第4章_4.3_電機(jī)_四軸飛行器

1、 四軸研究背景四軸研究背景124 基本原理基本原理程序流程程序流程3 硬件組成硬件組成1.四軸研究背景無人機(jī)主要包括兩大類：固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)。旋翼無人機(jī)在許多方面要優(yōu)于固定翼飛行器：具有更高的自由度、低速飛行的能力、懸停、室內(nèi)應(yīng)用等。四軸飛行器作為旋翼無人機(jī)中的佼佼者具有其他飛行器難以比擬的優(yōu)點(diǎn)：可垂直起降；執(zhí)行精確緩慢的運(yùn)動(dòng)、懸停；擁有更大的載荷量和良好的操控性；能以各種姿態(tài)飛行，如前飛側(cè)飛和倒飛；尤其可以在多障礙和狹小的空間穿越飛行。這些優(yōu)勢使四軸飛行器在執(zhí)行搜救、偵察、航拍等任務(wù)方面游刃有余，決定了四軸飛行器具有更廣闊的應(yīng)用前景。2.基本原理基本原理四軸飛行器：四軸飛行器是微型飛

2、行器的其中一種，它利用有四個(gè)旋翼作為飛行引擎來進(jìn)行空中飛行坐標(biāo)系介紹地理坐標(biāo)系（導(dǎo)航坐標(biāo)系），簡稱G系，原點(diǎn)設(shè)在載體重心，Xg軸指向東，Yg軸指向北，Zg軸沿地垂線指向天。載體坐標(biāo)系，簡稱B系，原點(diǎn)設(shè)在載體重心，Yb指向載體縱軸的方向，Zb指向載體豎軸的方向，Xb指向載體右側(cè)飛行力學(xué)原理3.硬件組成硬件組成傳感器與控制芯片用傳感器與控制芯片用IIC通訊通訊藍(lán)牙與控制芯片用串口通訊藍(lán)牙與控制芯片用串口通訊控制芯片捕獲接收機(jī)控制芯片捕獲接收機(jī)PPM信號信號控制芯片輸出控制芯片輸出PWM控制電調(diào)控制電調(diào)電子調(diào)速器：通過電子調(diào)速器可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速陀螺儀：三軸陀螺儀，測量繞三個(gè)軸的角速度加速度計(jì)：三軸

3、加速度計(jì)，測量在三個(gè)軸上的加速度分量直流無刷電機(jī)：無電刷和換向器， 可通過電調(diào)用直流驅(qū)動(dòng)的電機(jī)傳感器選型傳感器選型加速度傳感（加速度傳感（ADXL345） 是一款小而薄的超低功耗是一款小而薄的超低功耗3軸加速度軸加速度計(jì)，且是一款數(shù)字加速度計(jì)，分辨率高計(jì)，且是一款數(shù)字加速度計(jì)，分辨率高(13位位)，測量范圍達(dá)，測量范圍達(dá) 16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，可通過SPI(3線線或或4線線)或或I2C數(shù)字接口訪問。數(shù)字接口訪問。 陀螺儀傳感器（陀螺儀傳感器（L3G4200D）它是一種低功耗三軸陀螺儀提供三）它是一種低功耗三軸陀螺儀提供三個(gè)不同的用戶

4、三種可選全尺度個(gè)不同的用戶三種可選全尺度(250/500/2000 dps) 、I2C / SPI數(shù)字輸出接口、數(shù)字輸出接口、16比特率值數(shù)據(jù)輸出。此外它其中還嵌入比特率值數(shù)據(jù)輸出。此外它其中還嵌入省電和睡眠模式和具有高沖擊生存能力。省電和睡眠模式和具有高沖擊生存能力。 地磁傳感器（地磁傳感器（HMC5883）是一種貼片封裝高集成度的模塊，并）是一種貼片封裝高集成度的模塊，并有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片，應(yīng)用于低成本羅盤和磁場檢測有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片，應(yīng)用于低成本羅盤和磁場檢測等領(lǐng)域。此外，等領(lǐng)域。此外，HMC5883包括先進(jìn)的高精度包括先進(jìn)的高精度HMC118X系列阻系列阻磁傳感器，帶有

5、偏差校正和磁傳感器，帶有偏差校正和12位位AD轉(zhuǎn)換器，能使精度控制在轉(zhuǎn)換器，能使精度控制在12度范圍內(nèi)，同時(shí)通過度范圍內(nèi)，同時(shí)通過IIC與外界通信。與外界通信。綜上所述：三種傳感器都是數(shù)字輸出，至少為綜上所述：三種傳感器都是數(shù)字輸出，至少為12AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，且采樣速率均大于且采樣速率均大于100HZ，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，且三個(gè)模塊均，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，且三個(gè)模塊均可用可用IIC通信，便于通信，便于MCU對數(shù)據(jù)的采集。對數(shù)據(jù)的采集。加速度計(jì)易受干擾，陀螺儀積分又飄移，故單獨(dú)使用無法算出姿態(tài)角，需要兩者（相互調(diào)整）來確保航向的正確。獲取的姿態(tài)角是載體相對于導(dǎo)航坐標(biāo)系的量，為了求解姿態(tài)角，要

