多旋翼飛行器：從原理到實(shí)踐 課件 第6、7章 自駕儀校準(zhǔn)和姿態(tài)控制調(diào)試、組裝和位置控制調(diào)試

自駕儀校準(zhǔn)和姿態(tài)控制調(diào)試“工業(yè)和信息化部“十四五”規(guī)劃教材多旋翼飛行器:從原理到實(shí)踐第六章01傳感器原理和校準(zhǔn)1.總體介紹自駕儀(或稱飛控)是自動控制多旋翼姿態(tài)、位置和軌跡的設(shè)備，要想控制多旋翼首先需要得到多旋翼的當(dāng)前狀態(tài)。載人飛行器的姿態(tài)測量一般使用機(jī)械陀螺儀或者光纖陀螺儀，但是由于這些陀螺儀體積龐大，價(jià)格昂貴，因此無法在小型和微型無人機(jī)上使用。隨著計(jì)算機(jī)和微電子的發(fā)展，捷聯(lián)慣導(dǎo)(StrapdownInertialNavigationSystem)技術(shù)開始得到廣泛應(yīng)用，它利用加速度和角速率來對飛行器的傾斜姿態(tài)、位置和速度進(jìn)行動態(tài)的推算。此外，加速度和角速率的測量設(shè)備也是比較容易進(jìn)行微型化生產(chǎn)的，因此這類測量設(shè)備稱為MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微機(jī)電系統(tǒng))，簡稱微機(jī)械機(jī)械陀螺儀與ST多軸MEMS陀螺儀大小的比較如圖6.1所示。1.總體介紹空間有X、Y、Z三個相互垂直的方向，還有繞這三個軸的旋轉(zhuǎn)方向，一共六個自由度(DegreeofFreedom，DOF)，見3.1節(jié)。如果每個自由度運(yùn)動的測量都需要一組相關(guān)的傳感器，那么進(jìn)行完整的測量需要三個方向的陀螺儀測量角速率以及三個方向的加速度計(jì)測量加速度。1.總體介紹這樣的系統(tǒng)稱為6DOF系統(tǒng)，能夠提供6DOF姿態(tài)信息的設(shè)備稱為IMU(InertialMeasurementUnit，慣性測量單元)。使用IMU輸出的原始數(shù)據(jù)，再結(jié)合特定算法解算出姿態(tài)位置信息，這樣的系統(tǒng)稱為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(InertialNavigationSystem，INS)。IMU提供的是傳感器輸出的原始數(shù)據(jù)，而INS結(jié)合算法和IMU原始數(shù)據(jù)計(jì)算出更準(zhǔn)確的信息。1.總體介紹隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，微機(jī)械產(chǎn)品又發(fā)展出氣壓傳感器，用于測量氣壓高度和空速;磁場傳感器，也稱為磁羅盤、磁力計(jì)，用于測量地磁方向等。IMU再加入三軸磁力計(jì)一同解算，就稱為AHRS(AttitudeandHeadingReferenceSystem，航姿參考系統(tǒng))，其相關(guān)產(chǎn)品如圖6.2所示。有了航姿參考系統(tǒng)，再加上氣壓高度計(jì)，飛行器便能夠感知自身飛行時所處的高度和姿態(tài)。自駕儀系統(tǒng)中常見的MEMS傳感器分為兩種，一種是成品傳感器設(shè)備(如圖6.3所一種是MEMS芯片(如圖6.4所示)。成品傳感器是帶有外殼和連接器的完整設(shè)備，內(nèi)部有電源轉(zhuǎn)換、濾波和解算能力能夠輸出高精度的姿態(tài)、加速度或角速率信息，有的還能夠連接衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)行融合解算，并且整體擁有一定的防霉菌、防潮濕和防鹽霧的三防能力。然而，成品傳感器往往價(jià)格高昂，常見的成品傳感器品牌包括MIT、BEI、MEAS、SiliconSensing等。而MEMS芯片主打更加低廉的成本和更高的集成度，早期甚至使用模擬信號進(jìn)行輸出，還需要用戶對溫度曲線進(jìn)行校準(zhǔn)。隨著技術(shù)發(fā)展，當(dāng)前常見的芯片級MEMS傳感器全部集成了解算算法，能夠自己進(jìn)行溫度補(bǔ)償甚至濾波計(jì)算。例如，InvenSense的產(chǎn)品MPU6000能夠直接輸出旋轉(zhuǎn)矩陣、四元數(shù)和歐拉角的融合演算數(shù)據(jù)，這大大減輕了自駕儀主處理器的負(fù)擔(dān)，因此其成為了開源飛控的首選傳感器。2.三軸加速度計(jì)三軸加速度計(jì)是一種慣性傳感器,用于測量運(yùn)動中的X、Y、Z三個空間軸方向的比力,即去掉重力后的整體加速度或者單位質(zhì)量上作用的非引力。當(dāng)加速度計(jì)相對地球保持靜止時加速度計(jì)能夠感知重力加速度，因此整體加速度的矢量合力為朝向地心的18加速度;而在自由落體運(yùn)動中，三軸加速度計(jì)的輸出為零。MEMS加速度計(jì)原理如圖6.5所示。2.三軸加速度計(jì)飛行器所用的加速度計(jì)通?；贛EMS技術(shù)，因此其尺寸非常小，可以做到幾個毫米見方，而且只有毫瓦級的功耗。MEMS技術(shù)可以基于壓阻效應(yīng)、壓電效應(yīng)和電容原理，其中，電容效應(yīng)應(yīng)用比較廣泛。該類型的MEMS芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)有一個帶有極板的重塊。隨著加速度改變，重塊的相對位置發(fā)生變化，極板之間的相對位置也發(fā)生變化通過測量極板之間的電容來得到加速度信號。進(jìn)一步，信號接入單片機(jī)，通過放大濾波等處理，最終輸出數(shù)字信號。該類傳感器的缺點(diǎn)是受振動的影響大。當(dāng)?shù)刂亓Φ拇笮〔浑S加速度計(jì)姿態(tài)的改變而改變，一般情況下為g=9.81m/s2。加速度計(jì)正是基于此原理完成校準(zhǔn)，分別將三軸加速度計(jì)的六個面保持水平，在靜止過程中采集傳感器的測量值并進(jìn)行平均計(jì)算。之后，將平均值大小與真實(shí)加速度大小進(jìn)行比較，用于校準(zhǔn)參數(shù)。使用MissionPlanner校準(zhǔn)自駕儀加速度計(jì)的實(shí)驗(yàn)詳見6.4.1節(jié)。2.三軸加速度計(jì)評價(jià)加速度計(jì)的常見指標(biāo)包括量程、溫漂、零漂、非線性和噪聲等。量程是指這款傳感器測量值的加速度范圍，對于多旋翼來說一般+16g就足夠使用;溫漂是關(guān)鍵參數(shù)指的是在不同溫度情況下，傳感器測量的變化，也就是說在相同加速度的情況下不同溫度環(huán)境帶來的測量差異;非線性指的是在加速度計(jì)輸入與輸出偏離線性關(guān)系的系數(shù);噪聲指的是在加速度計(jì)輸入不變的情況下，輸出數(shù)據(jù)的波動大小，輸出數(shù)據(jù)波動越小，噪聲則越小。常見加速度參數(shù)對比如圖6.6所示。3.三軸角速率陀螺儀需要注意的是，三軸陀螺儀通常測量的是角速率，而不是角度。MEMS陀螺儀的原理是加速度計(jì)的擴(kuò)展，通過高頻電流使陀螺儀當(dāng)中的重塊進(jìn)行振蕩，當(dāng)傳感器振蕩的過程中，就會產(chǎn)生垂直于速度方向的科里奧利力，該力正比于角速度。MEMS陀螺儀通常包含兩個質(zhì)量塊，兩者運(yùn)動速度的方向相反，大小相等。在旋轉(zhuǎn)過程中，它們會產(chǎn)生不同方向的力，因而產(chǎn)生相反的電容，該電容差正比于角速度。而加速度使兩個質(zhì)量塊所產(chǎn)生的電容變化相等，因此不會影響角速率測量。MEMS陀螺儀原理圖如圖6.7所示。3.三軸角速率陀螺儀陀螺儀的校準(zhǔn)通常是在靜止?fàn)顟B(tài)下完成，即角速率為零。此時靜置傳感器，保持采樣一段時間，在該時間段中選取多個采樣值，然后計(jì)算它們的平均值。若平均值不為零則需要減去它來完成校準(zhǔn)。評價(jià)陀螺儀的常見指標(biāo)同樣包括量程、溫漂、零漂、非線性和噪聲等。量程通常為±2000°/s就足夠使用。常見陀螺儀參數(shù)對比如圖6.8所示。由于三軸加速度計(jì)和三軸角速率陀螺儀信號能夠互相補(bǔ)償，因此，市場上大部分MEMS芯片都集成了這兩種傳感器于一體，以減小體積，降低成本。這是推算運(yùn)動相關(guān)的核心傳感器，也可稱為6DOF傳感器，理論上單芯片就可支撐INS系統(tǒng)的運(yùn)算。4.