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基于GD32F103 MCU四旋翼飛行器第二步:整體方案 試飛效果

2016-08-17

        前言:

近幾年四軸飛行器的市場已經慢慢火起來了,大家也都或多或少的從各個方面接觸到了四軸,其中作為商品應用的最廣泛的領域就是航拍。說白了,目前四軸還是處于玩具的階段,無非就是誰家玩具做的好,誰家做的壞而已。從技術上來講,這是受限于算法、載重、續航、智能控制等等,從環境上來講,還是受限于各方面的安全性。GD32系列MCU的高性能處理能力提高了代碼執行效率,從而使算法的控制更快速有效,加上明顯的價格優勢,目前在飛行器市場已經有了較高的知名度。

本系列的主要目的就是提供一個基于GD32 MCU的四軸飛行器基本方案設計,傳感器方面只使用了慣性傳感器,未使用氣壓計、超聲波、光流傳感器、攝像頭動態捕捉等。

軟件方面目前的功能:

1.開啟傳感器低通濾波98Hz,濾掉電機震動對加速度計和陀螺儀的影響;

2.磁力計現場校準,代碼直接完成,不需要PC干預。換個地方飛不用再帶個電腦做校準了;

3.陀螺儀零偏自校準;

4.加速度計零偏和靈敏度校準;

4.代碼時間片管理,姿態融合500HzPID控制200Hz;

5.9DOF的慣性傳感器數據融合算法;

6.標準的位置式PID控制,控制參數采用kpTiTd;

7.固定航向模式。日后加入可控航向。

8.串口在線調試,使用藍牙無線傳輸,支持在線參數保存和讀取,采用GD32F103內部Flash來保存參數,不用外擴存儲芯片,也方便調試PID參數和磁力計校準。

9.飛行模式:x模式

硬件方面見下圖:

下面這張是自己設計的飛控板第二版,兼容F10x/F2xx/F4xx系列MCU,外擴4PWMin外接遙控接收機,4PWMout外接motor4PWM備用,1DCMI攝像頭接口,1USART接藍牙模塊,1SPI可接SPI nand flash1I2C接口可外接其他傳感器,1TF卡插槽用于存儲視頻。

      

正面:

 

反面:

 

下面這張是整機:兩個白色軸中間是機頭,右邊白色軸上是之前做的藍牙模塊,整機標配:450機架,980kv電機,好盈20A電調,11.1V-3S動力電池,7通道接收機,鋰電池低壓報警器,槳是1047

 

下面這張是調PID的時候:此時yawpitchrollPID都調的差不多了,已經很穩了。

 

飛行截圖:

 

下面這張是試飛時墜機的原因:螺絲松了,軸也摔彎了,因為當時未找到合適的槳夾,用螺絲代替的。電機轉動時,有兩個軸必須要使用逆向的螺紋,這樣才能保證螺絲越轉越緊,我只能說電機廠家在設計電機時就應該配備逆向螺紋電機和正向螺紋電機,方便小客戶。

 

下面這張是飛控板被摔后的,萬幸可以修復:

 

今天飛了3次,目前電池充滿續航也就20分鐘不到,這次是失敗的例子,就放上來了,目前的情況是飛的還算平穩,不過基本都是被它牽著鼻子走,畢竟標準PID只能保證平穩飛起來,操控性能不好。槳的螺絲松了也是個大的教訓,一定要用槳夾。

下面說一些各種技術上的東西,個人感覺還是有點用的,包括PID、整機等等。

PID

PID分兩種,位置式和增量式,我采用的是位置式,將KiKdTiTd的形式來表達,并帶入到式2-3中,ek=角度的期望-傳感器輸出的角度,所用的PID三個參數是:KpTiTd。公式如圖所示:

 

四軸PID控制的目的就是將接收到的遙控的控制信號(一般有油門THR、升降舵ELE(對應pitch)、副翼Ail(對應roll)、方向舵RUD(對應yaw))與飛控板本身計算得出pitchrollyaw做比較,分別得出它們之間的誤差值,然后將KpTiTd與這個誤差值結合得出PID輸出(PID_pitchPID_roll或者PID_yaw),再將這三個PID輸出與油門結合在一起算出送到每一個電調的PWM數值,從而控制每一個電機的轉動。

PID參數的調試我是用的土辦法,分別對俯仰、翻滾和偏航做PID調試,x模式下先同時上KpTd,光靠Kp是穩不住四軸的,調的差不多了上Ti消除靜態誤差。在調這三個參數時,要相輔相成,切忌把某一個參數固定下來,因為它們之間都會相互影響。

我們還需要考慮三個問題,這三個問題都是圍繞《讓自己的四軸怎樣轉動》:

