四轴飞行器原理.docx

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1、四轴飞行器原理帖子任务：1）选择四轴飞行器的传感器元件2）完成线路图的设计3）完成PCB设计4）完成PCB打样5）完成硬件样板（免费派发部分PCB）注：由于是业余时间制作，有可能进度比较慢。盼望大家出言划策。此外，由于是非专业人士，下面的描述如有错误，请多多谅解。2023-10-17：传感器之一：角速度传感器应用科里奥利力原理：科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性，在旋转体系中进行直线运动的质点，由于惯性的作用，有沿着原有运动方向连续运动的趋势，但是由于体系本身是旋转的，在经受了一段时间的运动之后，体系中质点的位置会有所变化，而它原有的运动趋势的方向，假如以旋转体系的视角去观看，就会发生肯定程

2、度的偏离。当一个质点相对于惯性系做宜线运动时，相对于旋转体系，其轨迹是一条曲线。立足于旋转体系，我们认为有一个力驱使质点运动轨迹形成曲线，这个力就是科里奥利力。角速度传感器的通常被应用于检测物体的移动。举个例子，一个人朝着一个固定方向在直线前进，从太空来看，这个人其实是以肯定的角度在旋转前进。通过检测这个角速度，我们就能够只物体是否在移动。在四轴飞行器中，通过对不同方向的角速度检测，我们就能够知道飞行器的运动方向。常用的运动方向检测包括X方向，Y方向，Z方向，即通常所说的三轴角速度传感器，也称3轴陀螺仪。常用的角速度传感器型号有ENC-03M等。20231019:传感器之二：四轴飞行器所用到的

3、加速度传感器也叫重力感应器，用于测量设施相对于水平面的倾斜角度。那么它的测量原理是什么呢？我们知道，任何地球上的物体都会受到重力的作用。我们先来回顾下重力的计算公式：G=mg.其中的g就是重力加速度，其值是9.8牛每千克。依据我们中学所学的物理学问可以知道，一个放置于斜面上的物体所受到的重力可以分解为两个方向：平行于物体的方向和垂直于物体的方向。那么对于斜角是的物体，重力加速度g可以分解为X方向的Sin和Y方向的COS,从而可以得到X方向的重力作用Fx=mg.sin以及Y方向的重力作用Fy=mg.cos.重力感应器把这两个力转化成电压信号，我们通过读取该电压信号，即可以计算中物体的倾斜角度。此

4、外我们必需留意的是，运动中的物体所测量出来的倾斜角度是不精确的，缘由是运动中的物体，由于不同角度的加速度的叠加，使得物体各个方向的力不能精确代表由于倾斜所产生的重力，因而使用中要留意到这一点。初学者可能有个疑虑，为什么这个不直接叫重力传感器，而叫加速度传感器呢。实际上加速度传感器能感性各种各样的加速度，而不单单是地球重力加速度。我们在四轴飞行器中把它称作重力传感器是由于我们只需要用对重力加速度进行检测，从而获得四轴飞行器相对于地面的倾斜角度。简洁的来说，加速度传感器的制造原理就是把压力转化为电信号。多数加速度传感器都是依据压电效应的原理来工作的。所谓压电效应，即使某些电介质在沿肯定方向上受到外

5、力的作用而变形时,其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上消失正负相反的电荷。通过测量这些电荷，并转化为电压信号输出，即完成了加速度传感器的制造。常用的加速度传感器型号有MMA74551o20231022:传感器之三：地磁传感器，即数字罗盘，我们都知道它是用来确定方向的。它采用地磁场来定北极，其基本原理和我们熟知的指南针差不多。三维地磁传感器通过给出在X轴，Y轴和Z轴上的地磁力投影，可以供应活动物体的航向角、俯仰角和横滚角，从而可以确定物体的姿态,实际上就是确定了物体坐标系与地理坐标系之间的方位关系不过在实际应用中，需要留意四周物体所产生出来的磁场对传感器造成的干扰。20231022:传

6、感器之四：气压传感器，用于测量物体所在平面的高度。气压是由地表空气的重力所产生的。海拔高的地方，地表的空气厚度小，气压低；海拔低的地方，地表的空气厚度大，气压高。通过测量所在地的大气压值，与标准值比较，就可以获得物体所在位置的高度。这就是气压高度计的基本测量原理。在实际应用中，需要结合温度等对测量结果进行修正。2023-10-22:四轴飞行器传感器之总汇：在上面的各个章节中，分别介绍了角速度传感器，加速度传感器，地磁传感器和气压传感器。除了气压传感器外，余下的三个传感器均能供应X,YZ三轴的测量数据，综合在一起，可以称做10轴传感器0我们知道，传感器是依据大自然的现象进行测量的一种器件。为了便

7、利大家更好理解各个传感器的功能，我们总结如下：1) 加速度传感器：采用了地球万有引力，把重力加速度投影到X,YZ轴上，测量出物体的姿势。2) 地磁传感器：采用了地球南北极的磁场所产生的吸力，并投影到X,YZ轴上，测量出物体的方位和姿势。3) 角速度传感器:采用旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时的不变性，测量外力对物体的影响。跟地球万有引力和地球南北极的磁力具有固定方向性不同，旋转物体的旋转轴方向是不确定的，因而角速度传感器只能用来测量位置转变，而无法像加速度传感器和地磁传感器那样，测量出物体的肯定角度和姿势。我们必需要留意，角速度传感器输出的角速度是瞬时量，它的测量基准是自身，并没有系