三軸磁力計(jì)無人機(jī)使用的三軸磁力計(jì)一般用來探測地球磁場，進(jìn)而推算出飛行器的三維磁航向。磁力計(jì)測量值一般是利用鐵磁體的各向異性磁阻來進(jìn)行測量，該測量效果實(shí)時性較好，但需要充磁的過程和充磁器件，因此精度并不高。磁力計(jì)在飛行使用當(dāng)中用途比較單一主要用于測量磁場來推算地球磁極相對于傳感器的方向，因此也可以直接稱為“磁羅盤”。常見的一種磁力計(jì)(HMC5883L磁力計(jì)模塊)如圖6.9所示。磁力計(jì)的校準(zhǔn)過程相對比較復(fù)雜，需要分別繞三個軸進(jìn)行圓周運(yùn)動。在實(shí)際校準(zhǔn)過程中大多為手動操作，將傳感器各個軸豎直向下放置，繞豎直軸旋轉(zhuǎn)一周以取得各個角度測量的地磁場強(qiáng)度。因?yàn)樵谕坏攸c(diǎn)地磁場強(qiáng)度始終保持不變，所以用這一原理校準(zhǔn)磁力計(jì)。使用MissionPlanner校準(zhǔn)磁力計(jì)的實(shí)驗(yàn)詳見6.42節(jié)。4.三軸磁力計(jì)評價(jià)磁力計(jì)的常見指標(biāo)包括量程、溫漂、精度、線性度和噪聲等。由于地磁強(qiáng)度約為500至600毫高斯，磁力計(jì)的磁場量程為±8高斯(Gauss)即可。常見磁力計(jì)參數(shù)對比如圖6.10所示。磁力計(jì)在計(jì)算運(yùn)動時，可以給6DOF傳感器提供一個絕對方位的參考，以此提高準(zhǔn)確度并減小漂移。因此，磁力計(jì)常與三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)整合為一個完整9DOF芯片。理論上這種單芯片就可以支撐AHRS航姿運(yùn)算系統(tǒng)。5.氣壓計(jì)氣壓計(jì)分為絕壓氣壓計(jì)和差壓氣壓計(jì)兩種，絕壓氣壓計(jì)測量的是絕對壓力，而差壓氣壓計(jì)測量的是兩個測量點(diǎn)之間的壓力差。因此，常用絕壓氣壓計(jì)來測量氣壓絕對數(shù)值，然后換算為國際標(biāo)準(zhǔn)氣壓海拔高度，而差壓氣壓計(jì)的兩個測量點(diǎn)，分別接通空速管的總壓與靜壓，通過壓力差換算空速。這兩種氣壓計(jì)也分別稱為“氣壓高度計(jì)”和“空速傳感器”，如圖6.11所示。5.氣壓計(jì)MEMS氣壓計(jì)的原理與其他工業(yè)氣壓計(jì)并無本質(zhì)區(qū)別。首先使用真空膜盒感受差壓或絕壓，然后通過形變驅(qū)動周圍器件的電容發(fā)生變化。測量膜盒的形變先得到輸出再經(jīng)過內(nèi)置電路的放大，最后通過單片機(jī)的濾波和數(shù)字化而得到輸出。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中相同位置的大氣壓在不斷變化，所以氣壓計(jì)的校準(zhǔn)情況比較特殊。一般清況下，都是在飛行器即將離地飛行的瞬間進(jìn)行自動校準(zhǔn)，其方法依然是采集多個數(shù)值并取平均，把靜置啟動時刻的當(dāng)前數(shù)值當(dāng)作相對零高度和相對零空速。而海拔氣壓高度則直接使用出廠校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，無須使用校準(zhǔn)。5.氣壓計(jì)由于空速傳感器只在固定翼飛行器上使用，因此在多旋翼內(nèi)容當(dāng)中不再討論。評價(jià)氣壓計(jì)傳感器的常見指標(biāo)包括量程、溫漂、零漂、分辨率和噪聲等。因?yàn)槎嘈矶际窃诖髿鈱又酗w行，測量的是大氣壓的變化，所以量程在一個大氣壓附近即可，對于多旋翼來說一般300~1100hPa即可滿足需求。常見氣壓高度計(jì)參數(shù)如圖6.12所示。6.超聲波測距儀超聲波是一種頻率超出人耳聽覺頻率上限的聲波(頻率大于20kHz)。由于具有良好的方向性和強(qiáng)大的穿透力，超聲波廣泛應(yīng)用于測速、測距等方面。超聲波信號由超聲波傳感器發(fā)出，經(jīng)由障礙反射，被接收器所接收，并利用這個時間差計(jì)算出到障礙的距離。考慮到不同溫度的影響，空氣中聲波的傳播速度不同，因此，測量結(jié)果需要根據(jù)溫度相應(yīng)地調(diào)整。超聲波測距儀存在一些不足:它的測量范圍小，而且柔軟的物體或者與傳感器成特定角度的物體可能導(dǎo)致反射的聲波較小，甚至導(dǎo)致測距儀接收不到反射波(如圖6.13所示)。超聲波測距儀的運(yùn)行相對穩(wěn)定，無須特別校準(zhǔn)，但對旋翼氣流比較敏感，測量穩(wěn)定性會受到影響，因此，在多旋翼上安裝時需要遠(yuǎn)離旋翼下方。需要注意的是，由于多旋翼的運(yùn)動會導(dǎo)致機(jī)身傾斜，從而使超聲波測距儀指向的方向不垂直于地面，進(jìn)而影響測量高度的準(zhǔn)確性。因此，在使用超聲波測距時，需要全程根據(jù)飛行器姿態(tài)進(jìn)行幾何校正。7.雷達(dá)與上述超聲波測距儀原理類似的測距傳感器還有激光雷達(dá)和無線電雷達(dá)(如圖6.14所示)。激光雷達(dá)發(fā)射單束激光并通過測量光的反射時間得到單點(diǎn)距離，而無線電雷達(dá)則是通過發(fā)射高頻無線電波來實(shí)現(xiàn)測距。激光雷達(dá)優(yōu)點(diǎn)是對目標(biāo)介質(zhì)兼容性好(目標(biāo)反射性好)，缺點(diǎn)是波束窄，難以搜索和捕獲目標(biāo);雖然無線電雷達(dá)的也有著介質(zhì)兼容性好的優(yōu)點(diǎn)，但是設(shè)備體積較大，只能用于較大的飛行器。7.雷達(dá)360度激光雷達(dá)是一種二維激光測距儀，在旋轉(zhuǎn)過程中，不斷發(fā)射激光束來測距，輸出周邊障礙的二維點(diǎn)云。激光雷達(dá)通常用于測高、避障和實(shí)時生成周圍地圖。激光雷達(dá)測量原理如圖6.15所示，通過測量角度和測量距離可以計(jì)算出雷達(dá)距離地面的高度。進(jìn)一步，三維激光雷達(dá)可以得到更為細(xì)致的三維立體圖像，常用領(lǐng)域包括自動駕駛感知、地形地貌測繪和文物精細(xì)重建等，如圖6.16所示。8.全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)是一種通過接收衛(wèi)星信號，并進(jìn)行幾何運(yùn)算，來確定GNSS接收機(jī)天線的地理位置的全球定位設(shè)備，一般至少需要四顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)定位，GNSS系統(tǒng)原理圖如圖6.17所示。GNSS系統(tǒng)中的衛(wèi)星均帶有與其他衛(wèi)星保持同步的原子時鐘，而且這些原子時鐘每天都會根據(jù)地面真實(shí)時間進(jìn)行修正。同時，地面也會監(jiān)控衛(wèi)星的精確位置。當(dāng)衛(wèi)星實(shí)時廣播它們的當(dāng)前位置和時間時，接收機(jī)可以接收多組衛(wèi)星數(shù)據(jù)，然后利用冗余算法來消除誤差。8.全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)該系統(tǒng)的測量用于位置控制。雖然GNSS系統(tǒng)無須校準(zhǔn)，但是需要等待足夠多的衛(wèi)星與接收機(jī)連接，進(jìn)入穩(wěn)定的定位狀態(tài)后才可以使用。通過地面站可以觀察多旋冀GNSS與衛(wèi)星通信的狀態(tài)，星數(shù)表示接收到的衛(wèi)星數(shù)量。在民用導(dǎo)航中，常用水平精度因子(HDOP)和垂直精度因子(VDOP)表示衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度，其數(shù)值越小說明定位精度越高。常見的單點(diǎn)GNSS系統(tǒng)的定位狀態(tài)包括“nofix”——無法定位“2D——2D定位(輸出經(jīng)緯度)以及“3Dfx”——3D定位(輸出經(jīng)緯度和海拔)。目前全球有GPS、Glonass、北斗、伽利略等衛(wèi)星定位系統(tǒng)，還有一些區(qū)域性衛(wèi)星定位增強(qiáng)系統(tǒng)。另外，每種衛(wèi)星定位系統(tǒng)還會有多個頻率的信號，用于冗余校正誤差。