标签: 四轴飞行器

身处浩瀚的影像横流，作为一名影像编辑当然看惯了人体大妞、风光美景、人文纪实，面对雷同的构图和取景显然新潮的拍摄手法和技巧更能吸引我的眼球，而当某日看到乔岩老师剪辑的航拍作品，让我深深沦陷，从此欲罢不能。废话不多说，看视频才是要紧事。 视频来源：《旅游卫视》乔岩 我相信当看到这段视频你也会如我一样震撼，震撼于这段电影感十足的短片拍摄器材仅仅是一个多轴飞行器的。当然如果你看到此处觉得航拍是你想涉及和感兴趣的领域那么尽情的往下看，如果并非兴趣所在请绕道，毕竟接下来的故事需要一定的学习能力、理解能力和动手能力。 既然多轴飞行器能拍出这么专业的视频，土豪们会毫不在乎的说那买一个不就完了，其实并非如此，6轴飞行器的成品机造价动辄数万元到数十万元不等，而操控也是个技术活，玩航模的都知道不摔个几次，不坏个几台机器（炸机）想要操控自如谈何容易，所以你还会轻易的任数万元人民币在天上飘来飘去吗？ 经过数日的研究购买了零件图并变成了整机图 经过数日的研究最终飞机可以飞了，而它的造价仅仅2000余元. 当然土豪有土豪的玩法，屌丝有屌丝的办法。作为苦逼的互联网编辑，靠工资买个近10万元的6轴飞行器我已经无力吐槽，献血卖shen也并不是明智之举，本来就亏不是。既然不能一步到位，那我只能脚踏实地从几千元的组装4轴开始，搭载运动摄像机Gopro的拍摄效果虽说不比专业6轴细致震撼，却也能满足一般所需。(任何四轴及航拍方面的问题可通过新浪微博 @子心昭然 进行交流）四轴组装基本原理和零件选购 1、4轴飞行器原理和组成：虽然看似神通广大的高科技产品，其实原理非常非常简单，而所需的零件在某宝上完全可以买到，只需要把他们有序的组装起来，并保障起正常运转。玩转航拍并不再是一个遥不可及的梦想，只要动手就变的容易实现. 我购买的组装四轴用的配件 4轴飞行器的基本配件由机架、电池、电机、电调、飞控、螺旋桨、遥控器、拍摄相机（gopro、摄像头、微单等）组成，原理为遥控器发射遥控型号，遥控接 收器收到信号传输给飞控（飞行控制器，等同于电脑的主板），飞控将遥控信号转化传输给电调，电调调节不同电机的供电电流以控制螺旋桨的旋转速度从而完成前 后左右，高低上下的飞行动作，而电池负责供电，机架将所有的零件攥在一起,这样飞行器就能带拍摄机器完成在空中的各种拍摄需求。 2、如何选购机架： 搞清楚所需配件和基本原理，接下来的事情就变得目标明确且容易执行。第一步在某宝上购买好配件，原则上只要你够NB，所有需要的东西你都可以通过原始材料 做出来，我就目睹过很多牛人自己做机架、绕电机、烧录飞控板等等.考虑到时间成本和性价比，购买基础零件才是我最为理想的选择。 DJI F450机架，200元购入 机架2根红色2根白色方便区分机头 集成PCB电路板 至于4轴的机架说白了就是类似于宽高相等的十字架，理论上讲只要4个螺旋桨不打架就可以了，但考虑到螺旋桨之间因为旋转产生的乱流互相影响，建议还是不要 太近，否则影响效率。大疆F450是4轴常用机架，某宝上正品价格大概是200左右，山寨机架根据质量几十元到上百不等，好多模友说山寨太软、易摔坏，最 终我选择了DJI正品. 3、如何选购电机： 如果玩过遥控飞机、遥控汽车的人对于电机并不陌生，有无刷电机和有刷电机之分。电动航模飞机一般采用无刷电机做动力，无刷电机相对有刷电机寿命更长、性能更稳定。 朗宇无刷电机4个，单价109元 无刷电机型号标称没有一个统一标准，目前比较通用的一种是内径标识法，即标识电机外转子内 径，从一定程度上能够表明电机的线圈直径和匝数。经常看人说什么 2212电机，2018电机等等，其实就是电机的尺寸，不管什么牌子的电机，具体都要对应4位这类数字，其中前面2位是电机转子的直径，后面2位是电机转 子的高度。简单来说，前面2位越大、电机越肥，后面2位越大、电机越高。 又高又大的电机，功率就更大，适合做大四轴，通常2212电机是最常见的配置。国产电机品牌新西达、朗宇等是性价比较高的电机品牌，新手用足够了。 朗宇2216 880KV电机 一般电机会标识KV值，如“新西达2212 1400KV”，KV值是电机输入电压每提高1v,电机空载转速提高的量。1400KV即说明电机空载情况下，加1V电压，转速为每分钟1400转，2V 电压每分钟2800转，依此类推。同型号电机（比如都是2212）低KV值比高KV值的提供的扭力大，类似于汽车1档的速度虽然慢，但是爬坡更容易。