1. 飛行時是使用“+”模式還是使用“x”模式

2. 四個電機分別該如何旋轉,是逆時針還是順時針

3. 每個電機該怎樣旋轉才能讓我們的四軸上升、下降、左翻、右翻、上仰、俯沖、左轉頭或者右轉頭

對于第一個問題來說:

一般“+”模式比較好操作,也比較好調節PID的那三個參數,而“x”模式飛行起來比較靈活,可以做很多復雜動作,但是比較難操作,這里我用的是“x”模式,對于新手來說,包括我,雖然“x”模式難一些,不過最多也就是需要時間來學習和熟練罷了,其實也沒什么難的。

對于第二個問題:

首先要確定飛控板的xyz軸正方向如何放置,然后確定4個電機的旋轉方向分別是什么,我定義的方式如下圖,Y正方向為四軸前進方向:

 

M1M2M3M4分別為4個電機,其中M1M4順時針旋轉,M2M3逆時針旋轉。

對于第三個問題:

還是看上圖,我定義三點:

1.xyz軸的正方向為:y指向正北,x指向東,z指向天;

2.y旋轉是roll,繞x旋轉是pitch,繞z旋轉是yaw;

3.Yaw北偏西為正,pitch往上為正,roll“右翼下沉為正。

令:“+”表示增加該電機的旋轉速度,“-”表示減小該電機的旋轉速度,那么“x”模式下的控制規律如下:

 

最后得出每個電機需要的PWM輸出計算公式:

 

其中Limit_PWMOUT函數是限制PWM的輸出,根據電調的PWM占空比來確定。

還有一點需要注意的,就是槳葉的安裝,槳葉是分正反漿的,通俗的說,安裝時要保證4個槳葉轉動時都是往下吹風的。

四軸零件之間的接線與簡單說明:

4個電調的正負極需要并聯(紅色連一起,黑色連1一起),并接到電池的正負極上;

電調3根黑色的電機控制線,連接電機,交換任意兩根黑色的連線,可改變電機轉動方向,以此來改變槳的旋轉方向;

電調有個BEC輸出,共3根線,紅、黑線用于輸出5v的電壓,給飛行控制板供電,另外一根線用于接收飛行控制板的PWMout信號;

遙控接收器連接在飛行控制器的PWMin上,輸出遙控信號給飛控板,并同時從飛行控制板上得到5v供電;

關于PWMinPWMout

對于我的天地飛7通遙控+WFT07接收機來說,遙控發送給接收機的信號是PPM,而接收機輸出的信號是標準的PWM

對于接收機來說,我們只需要關心它輸出的高電平時間,也就是PWMin,不用管占空比,因此TIM_Period設定為 0xFFFF。我的WFT07接收機的PWM周期是20ms,高電平是1ms~2ms

于給電調的輸入來說,也就是PWMout,要確定其占空比,一般根據自己的電調來確定這個占空比,我用的是好盈天行者20A,頻率為50~432hz,所 以我的PWM周期設定為2.5ms 頻率400hz,高電平持續時間限制在0.875ms~2.0ms,高電平一般在周期的20%~80%

如何將遙控的PWMin轉化為期望的角度expect

先看一個公式:e(t)=expect – measured,這是PID中的誤差e(t),等于遙控期望值減去傳感器的測量值。

而將遙控的PWMin轉化為期望的角度expect所達到的目的就是將PWMin轉化為expect,使expect的范圍大小(不是單位,PWMin的單位可以看成已經是角度單位了)measured的對應起來,并限制expect的范圍,對新手來說好操控。

至于轉化,就是將PWMin通過一些加減乘除限定在一定范圍內,比如我將PWMin(Motor_AilMotor_EleMotor_Rud)限定在-25度到+25度內,而Motor_Thr保持原來的范圍,暫不做限定,可根據具體操作手感來做限定,如下圖,其中AilMiddleEleMiddleRudMiddle均為1500

 

關于對PWMin的濾波:

 

TIM_ICFilter設置為0x0B,濾掉1us以下脈沖干擾,防止誤進PWMin中斷,避免將干擾信號當作PWMin來接收。

最后:

試飛視頻和完整代碼見21icGigadevice GD32 MCU的線上論壇:http://bbs.21ic.com/forum.php?mod=viewthread&tid=718442&page=1&extra=#pid4167670。代碼是針對的是GD32F103VCT6這款芯片的,系統時鐘108M,較高的系統時鐘意味著更快速度的運算效率,代碼是在《四軸飛行器第一步》的基礎上添改了很多東西,驗證無誤。至此四軸飛行器整體方案算是告一段落,希望能給大家帶來幫助,敬請期待后續改進。

  

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