6、弄清楚載體坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系（地理坐標(biāo)系）的關(guān)系實(shí)物圖實(shí)物圖設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)參數(shù)： 對角電機(jī)距離對角電機(jī)距離65cm65cm 機(jī)體重量機(jī)體重量1.52kg1.52kg（帶電池）（帶電池） 采樣采樣/ /控制頻率控制頻率100HZ100HZ調(diào)試手段：串口調(diào)試手段：串口/ /藍(lán)牙藍(lán)牙控制方式：遙控控制方式：遙控 4.程序程序流程流程流程圖三軸慣性導(dǎo)航姿態(tài)解算示意圖三軸慣性導(dǎo)航姿態(tài)解算示意圖kalman濾波算法濾波算法卡爾曼濾波器用反饋控制的方法估計(jì)過程狀態(tài)：濾波器估計(jì)過程某一時(shí)刻的狀態(tài)，然后以（含噪聲的）測量變量的方式獲得反饋。因此卡爾曼濾波器可分為兩個(gè)部分：時(shí)間更新方程和測量更新方程。時(shí)間更新方程

7、負(fù)責(zé)及時(shí)向前推算當(dāng)前狀態(tài)變量和誤差協(xié)方差估計(jì)的值，以便為下一個(gè)時(shí)間狀態(tài)構(gòu)造先驗(yàn)估計(jì)。測量更新方程負(fù)責(zé)反饋也就是說，它將先驗(yàn)估計(jì)和新的測量變量結(jié)合以構(gòu)造改進(jìn)的后驗(yàn)估計(jì)。時(shí)間更新方程也可視為預(yù)估方程，測量更新方程可視為校正方程。最后的估計(jì)算法成為一種具有數(shù)值解的預(yù)估校正算法?？柭鼮V波的算法流程1.預(yù)估計(jì)X(k)= F(k,k-1)X(k-1) 2.計(jì)算預(yù)估計(jì)協(xié)方差矩陣3.C(k)=F(k,k-1)C(k)F(k,k-1)+T(k,k-1)Q(k)T(k,k-1)4.Q(k) = U(k)U(k) 5.計(jì)算卡爾曼增益矩陣6.K(k)=C(k)H(k)H(k)C(k)H(k)+R(k)(-1)7.R

8、(k) = N(k)N(k) 8.更新估計(jì)9.X(k)=X(k)+K(k)Y(k)-H(k)X(k)10.計(jì)算更新后估計(jì)協(xié)防差矩陣11.C(k) = I-K(k)H(k)C(k)I- K(k)H(k)+K(k)R(k)K(k)12.X(k+1) = X(k)13.C(k+1) = C(k)14.重復(fù)以上步驟電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、不帶槳、機(jī)體靜止時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、不帶槳、機(jī)體靜止時(shí)KALMAN濾波前后結(jié)果對比圖濾波前后結(jié)果對比圖電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、不帶槳、機(jī)體運(yùn)動(dòng)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、不帶槳、機(jī)體運(yùn)動(dòng)時(shí)KALMAN濾波前后結(jié)果對比圖濾波前后結(jié)果對比圖無人機(jī)哪家強(qiáng)？1 DJI大疆創(chuàng)新（中國）2 3D Robotics（美國）3 Par

9、rot/派諾特（法國）4 AscTec（德國）5 Microdrones6 億航EHANG7 零度（中國）8 極飛9 AEE一電10 PowerVision11 智能鳥12 紅鵬13 Flytrex Sky14 Skycatch15 華科爾16 獨(dú)角獸FPV17 澄星18 YUNEEC19 其他1. DJI大疆創(chuàng)新大疆無人機(jī)，恐怕是無人不知無人不曉了，據(jù)說汪頭條貢獻(xiàn)了不少力。不過在那之前，大疆就已經(jīng)賣得很好了。據(jù)路透社的統(tǒng)計(jì)，大疆創(chuàng)新的產(chǎn)品在美國商用無人機(jī)市場（這里應(yīng)該指的是消費(fèi)級無人機(jī)）占據(jù)領(lǐng)先地位，市場份額達(dá)47%，遙遙領(lǐng)先于排名第二的競爭對手。而在全球商用無人機(jī)市場中，大疆更是獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，

10、一舉奪得近70%的市場份額。對大疆，30%的營收來自美國，30%來自歐洲，30%來自亞洲，其余的來自拉丁美洲和非洲。大疆現(xiàn)在賣得最火的是精靈（Phantom）系列，上圖汪滔前面那個(gè)就是精靈3。為啥賣得火呢，因?yàn)楸阋擞趾糜?，到手即飛。Phantom3自帶云臺相機(jī)，有室內(nèi)定位系統(tǒng)，失控保護(hù)。價(jià)格為6,000到7,500多。Phantom2就便宜一些，單機(jī)3,000，加上云臺再貴1,000多。悟（Inspire）系列比較高端，賣20,000，號稱“行業(yè)領(lǐng)先技術(shù)打造，集機(jī)身變形、360全景拍攝的4K相機(jī)、實(shí)時(shí)高清圖傳、雙遙控系統(tǒng)、智能app為一體的航拍飛行平臺”。大疆近期推出了開發(fā)者套件：經(jīng)緯(Mat

