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[创意DIY] 四轴飞行器炼成记——我的自制小四轴之路
2019-6-11 14:21:48  1445 四轴飞行器 diy
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四轴飞行器,又称四旋翼飞行器,简称四轴、四旋翼。四轴飞行器的四个螺旋桨与电机直接相连,通过改变电机转速获得旋转机身的力,从而调整自身姿态。
四轴的叶片转速极高,有一定的危险性,一般不能在室内飞,特别是在调试过程中更加不稳定,轻则炸鸡撞坏物品,重则伤到人。
我做四轴的主要目的是为了学习飞控算法,这个过程肯定少不了调试,为了安全,我选择做一个小一点的,手掌那么大的四轴,叶片的威力比较小,价格也便宜,即使摔坏也不心疼。
这种小四轴一般采用PCB做机架,用720空心杯电机代替无刷电机,用MOS管代替电调电池采用3.7v锂聚合物电池(尺寸跟手机电池差不多,但是放电电流要大很多),遥控用2.4G无线模块,或者用蓝牙连接手机,成本100左右,续航时间大概6-7分钟,遥控距离在10米以内。
选择零件
四轴上最重要的就是飞控,所以第一步:选择飞控。
市面上有许多现成飞控,也可以自己用电子元件做一个分控。有很多有名的开源飞控,例如KK,QQ,匿名,MultiWii/MWC,APM/PIX等。
KK、QQ飞控功能较少,只有基本的四轴飞行功能,甚至不支持GPS
匿名飞控是国内新出现的飞控,功能比以上两个要多,价格也要贵很多。
MultiWii/MWC飞控是基于arduino的,支持GPS,能路线规划,在线调试。
APM也是基于arduino的,功能更为齐全,硬件也更为复杂,飞控中有两块单片机,分别执行不同功能。APM已将arduino的性能开发到极限,于是有了升级版PIX,从arduino转到了STM32,处理速度提升了10倍,同样用了两块不同型号的STM32协同运作,是目前已知的最好的开源飞控。
·
我打算自制飞控,选用我比较熟悉的arduino作为主控芯片。APM硬件结构太复杂,因此选择了MWC飞控。
这里说一句后话,如果打算学习飞控算法,还是选择简单的开源飞控比较好,MWC和APM/PIX都太复杂了,初学者并不能看懂这些代码,另外推荐用STM32芯片,arduino的标准库中并没有时间中断,要实现飞控的功能需要了解arduino更底层的知识,不会比想象中更简单。
搜索各种MWC的资料,查找需要的零件:
包括备用件总共120元,比买现成的小四轴要稍贵一些,毕竟量产能降低成本。
我选用了arduino nano作为主控,体型还是有点偏大,用arduino mini更好。选择nano是因为其带自身带有USB接口,可以直接用USB接口下程序,而mini要用下载器。
事后发现更好的选择是mini Leonardo,nano和mini的芯片型号都是ATMEGA328P,只有一个串口,nano的USB是用另一块芯片转串口,不能跟串口同时使用,下载程序时要把跟串口相接的元件断开,而Leonardo的芯片型号是ATMEGA32U4,自身带有USB和串口,互不干扰。官方的Leonardo板型是跟UNO一样的,国内的厂家则把Leonardo做成了mini的板型,而且带有USB接口。值得注意的是,不确定飞控是否支持Leonardo,因为Leonardo的串口名是Serial1,而nano的串口名是Serial,可能需要修改代码。
不要用低功耗的蓝牙4.0模块,低功耗的蓝牙的传输速率不够,数据会阻塞,有很大的延迟。
HC-05 与 HC-06的区别是 HC-05 可以做主机,也就是可以用 HC-05 连接其他的蓝牙模块,而 HC-06 只能作从机。四轴上的蓝牙只做从机,HC-05 和 HC-06都可以用。
机架用的是淘宝已经做好的PCB,上面不能贴元件。
电机是7mm*20mm的空心杯电机:
代码编译
选完零件后,MWC如何用呢?MWC不仅支持四轴,还支持六轴,还支持三轴,该如何把MWC配置成四轴模式,并且是空心杯四轴? 这是MWC的官网:http://www.multiwii.com/ 这是MWC的中文网:http://www.multiwii.cn/
然而把这个网站看完之后,并不非常明白如何使用,胡乱摸索之后总结如下: 首先去googlecode下载源代码:https://code.google.com/p/multiwii/ (需要翻墙) 或者去github下载源代码:https://github.com/multiwii/multiwii-firmware 在googlecode下载的文件里除了源代码还有电脑端的上位机,github只有源代码。
下完源代码之后,会看到一堆文件,初学者肯定会被吓一跳,其实,只需看config.h这个文件,通过注释或取消注释其中的代码配置飞控的模式。
config.h里全是英文说明,没过四级的同学要头大了,还好有万能的网友已经翻译了。
这里面的代码也非常多,如果只做空心杯小四轴的话就看我提取的关键点吧。(行数是原配置文件的行数)。
行数代码解释
39define QUADX设置成x四轴模式