8、统外的肯定参照物。4) 气压传感器：采用空气的压力，测量出物体所在位置的高度。从上面的描述可知，除了气压传感器外，加速度传感器，地磁传感器和角速度传感器均可以用于对物体的姿势进行检测，从而对四轴飞行器平衡进行掌握。那么它们的缺点分别是什么呢？首先我们来看地磁传感器：我们知道，磁场是特别简洁发生干扰的。所谓电磁效应，即电场会产生磁场，而磁场又会产生电场。我们我们单纯用地磁传感器来掌握四轴飞行器的平衡，那么一个电器产生的磁力感应有可能被误认为是飞行器的姿势发生了转变,从而引起微处理器转变电机的平衡转速,从而导致四轴飞行器失去平衡。对于加速度传感器,我们知道运动中的物体会产生包括重力加速度在内的各种

9、各样的加速度。当四轴飞行器起飞的一霎那，由于电机转速本身的重量和转速误差，我们无法感知飞行器本身的受力状况，从而无法通过加速度来判别物体的姿势。要获得精确的物体角度和姿势，加速度传感器就需要在静止或者匀速的状况下进行测量，而飞行器起飞的瞬间，物体是运动的，所以你无法用它来平衡四轴飞行器。角速度传感器是抱负的平衡掌握传感器，它能感知物体的运行变化。四轴飞行器的微处理器通过读取这些数据进行分析，并依据运动变化进行反馈掌握，即可以使得物体保持平衡。四轴飞行器在起飞瞬间，飞行器在四个电机的作用力下，开头运动，由于不同电机的驱动力差异，飞行器姿势会发生转变，微处理器获得这些转变后，微调各个电机的转速，从

10、而使得飞行器达到平衡。那么只有角速度传感器的四轴飞行器可以飞吗？理论上是可行的，但是正像我们前面提到那样，角速度传感器无法肯定定位自己的位置和姿势。它只是感知物体的姿势转变，然后通过微掌握器来阻挡这种转变，从而获得平衡。简洁来说，四轴飞行器起飞瞬间，假如它的位置是斜的，那么它平衡后，位置也是斜的，由于它无法知道自己的初始状态。所以只有角速度传感器的四轴飞行器无法水平飞行，无法感应飞行姿势，也无法修正飞行姿势。此外，还需要留意，角速度传感器输出的瞬时量其实并不适合于用来直接进行平衡掌握。关于平衡掌握，我们将来接下来的章节谈到。至于气压传感器，那就单纯是测量飞行器高度，可用于导航。有没有，对四轴飞

11、行器影响不大。2023-10-22:四轴飞行器传之平衡和姿势掌握：上述各个章节对传感器进行了详细描述，下面谈下如何进行四轴飞行器传的平衡和姿势掌握。开头这部分描述前，大家必需不要混沼加速度传感器和角速度传感器。角速度传感器也有人叫角加速度传感器，不过不要小看这个“角”字，一字之差，千里之别。假如你还是无法区分它们，建议在读本节之前，先重新复习下上面各章节。前面说到，角速度传感器输出的角速度是瞬时的角加速度量，一般的平衡掌握系统不能宜接使用它。我们需要得到角度的变化量来进行平衡掌握，这就需要使用角速度和时间进行积分运算，从而得到角度的变化量。然后这个角度的变化量就能用于平衡掌握。所以在实际的四轴

12、飞行系统中，首先要对角速度传感器做P1运算。P1是比例积分掌握，是滞后校正,它是PID（比例/积分/微分）进展起来的一种PID改进算法。P是指比例掌握，其掌握器的输出与输入误差信号成比例关系。I是指积分掌握，掌握器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。P1D是一种闭环掌握算法，必需在硬件上具有闭环系统，即掌握系统和反馈系统。PID（比例/积分/微分）并不是必需同时具备三种算法，可以是PD,P1甚至P算法掌握。单纯的P算法掌握是最简洁的，以四轴飞行器为例，就是把角加速度数据读回来，是正就电机加速，是负就电机减速，或做相反掌握。对于单纯的P（比例）掌握，反映系统的当前状态，可以通过加快调整来减小误

13、差，但是使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定。I（积分）和D（微分）不能单独起作用，必需和P（比例）掌握协作使用，I（积分）反映系统的累计偏差，使系统消退稳态误差。D（微分）反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，从而进行超前掌握。四轴飞行器只用到P1算法。关于P1算法的更多学问，我们将会在后续的章节中陆续谈到。理论上，假如我们知道物体的初始姿势，通过角速度传感器的上述积分运算，我们也能得到物体的最终姿势，但是，我们知道积分运算是有误差的，随着时间的消逝，误差越来越大，最终这个计算出来的变化的角度就和实际的角度相差较远。从而导致姿势和我们预想的发生偏差。加速度传感器是以重力作为参考力方向的，在无外力的状况下，测量出来的是物体的肯定姿势。但是它无法区分重力加速度和外力加速度。由于运动中的四轴飞行器同时受到重力和外力的作用，所以加速度传感器的姿势输出也无法反映飞行器最真实的姿势。所以在没有其它参照物的基础上，就要充分了解这两种传感器的特性，扬长避短，在短时间内使用角加速度的值，在长时间内使用加速度的值进行校正，从而得到接近真实值的姿势。所以在一个四轴飞行器系统中，对角速度传感器进行P1运算，四轴飞行器就有了瞬时的增稳，能够进行飞行，由于累积的误差作用，很快中心点就会偏离水平位置，通过使用加速度传感器不断对角速度传感器进行订正，就能使得四轴飞行器的中心点保持在水平位置，实现平衡飞行。