對于只支持一種衛(wèi)星定位系統(tǒng)的接收機(jī)設(shè)備，通常直接使用衛(wèi)星定位系統(tǒng)名，支持美國的GPS系統(tǒng)就被稱為“GPS”，而支持中國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的接收機(jī)被稱為“北斗”;同時支持兩種衛(wèi)星系統(tǒng)的接收機(jī)被稱為雙模衛(wèi)星定位設(shè)備;支持三個系統(tǒng)以上多個頻率的接收機(jī)設(shè)備被稱為多系統(tǒng)多頻衛(wèi)星定位設(shè)備。8.全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS的絕對精度一般是米級，其觀測主要收到以下因素影響:01衛(wèi)星相關(guān)誤差，包括軌道誤差和衛(wèi)星鐘差;02傳播誤差，包括電離層誤差、電流層誤差和多路徑誤差；03接收機(jī)誤差，包括接收機(jī)時鐘差和觀測誤差。8.全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)從接收機(jī)到衛(wèi)星的距離可以由GNSS接收機(jī)接收到的測距碼獲得。由于存在衛(wèi)星相關(guān)誤差、傳播誤差，因此這個距離也稱為偽距。為提高GNSS的測量精度，差分定位技術(shù)將一臺接收機(jī)放置在固定的地面基準(zhǔn)參考站內(nèi)。由于基準(zhǔn)參考站本身的位置是實(shí)際已知的，因此，站內(nèi)的接收機(jī)通過GNSS系統(tǒng)得到自己的位置測量值后，將位置的測量值與實(shí)際值相減，就可以得到GNSS測出的定位與實(shí)際定位的誤差。之后，基準(zhǔn)參考站將該誤差實(shí)時發(fā)送出去，附近的移動接收機(jī)就可以接收這個誤差來修正自己的定位。雖然差分技術(shù)可以消除GNSS公共誤差，但是接收機(jī)的內(nèi)部誤差不能被消除?；谳d波相位差分技術(shù)(RealTimeKinematic，RTK)采用相同的基礎(chǔ)理論，但是使用了衛(wèi)星信號載波相位作為測量信息。在RTK系統(tǒng)中，基準(zhǔn)站不斷地將觀測到的載波相位發(fā)送出去移動接收機(jī)在接收基準(zhǔn)站信息后，比較其自身觀測的相位與基準(zhǔn)站接收的相位，實(shí)時計(jì)算出移動接收機(jī)的位置。9.攝像機(jī)攝像機(jī)(又稱相機(jī)、攝像頭)在無人機(jī)當(dāng)中應(yīng)用很廣泛，可以進(jìn)行目標(biāo)識別和跟蹤，可以進(jìn)行目標(biāo)測量和避障，也可以進(jìn)行光流定位，還可以進(jìn)行視覺計(jì)里以輔助導(dǎo)航等。攝像機(jī)將三維場景投射到二維圖像平面，采集的圖像以標(biāo)準(zhǔn)電視信號的形式經(jīng)高速采集系統(tǒng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中并進(jìn)行數(shù)字化，數(shù)字圖像在計(jì)算機(jī)中以二維數(shù)組存儲和處理。攝像機(jī)通過成像透射將三維場景投射到二維像平面的投影關(guān)系稱為攝像機(jī)成像模型，該模型能將三維空間中的點(diǎn)與圖像平面中的點(diǎn)對應(yīng)起來。9.攝像機(jī)三維場景中的直線投射到二維像平面上也是直線，但未標(biāo)定的攝像機(jī)對直線進(jìn)行拍攝后所得到的畫面未必是直線，這種現(xiàn)象稱為光學(xué)畸變。因此，攝像機(jī)標(biāo)定就是確定攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)，通過內(nèi)外參數(shù)就可以對圖像進(jìn)行修正，從而減少光學(xué)畸變的影響。如圖6.18所示，攝像機(jī)標(biāo)定通常使用標(biāo)定板標(biāo)定板上有排列整齊的特征角點(diǎn)，后續(xù)操作就是求解合適的內(nèi)外參數(shù)使得二維圖像平面上的特征角點(diǎn)也是排列整齊的。攝像機(jī)外部參數(shù)標(biāo)定包括攝像機(jī)之間的位置和姿態(tài)，以及與飛行器中心的相對位姿。多旋翼可以同時裝配多個攝像機(jī)，當(dāng)只有一個攝像機(jī)工作時稱為單目視覺，兩個攝像機(jī)工作時稱為雙目視覺，三個及三個以上攝像機(jī)工作則稱為多目視覺。單目視覺只能獲得二維圖像信息，而雙目視覺能夠得到場景的深度信息，因?yàn)閮蓚€攝像機(jī)拍攝的角度不同，所以拍攝到的同一物體在二維圖像中的坐標(biāo)也就不同，再根據(jù)三角測距原理就可以得到物體的深度信息。攝像機(jī)越多，場景深度信息的誤差也就越小，但計(jì)算量會大大增加。9.攝像機(jī)通過攝像機(jī)、計(jì)算芯片和算法的高度集成，可以進(jìn)一步得到智能相機(jī)，并把很多需要解決的工作進(jìn)行模塊化封裝，以及接口標(biāo)準(zhǔn)化。例如，一體化深度相機(jī)越來越普遍它無須用戶自行設(shè)計(jì)算法，便可以輕松獲取立體圖像。投影式深度相機(jī)由常規(guī)相機(jī)、紅外線激光投影儀和紅外相機(jī)組成。紅外線投影儀投影紅外光，進(jìn)而通過分析紅外相機(jī)接收的反射光得到深度信息。也有僅采用雙目方案的深度相機(jī)，這對算法要求很高，目前性能與前面所述投影式方案有些差距。近年來，智能相機(jī)可以用于同步定位與建圖功能，這樣能夠進(jìn)行室內(nèi)外自主定位如圖6.19所示，英特爾RealSense深度攝像頭D435i包含一個RGB相機(jī)、兩個紅外相機(jī)、一個紅外點(diǎn)陣投射器和一個IMU，其中，RGB相機(jī)用于采集彩色圖片，紅外點(diǎn)陣投射器用于發(fā)射紅外線，紅外相機(jī)用于接收紅外線。英特爾RealSense追蹤攝像頭T265包含兩個魚眼鏡頭傳感器、一個IMU和一個英特爾MovidiusMyriad2VPU，可直接輸出三維坐標(biāo)，滿足機(jī)器人、無人機(jī)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)快速原型制作需求。9.攝像機(jī)除此之外，還有一類光流傳感器，如圖6.20所示。光流是視野中由于攝像機(jī)和場景的相對運(yùn)動導(dǎo)致觀測目標(biāo)、表面或邊緣的表觀運(yùn)動模式。通常比較同一個實(shí)際目標(biāo)點(diǎn)在兩幀圖像中對應(yīng)的像素點(diǎn)，根據(jù)該像素點(diǎn)在兩幀圖像中的位置之差和兩幀圖像的時間差，來計(jì)算出像素點(diǎn)在圖像中的運(yùn)動速度，這需要假設(shè)目標(biāo)點(diǎn)的灰度不變。根據(jù)所有或部分關(guān)鍵像素點(diǎn)的速度，可以推導(dǎo)出多旋翼的移動速度，即通過圖像序列來對瞬時圖像速度或離散圖像位移進(jìn)行估計(jì)。02狀態(tài)估計(jì)1.濾波原理傳感器測量出的數(shù)據(jù)往往具有一定的偏差，并不能直接使用。例如，如果直接使用陀螺儀測量的角速度來計(jì)算多旋翼的姿態(tài)角，那么角速度的誤差會不斷積累，導(dǎo)致測算出的姿態(tài)角與真實(shí)值之間的誤差很大。因此，需要使用濾波器來處理傳感器數(shù)據(jù)，以得到較為精確的測量值。濾波是對信號中的噪聲進(jìn)行消除或抑制。以低通濾波器在加速度計(jì)測量時輸出的電壓為例，低通濾波器允許頻率低的信號通過，而頻率高的信號則不能通過。電機(jī)和螺旋槳的振動頻率相對較高，會導(dǎo)致加速度計(jì)發(fā)生信號畸變，即測量出來的電壓振動頻率高，幅度較大，而實(shí)際的多旋翼姿態(tài)變化的振動頻率較低，其波動較小且變化連續(xù)，理論上加速度計(jì)輸出電壓的振動頻率低且幅度小。1.濾波原理因此，為了抑制信號畸變的影響，將加速度計(jì)上一時刻的輸出電壓視為式(6.1)中的“上一時刻電壓”，當(dāng)前時刻的輸出電壓為式(6.1)中的“當(dāng)前電壓測量值”。顯然直接使用當(dāng)前電壓測量值代替上一時刻電壓進(jìn)行迭代是不行的。因此，考慮給兩者加上權(quán)值。例如給上一時刻電壓95%的權(quán)值，當(dāng)前電壓測量值5%的權(quán)值，則加速度計(jì)輸出電壓的更新公式如式(6.1)所示當(dāng)前時刻電壓=0.95x上一時刻電壓+0.05x當(dāng)前電壓測量值其中，當(dāng)進(jìn)行到下一時刻，將“當(dāng)前時刻電壓”作為“上一時刻電壓”進(jìn)行迭代。