无人机基础知识点总结

一．基本概念

• 飞控：飞机的控制系统，其中硬件包含传感器部分IMU和控制部分的MCU，软件部分包含控制算法。

• 俯仰：pitch，绕坐标系y轴旋转，想象一下平时的飞机

• 航向：yaw，绕坐标系z轴旋转，想象一下平时的飞机

• 横滚：roll，绕坐标系x轴旋转，想象一下平时的飞机

• 陀螺仪：感测角速度，具备高动态特性， 可是它是一个间接测量角度的器件， 它测量的是角度的导数， 角速度， 要将角速度对时间积分才能获得角度。通常不受外界影响干扰，不过会出现积分偏差的问题。

• 加速度计：感测加速度，包括重力加速度，重力加速度和地理坐标系是固连的，所以能够经过这种关系获得加速度计和地面的角度关系，可是若是绕着Z轴旋转是不会改变的，也就是没法感知水平旋转。生活中的手机自动旋转屏幕就用到这个。

• 磁力计：HMC5883L，是利用地磁场来定北极的一种方法,由地球的磁场来感测方向相似与指南针的功能。

• MPU6050：六轴传感器，集成了3轴陀螺仪和3轴加速度计，还有预留的IIC接口能够接磁力计，同时含有DMP能够进行硬件解算四元数，而输出的是经过IIC输出AD值。

• 惯性导航模块：IMU,包括陀螺仪，加速度计和磁力计。

• MEMS：微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System),微电子微机械加工出来的、 用敏感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、 隧道电流等来感觉转换电信号的器件和系统。

• 气压计：MS5611气压计主要经过气压的变化来感测物体的相对和绝对高度，能够用来定高，尤为是在室内GPS不起做用的状况下。

• 姿态解算：指把陀螺仪、加速度计、磁罗盘等数据融合在一块儿，得出飞行器的空中姿态。

• 深度解算：也叫长期融合，能够比较准确得解算出姿态。

• 快速解算：也叫快速融合，比较粗糙地获得姿态。

• 四元数：在无人机里面四元数是姿态的一种数学表示方式，也是用的最多的，由于四元数比较适合组合旋转。在姿态解算中，通常用四元数来保存姿态，也就是用来保存从MPU6050获得的AD值。

• 欧拉角：姿态的另一种数学表示方式，在姿态解算中主要用于讲四元数转换成欧拉角，而后用于姿态解算，姿态解算的输入只能是欧拉角。

• 刚体：指在运动中和受力做用后，形状和大小不变，并且内部各点的相对位置不变的物体。

• 地理坐标系：地球所在的坐标系， 这个坐标系是固定不变的， 正北， 正东， 正上方分别表示X， Y， Z轴。 

• 无头模式：四轴的方向是从两个电机中间的方向飞

• 有头模式：四轴的方向是从其中某个电机的方向飞

二．基本结构

1) 动力部分

1.机架：DJI的F450

2.电机：有刷电机和无刷电机，有刷电机是指电机内有换相电刷，而无刷电机是指电机内没有换相电刷。有刷的定子是永磁体，无刷的定子是线圈，直观来看是无刷电机有三个线并配合电调使用。大四轴通常都是用的无刷，小四轴用的是有刷的空心杯电机。

3.桨叶：碳纤桨，木桨，注塑桨，相同的电机和电池， 大KV值用小的螺旋桨， 小KV值用大的螺旋桨

4.电调：电子调速器，也叫电机驱动模块，主要是用来控制电机的启停和转速，经过改变固定线圈内部电流的方向， 保证它跟永磁体之间的做用力是相互排斥， 持续转动得以延续。

5.电池：航模的锂电池须要的放电能力强，通常用C来作单位，这是与普通锂电池的区别。

2)控制部分

1.飞控：主要是PIXHAWK，其采用的STM32作主控芯片，其中硬件包含传感器部分IMU和控制部分的MCU，软件部分包含控制算法。

2.通讯方式：NRF24L01，蓝牙4.0或者WIFI

3.遥控器：美国手和日本手，美国手是指油门在左边的摇杆，日本手则相反。注：左手是理智，右手是感情，剑是危险的事物，要用理智来操控。

三．算法分析

1）姿态解算算法

　　姿态解算是指把陀螺仪、加速度计、磁罗盘等数据融合在一块儿，得出飞行器的空中姿态，也叫姿态融合。姿态解算涉及到传感器数据的读取和滤波、四元数与旋转、姿态解算框架和长期融合。飞行器经过四元数法从陀螺仪的三轴角速度获得俯仰、偏航和滚转角，这是快速解算，而后结合三轴磁力计和三轴加速度计获得漂移补偿和深度解算。

咱们用坐标系R来表示地球的坐标系（地理坐标系），这个坐标系是固定不变的，有X、Y、Z三个轴，同时用坐标系r来表示四轴飞行器的坐标系。所谓的姿态解算就是测量坐标系r与坐标系R的角位置关系，经过传感器采集数据以及分析测量，最终获得这个关系。这当中用到的数学表示方法有欧拉角、四元数、矩阵和轴角。

　　姿态解算能够经过软件解算和硬件解算来实现。姿态控制算法的输入参数必需要是欧拉角。 AD值是指MPU6050的陀螺仪和加速度值， 3个维度的陀螺仪值和3个维度的加速度值， 每一个值为16位精度。AD值必须先转化为四元数，而后经过四元数转化为欧拉角。这个四元数多是软解，主控芯片（STM2）读取到AD值，用软件从AD值算得，也多是经过MPU6050中的DMP硬解，主控芯片（STM32）直接读取到四元数。

 

 

 

 

四．一点思考

1）无人机的续航问题

　　小四轴最多十几分钟，消费级大四轴最多也只有30分钟。

2）无人机的起飞和降低的滞粘性

　　无人机用遥控器起飞的时候会出现不当心油门加大了会忽然冲上去，降低的时候也可能松油门过多而一会儿降低。所以咱们但愿可以飞机上升的时候，不会由于油门忽然加大而忽然猛升，也不会由于油门不当心拉低过快致使飞机快速跌落到地面。

　　解决方法：

　　1.数据曲线化

　　将遥控器的值给飞机后，飞机不是一会儿就输出，先把这个数据曲线再输出，这能够起到必定的缓冲做用。将数据变成向下凹的抛物线，遥控器的油门摇杆取值范围跟飞机的油门量有一一映射的关系。由于抛物线是下凹的，最大值跟最小值是同样的，而这变化的过程不是线性的，所以能够在必定程度上解决猛升的问题。

　　2.负反馈控制

将无人机的当前的加速度值减去当地的重力加速度等到一个加速度的差值，而后用当前的油门量减去这个差值就能够在必定程度上起到缓冲的做用，但这个方法须要咱们知道当地的重力加速度，这个能够经过串口助手进行查看，但比较麻烦，咱们能够经过机器学习来学习这个最优的值，从而实现缓冲的做用。（为何油门量减去差值？为何是150*这个差值？）