四轴飞行器原理教程.

算法总结 姿态解算得 到姿态角 遥控器设 定目标
姿态解算
整个姿态解算的原理是：由于加速度计噪声误差和陀螺仪积分误差，导致测 得的机体坐标系不准，得到的姿态也就会不准确。因为地理坐标系中飞行器所受 的重力和磁场是个常量，如果将它们转换到机体坐标系中，转换后的重力向量和 磁场向量与实际测量的向量会有误差，只要消除此误差，就可以校正机体坐标系 得到准确的姿态。消除误差采用PI互补滤波，姿态表示用四元数（a+bi+cj+dk， 且 ） 姿态角通过串级PID控制电机转速
结论：消除误差的本质是利用加速度计来补偿陀螺仪。
第二章四轴飞行器硬件组成
四轴飞行器主要由电机、电调、浆、机架、电池、充电器、遥控器、飞控板 等部件组成。 飞控板：包含各种算法，控制中心。 电调：飞控板和电机的中间转换器，避免12V强电压对飞控板精确信号的干扰。
2.1遥控器篇
什么是通道？
通道就是可以遥控器控制的动作路数， 比如遥控器只能控制四轴上下飞，那么 就是 1 个通道。但四轴在控制过程中需 要控制的动作路数有：上下、左右、前 后、旋转，所以最少需要 4 通道的遥控 器。如果想以后玩航拍这些就需要更多 通道的遥控器了。 什么是日本手、美国手？ 遥控器上油门的位置在右边是日本手、在左边是美国手，所谓遥控器油门，在四 轴飞行器当中控制供电电流大小，电流大，电动机转得快，飞得高、力量大，反 之同理。判断遥控器的油门很简单，遥控器 2 个摇杆当中，上下板动后不自动回 到中间的那个就是油门摇杆。
螺仪的误差是导致机体坐标系产生误差的根本原因，这里用两坐标系误差的 PI来补偿陀螺仪，使得到的机体坐标系更加准确。
* 四元数姿态更新，对四元数进行微分方程的一阶毕卡算法
* 由于误差的引入使得四元数的模不再等于1，四元数失去了规范性，因此在利
用更新后的四元数计算欧拉角时，必须对四元数进行规范化处理。
地理坐标系中重力的水平分量为零，仅用三轴陀螺仪和三轴加速度计无 法计算出航向角，由于四轴飞行器保持稳定飞行只需要横滚角（roll）和俯仰 角（pitch）就行，航向的改变通过遥控器就可以控制，所以四元数转换成欧 拉角，这里只需转换横滚角和俯仰角。
1.3.2电机串级PID控制
串级与单级PID区别：串级采用的是角度和角速度两级PID，单级只采用 角度PID。假如我们控制物体位移为零，采用单级位移PID控制，由于物 体速度不为零，我们就不能保证物体位移为零，如果采用位移和速度串 级PID就能保证物体位移为零了。所以四轴采用串级PID控制性和稳定新 都将更强。
1.2四轴飞行器飞行动作原理
四轴飞行器各种飞行动作依靠 4 个电机的转速差进行控制 ，有八 个动作：前后、左右、上下、 顺时针和逆时针。
1.3四轴飞行器算法设计
地理坐标系：是固连在地面
的惯性坐标系，采用“东北
天坐标系”，重力是（0,0,1g） ，地磁是（0,1,X）。 机体坐标系：是固连在四轴 飞行器上的坐标系，其上有 陀螺仪加速度计可以测量角
2.3电调篇
为什么需要电调？
电调的作用就是将飞控板的控制信号，转变为电流的大小，以控制电机的转 速。因为电机的电流是很大的，通常每个电机正常工作时，平均有 3a 左右的电 流，如果没有电调的存在，飞控板根本无法承受这样大的电流（另外也没驱动 无刷电机的功能） 。同时电调的 BEC 输出功能在四轴当中还充当了电压变化器 的作用，将 11.1v 的电压变为 5v 为飞控板和遥控接收机供电。在四轴上，4 个电 调的正负极需要并联（红色连一起，黑色连一起） ，并接到电池的正负极上； 电调 3 根黑色的电机控制线用于连接电机。