72define MINCOMMAND 1000电机最小命令,如果解后电机转速太快,减小这个值
76define I2C_SPEED 400000L设置I2C速率为400K,用于mpu6050
80//#define INTERNAL_I2C_PULLUPSI2C内部上拉,gy系列自带上拉,保持默认注释
136define GY_521启用GY_521传感器
204~206define FORCE_ACC_ORIENTATION(X, Y, Z)设置传感器方向,如果传感器的安装方向跟四轴方向不同则需要设置
226define PID_CONTROLLER 2选择PID算法,1是老算法,2是新算法
232define ONLYARMWHENFLAT阻止飞行器倾斜时解锁
237define ALLOW_ARM_DISARM_VIA_TX_YAW设定解锁方式,默认YAW解锁,另一种是ROLL解锁
500~503define SERIAL0_COM_SPEED 115200调整串口速率,一般默认
520~526define GYRO_LPF_256HZ低通滤波器的频率,保持默认
559define THROTTLE_ANGLE_CORRECTION 40油门随着角度补偿,防止倾斜时高度下降
562define HEADFREE无头模式,要给四轴配上指南针,四轴的前方保持为四轴到手机的连线方向
578define GYROCALIBRATIONFAILSAFE连续的陀螺仪校准,如果在校准时被移动会自动重校准
592~603define FAILSAFE失控保护设置,启用
640define INFLIGHT_ACC_CALIBRATION飞行时加速度计校准,能让四轴稳定在一定区域内
652define DEADBAND 6在摇杆中点周围引入一个死区
878~885define BUZZER蜂鸣器设置,没有添加蜂鸣器,保持注释
877~911battery voltage monitoring电池电压监控,我没有用这个功能,跳过
999define EXT_MOTOR_RANGE用于空心杯电机,要启用
1020define MOTOR_STOP当油门命令在低位时电机停转,按个人需要配置
配置完后,用arduino IDE打开 MultiWii.ino ,将程序上传到arduino nano。
电路测试
各元件与arduino nano的连接:
名称针脚
左前电机PWM3
右前电机PWM10
左后电机PWM11
右后电机PWM9
THROTTLE/PPMD2
ROLLD4
PITCHD5
YAWD6
MODED7
功率针脚A2
电压检测A3
蜂鸣针脚D8
SDAA4
SCLA5
D2、D4、D5、D6、D7是PWM遥控器针脚,我是用蓝牙接手机遥控,所以不需要接。 arduino nano的硬件资料:http://kb.open.eefocus.com/index.php?title=Arduino_Nano
在面包板上连接电路测试:
我只接了nano、mpu6050和蓝牙,电机用四个LED代替。
如何用手机遥控四轴?
下载手机端软件,MWC只有安卓端的软件,从这个网站下载:http://www.multiwii.com/wiki/index.php?title=Mods 用安卓遥控需要用到的软件是MultiWii EZ-GUI ,要android4.4以上的系统,这个软件要到google play storm下载,一般国产手机没有google play storm,如何下载google play storm自行百度。
EZ-GUI如何用?
打开软件后第一页是四轴的仪表盘,能检测四轴的各项数据
第二页是对四轴的各种设置
第三页是对EZ-GUI的设置
用手机的蓝牙连接HC-06或HC-05后,到EZ-GUI第三页进入【设置】,【SELECT BT DEVICE】选择蓝牙模块,然后点红箭头,后面的默认红箭头。
然后到首页点右上角的【连接】,注意MPU6050要连上arduino nano,不然连接后会报错。显示连接成功后,把飞行器放在水平地面,到第二页进入【校准】,点击【加速度计标定】,等待校准完成。如果有磁力计还要磁力计标定。
之后就可以遥控起飞了。到第三页,进入高级设置,进入【MODEL CONTROL】
然后就会看到这样的界面:
右上角设置,可设置各滑块的功能,THROTTLE是油门的意思
四轴一开始在锁定状态,把油门调到最低,YAW到最右,保持一会儿就会解锁,然后就能飞了;把油门调到最低,YAW最左,将会上锁。(在网上某些地方把飞机可以飞的时候称为”锁定”,不能飞的时候称为”解锁”,不知是翻译错误还是国外的思维方式不一样)
我把各种元件插在面包板上,用LED代替电机测试,解锁后,LED由灭变成亮,通过控制油门或方向,可以看到LED的亮度会发生变化。
硬件制作
这些是要用到的元件,以洞洞板作为基板固定所有的元件,然后用螺钉把洞洞板与机架连接。(当然洞洞板需要裁剪,只用一小块)
空心杯电机驱动电路:
SI2302的内部电路图