但是 低KV值需要配大桨，很多机型都不适合，会造成严重的反扭现象。 4轴2212 980KV、2212 1400KV是常用配置，最终我买了4个朗宇2216 880KV的电机。 4、如何选购电调： 电调全称电子调速器，针对电机不同，可分为有刷电子调速器和无刷电子调速器。它根据控制信号 调节电动机的转速。简单来讲它的功能是将电池的直流电转化为三 项交流电，并按照接收机的指令调整供给电机的电压，实现电机转速可控。因为电机的电流很大，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的电压变为低电压为 飞控板和遥控器供电。 天行者电调4个，单价58元 天行者40A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。常见新西达2212加1045浆最大电机电流有可能达 到了5a，为了保险起见，建议这样配置用20a 或 40a电调。常见的有好盈、中特威、新西达等品牌，我选购的是好盈40a. 5、如何选购电池和充电器： 由于同样的电池容量锂电最轻，起飞效率最高，所以电池一般使用锂聚合物电池，锂聚合物电池单 片电压为3.7V，两片或三片串联得到的电压即为上面说到的 7.4V或者11.1V。mah表示电池容量，如1000mah电池，即如果以1000ma放电，可持续放电1小时。如果以500mh放电，可以持续放电 2小时。 花牌聚合物动力电池，235元购入 花牌5100mAh 25C 在实际选购过程中电池后面有2S、3S、5C等字样，S代表锂电池的节数，锂电池1节标准电 压为3.7v，那么3S电池，就是代表有3个3.7v电池在里 面，电压为11.1v。C代表电池放电能力，这是普通锂电池和动力锂电池最重要区别，动力锂电池需要很大电流放电，这个放电能力就是C来表示。如 1000mah电池标准为5c，那么用5x1000mah，得出电池可以以5000mh的电流强度放电。这很重要，如果用低C的电池，大电流放电，电池会 迅速损坏，甚至自燃。与上面的C一样，多少C快充即快速充电的能力，如1000mah电池，2C快充，就代表可以用2000ma的电流来充电。千万不要图 快冒然用大电流，超过规定参数充电，电池很容易损坏。 科达B6平衡充，188元购入 至于怎么配电池这与选择的电机、螺旋桨，想要的飞行时间相关。容量越大，c越高，s越多，电池越重；基本原理是用大桨，因为整体搭配下来功率高，自身升力大，为了保证可玩时间，可选高容量，高c，3s以上电池。常用的四轴电池为20C、3S电池。 飞科达B6平衡充 有了电池，充电器自然必不可少，一般选用平衡充。如3s电池，内部是3个锂电池，因为制造工 艺原因，没办法保证每个电池完全一致，充电放电特性都有差异， 电池串联的情况下，就容易造成某些放电过度或充电过度，充电不饱满等，所以解决办法是分别对内部单节电池充电，而平衡充则很好的解决了这个问题。 6、电机与电调、电池间的匹配关系： 首先,你要选择适合你飞机的电机，再选择一个能满足你电机峰值功率的电调，最后选择一个能满 足电调峰值功率的电池即可!如电机达最大效率时,电流为 30A，那么你选择的电调起码要30A ,但是一般出去安全考虑,电调要选择大一点的! 如:35A -40A 。电池是根据你的飞机具体来确定用哪种规格，选好规格,那么就可以选择容量倍率了。 7、飞行控制板的选择： 飞行控制板简称飞控，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，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，达到平衡的状态。 STM32 MWC10四轴自稳飞控,188元购入 购买飞控的时候老板会问你买X模式还是+模式，简单来说X模式要难飞一点，但动作更灵活。+模式要好飞一点，动作灵活差一点，如果飞控板安装错误，会剧烈的晃动，根本无法飞。常见的有KK、FF、玉兔、MMC等品牌，我购买的是MWC10 四轴飞控. 8、如何选购螺旋桨： 同电机类似，桨也有如1045,7040等4位数字，前面2位代表桨的直径，也就是从桨的一 头到另一头的长度，单位是英寸。后面两位数是指几何螺距，螺距 原指螺纹上相邻两牙对应点之间的轴向距离，可以理解为螺丝转动一圈，前进的距离。