設(shè)置權(quán)值后，如果某一個時刻產(chǎn)生畸變信號，它只有5%被接受，那么當(dāng)前時刻電壓不會受到太大影響，這樣便能極大地降低畸變信號的影響。正常情況下，多旋翼姿態(tài)發(fā)生變化后，當(dāng)前電壓測量值會不斷地通過權(quán)重來影響當(dāng)前時刻電壓，使其發(fā)生變化若增加上一時刻電壓的權(quán)重，則可以降低信號畸變的影響，但會使得計(jì)算出的電壓延遲增大。1.濾波原理另外一種常用的濾波器為卡爾曼濾波器(KalmanFilter，KF)?？柭鼮V波也稱為線性二次型估計(jì)，能夠從一系列不完全且包含噪聲不確定性的觀測量中估計(jì)系統(tǒng)的未知狀態(tài)，其估計(jì)精度往往比單純的基于單一觀測量的方法更高?？柭鼮V波只適用于線性系統(tǒng)，該系統(tǒng)的輸入與輸出成比例(即齊次性)，且多個輸入相加之后作用在系統(tǒng)上所得到的輸出等于分別作用在系統(tǒng)上所得輸出之和(即疊加性)。而多旋翼的GNSS/INS狀態(tài)方程和量測方程是非線性的，因此，通常使用擴(kuò)展卡爾曼濾波器(ExtendedKalmanFilter，EKF)，將非線性問題轉(zhuǎn)化為線性問題O,1?？柭鼮V波器與前面經(jīng)驗(yàn)數(shù)值公式中不同之處在于可以處理多維狀態(tài)估計(jì)，此外，其權(quán)值可以根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)在線自動調(diào)整而不是一個固定的權(quán)值。自駕儀濾波器調(diào)參的實(shí)驗(yàn)詳見6.4.3節(jié)。2.姿態(tài)估計(jì)姿態(tài)估計(jì)是對姿態(tài)角進(jìn)行估計(jì)，通常利用三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀和三軸磁力計(jì)的數(shù)據(jù)，通過線性互補(bǔ)濾波器、非線性互補(bǔ)濾波器或卡爾曼濾波器處理來得到姿態(tài)角估計(jì)值。三軸加速度計(jì)固連在多旋翼機(jī)體，其三軸與機(jī)體坐標(biāo)系一致。因此，低頻的俯仰角θm和滾轉(zhuǎn)角Φm觀測量可以由加速度計(jì)測量值bam近似得到，即其中，bam=[axbm

aybm

azbm]加度計(jì)測量值在機(jī)體的Obxb、Obyb和Obzb軸的分量。3.位置估計(jì)01基于GNSS的位置估計(jì)基于GNSS的位置估計(jì)常使用IMU、GNSS接收機(jī)和氣壓計(jì)?？柭鼮V波器結(jié)合多旋翼運(yùn)動學(xué)模型，融合不同傳感器的信息來估計(jì)位置。GNSS接收機(jī)能夠提供二維位置信息，氣壓計(jì)能夠提供高度信息，則傳感器觀測模型為3.位置估計(jì)02基于SLAM的位置估計(jì)SLAM(SimultaneousLocalizationAndMapping)稱為同步定位與建圖技術(shù)。SLAM問題可以描述為機(jī)器人在估計(jì)自身位置的同時建造未知環(huán)境的增量式地圖，實(shí)現(xiàn)自主定位和導(dǎo)航。相關(guān)文獻(xiàn)可以參考[116]和117。SLAM技術(shù)可以基于不同類型的傳感器包括距離傳感器，如超聲波測距儀和激光掃描測距儀，也可以基于方位傳感器，如攝像機(jī)等;也有一些傳感器融合的方案，如融合距離傳感器和三維攝像機(jī)等方位傳感器。表6.1和表6.2給出了一些SLAM系統(tǒng)和相關(guān)數(shù)據(jù)庫，以幫助讀者更好地理解。下面以基于激光的SLAM和基于單目視覺的SLAM為例展開介紹。3.位置估計(jì)02基于SLAM的位置估計(jì)激光SLAM是利用激光測距來進(jìn)行定位與建圖的。二維SLAM算法要求多旋翼定高飛行，特別是在走廊類型的空間中飛行，即要求空間的水平截面相同。如果多旋翼在復(fù)雜的三維空間飛行，那么需要采用三維SLAM算法。隨著飛行空間增大，需要重建地圖，存儲的地圖坐標(biāo)會更多，計(jì)算量變得更復(fù)雜。相比全自主飛行，定點(diǎn)懸停飛行的難度要小得多，因?yàn)榇鎯Φ牡貓D坐標(biāo)較少。谷歌提供了名為Cartographer的SLAM算法可以用于二維或三維的定位與建圖，圖6.24顯示了官方例程的運(yùn)行效果。3.位置估計(jì)02基于SLAM的位置估計(jì)視覺SLAM因相機(jī)種類的不同可以分為三類:單目相機(jī)、雙目相機(jī)和RGB-D相機(jī)。其中，單目相機(jī)有一個攝像頭，雙目相機(jī)有兩個攝像頭，RGB-D相機(jī)可以額外地測出圖像中每個像素與相機(jī)之間的距離。視覺SLAM包括兩個核心步驟:定位和建圖。在定位過程中，根據(jù)場景的結(jié)構(gòu)信息求取攝像機(jī)的位置與姿態(tài):而在建圖過程中，根據(jù)求取的攝像機(jī)位置與姿態(tài)重建場景的三維結(jié)構(gòu)。跟蹤與建圖任務(wù)交替進(jìn)行，跟蹤依賴于建圖得到的場景結(jié)構(gòu)信息，建圖反過來依賴于跟蹤求取的運(yùn)動信息。3.位置估計(jì)02基于SLAM的位置估計(jì)一種常用的地圖形式為八叉樹地圖。它把三維空間分成多個小方塊，每個小方塊存儲了該方塊在實(shí)際空間中是否存在物體的信息。如果需要更高的地圖精度，那么可以將方塊拆分成等大的八個小方塊，再分別表示各空間里面是否存在物體。當(dāng)八個小方塊中都包含物體或都不包含物體時，則不需要將原先的方塊進(jìn)行拆分，以此節(jié)省存儲空間。圖6.25為視覺SLAM過程中建立的八叉樹地圖，隨著時間增加，地圖越建越大。03姿態(tài)控制和調(diào)試1.動態(tài)系統(tǒng)的基本描述多旋翼底層飛行控制的閉環(huán)結(jié)構(gòu)如圖6.26所示。多旋翼是一個欠驅(qū)動系統(tǒng)，即獨(dú)立控制量個數(shù)小于系統(tǒng)自由度個數(shù)的系統(tǒng)，它雖然有六個自由度(三個自由度位置、三個自由度姿態(tài))，但是只有四個獨(dú)立輸入(四個電機(jī)轉(zhuǎn)速)。因此，多旋翼只能跟蹤四個期望指令(三個自由度位置、偏航角)，剩余的變量由期望指令確定。1.動態(tài)系統(tǒng)的基本描述多旋翼采用內(nèi)外環(huán)控制。外環(huán)控制器為位置控制器，內(nèi)環(huán)控制器為姿態(tài)控制器，即先控制好多旋翼的姿態(tài)，再控制多旋翼的位置，動態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)行順序如圖6.26所示。先給出期望位置和期望偏航角，再通過期望位置與實(shí)際位置的偏差可以計(jì)算出期望俯仰角、期望滾轉(zhuǎn)角和期望拉力:之后，根據(jù)期望姿態(tài)角和實(shí)際姿態(tài)角的偏差計(jì)算出期望力矩，然后結(jié)合期望拉力，通過控制分配器計(jì)算出期望螺旋槳轉(zhuǎn)速;最后，利用期望螺旋槳轉(zhuǎn)速計(jì)算出期望油門指令。計(jì)算完所有的期望值之后，多旋翼給電機(jī)控制器輸出期望的控制信號，從而完成多旋翼的控制。1.動態(tài)系統(tǒng)的基本描述關(guān)于控制分配器，如果多旋翼是四旋翼，那么力和力矩四個獨(dú)立輸入將換算成四個螺旋槳的控制，通常期望這些控制作用到真實(shí)的四旋翼也能產(chǎn)生同樣的力和力矩。如果多旋翼是十八旋翼，那么也只有力和力矩四個獨(dú)立輸入，并將其換算成十八個螺旋槳的控制。通常期望這些控制作用到真實(shí)的十八個旋翼也能產(chǎn)生同樣的力和力矩。這樣一來，控制器設(shè)計(jì)與多旋翼的旋翼個數(shù)及安裝位置就解耦了。以下PID原理和調(diào)試步驟僅針對位置控制器和姿態(tài)控制器，通過控制器的設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)時反饋，得到動態(tài)變化的力和力矩的期望。2.PID原理和調(diào)試步驟01PID控制原理PID算法是比例P(Proportion)、積分I(Integration)、微分D(Differentiation)組成的一種控制律算法。