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从实践出发制作飞行器前言：我假定为学习本课程的同学都拥有一定的C语言基础，并且学习过一定的单片机相关的知识，拥有一些单片机的开发经验。课程当中飞行器的开发主控是stc公司出品的iap15w4k60s4芯片，这是一款基于51内核的单片机。选择这款芯片的原因主要是为了让初学者更容易理解，底层驱动更容易开发。当然如果你在开发领域已经是大神级，那么你应该能够根据这节课程很容易的将程序移植到任意一款你所喜欢的芯片当中。我与飞行器相识的过程讲述内容依赖的硬件飞蜓二号飞行器的基础知识•什么是四轴飞行器：•四轴飞行器，又称四旋翼飞行器、四旋翼直升机，简称四轴、四旋翼。四轴飞行器（Quadrotor）是一种多旋翼飞行器。四轴飞行器的四个螺旋桨都是电机直连的简单机构，十字形的布局允许飞行器通过改变电机转速获得旋转机身的力，从而调整自身姿态。十字型类型Y型飞行器的运动模型X型姿态控制俯仰Pitch横滚Roll偏航Yaw垂直运动俯仰向前向后横滚向右向左偏航四轴飞行器的组成主控电机驱动接收机螺旋桨陀螺仪电池稳压电源加速度计大气压力计、电子罗盘、gps、osd、数传….电机遥控器软件篇•我们需要mcu做什么？•1、驱动电机•2、获取加速度、角速度数据•3、姿态解算滤波•4、控制算法•5、接收遥控器信号•6、调试数据输出对应于驱动程序•1、驱动电机•2、获取加速度、•角速度数据•3、姿态解算滤波•4、控制算法•5、接收遥控器信号•6、调试数据输出•Pwm波驱动•iic通信•四元数+卡尔曼•串级pid•Spi+2401•Uart+串口示波器1、pwm波驱动•软件底层的需要：•首先需要设定4路pwm波来控制四路电机•15需要用timer2来设定pwm频率建议5k-10k频率•voidTime2_Init()•{•AUXR&=0x7F;//定时器时钟12T模式•T2L=0xEB;•T2H=0xFF;••}•还需要配置pwm波发生器的其他寄存器代码在工程中的pwmgo里面太长不粘了•还有一个函数控制pwm波的占空比，我们就是利用占空比来控制电机的转速的。•还有一个函数控制pwm波的占空比，我们就是利用占空比来控制电机的转速的。•还有一个函数控制pwm波的占空比，•我们就是利用占空比来控制电机的转速的。•然后还需要设定一个稳定的控制周期。控制周期的意思就是每隔多长时间对姿态进行一次控制。根据15的运行速度以及电机的响应速度，我将控制周期设定在10ms，每10ms控制一次。因此需要用定时器设定一个10ms的中断。•voidTime0_Init()//10ms@30MHz定时器016位12T自动重载•{•AUXR&=0x7F;//定时器时钟12T模式•TMOD&=0xF0;//设置定时器模式•TL0=0x58;//设置定时初值•TH0=0x9E;//设置定时初值•TF0=0;//清除TF0标志•TR0=1;//定时器0开始计时•EA=1;•ET0=1;•}中断函数•voidAngle_Calculate()interrupt1•{•Read_MPU();•MPU_pro();•Get_Control_Data();•MainControl();•}•注意：我们的所有函数都是在30mz的频率下运行的。•因为要控制飞行器的姿态所以要用到传感器获取飞行器的姿态。我选用的mpu6050传感器，自带3轴角速度和3轴重力加速度计。可以获取飞行器的角度和角速度。所以我们需要实现获取传感器数据的底层函数•InitMPU6050();//初始化MPU-6050•Read_MPU();//•由于我们需要观察飞行器的姿态，因此需要将姿态输出出来，为了便于观察我们运用串口示波器来观察飞行器的各个姿态数值•底层：Usart_Init();//初始化串口波特率9600注：串口示波器只支持9600•OutData[0]=xxx;//装入第一路数据•OutData[1]=xxx;////装入第二路数据•OutData[2]=xxx;//装入第三路数据•OutData[3]=xxx;//装入第四路数据•OutPut_Data();//发出数据•做完这些底层函数我们可以开始进行调节了•首先介绍一下传感器•mpu6050重力加速度计可以换算成角度值，角速度计输出的是角速度。我们需要获取飞行器的姿态就需要知道角度和角速度下图是角度输出的波形下图是角速度输出的波形对比•可以看出角速度相对平滑，动态特性好静态特性差，角度值动态特性查抗干扰能力低。直接利用传感器输出的角度值不能满足控制要求，因为干扰太大，利用角速度积分也不可以因为积分会导致误差的累积，最终导致系统崩溃。因此我们需要一种滤波算法以及坐标系转换的算法来对姿态值进行解算。