11、rice)M100（20,000元），Guidance視覺傳感導(dǎo)航系統(tǒng)(6000元)，Onboard SDK。Guidance能自動(dòng)避障。整套下來價(jià)格也是不菲。2. 3D Robotics3D Robotics是北美最大的面向個(gè)人用戶的無人機(jī)廠商，是大疆在北美最大的競爭對手。它的首席營收官正是大疆北美分公司的前負(fù)責(zé)人。3D Robotics今年4月發(fā)布的Solo無人機(jī)，號稱“精靈”殺手，“Solo, powered by twin 1 GHz computers, is the worlds first smart drone”，還有“follow me”功能，只在北美區(qū)域賣，價(jià)格1,000刀

12、。長這樣：3. Parrot（派諾特）法國的Parrot、中國的大疆以及美國加州的3D Robotics 在消費(fèi)類無人機(jī)領(lǐng)域形成了三足鼎立的格局。Parrot公司設(shè)計(jì)、研發(fā)和銷售與智能手機(jī)和平板電腦相關(guān)的高科技應(yīng)用產(chǎn)品，并提供汽車制造和城市無人機(jī)領(lǐng)域的高科技解決方案。派諾特曾以無線、語音、藍(lán)牙和車載環(huán)繞音響等產(chǎn)品聞名，如今又以消費(fèi)級無人機(jī)著稱。Parrot的熱門產(chǎn)品有：100美元的Rolling Spider，一款可拍照的、會爬墻的四軸飛行器；旗艦無人機(jī)Bebop，售價(jià)500美元，是大疆和3D Robotics同類產(chǎn)品售價(jià)的一半；25000美元的暢銷無人滑翔機(jī)eBee，可用來監(jiān)控作物生長情況和

13、測繪建筑工地。下圖為Bebop的樣子。4. AscTec雷鋒網(wǎng)上說：AscTec 與大疆、Parrot、3D Robotics成為最大的四家四軸飛行器品牌，AscTec為德國Ascending公司旗下的無人機(jī)品牌。根據(jù)AscTec網(wǎng)站的描述，他們走“Research Line”和“Professional Line”兩條路線。5. Microdrones這又是一家德國的公司，專門生產(chǎn)輕型垂直起降機(jī)(VTOLs, Vertical Take Off and Landing Vehicles)?？碝icrodrones網(wǎng)站，他們做行業(yè)應(yīng)用比較多，搜救，檢查，安保，監(jiān)控，測繪，航拍等。今年5月份，他

14、們的md4-1000用在了中國南海區(qū)域，參與“Joint Operation 2015 of Comprehensive Law Enforcement, Surveillance and Scientific Research in the South China Sea”。做的大概就是從船上起飛，去拍小島，去拍非法船只，“贏得了有關(guān)部門和專家們熱烈的掌聲”。飛機(jī)放飛的樣子是這樣的：6. 億航EHANG公司全稱：廣州億航智能技術(shù)有限公司他們的代表產(chǎn)品是Ghost，主打“傻瓜無人機(jī)”，用手機(jī)App操控，可以指點(diǎn)飛行，有跟隨功能。最近億航聯(lián)手百度外賣在北京試水無人機(jī)送外賣，高峰期30分鐘內(nèi)送達(dá)。

15、不同配置價(jià)格從3,000多到近5,000不等。Ghost航拍版長這樣：7. 零度公司全稱：零度智控（北京）智能科技有限公司深圳零度智能飛行器有限公司據(jù)稱零度在專業(yè)航拍市場占據(jù)大概三分之一的市場，多部知名的影視作品出自零度航拍器的鏡頭。賣專業(yè)航拍系列產(chǎn)品。零度消費(fèi)級產(chǎn)品代表Xplorer系列，被譽(yù)為裝“X”利器?？捎胊pp控制，能智能跟隨拍攝，360環(huán)繞拍攝。價(jià)格2,500到4,000不等。長這樣：8.極飛公司全稱：廣州極飛電子科技有限公司極飛在農(nóng)業(yè)產(chǎn)品方面非常厲害，看故事可看。XPlanet“極飛農(nóng)業(yè)P20無人機(jī)”系統(tǒng)是極飛科技在 2015 年推出的全新智能農(nóng)業(yè)無人機(jī)解決方案。產(chǎn)品還有“Xmission極俠”，全天候多功能商用無人機(jī)系統(tǒng)，可用于安防巡視，消防救援，電力檢修，低空物流，環(huán)境保護(hù)，農(nóng)業(yè)監(jiān)測。極飛近期也在研發(fā)物流無人機(jī)，此前轟動(dòng)一時(shí)的淘寶實(shí)驗(yàn)無人機(jī)送貨，用的極飛的