而螺旋桨的螺距，是螺旋桨在固体介质内无摩擦旋转一周所前进的距离。简单 来说可以理解为螺旋桨桨叶的“倾斜度”，螺距标称越大，倾斜度越大。桨长度和螺距越大，所需要的电机或发动机级别就越大，桨的长度越大，某种程度上能够保 证飞机俯仰稳定性越高，螺距越大，飞行速度越快。 APC 1147 螺旋桨，单价12.5元 正反桨各一对 四轴飞行为了抵消螺旋桨的自旋，相隔的桨旋转方向是不一样的，所以需要正反桨。正反桨的风都向下吹。顺时针旋转的叫正浆、逆时针旋转的是反浆。安装的时候，一定记得无论正反桨，有字的一面是向上的。 9、电机与螺旋桨的搭配： 这是非常复杂的问题，建议常见的配置，但原理这里可以阐述一下。螺旋桨越大，升力就越大，但 对应需要更大的力量来驱动；螺旋桨转速越高，升力越大；电机的 kv越小，转动力量就越大；综上所述，大螺旋桨就需要用低kv电机，小螺旋桨就需要高kv电机（因为需要用转速来弥补升力不足），如果高kv带大桨，力量 不够，那么就很困难，实际还是低速运转，电机和电调很容易烧掉。如果低kv带小桨，完全没有问题，但升力不够，可能造成无法起飞。常用1000kv电机， 配10寸左右的桨。 10、如何选购遥控器： 遥控器从几百到数千不等，常见品牌有国产天地飞，日本futaba等，根据所需通道和预算购 买即可。通道就是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，所以最低得4通道遥控器。 天地飞7通道 WFT07 2.4G遥控器，493元购入 可以看出我买的是美国手，左边是油门 天7遥控器接收器 遥控器有日本手和美国手之分，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。 开始组装4轴飞行器 当 你下定决心做这件事的时候其实最困难的部分已经解决了，明白了四轴组装的基本原理，其实发现并没有我们想象的复杂。在某宝上购买到所需配件接下来的工作就 是大胆心细的去组装了，当然还需要一些基本的工具及小附件，如螺丝刀、热熔qiang、双面胶、硅胶线、热缩管、魔术扎带等，备好这些就可以开始组装了。 某宝上购买所需的配件和工具 把配件大概分类整理了一下 先把4个电机和机架杆装好，这个没有什么难度，唯一需要注意的是红色的轴是为了飞机在空中更容易辨别机头的方向，易于操控，注意不要和白色交叉固定在集成板。 装好电机的效果，注意先不要装螺旋桨。 复合PCB电路板，其作用是供电调、电源的连线可以更加方便、快捷、安全，将4个电调和电源输入线用电烙铁焊在板子上。放心大胆的操作，我在焊接这个板子之前无任何焊接经验，本次焊接效果非常好。 电烙铁套装，不会操作的可以百度一下相关的视频教程，一看就会。 焊接的时候正负极千万不能弄错，红色的线连接正极，黑色的线连接负极，线路板上有正负极标识，正极焊接红线，负极焊接黑线。电源输入线是我用T插头和硅胶 线自己做的，结果往PCB板上焊接的时候正负极搞错了，以至于我连接电池造成短路，电线瞬间发烫变软，还好及时察觉，重新焊接了路线。大家对于正负极的焊 接一定要非常仔细，千万不要搞错。 焊接了电调之后，可以把机架和线路板固定在一起了，注意较大的板子是底部 用附带的螺丝固定好底部的板子之后，接下来可以利用双面胶把飞控板粘在上面 用双面胶把飞控板粘在线路板上之后尽量多挤压几次，保障粘贴结实，这里需要主要的是电路输入的一头（即飞控板上箭头的指向的一方）朝着飞机机头的方向。 固定好之后就需要将电调、遥控接收器的线路连接到飞控板上，注意线路有正负极以及信号线之分，连接的时候需要一一对应，至于具体接法按照下图来接就行。 飞控板的线路连接规则按照上面这幅图来就行 遥控接收器的线路连接也是参照上图 连接好飞控板和遥控接收器的线路之后，就可以将机架上面的板子和机架用螺丝固定好 最后一步是安装螺旋桨，这一步需要注意的是螺旋桨是一正一反、一正一反的相邻安装，保证螺旋 桨有字的部分朝上，即螺旋桨旋转的时候气流向下，这样飞机才能 起飞。电机的转动方向还是前面飞控连接的线路图所示，相对的电机转向一致、相邻的电机转向相反，机头朝向的两个电机都是向内旋转，机尾朝向的两个电机都是 是向外旋转。至于电机和电调的线路接法，随意连接，调整其中的任意两根的线路连接保证电机的转向如上所说即可。完成之后把电池用魔术粘带绑定在飞机机架上 即可，电池输出连接线路输入。