6#
哎,苦了我们这么电子外行。
炸香机073   2016-1-14 7#
KK是有陀螺仪的 只是没有加速度计               
G和弦   2016-1-14 8#
我也是从纯手动开始的哦,KK也炸鸡无数次,直到飞了精灵。
ZDD   认证飞友 2016-1-15 9#
我是QQ SUPER入门,哈哈
一起装逼一起飞
老顽童退休生活  Mavic Air 2认证用户 2016-1-19 10#
真正好贴!科技进步日新月异。学习啦!希望内容能更详细一些。
wjl123  DJI RS 2认证用户 2016-1-19 11#
captain.zhu 发表于 2016-1-14 22:33
哎,苦了我们这么电子外行。
是啊是啊
Geryifly  Phantom 3 Professional认证用户 2016-1-20 12#
3轴可以提供最基本的稳定,不至于起飞就翻
6轴就可以实现姿态模式了,松杆回中
加上罗盘飞行器可以认知方向,实现GPS悬停和姿态模式锁头
气压计定高
PID太复杂,还是DJI好,简单,有爱
因缺思厅   2016-12-14 13#
收藏收藏
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