飛行器在空中飛行一共需要控制六個自由度，分別是高度、經(jīng)度和緯度三個平移自由度，以及偏航、俯仰和滾轉(zhuǎn)三個旋轉(zhuǎn)自由度。那么，PID控制就是將這六個自由度變量偏差的比例、積分和微分之和作為控制器的輸入，計(jì)算輸出值的一種控制方法。常規(guī)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6.27所示。2.PID原理和調(diào)試步驟01PID控制原理如圖6.27所示，“p”參數(shù)可以理解為糾正偏差的力度，P參數(shù)越大，系統(tǒng)動作越快;“I”參數(shù)可以理解為要達(dá)到的精度，I參數(shù)越大態(tài)跟蹤越精確;“D”參數(shù)可以防止力度太大造成的超調(diào)效果，可以理解為快要到達(dá)指定目標(biāo)時提前減速的效果。PID算法已經(jīng)有很長的歷史，是目前應(yīng)用最廣泛的控制律算法。其因結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)節(jié)方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。尤其是當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能被完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定。這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便，多旋翼就是這樣的典型。由于四旋翼種類不同，布局和重量也將不同，因此很難找到一個通用的數(shù)學(xué)模型所以在控制多旋翼的算法中，PID控制算法是目前使用次數(shù)最多的。2.PID原理和調(diào)試步驟02PID調(diào)試步驟PID調(diào)試是對PID控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，專業(yè)術(shù)語稱為整定，又稱為調(diào)參。只有合適的系數(shù)才能充分發(fā)揮控制器的性能，使被控對象得到精確的控制。而四旋翼的PID調(diào)參方法一般是按照臨界比例度法的思路，結(jié)合試湊和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行邊飛邊調(diào)。常見的飛控調(diào)參界面如圖6.28所示。2.PID原理和調(diào)試步驟02PID調(diào)試步驟以姿態(tài)控制器調(diào)參為例，分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)。內(nèi)環(huán)調(diào)參目標(biāo)是速率(對于姿態(tài)來說一般指角速率)，其相關(guān)的是飛行器的動態(tài)特性是否靈活，是否快速跟蹤給定的姿態(tài)角速率指令，俗稱“跟手”:而外環(huán)為姿態(tài)環(huán)(自穩(wěn))，調(diào)參目標(biāo)是角度，外環(huán)相關(guān)的更多是飛行器的靜態(tài)特性，如是否穩(wěn)定及抗風(fēng)性如何。需要注意的是，要完整地進(jìn)行四旋翼的試湊調(diào)參，需要具備較高的飛行操作能力，至少能夠在模擬器當(dāng)中完成普通四旋翼增穩(wěn)模式下的懸停飛行(見8.3節(jié))。調(diào)參基本思路是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，先調(diào)滾轉(zhuǎn)和俯仰，再調(diào)其他參數(shù)?；菊{(diào)參步驟如下，僅供參考。姿態(tài)PID控制的具體操作詳見6.4.4節(jié)。3.飛行模式01自穩(wěn)模式自穩(wěn)模式允許飛控手利用遙控器手動控制多旋翼，遙控器搖桿和死區(qū)如圖6.29所示，該模式對應(yīng)MissionPlanner的“Stabilize”模式。死區(qū)表示輸出為零的區(qū)域，即搖桿在這個范圍內(nèi)任意位置，最終輸出都為零。通常在搖桿中心附近設(shè)置一圈很小的死區(qū),以防止小幅度誤觸、振動對多旋翼造成影響。3.飛行模式01自穩(wěn)模式在自穩(wěn)模式下，飛行器能夠自動平衡滾轉(zhuǎn)/俯仰軸，以保持多旋翼的姿態(tài)穩(wěn)定。在遙控器控制下，飛控手利用遙控器的滾轉(zhuǎn)/俯仰搖桿控制多旋翼飛往期望方向。當(dāng)飛控手釋放滾轉(zhuǎn)/俯仰搖桿時，多旋翼的控制將自動地由自駕儀接管，可以穩(wěn)定地控制多旋翼的姿態(tài)，但位置仍然會漂移。在此過程中，飛控手需要不斷地向多旋翼發(fā)送滾轉(zhuǎn)、俯仰和油門指令，以保持定點(diǎn)懸停，因?yàn)槎嘈頃茱L(fēng)的干擾而偏離位置。油門指令可以控制多旋翼的平均電機(jī)轉(zhuǎn)速，使多旋翼保持在當(dāng)前高度。如果飛控手把油門控制搖桿推到最低位置，那么電機(jī)將以最低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，此時若多旋翼在飛行，多旋翼將失控并墜機(jī)。此外，當(dāng)飛控手釋放偏航搖桿時，多旋翼將保持當(dāng)前機(jī)頭指向。3.飛行模式02定高模式定高模式允許正常控制滾俯仰和偏航軸時，多旋翼能夠保持高度穩(wěn)定，該模式對應(yīng)MissionPlanner的“AltHold”模式。當(dāng)油門搖桿在中間附近時(40%~60%)，多旋翼的控制將由自駕儀接管，自動給定油門指令，使多旋翼能夠保持當(dāng)前的高度，但是水平位置仍然會漂移。自駕儀不僅能夠控制高度，而且能控制姿態(tài)。飛控手需要不斷地向多旋翼發(fā)送滾轉(zhuǎn)和俯仰指令使多旋翼定點(diǎn)懸停。一旦油門偏離中間位置(如低于40%或者高于60%)，多旋翼的控制將由遙控器接管。此時，多旋翼爬升或下降取決于油門控制搖桿的偏向。當(dāng)油門控制搖桿推到最低位置時，多旋翼將以最大容許速度下降。當(dāng)油門控制搖桿位于最高位置時，多旋翼將以最大容許速度爬升。在高度保持模式下，自駕儀需要搭載高度測量傳感器，如氣壓計(jì)或超聲波測距模塊。3.飛行模式03定點(diǎn)模式定點(diǎn)模式能夠保持多旋翼的姿態(tài)、位置和機(jī)頭指向穩(wěn)定，對應(yīng)MissionPlanner的“Loiter”模式。當(dāng)飛控手釋放滾轉(zhuǎn)/俯仰和偏航搖桿，并將油門搖桿推到中間死區(qū)位置時，多旋翼的控制將由自駕儀接管，并能保持當(dāng)前水平位置、機(jī)頭指向和高度。精確的GNSS位置信息和偏航角信息以及機(jī)身低振動對實(shí)現(xiàn)良好的定點(diǎn)懸停非常重要。飛控手可以推動滾轉(zhuǎn)/俯仰搖桿控制水平位置，釋放搖桿后，多旋翼會減速而懸停。飛控手可以像定高模式一樣推動油門搖桿以控制高度，也可以推動偏航控制搖桿以控制航向。在定點(diǎn)模式下，自駕儀除了需要高度測量傳感器，還需要搭載位置傳感器，如GNSS接收機(jī)或攝像機(jī)。謝謝觀看“電氣工程、自動化專業(yè)系列教材信號分析與處理組裝和位置控制調(diào)試“工業(yè)和信息化部“十四五”規(guī)劃教材多旋翼飛行器:從原理到實(shí)踐第七章01多旋翼組裝1.組裝前的注意事項(xiàng)01防止受傷在組裝多旋翼過程中，由于操作不夠規(guī)范或者分心沒有注意到尖銳零件等，很容易造成各種傷害。在組裝完成進(jìn)行飛行的過程中，也容易因?yàn)椴僮鞑灰?guī)范或者設(shè)備故障等致人受傷或者造成財(cái)產(chǎn)損失。因此，務(wù)必在組裝和操作多旋翼的過程中引起重視，集中注意力。另外，最好擁有一個專屬的工作間或者進(jìn)出受管束的特定區(qū)域來進(jìn)行操作，防止非專業(yè)人員或者寵物等的干擾。因?yàn)榻M裝多旋翼的一些工具和多旋翼的零件都非常危險(xiǎn)，所以在組裝的過程中一定要有專業(yè)人員的指導(dǎo)，或者在詳細(xì)閱讀各種工具的使用說明書后再進(jìn)行操作。特別要注意電烙鐵的使用，因?yàn)槭褂秒娎予F來進(jìn)行焊接必須要將電烙鐵加熱到400°C，稍有疏忽就可能會造成皮膚燙傷或者導(dǎo)致各種材料起火。因此，在使用電烙鐵之前，一定要把工作臺清理干凈，而電烙鐵在不用的時候要放在防火架上。