至此、一个能飞的四轴飞行器基本上完成，为了保证4个电机旋转速度一致，需要设置油门行程等，这个在电调说明书有详细说明， 非常简单，照说明操作即可。 制作一个减震起落架 四轴新手在操控的时候难免会缺乏经验，加之由于组装机器本身优劣问题并不能保证飞行和降落会非常平稳，为了减少对四轴飞行器的损伤制作一个简易的起落架非常必要。下图是我后来购买的所需材料，碳纤管、起落架、海绵减震套筒等。 起落架所需材料 组装好的起落架 用尼龙拉带将起落架和四轴飞行器固定在一起 一架四轴飞行器组装完成，接上电源就可以飞了 上天了，飞行效果很好 从查找资料，研究原理，购买配件到组装成机，我大概花费了半个月下班的时间，配件全部购于某宝，成本大概在3000元以内，后来我又拿DJI精灵2做对比，自己组装的四轴无论速度和力量明显优于精灵2，但是由于飞控和整机配件兼容性的问题，在定点悬停、失控返航方面远远不抵精灵2.希望此文能给诸多喜欢 航模、喜欢的航拍的人一个很好的思路，其实多轴飞行器最核心的还是控制算法的问题，即飞控板的调节控制能力。无论是之前网络热传的飞行器送快递也好，还是央视报道的农民用飞行器喷洒农药也罢，相信我，四轴飞行器将会越来越多的被我们以各种方式运用到生活当中，当然航拍也会越来越便捷，越来越大众化。 最后给大家分享一个非常NB的视频，来自国外牛人的TED分享。 本文来自航拍中国

Crazyflie是目前全世界最小的四轴飞行器，仅重19克，相对的两翼之间长度为9厘米。有两个不同的版本，区别在于传感器的数量。这个小四轴飞行器可以在空中飞行长达7分钟,通过一个标准的USB接头给锂聚合物电池充电需要约20分钟。 它的电路部分到底是如何实现的？且听我慢慢道来。 1. 电气原理 从中心开始：72M主频的M3内核的处理器来处理各传感器数据，并对四个旋翼进行控制达到想要的效果。 往上：通过IIC接口与三轴陀螺仪、三轴加速度计（也就是MPU6050）、磁力计、气压计等传感器连接获取传感器数据，来感知载体（也就是四轴机体）的姿态（这里的姿态包括俯仰、横滚、航向）和高程。 往下：通过PWM调节四个电机驱动器来驱动四个电机转动，由于电机带有螺旋桨转动而产生所谓的“升力”。 往右：通过SPI协议接口与无线芯片通讯，回传载体数据和接收控制信号，还有外部扩展接口。 往左：电源管理部分。 2. 电池 电池使用的是锂电池（锂离子聚合物电池），是目前流行的遥控模型电池。但锂电池必须按照规定使用，过冲、过放都会产生安全隐患。由于它具有最高的电能/质量比和最大的放电电流，所以也是比较适合的选择。 为了应付锂电池的这些缺点，我们使用电路保护模块（ PCM）来防止电量不足、过放电或者短路。PCM 位于电池上部的橙色胶带下面，从中引出两条电源线。 但是这种保护是远远不够的，还需要有专门的充放电管理电路来保护。比如电气原理图的 Power Mangment and Charging部分。 PCM 的参数如下： 3. 电源管理 电源管理主要是由TI BQ24075 电源管理芯片来完成。它能开/关和给锂电池充电。BQ24075有三种输入限制模式，100mA，500mA和用户自定义（Crazyflie设置740mA）。当将 Crazyflie 接上普通电源适配器时就可以使它能快速的充电。但是 170mAh电池一般不允许超过 3C（ 510 毫安）的充电速率。 模拟和数字电源使用的是 TPS79301 可调稳压芯片。我们选择可调节稳压片来支持两种电压以此获得最大的调节能力。可以通过改变一对偶电阻的阻值来设置输出电压。当接上 USB 线缆时数字供电从 2.8V 切换到3.3V来适应 USB 供电标准。（电压切换部分若有人感兴趣我再做解释）。 4. 微控制器 MCU 处理的核心，可以看到四个MOTOR驱动控制腿，状态指示灯。 用的现在比较常用的STM32F103CB ，运行72MH 的全速状态，它具128K Flas和20K 的RAM。 21 22腿的IIC接口，与IMU模块通讯， 2 3 4 11 12等引脚的对电源管理模块的控制，主要功能就是检测电压，控制通/断等， 25到31对2.4G无线模块的通讯与控制 14到17引脚作为预留外设接口 44脚为引导程序地址的的硬件设置， 总之，都是数字电路，看看各芯片手册和集中通信协议搞明白还是比较容易的。 5. 