这幅图是crazyflie飞控板的电机驱动电路原理图,同样适用MWC飞控,肖吉特二极管BAT54用ss34替换(只要满足电压和电流以及通断时间就行,ss34远远大于需求,只是因为跟MOS管在同一家店所以买了-_-),场效应管pmv31xn用SI2302替换。因为忘记买贴片电阻,只好用普通电阻代替,这占了很大一部分面积。
场效应管是用电压控制电流,作用跟三级管类似(三极管是用电流控制电流),相比于三极管,场效应管体积更小功率更大。
肖吉特二极管的作用是续流。电机是电感元件,有阻碍电流变化的特性,控制电机转速的方法是用PWM信号控制场效应管的通断,当场效应管断开时,电机两端会产生极高的感应电压击穿场效应管,加上二极管后,电机的电流会通过二极管保持流通,防止电机产生过高的感应电压。
为了防止电机引起的电流波动干扰到arduino,我在arduino的电源处接了一个220uF的钽电容。(其实没什么卵用!)
下图是焊接完后的背面,白色的是控制线,黑色和红色的是接电机的线。电机驱动电源部分要接一个拨动开关,防止arduino nano上电时不受控制的转,也用于失控时给电机断电。
这是焊接完后的效果。不用在意MPU6050的方向,飞控里有一段代码,可以配置任意方向的陀螺仪、加速度计和指南针。(桨买错了,应该一黑色正桨一黑色反桨,一红色反桨一红色正桨,通过颜色区分四轴的前后)
飞控板与机架的连接,在洞洞板上打了两孔用螺丝固定在机架上,用两个螺母把洞洞板垫高。
这是背面,电池将贴在这里。蓝牙模块并没有焊在洞洞板上,而是由那根灰色的线单独接出,并用可拆卸连接头(例如杜邦头或其他)连接蓝牙模块,这是因为蓝牙会占用COM口,影响上传程序。电源供电是将3.7V的电压直接接在arduino的5V端口上,实验证明可以正常运行。
电机用焊锡跟机架焊上,为了加固,我又在电机背面打了一层热熔胶。
这时还不能飞,因为MPU6050的方向不是正确方向,需要修正方向。
取消config.h中204~206行的注释,将程序上传到arduino,打开MultiWiiConf.exe看陀螺仪和加速度的值,然后根据情况替换ROLL、PITCH、YAW或改变正负。左下角的ACC是加速度,GYRO是陀螺仪,MAG是指南针。
按下图所示的方向旋转四轴,加速度计相应的值会增大,陀螺仪的值为正数。(后来再看这图总感觉不对,Yaw,Roll,Pitch总得符合左手或右手定律吧,但是当时测出来就是这样。)
为了防止看不懂图,再用语言说一遍:
使四轴的前方与你的前方一致;
当四轴水平放置,ACC的Z值最大;
当四轴向右翻滚90度,右侧朝下,ACC的ROLL最大;
当四轴向前翻滚90度,头朝下,ACC的PITCH最大;
当四轴水平顺时针旋转,GYRO的YAW为正数;
当四轴向右翻滚,GYRO的ROLL为正数;
当四轴向前翻滚,GYRO的PITCH为正数;
指南针我没用,所以不调。
每调整一次,重新上传一次程序,再观察是否正确。全部调完后,看MultiWiiConf中右下的四轴仿真图,如果仿真图的转动方向跟实际方向一致并反应迅速,则全部正确;如果转动方向跟实际方向不同,则GYRO的调整存在错误;如果转动方向跟实际方向一致,但是四轴静止时,仿真图仍在缓慢转动,则ACC调整错误。
试飞
终于,将要迎来起飞的时刻!
但是,把四轴解锁,电机开始转,提高油门后四轴就失控了,电机一直狂转,跟手机的连接也断开了,还好加了开关和失控保护,电机转了一会就自动停了。
也许是电机干扰了蓝牙通信,不得而知。
而且感觉四轴有点太重了,用称不太精确的测了测重量,总重量70克。不知道这个重量是否能飞,比淘宝买的四轴要重很多。
总结:
桨的颜色是用来区分四轴的前后的,所以要红色各一正桨反桨,黑色各一正桨反桨。
一定要注意电源滤波,只加一个钽电容并没什么卵用,要学学电源滤波的知识。
要注意电池的重量,加大电池容量不一定会提升续航,毕竟电池重量也增加了,而且有可能飞不起来。
arduino最好选用leonardo的mini版型,leonardo自带USB接口,所以有两个串口,蓝牙和上传程序互不干扰。
arduino要选用3.3v的版型。
用洞洞板做四轴不太靠谱,太难焊接,而且焊锡走线增加了太多重量。洞洞板与机架固定用的螺丝也占了很大重量,不如直接做成机架与飞控一体的。

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2019-6-11 14:21:48   评论 分享淘帖

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3 个讨论
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2019-6-11 20:15:06 评论

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哇,大佬,膜拜
2019-7-23 10:27:55 评论

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好东西,绝对干货,必须顶一下
2019-7-23 14:03:23 评论

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