在加熱時，錫作為焊接原料會呈現(xiàn)液狀。1.組裝前的注意事項(xiàng)01防止受傷液體錫可能會四處濺落，如果進(jìn)入眼中會十分危險(xiǎn)，建議佩戴護(hù)目鏡(如圖7.1所示)。此外，錫散發(fā)出的煙有毒性，工作間必須保持通風(fēng)良好。為防止火災(zāi)，還要時刻小心電池和絕緣不良的電路。聚合鉀電池組的電力非常強(qiáng)勁，建議在不用的時候把電池組從多旋翼機(jī)身中取出。無論在工作間內(nèi)還是在外執(zhí)行任務(wù)，還應(yīng)時刻準(zhǔn)備好急救箱，以防萬一一個專業(yè)技術(shù)人員的急救箱中常有如下物品:繃帶、止血帶、含有酒精的濕紙巾、碘伏和阿司匹林等。1.組裝前的注意事項(xiàng)02防止燒壞電路首先，一定要弄清楚電極，使用適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏鲝?qiáng)度。一根電線如果連接有問題那么會產(chǎn)生各種后果。最壞的后果之一是導(dǎo)致爆炸，元件報(bào)廢。為多旋翼通電之前，應(yīng)該先弄清楚各個元件的工作電壓，檢查各個元件之間的插頭連接是否牢固以及方向是否正確。對于多旋翼的自駕儀而言，工作電壓一般為5V，但是多旋翼電池的輸出電壓一般并不是5V，因此需要將多旋翼電池與分電板進(jìn)行連接，然后通過分電板輸出5V的電壓給自駕儀。而有些元件的工作電壓可能并不是5V，而是12V或者3.3V等，這時還可以通過電調(diào)的免電池電路(BateryEliminationCircuit，BEC，見第2章電調(diào)的介紹)或外置獨(dú)立穩(wěn)壓電路(UltraBatteryEliminationCircuit，UBEC)來進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，從而輸出所需要的電壓。還有一些元件需要通過自駕儀供電并且與自駕儀進(jìn)行通信，這時該元件與自駕儀之間的連線一般有三根線，通過紅色的線接供電源的正極，黑色的線接供電源的負(fù)極，而剩下的一根線用于通信。因此，應(yīng)當(dāng)注意線路的連接方向。1.組裝前的注意事項(xiàng)03防止丟失零件還有一種問題貌似平常，但同樣會妨礙多旋翼的順利組裝，那就是丟失零件。大多數(shù)零件，尤其是電子元件并非標(biāo)準(zhǔn)零件。臨時訂購可能需要幾個星期時間才能到貨。應(yīng)該把零件放置到大小合適的盒子或格架中，如果條件允許的話，還應(yīng)貼上標(biāo)簽，如圖7.2所示。在訂購多旋翼組裝零件的時候,除了原始組件，一定不要忘記購買一批替換組件，包括電纜線和插頭等。因?yàn)槎嘈硪淮物w行將耗損很多零件，并且在多旋翼墜落時，很多零件散落四處，無法再找回。所以通常情況下，配套替換組件中應(yīng)包括所有必需零件的附屬零件，如與電機(jī)配套的螺絲。2.多旋翼組裝流程我們以一款軸距為650mm的四旋翼機(jī)型為例，介紹多旋翼組裝流程。組裝過程以方便機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝和電氣結(jié)構(gòu)連接為基本原則。因此在安裝機(jī)械結(jié)構(gòu)的過程中，電氣結(jié)構(gòu)必須穿插著進(jìn)行連接，這樣才能做到結(jié)構(gòu)一體化，在使用過程中避免不必要的損傷其他機(jī)型的安裝順序與該款機(jī)型基本一致。如果與該款機(jī)型采用的電子元件不同，那么接線位置可能會有差異。整機(jī)零件爆炸圖如圖7.3所示。具體組裝零件可以參見附錄A。2.多旋翼組裝流程01電機(jī)與電機(jī)座的組裝在組裝電機(jī)與電機(jī)座前，首先需要焊接電機(jī)香蕉頭，具體步驟如下。第一步，將電烙鐵進(jìn)行預(yù)熱。第二步，為了更好地焊接并避免接觸不良，給電機(jī)線、香蕉頭的尾部分別上錫(注意，上錫時不要把焊錫絲送到烙鐵頭上)。較好的焊點(diǎn)外表應(yīng)該光滑均勻，沒有明顯的氣孔或缺陷，如圖7.4(a)和圖7.4(b)所示。第三步，將香蕉頭焊接好，如圖7.4(c)所示。2.多旋翼組裝流程01電機(jī)與電機(jī)座的組裝第四步，為香蕉頭套上熱縮管，打開熱風(fēng)槍，將加熱口對準(zhǔn)熱縮管來回晃動，使熱縮管均勻受熱并套緊(注意，熱風(fēng)槍溫度較高，使用時需遠(yuǎn)離身體，并且使用完畢后一定要將加熱口朝上放置)，如圖7.5所示。第五步，依次將四個電機(jī)全部焊接完畢。此時最好再在電烙鐵的烙鐵頭表面上一層錫，防止烙鐵頭氧化變黑。為了保證焊接良好，請?jiān)诤附永鋮s后嘗試輕輕拉扯，以確定焊接良好。2.多旋翼組裝流程01電機(jī)與電機(jī)座的組裝接下來進(jìn)行電機(jī)與電機(jī)座的組裝。所需零件及工具包括:四套電機(jī)座(兩套橘色和兩套黑色)及配套的螺絲螺母、焊好的四個電機(jī)、四根水滴管機(jī)警和內(nèi)六角扳手等工具具體步驟如下。2.多旋翼組裝流程01電機(jī)與電機(jī)座的組裝第一步，根據(jù)X型四旋翼電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的定義確定電機(jī)的安裝位置。橙色電機(jī)座為多旋翼的機(jī)頭，黑色電機(jī)座為多旋翼的機(jī)尾，因此，需要將兩個不同轉(zhuǎn)向的電機(jī)安裝至兩個橙色的電機(jī)座，黑色同理，如圖7.6所示。該款機(jī)型電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的確認(rèn)如圖7.7所示。2.多旋翼組裝流程01電機(jī)與電機(jī)座的組裝第二步，取一個順時針正轉(zhuǎn)電機(jī)與黑色電機(jī)上座，將電機(jī)線一側(cè)與電機(jī)上座有凸起的一側(cè)對齊，用螺絲將電機(jī)旋緊固定在電機(jī)上座。同理，完成其余三個電機(jī)上座的安裝,如圖7.8所示。2.多旋翼組裝流程01電機(jī)與電機(jī)座的組裝第三步，取一根機(jī)臂夾在電機(jī)上座與電機(jī)下座的中間，按照圖7.9所示進(jìn)行固定，其余三套同理。電機(jī)安裝通用注意事項(xiàng)如下。(1)安裝電機(jī)前應(yīng)當(dāng)先確認(rèn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，雖然有些電機(jī)對螺旋獎有自緊功能(這個功能將會使安裝在電機(jī)上的螺旋槳越轉(zhuǎn)越緊)，但是如果弄錯電機(jī)的轉(zhuǎn)向，那么非但沒有自緊功能甚至還有可能導(dǎo)致射槳，即槳從電機(jī)軸上飛出。而確認(rèn)電機(jī)轉(zhuǎn)向的方法也很簡單，可以先把槳夾擰進(jìn)電機(jī)軸一點(diǎn)。這時一手拿著槳夾不動，另外一只手轉(zhuǎn)動電機(jī)外殼。如果轉(zhuǎn)動電機(jī)外殼時槳夾會擰緊的話，那么這個轉(zhuǎn)動方向就是電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。應(yīng)確保多旋翼在飛行時電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向不能使獎夾松動。另外，俯視時安裝在機(jī)身左前方和右后方的電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)時應(yīng)使槳夾擰緊，安裝在機(jī)身右前方和左后方的電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)時應(yīng)使獎夾擰緊，如圖7，10所示。2.多旋翼組裝流程01電機(jī)與電機(jī)座的組裝(2)對于多旋翼來說，不僅每個軸的電機(jī)規(guī)定了確定的旋轉(zhuǎn)方向，而且每個軸安裝的螺旋槳也規(guī)定了旋轉(zhuǎn)方向，有正獎和反槳的區(qū)分。正獎就是俯視時逆時針旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，而反獎就是俯視時順時針旋轉(zhuǎn)的螺旋槳。在有些螺旋槳上，會直接標(biāo)注螺旋獎的旋轉(zhuǎn)方向，這樣就很容易區(qū)分。但是在有些螺旋槳上，沒有標(biāo)注螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向，這就需要通過仔細(xì)觀察來區(qū)分正槳和反槳。