传感器 惯性传感器使用的Invensens公MPU-605单芯片六轴传感器，它包含了一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计。还有个磁力计HMC5883L，暂时不清楚电机对磁力计的影响有多大。第一个版本有两个型号，区别就是有无气压计MS5611，原因很简单就是价格问题，国内单个购买MS5611芯片要40块。。。 6. 扩展口 扩展口 位于 Crazyflie 的左侧，10*2 针 1.27mm 间距的过孔，扩展口分为两部分。pin1到pin10是JTAG部分，pin11到pin20是总线/电源部分。 7. 电机驱动 使用的有刷电机驱动是一个简单的下拉场效应管(MOSFET)，如上侧原理图所示。 还有一个续流二极管来分流由电机PWM工作模式下产生的反电动势尖峰。 先要知道的就是使用的614空心杯电机，N沟道额定电流3A的场效应管以及MOS管的特性：GS端电压控制DS的通断，电压控制电流，R1作为下拉电阻防止误触发，D1续流二极管：因为电机在电路上可以等效成个电感，PWM模式下电感会有反向电动势，若参数合适的话电动势会非常高，MOS管都有击穿危险。 多说一句（电路高手可以无视）：这里用的是MOS管，GS电压控制DS电流，还有常用的晶体三极管，N沟道MOS管的GDS对应的NPN的晶体管的BCE ，BE电流控制EC电流，各有优劣可以网上查查基本知识。 8. 电机 电机使用的是 6*14mm 的空心杯有刷直流电机。这个型号的小电机也容易买到，价格也很便宜。 内容来自amobbs

日前有团队在Kickstarter平台上发起一款“螳螂”无人机机械爪的众筹活动。这款五爪无人机机械抓类似于商场娃娃机的夹子，能通过一根绳子被连接到一个四轴飞行器和其他无人机上，人们可以通过遥控无人机进入无法抵达的区域，找到丢失的各种小物件。为满足人们不同的需求，研发团队推出了三种不同材质的机械爪。 适合小型无人机的铝合金材质的机械爪重量不到20克，可以抓起重大一公斤的物品。第二种称为“Hardcore SS”机械爪，由不锈钢材料制成，产品本身重量为70克，可抓起两公斤的物品。最重的版本为“Sheffield Star”，由不锈钢和纯银材料制成。 开发小组希望能够筹到7500美元的筹资目标，在距离众筹结束还有一个月时间已经获得约1400美元的资助。支持者花38美元即可获得一套铝合金版的“螳螂”无人机机械爪。如果一切按计划进行，预计可于明年4月发货。 小编点评：这个产品实在有些无厘头，也觉得根本抓不起东西。

智能遥控飞行器，俗称“无人机”，近年来销售火爆。由于操作技术门槛低，大量“菜鸟”飞行爱好者涌入，伤人毁物事故时有发生。去年底，中国航空运动协会制定了《遥控航空模型飞行员技术等级标准实施办法(试行)》，今年来，遥控航模飞行员执照考核在各地陆续举行。 雨中，不同的“无人机”上下翻飞。 上海市航空、车辆模型协会，上海首届中国航空运动协会遥控航空模型飞行员执照考核正在举行。作为上海航空、车辆模型协会会长，一旁观看的顾辰心下颇有些安慰。“这是第二批次的考核。与第一批次相比，他们的操控水平有不小进步。” 其实只是遥控航模 对于众人口中所谓的“无人机”，顾辰不以为然，“其实就是航空模型，称‘遥控多轴飞行器’更合适。多轴就是有多个旋翼，目前市面上以4个旋翼居多。” 真正的无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器，自带“大脑”飞行，可执行超视距任务，最大任务半径上万公里，通过机载导航飞控系统自主飞行。而遥控航空模型有尺寸限制，其“大脑”在地面操纵人员手持遥控器上，通常在目视视距范围内，由操控者操纵完成各种动作飞行。无人机更偏向于军事或民用特种用途，航模则更接近于娱乐和体验飞行，主要用于体育竞技比赛、航空科普研究和教育应用。 “以前无人机和航模区别明显，如今生产厂家推出了自带GPS及摄像头的多轴飞行器，具有了小型‘大脑’，并可完成某些摄影任务，从而使原来明确的界线变得模糊。”顾辰又说道，“根据规定，7千克以下的微型‘无人机’不归民航管理，由管理航模的国家体育总局管理，遥控多轴飞行器就属于此类。” 然而，正是由于遥控多轴飞行器有了一键起降及导航等新功能，大大提高了操作便捷度。“就如同自动驾驶汽车和傻瓜相机一样，谁都可以迅速上手操作。”