第一章四轴飞行器工作原理
来自百度文库1.1四轴飞行器机械结构
四轴飞行器是一种由固连在刚性十字交叉结构上的 4 个电机驱动的 一种飞行器。飞行器动作依靠 4 个电机的转速差进行控制， 其机械结构 相对简单， 可由电机直接驱动，无需复杂的传动装置。四轴飞行器按照 电机轴的布置方式可分为十字模式和 X 模式，对于姿态测量和控制来说， 两种方式差别不大。考虑到 X 模式使用比较广泛， 本次以X模式讲解。
飞行动作
姿态解算算法的实现步骤为：
* 将滤波后的三轴加速度计值归一化，该值为机体坐标系下重力向量的测量值
* 将地理坐标系的重力向量转换到机体坐标系中
* 将地理坐标系转换到机体坐标系下的重力向量与机体坐标系测量的向量外积
（叉积），得到的就是两坐标系的误差。
* 因为陀螺仪会有积分误差，且四元数更新姿态是用陀螺仪来跟新的，所以陀
姿态解算
整个姿态解算的原理是：由于加速度计噪声误差和陀螺仪积分误差，导致测 得的机体坐标系不准，得到的姿态也就会不准确。因为地理坐标系中飞行器所受 的重力和磁场是个常量，如果将它们转换到机体坐标系中，转换后的重力向量和 磁场向量与实际测量的向量会有误差，只要消除此误差，就可以校正机体坐标系 得到准确的姿态。消除误差采用PI互补滤波，姿态表示用四元数（a+bi+cj+dk， 且 ）
度。
1.3.1四轴飞行器姿态
姿态是描述一个刚体的刚体坐标系和参考坐标系之间的角度位置关系。用三个姿 态角表示：横滚角（roll）、俯仰角（pitch）、偏航角（yaw）。
姿态控制：横滚角（roll）控制（在YZ平面绕X轴转动产生）
俯仰角（pitch）控制（在XZ平面绕Y轴转动产生）
偏航角（yaw）控制（在XY平面绕Z轴转动产生）
2.2飞控板篇（简称飞控）
飞控板的用途？
如果没有飞控板，四轴飞行器就会因为安装、外界干扰、零件之间的不一致 型等原因形成飞行力量不平衡，后果就是左右、上下的胡乱翻滚，根本无法飞 行，飞控板的作用就是通过飞控板上的陀螺仪，对四轴飞行状态进行快速调整 （都是瞬间的事，不要妄想用人肉完成） ，如发现右边力量大，向左倾斜，那 么就减弱右边电流输出，电机变慢，升力变小，自然就不再向左倾斜。
需要 多大 的电调？
电调都会标上多少 A，如 20A，40A 这个数字就是电调能够提供的电流。大电流 的电调可以兼容用在小电流的地方。小电流电调不能超标使用。
四轴 专用电调是什么意思？ 因为四轴飞行要求电调能够快速响应，而电调有快速响应和慢速响应的区别， 所以四轴需要快速响应的电调，其实大多数常见电调是可以编程的，能通过编 程来设置响应速度。 电调编程什么意思？ 电调是有很多功能模式的，选择这个功能就是对电调编程。编程的途径可以直 接将电调连接至遥控接收机的油门输出通道（通常是 3 通道） ，按说明书，在 遥控器上通过搬动摇杆进行设置，这个方法比较麻烦，但节约。另外，还可以 通过厂家的编程卡来进行设置（需要单独购买） ，方法简单，无需接遥控器。 为了保险，一定要将购买的电调设置一致，否则容易难于控制。如：电调的启 动模式不一样，那么有些都转很快了，有些还很慢，这就有问题了。 注：通过遥控器进行设置电调，一定要接上电机，因为说明书上说的“滴滴” 类的声音，是通过电机发出来的。