2、姿态解算•四元数与欧拉角：•欧拉角与四元数姿态表示方法是目前工程上最常用的两种方法。欧拉角表示法具有简便、几何意义明显等优点，同时姿态敏感器可以直接测出这些参数，能较方便地求解用这些姿态参数描述的姿态动力学方程。但采用欧拉角的姿态描述方法存在奇点问题，且需多次三角运算。而采用四元数表示方法则可以避免这些问题，因此目前工程上开始采用四元数来描述飞行器运动及动力学方程中的姿态，而在设计控制规律时，由于欧拉角的直观性和几何意义，仍然采用欧拉角描述。个人的一些理解•粗略的可以认为四元数是一种描述四维空间坐标的一种方式。可以利用它表示空间的伸缩和旋转。由于三维的复数是不存在的（至今没有证明出），所以数学家们把目光投向了四维复数。所以今天我们利用四元数来坐姿态的解算，利用四元数解算世界坐标系，然后转换为欧拉角。欧拉角是一个坐标系到另一个坐标系的变换，可以通过依次绕不同的坐标轴的3次连续转动来定义。从物理角度看，欧拉角表示法可能是最简单的方法之一。我们用陀螺仪和加速度计所测得的量都是相对于世界坐标系的值，为了在控制的上的更直观，更方便准确我们将坐标系转换为机载坐标系，而姿态解算就是这个转换的过程。四元数算法：•首先看一下效果：解算前：解算后•发现滤波后的波形去除了尖峰以及抗干扰能力明显增强，可以满足要求。算法实现•调节参数：•#defineKp1.0f//10.1f•#defineKi0.005f//0.011f•#definehalfT0.0053f•voidIMUupdate(floatgx,floatgy,floatgz,floatax,floatay,floataz)•具体解算过程、矩阵转换等等….请查询四元数，网上资料很多，但也比较复杂。（由于本人长时间不用复数以及矩阵转换等，数学基础不好，为了避免误导大家，就不和大家细说了。）•具体的调试过程需要写很多篇，因为时间有限，内容过多不动手做光看也会很无聊，所以就另写了一篇姿态解算调试文档，大家可以课下观看。网址发给大家：控制算法•四轴飞行器的飞行建立于平衡控制的基础之上。•飞行器的平衡即为飞行器的x轴以及y轴平衡。也就是飞行器的俯仰和横滚能够维持在一个固定的姿态上。•控制飞行器的运动方向只要我们在平衡控制环内传入控制量，打破水平姿态即可控制运动。控制算法•由于飞行器在控制当中属于一个二阶阻尼系统，因此采用串级pid算法可以得到比较稳定的控制•串级pid：•飞行器中的串级pid•外环：角度值p或pi•内环：角速度p、d•可能大家查过资料中有很多写的是外环p、i内环p、i、d，我这里利用的是内环p、d，原因是我认为i项主要用于静态误差消除，但是对于初学者，加上i项调试比较困难，而且效果不明显。内环利用pd已经可以稳定飞行，当然同样希望大家努力探索出更好地控制方法。算法上的实现•外环：(我的外环仅仅用了p项)•外环输出值=p*（实际姿态解算角度值-平衡位置姿态值-控制量）•exValue.Pitch_p=expidPitch.p*(Attitude.pitch-Controldata_PITCH-XStaticSet);exValue.Roll_p=expidRoll.p*(Attitude.roll-Controldata_ROLL-YStaticSet);•exValue.Yaw_p=expidYaw.p*(Attitude.yaw-SETYAW+Controldata_YAW);内环pd•内环输出=p*（实际角速度值+外环输出角度值）-d*（当前角速度-上一次角速度）•也就是将外环输出的角度值作为期望值加入内环控制当中。最终的整合用于pwm输出控制四个电机转速•1号电机pwm输出值=油门+pwm最小值-俯仰控制量+横滚控制量+偏航控制量；•2号电机pwm输出值=油门+pwm最小值+俯仰控制量-横滚控制量+偏航控制量；•3号电机pwm输出值=油门+pwm最小值-俯仰控制量-横滚控制量-偏航控制量；•4号电机pwm输出值=油门+pwm最小值+俯仰控制量+横滚控制量-偏航控制量；限幅•if(PWM_XZMinPeriod)•PWM_XZ=MinPeriod;•elseif(PWM_XZMaxPeriod)•PWM_XZ=MaxPeriod;••if(PWM_XFMinPeriod)•PWM_XF=MinPeriod;•elseif(PWM_XFMaxPeriod)•PWM_XF=MaxPeriod;••if(PWM_YZMinPeriod)•PWM_YZ=MinPeriod;•elseif(PWM_YZMaxPeriod)•PWM_YZ=MaxPeriod;••if(PWM_YFMinPeriod)•PWM_YF=MinPeriod;•elseif(PWM_YFMaxPeriod)•PWM_YF=MaxPeriod;谢谢大家