皓翌模型首席执行官杨培良说，入门容易，加上可以航拍，近两年来的销售量呈爆发性增长。“现在我们店里，智能飞行器要占到所有模型销售额的一半。” 影响市民“头顶安全” 智能遥控飞行器生意红火，但杨培良喜忧参半，“主要是安全隐患太大。” 摄影师张明华从事航拍多年，对自制、操控遥控航模非常有经验，他经常耳闻事故发生。“有的在阳台上飞，起飞时有些失控，就用手去抓飞行器，结果被塑料旋翼砍伤，缝了好几针。”张明华曾受邀拍摄上海某标志性地区的宣传片，根据分镜头剧本，需用智能飞行器近景拍摄高楼大厦，但被高楼主管一口拒绝，因为曾有爱好者操控飞行器发生故障，撞落大楼外墙构件，一路下坠，幸好没有砸到人。 依赖于飞行器自带的智能系统，很多“菜鸟”爱好者没有学习并掌握基本的航模操控技术，在飞行时要兼顾摄影，还要注意风向等变化，一旦操作不慎，极易发生碰擦坠落，造成“炸机”。另外，没有经验的爱好者挂载摄影专业设备，重量可能超出飞行器留空重量，造成动力电池能耗加大，测算不准，电池用尽，便直接自由落地。 上海滴水湖和美兰湖是飞行器爱好者经常飞的区域，“如果抽干水，湖底大概不下几十架飞行器。”顾辰说。飞行器一旦失控坠落，砸车砸物，高速旋转的螺旋桨还可能伤及行人。 根据中国民用航空局2013年11月颁布的《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》，符合在室内运行、在视距内飞行的质量在7千克以下、在人烟稀少及空旷的非人口稠密区进行试验三种情况的“无人机”，不需要持照飞行。然而，随着智能飞行器的火爆，群众的“头顶安全”受到威胁。去年底，中国航空运动协会制定了《遥控航空模型飞行员技术等级标准实施办法(试行)》，并授权一批遥控航空模型飞行培训及执照考核认定单位，考核通过后，由中国航空运动协会正式发证，全国通用。今年来，遥控航模飞行员执照考核在各地陆续举行。 尚需法规“保驾护航” 作为首批中国航空运动协会遥控航空模型飞行员执照考核认定单位，上海市航空、车辆模型协会于今年5月25日起接受考核报名。 8月15日，第一批次实操考核举行。28人自带智能飞行器前来，考前飞行器的GPS及自动驾驶功能被关闭，并贴上封条。“实操考核必须全手动操作，这样飞行器即使自动驾驶功能出了问题，也能保证操作安全。”顾辰说。 初级水平考核仅要求飞行器在2米直径的虚拟圆柱体内起飞、旋停10秒、降落，非常简单。但关闭了自动驾驶功能，一些考生连起飞都困难，有的虽然飞了起来，稍有风过，飞行器就“飘”出了圆柱体。结果，17人过关，通过率仅六成。 不过，9月5日第二批次的考核，考生的熟练程度有了明显提高，合格率达到了80%以上。 现行的法律法规中，如果违反持证、在划定区域飞行的规定，既没有执法部门，也没有相应的处罚条例。“我们协会是行业管理部门，但我们只能管理自己的会员，对大量社会上的爱好者根本鞭长莫及。”顾辰有些无奈。目前协会有会员500人，其中100余人飞智能飞行器，“现在非会员爱好者至少有几千人。” 因此，从执照考核开始，协会要求每个考生加入协会，接受协会的服务和管理。不过，也有爱好者表示异议。酷爱摄影的周先生说，“我就用飞行器拍拍照片，干吗要加入协会，还要一年付50元的会费？” “智能飞行器涉及的不仅仅是‘头顶安全’，随意升空摄影，甚至可能危及国家机密。”顾辰呼吁早日出台相应的法律法规，让智能飞行器的发展有法可依，“由于涉及面广，应该由国家安全局、公安、空军、民航、城管、工商等部门统筹管理。”

四轴飞行器是微型飞行器的其中一种，相对于固定翼飞行器，它的方向控制灵活、抗干扰能力强、飞行稳定，能够携带一定的负载和有悬停功能，因此能够很好地进行空中拍摄、监视、侦查等功能，在军事和民用上具备广泛的运用前景。 四轴飞行器关键技术在于控制策略。由于智能控制算法在运行复杂的浮点型运算以及矩阵运算时，微处理器计算能力受限，难以达到飞行控制实时性的要求；而PID控制简单，易于实现，且技术成熟，因此目前主流的控制策略主要是围绕传统的PID控制展开。 1 四轴飞行器的结构与基本飞行原理 四轴飞行器结构主要由主控板和呈十字交叉结构的4个电子调速器、电机、旋浆组成，电机由电子调速器控制，主控板主要负责解算当前飞行姿态、控制电调等功能。 以十字飞行模式为例，l号旋翼为头，1、3号旋翼逆时针旋转，2、4号旋翼顺时针旋转，如图1所示。 