方法也很簡單，用槳葉迎風(fēng)面就可以區(qū)分(獎緣呈平滑弧線的是迎風(fēng)面):螺旋獎橫著放，標(biāo)注有螺旋獎型號的一面向上放置于左側(cè)，如圖7.11(a)和圖711(b)所示，此時右側(cè)獎葉的迎風(fēng)面在后面的是正獎，安裝時應(yīng)該逆時針旋轉(zhuǎn):右側(cè)槳葉的迎風(fēng)面在前面的是反槳，安裝時應(yīng)該順時針旋轉(zhuǎn)。另外，使用獎夾將螺旋槳與電機(jī)固定后，一定要加螺絲膠，因?yàn)槎嘈碓陲w行中由于電機(jī)的高頻振動，所以很容易引起槳夾松動造成射槳，甚至炸機(jī)。2.多旋翼組裝流程01電機(jī)與電機(jī)座的組裝(3)用螺絲將電機(jī)與機(jī)臂固定時，注意使用合規(guī)的螺絲。一般電機(jī)包裝盒里會有兩種長度的螺絲。如果電機(jī)與機(jī)身底座之間不加墊圈，那么應(yīng)當(dāng)使用較短的螺絲:如果電機(jī)與機(jī)身底座之間加墊圈，那么應(yīng)當(dāng)使用較長的螺絲，防止電機(jī)內(nèi)的線圈被螺絲損壞。最后使用螺絲膠或者其他螺絲防松裝置來防止電機(jī)松動。雖然四旋翼的四個電機(jī)電調(diào)及其他用電設(shè)備皆從單一來源——四旋翼動力電池取電，但是電池只引出一條通路。為了更合理地分配走線與整機(jī)的一體化，我們需要加入塊分電板，并將一條電源線、四條電調(diào)線和一條圖數(shù)傳機(jī)載端電源線焊接至分電板。2.多旋翼組裝流程01電機(jī)與電機(jī)座的組裝第一步，將電烙鐵預(yù)熱，給電源線和分電板中間的“Batt+-”焊點(diǎn)上錫，然后把電源線焊接至分電板中間的“Batt+-”焊點(diǎn)，如圖7.12所示。第二步，類比電源線的焊接，先為分電板相應(yīng)焊點(diǎn)、電調(diào)線及圖數(shù)傳機(jī)載端電源線上錫，再依照分電板焊接原理(如圖7.13所示)，將四條電調(diào)線和一條圖數(shù)傳機(jī)載端電源線焊接至分電板。3.機(jī)架的組裝所需零件及工具包括:機(jī)身上下底板、焊接好的四合一電調(diào)、組裝好的四個機(jī)臂和電機(jī)、兩條電池綁帶、四套機(jī)臂機(jī)身連接件(兩套橘色和兩套黑色)、GNSS支架若干螺絲螺母、內(nèi)六角扳手以及鉗子等工具。具體組裝步驟如下。第一步，取機(jī)身上底板、機(jī)身下底板、一套橘色連接件和一套黑色連接件，按照如圖7.14所示的方向放置。確定上下底板的正反放置正確，比對定位孔的位置區(qū)分上下底板，根據(jù)板上的尖角確定多旋翼的機(jī)頭方向。第二步，將一套黑色連接件與上下底板孔對齊，將長釘從上而下貫通，下方用螺母鎖住。但注意不要鎖緊，為了方便待會裝入機(jī)臂。依次將四套連接件安裝好，同時檢查連接件應(yīng)呈內(nèi)傾狀，如圖7.15所示。如果有誤，那么請檢查上述步驟是否正確，以及連接件的正反。3.機(jī)架的組裝第三步，將兩條電池綁帶固定好，并調(diào)整位置以便掛載電池。再將分電板整齊地?cái)[放在下底板的中間，并將XT60電源接頭放置在多旋翼的機(jī)尾方向，如圖7.16所示。第四步，為了表面走線整潔，需將電調(diào)放置在機(jī)臂的內(nèi)部。因此，將四個電調(diào)穿過上下底板的連接件，把電調(diào)的信號線留在內(nèi)部以連接自駕儀，如圖7.17所示。3.機(jī)架的組裝第五步，依次將四個電調(diào)穿過機(jī)臂內(nèi)部，然后將機(jī)臂鎖入上下底板的連接件內(nèi)，如圖7.18所示。注意將電調(diào)放入機(jī)臂后，應(yīng)先檢查機(jī)臂頂端與連接件最內(nèi)側(cè)是否對齊，再用螺絲將其鎖緊。同時還要注意電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。由于該款機(jī)型配置的槳葉是自動槳葉，電機(jī)裝錯只能拆掉重裝，因此此步需要反復(fù)檢查核對。3.機(jī)架的組裝第六步，將四組電機(jī)線與電調(diào)線鎖緊。如果在后面的電機(jī)測試中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向有誤，那么將任意兩根電調(diào)線對調(diào)即可，如圖7.19所示。第七步，將GNSS支架按照如圖7.20所示的方式安裝好。由于GNSS內(nèi)帶羅盤，因此，需要通過GNSS支架將GNSS升高，以減少自駕儀等設(shè)備對羅盤的干擾。4.自駕儀的安裝將自駕儀載板上有天線的一側(cè)與機(jī)頭對齊，使用兩塊3M膠，將自駕儀和載板粘到上底板的中心位置。這里推薦將自駕儀安裝在四個電機(jī)連線的交點(diǎn)，即機(jī)體系的原點(diǎn)如圖7.21所示。4.自駕儀的安裝如果電機(jī)連線的交點(diǎn)位置安裝了其他的設(shè)備，那么需要將自駕儀安裝在其他位置也可以在“配置調(diào)試一全部參數(shù)表”中修改自駕儀內(nèi)部三個IMU(慣性測量單元)參數(shù)，以補(bǔ)償位置的偏離。具體的修改方式如下。以圖7.22為例，自駕儀被安裝在多旋翼框架的左前方。根據(jù)第3章對多旋翼機(jī)體坐標(biāo)系X、Y、Z軸的說明，我們對參數(shù)做出如下的修改(需要先為自駕儀安裝固件)。4.自駕儀的安裝第一步，進(jìn)入MissionPlanner，用USB線連接自駕儀，選擇正確的端口(COM)和波特率(USB:115200)并進(jìn)行連接；第二步，連接好后，在“CONFIG”(配置/調(diào)試)界面選擇“FullParameterList”(全部參數(shù)表);第三步，在界面右側(cè)搜索關(guān)鍵字“INS”;第四步，如圖7.23所示，將三個IMU的“INSPOSX”參數(shù)修改為0.1，將三個IMU的“INSPOSY”參數(shù)修改為-0.15。5.GNSS的安裝用3M膠將GNSS固定在GNSS支架上，并將GNSS的正方向與多旋翼的機(jī)頭方向?qū)R，然后將GNSS的線接入自駕儀載板的“CAN1”端口，如圖7.24所示。如果因結(jié)構(gòu)限制，不能將GNSS安裝在機(jī)體系的原點(diǎn)，那么也可以參照自駕儀安裝的方式，修改與GNSS相關(guān)的參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對位置偏移的補(bǔ)償。6.數(shù)傳電臺的安裝使用扎帶將數(shù)傳電臺機(jī)載端固定在機(jī)架的任意位置，但不能影響螺旋槳旋轉(zhuǎn)，并將數(shù)傳電臺機(jī)載端接入自駕儀載板的“TELEM1”端口，如圖7.25所示。將數(shù)傳電臺地面端接入計(jì)算機(jī)的任意USB口后，可通過“我的電腦一右鍵一設(shè)備管理器一端口(COM和LPT)”查找到該設(shè)備，如圖7.26所示。如果該設(shè)備為問號或Windows不能自動識別，那么需要安裝設(shè)備驅(qū)動，可在/drivers/下載,如圖7.27所示。7.電調(diào)與自駕儀的連線從放置在機(jī)臂的電調(diào)中找到對應(yīng)電機(jī)電調(diào)的信號線，按照如圖7.28所示的電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向定義，將電調(diào)與自駕儀進(jìn)行連接。其中，右前方為1號電機(jī)，把該電機(jī)電調(diào)的信號線接入自駕儀載板的“MAINOUT1”端口;左后方為2號電機(jī)，把該電機(jī)電調(diào)的信號線接入自駕儀載板的“MAINOUT2”端口;左前方為3號電機(jī)，把該電機(jī)電調(diào)的信號線接入自駕儀載板的“MAINOUT3”端口;右后方為4號電機(jī)，把該電機(jī)電調(diào)的信號線接入自駕儀載板的“MAINOUT4”端口。注意，接線時需根據(jù)自駕儀載板的“MAINOUT”端口旁邊的線序提示接線，端口上方接入負(fù)極線，端口下方接入信號線。8.電源模塊的安裝將多旋翼分電板上引出的電源線與電源模塊相連接，而電源模塊的另一側(cè)先不要與電池相連接。電源模塊上的“POWERCABLE”信號線接入自駕儀載板上的“POWER1”接口，然后把BB響與電池相連接，用于電壓顯示和低電壓報(bào)警，并將安全電壓設(shè)置在3.6V(短按電壓調(diào)節(jié)按即可調(diào)節(jié)安全電壓)，如圖7.29所示。9.圖數(shù)傳機(jī)載端的安裝安裝步驟如圖7.30所示，具體安裝步驟如下。第一步，將圖數(shù)傳機(jī)載端的底部用3M膠固定至機(jī)身上底板，然后，將與分電板焊接好的圖數(shù)傳機(jī)載端電源線接至圖數(shù)傳機(jī)載端的“Power”端口。如果使用其他的電路接法，那么該端口的輸入電壓要保持在7~12V。第二步，將圖數(shù)傳機(jī)載端的“UART”端口，通過連接線接至自駕儀載板的“TELEM2”端口，用于圖數(shù)傳機(jī)載端和自駕儀之間的數(shù)據(jù)通信。9.圖數(shù)傳機(jī)載端的安裝第三步，根據(jù)如圖7.31所示定義的“S.bus”端口的線序，將“S.bus1”分?jǐn)?shù)據(jù)線接至自駕儀載板的“RCIN”端口，如有需要可將“S.bus2”分?jǐn)?shù)據(jù)線與云臺進(jìn)行連接。第四步，將圖數(shù)傳機(jī)載端天線用3M膠粘接至多旋翼，如圖7.32所示，另一端穿過機(jī)臂連接至圖數(shù)傳機(jī)載端的“ANT1”和“ANT2”端口。10.光流模塊的安裝光流模塊內(nèi)部集成了激光雷達(dá)、光流相機(jī)和IMU，其中激光雷達(dá)主要用于輔助定高。由于光流模塊內(nèi)含IMU，因此，需要與多旋翼的機(jī)體方向?qū)R。如圖7.33所示，將光流模塊用3M膠粘貼至多旋翼下底板，并檢查光流模塊的方向與多旋翼的機(jī)頭方向是否對齊。最后，將光流模塊接至自駕儀載板的“CAN2”端口。11.激光雷達(dá)的安裝首先，我們需要核對使用的激光雷達(dá)與自駕儀載板“GPS2”端口連接的線序。激光雷達(dá)一側(cè)為4Pin接口，如圖7.34所示，自駕儀一側(cè)使用6Pin接口，如圖7.35所示。因?yàn)榻渝e線可能導(dǎo)致雷達(dá)燒毀，所以請認(rèn)真檢查。若沒有正確線序的連接線，需要依照如圖7.36所示的步驟修改線序，進(jìn)行接線。由于我們希望多旋翼有前向避障的功能，因此將激光雷達(dá)無接口一側(cè)使用3M膠粘接至機(jī)身上底板并將激光雷達(dá)向前放置，與多旋翼機(jī)頭方向相同。因?yàn)樵摷す饫走_(dá)使用“UART”端口，所以將激光雷達(dá)的線接入自駕儀載板的“GPS2”端口，如圖7.37所示。12.蜂鳴器的安裝為了更好地監(jiān)測自駕儀的狀態(tài)，我們可以使用蜂鳴器作為聽覺提示。當(dāng)然，也可以不安裝蜂鳴器。將蜂鳴器的連接線接入自駕儀載板的“USB”端口，蜂鳴器粘接至機(jī)身下底板，如圖7.38所示。注意，不要讓USB線影響多旋翼螺旋槳旋轉(zhuǎn)，剩下的一個端口可連接計(jì)算機(jī)供多旋翼調(diào)試使用。02多旋翼調(diào)試1.多旋翼調(diào)試總體步驟多旋翼的調(diào)試應(yīng)當(dāng)按照本書的整體結(jié)構(gòu)依次完成，如圖7.39所示。由于實(shí)機(jī)飛行存在著很多的危險(xiǎn)，因此這里再次強(qiáng)調(diào)在進(jìn)行位置控制器調(diào)試之前應(yīng)當(dāng)在做完第4章、第5章和第6章的調(diào)試實(shí)驗(yàn)后才能進(jìn)行。1.多旋翼調(diào)試總體步驟01電源電路檢查:多旋翼上的電源器件通過并聯(lián)的方式連接到電池，在上電之前,必須檢查電源線正負(fù)極是否接對，如果短路了可能會出現(xiàn)器件燒毀。因?yàn)槎嘈硎峭ㄟ^電機(jī)和螺旋槳提供動力飛行的，所以電機(jī)電源需要具備更高的可靠性，必須要檢查接線接頭是否接觸可靠和焊點(diǎn)是否虛焊。02電機(jī)轉(zhuǎn)向檢查:可以通過小幅度地推油門桿來確定每個電機(jī)的轉(zhuǎn)向是否正確,如果電機(jī)轉(zhuǎn)向錯誤可通過對調(diào)相應(yīng)電機(jī)與電調(diào)上任意兩根線來解決;也可以參考第4章的電調(diào)校準(zhǔn)課堂實(shí)踐部分使用MissionPlanner輔助檢查電機(jī)轉(zhuǎn)向。1.多旋翼調(diào)試總體步驟03自駕儀檢查:檢查自駕儀固件版本是否為實(shí)飛版本，并檢查常用安全保護(hù)參數(shù)是否設(shè)置正確，如安全開關(guān)設(shè)置、地理圍欄設(shè)置及故障保護(hù)設(shè)置等。注意，部分參數(shù)修改后自駕儀需要重新上電后才能生效。常用安全保護(hù)參數(shù)及功用如表7.1所示。04飛行動作檢查:可以在低油門下推搖桿來確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速是否改變以及改變的邏輯是否符合期望。1.多旋翼調(diào)試總體步驟05自穩(wěn)檢查:在多旋翼上安裝螺旋槳，放置在如圖6.39所示的調(diào)試架上。將多旋翼解鎖并給出低油門，螺旋槳將低速旋轉(zhuǎn)，然后，開始用竹竿等工具擾動多旋翼來觀察多旋翼姿態(tài)的調(diào)節(jié)能力。因?yàn)槎嘈肀旧頃３謾C(jī)身平穩(wěn)，所以哪個電機(jī)位置低了，對應(yīng)軸的電機(jī)轉(zhuǎn)速就會加快;哪個電機(jī)位置高了，對應(yīng)軸的電機(jī)轉(zhuǎn)速則會減慢。在晃動機(jī)身時多旋翼將不斷做出變速的反應(yīng)，表示正常運(yùn)行。2.位置控制器調(diào)試01調(diào)試環(huán)境因?yàn)槲恢每刂破鞯恼{(diào)試需要進(jìn)行實(shí)機(jī)飛行，所以需要選擇一塊空曠無人的室外場地進(jìn)行調(diào)試，最好是在一片平整空曠的草坪上，這樣即使多旋翼炸機(jī)也能減少損傷。另外，由于位置控制器的調(diào)試需要使用GNSS，因此除了第6章介紹的在調(diào)試架上進(jìn)行的姿態(tài)調(diào)試前例行的安全檢查，還需要檢查GNSS信號是否正常。請注意，因?yàn)槟壳癕issionPlanner界面中仍然保留了“GPS”的說法，所以這里使用了“GPS”術(shù)語。實(shí)際上，ArduPilot不是僅支持GPS。具體來說，就是確認(rèn)GPS是否定位(如圖7.40左上角虛線框所示)，以及確認(rèn)GPS的HDOP(水平精度因子)是否小于2.0(如圖7.40左下角虛線框所示)。只有符合上述條件才能進(jìn)行位置控制器調(diào)試。2.位置控制器調(diào)試02調(diào)試步驟首先需要完成第6章的姿態(tài)控制器調(diào)試，并詳細(xì)進(jìn)行起飛前的安全檢查，確認(rèn)沒有問題之后，然后才能執(zhí)行以下步驟。第一步，打開遙控器。第二步，將電池插入飛行器并將飛行器保持水平放置，自駕儀自動執(zhí)行自檢過程。第三步，通過網(wǎng)絡(luò)將自駕儀連接到計(jì)算機(jī)端的MissionPlanner。第四步，確認(rèn)自檢無錯誤后，將飛行器的模式設(shè)置為“自穩(wěn)”(Stabilize)模式，然后解鎖遙控器。第五步，推高油門起飛，根據(jù)飛行器的姿態(tài)控制方向(注意，推桿時應(yīng)當(dāng)緩慢地推桿，否則桿量太大飛行器飛得太快可能會導(dǎo)致控制者驚慌來不及反應(yīng))。第六步，控制飛行器懸停在一定高度(大約離地面5m)，然后切換飛行模式至“定高”(AltHold)模式，觀察飛行器是否能夠保持在一個恒定的高度:如果不能，那么需要進(jìn)行相應(yīng)的PID參數(shù)調(diào)節(jié)，具體調(diào)節(jié)步驟見下面的“定高模式下的PID參數(shù)調(diào)節(jié)”。2.位置控制器調(diào)試02調(diào)試步驟第七步，當(dāng)飛行器能夠保持在一定高度時，切換飛行模式至“定點(diǎn)”(Loiter)模式觀察飛行器能夠保持在一個確定的點(diǎn)。如果存在水平偏移或者垂直偏移，那么需要進(jìn)行相應(yīng)的PID參數(shù)調(diào)節(jié)，具體調(diào)節(jié)步驟見下面的“定點(diǎn)模式下的PID參數(shù)調(diào)節(jié)”。1.定高模式下的PID參數(shù)調(diào)節(jié)在定高模式下，與高度保持相關(guān)的PID參數(shù)在圖7.41中以虛線框的形式突出顯示。2.位置控制器調(diào)試02調(diào)試步驟的P增益用于將高度誤差(即