图1 四轴飞行器结构图 参照飞行状态表1变化电机转速，由于四个电机转速不同，使其与水平面倾斜一定角度，如图l所示。四个电机产生的合力分解为向上的升力与前向分力。当重力与升力相等时，前向分力驱动四轴飞行器向倾斜角度的方向水平飞行。空间三轴角度欧拉角分为仰俯角、横滚角、航向角：倾斜角是仰俯角时，向前、向后飞行；倾斜角是横滚角时，向左、向右飞行；而倾斜航向角时，向左、右旋转运动，左(右)旋转是由于顺时针两电机产生的反扭矩之和与逆时针两电机产生的反扭矩之和不等，即不能相互抵消，机身便在反扭矩作用下绕z轴自旋转。 【分页导航】 第1页： 四轴飞行器的结构与基本飞行原理 第2页： 四轴飞行器姿态解算 第3页： 四轴飞行器双闭环PID控制 第4页： 四轴飞行器的油门输出计算及油门补偿 第5页： 四轴飞行器姿态PID控制测试 延伸阅读： 四轴飞行器无刷直流电机驱动控制设计的实现 2 姿态解算 四轴飞行器运用姿态解算计算出空间三轴欧拉角。结构框架如图2所示，陀螺仪采样三轴角速度值，加速度传感器采样三轴加速度值，而磁力传感器采样得到三轴地磁场值，将陀螺仪、加速度传感器、磁力传感器采样后的数据进行标定、滤波、校正后得到三轴欧拉角度，其中陀螺仪和加速度传感器选用MPU6050芯片，磁力传感器选用HMC5883L芯片，采用IIC总线与主控板通信。 图2 姿态解算结构图 由于传感器存在器件误差，因此在使用前需要标定。陀螺仪在静止时，角速度为0；但实际情况由于器件误差并不为0，因此可在静止时采样500次数据，再求平均，得出偏移量，标定陀螺仪数据；加速度传感器可依据在静止时，三轴重力加速度平方和的开方为重力加速度的标定方程，利用最小二乘法求出标定偏移值和误差值进行标定。而磁力传感器校正，可将器件静置于桌面旋转一周找出最小值和最大值，通过电子罗盘校正计算公式计算出标定偏移值和误差值。 由于陀螺仪长时间采集角速度会有飘移，因此需要使用加速度传感器的值与磁力传感器的值进行校正。将加速度的测量矢量和磁场的测量矢量与参考矢量做叉积后相加 式(1)中：e x 、e y 、e z 为两叉积之和，a x 、a y 、a z 为加速度的测量矢量，m x 、m y 、m z 为磁场的测量矢量，a xref 、a yref 、a zref 为加速度的参考矢量，m xref 、m yref 、m zref 为磁场的参考矢量，参考矢量是通过实时四元数值与本次测量值计算出来。 再将叉积修正角速度漂移值： 式(2)中ω x (t)、ω y (t)、ω z (t)为角速度，k p e x (t)为比例项修正， 为积分修正项。 将校正后的角速度通过二阶毕卡算法转化为四元数，公式如式(3)。 3 高度计算 高度计算是通过气压传感器采集的大气压值计算出来，将气压传感器采集值进行校正后，在通过温度二阶补偿，得到准确的大气压值，最后经过气压转换为高度公式 式(6)中Altitude为计算出来的实际高度，CurrentPressure为当前气压值，StartPressure为起飞之前气压值。气压传感器选用MS5611芯片，其中集成了温度传感器和气压传感器，采用IIC总线与主控板通信。 【分页导航】 第1页： 四轴飞行器的结构与基本飞行原理 第2页： 四轴飞行器姿态解算 第3页： 四轴飞行器双闭环PID控制 第4页： 四轴飞行器的油门输出计算及油门补偿 第5页： 四轴飞行器姿态PID控制测试 4 PID控制 4．1 双闭环PID控制 当四轴飞行器正常飞行时，突遇外力(风等)或磁场干扰，使加速度传感器或磁力传感器采集数据失真，造成姿态解算出来的欧拉角错误，只用角度单环情况下，使系统很难稳定运行，因此可以加入角速度作为内环，角速度由陀螺仪采集数据输出，采集值一般不存在受外界影响情况，抗干扰能力强，并且角速度变化灵敏，当受外界干扰时，回复迅速；同理，高度环中气压传感器同样也会受到外界干扰，引入z轴加速度环可有效避免外界干扰造成的影响，增强了系统的鲁棒性。 四轴飞行器双闭环PID控制，如图3、图4所示。角度作为外环，角速度作为内环，进行姿态PID控制；当需要定高时，高度作为外环，z轴加速度作为内环，进行高度PID控制。其中，PID输出为油门值，油门给定电子调速器值，电子调速器控制电机使空间三轴欧拉角和高度变化。 图3姿态PID控制总体流程图 图4高度PID控制总体流程图 PID控制算法采用位置式数字PID控制： 式(7)中u(t)为PID输出值，e(t)为期望值与实际值之差， 为积分量， 为微分量，k p ，、k i 、k d 。为比例、积分、微分系数。 在将积分量，微分量离散化得到PID计算公式 式(8)中T为更新时间。 基于公式(8)，姿态PID控制算法 式(9)为角度环PID计算公式，(10)为角速度环PID计算公式。AngelPIDOut(t)为角度环PID输出，AngelRatePIDOut(t)为角速度环PID输出，e(t)=期望角度一实际角度，e＇(t)=AngelPIDOut(t) - 实际角速度。 同理高度PID控制算法： 式(11)为高度环PID计算公式，公式(12)为加速度环PID计算公式，AltitudePIDOut(t)为高度环PID输出，AcceleratePIDOut(t)为加速度环PID输出。e(t)=期望高度一实际高度，e＇(t)=AltitudePIDOut(t) - (z轴加速度 - 重力加速度值)。 【分页导航】 第1页： 四轴飞行器的结构与基本飞行原理 第2页： 四轴飞行器姿态解算 第3页： 四轴飞行器双闭环PID控制 第4页： 四轴飞行器的油门输出计算及油门补偿 第5页： 四轴飞行器姿态PID控制测试 4．2 油门输出计算 PID输出值先经过限幅处理，再输出给油门，防止某些时刻输出油门值过大，造成过冲，使系统难以稳定，公式如下 Angel Out =AngelPIDOut(t)(限制范围 - 100到100) (13) Altitude Out =AcceleratePIDOut(t)(限制范围 - 10到10) (14) 式中Angel Out 。为欧拉角输出值，Altitude Out 为高度输出值。 最后经过十字飞行模式油门输出公式，计算出4个电机输出油门 式(15)中throttlel Out 到throttle4 Out 为油门1到油门4输出值，依据公式(13)输出的Angel Out 分为三轴角度：pitch Out 为仰俯角输出值，roll Out 为横滚角输出值，yaw Out 为航向角输出值。 4．3 油门补偿 以十字飞行模式为例，PID控制条件为线性环境，而给出的油门值与转速的关系为非线性，且两对向电机再同一油门下转速存在差异。运用光电传感器测出不同油门量对应的转速，通过matlab软件绘制出该曲线，其中一对向电机油门与转速的关系如图5所示，两电机在相同油门下转速存在差异且不平行，因此将油门曲线分段，并通过计算公式 补偿油门值 =α(实际油门值 - β) (16) 进行油门补偿，式(16)中α、β为补偿偏移系数，得出曲线如图5(b)所示。 图5 油门 - 转速曲线图 【分页导航】 第1页： 四轴飞行器的结构与基本飞行原理 第2页： 四轴飞行器姿态解算 第3页： 四轴飞行器双闭环PID控制 第4页： 四轴飞行器的油门输出计算及油门补偿 第5页： 四轴飞行器姿态PID控制测试 5 测试 本次测试姿态解算更新周期T ≈ 4 mS，PID控制更新周期T ≈ 10 ms，期望值为水平0度。将四轴飞行器控制仰俯角的一对电机固定住，另一对边能自由旋转，即能改变横滚角度，如图6所示。将横滚角倾斜到 - 70°，遥控器油门迅速推到1400，平衡后如图6所示。 图6 姿态PID控制测试 将四轴飞行器采集的欧拉角值通过无线模块NRF24L01发送到PC机上，接收的数据显示到上位机进行分析。上位机显示横滚角波形如图7所示，波形图横坐标单位为10 ms，纵坐标单位为度。 图 7双闭环PID控制横滚角波形图 由图7可知，横滚角波形经过一大波一小波震荡后近似归为期望值零点，且超调量较小，系统很快进入稳定状态。 其他欧拉角测试结果类似。 在加入双闭环高度PID控制，四轴飞行器在室外飞行效果如图8所示，可以看出飞行器飞行稳定，达到设计要求。 图8 室外飞行测试 6 结论 主要研究了基于四轴飞行器的双闭环PID控制算法。在姿态PID控制和高度PID控制中分别增加了内环角速度环和加速度环，不仅抗干扰能力强，并且回复迅速，增强了系统的鲁棒性。 【分页导航】 第1页： 四轴飞行器的结构与基本飞行原理 第2页： 四轴飞行器姿态解算 第3页： 四轴飞行器双闭环PID控制 第4页： 四轴飞行器的油门输出计算及油门补偿 第5页： 四轴飞行器姿态PID控制测试 延伸阅读： 四轴飞行器无刷直流电机驱动控制设计的实现