微型四轴飞行器

second order system analysis 自动控制原理 二阶系统的matlab仿真分析

https://blog.csdn.net/cinmyheart/article/details/21454779

四旋翼动力学和仿真翻译（Quadcopter Dynamics and Simulation）

https://blog.csdn.net/u013859301/article/details/51284371

我的四轴专用PID参数整定方法及原理---超长文慎入（先内环后外环）

https://blog.csdn.net/chenbang110/article/details/10567845

手把手带你玩串级PID仿真实验

https://blog.csdn.net/rick_grimes/article/details/75095315

四轴PID讲解

https://blog.csdn.net/nemol1990/article/details/45131603

经典的串级PID算法，附源代码

https://blog.csdn.net/mjf110107110/article/details/78950341

 

对串级PID和单级PID的理解(基于匿名微型六轴)

https://blog.csdn.net/guwhao/article/details/47346291

微型四旋翼飞行器设计经验之瞎扯淡

https://blog.csdn.net/Rick_Grimes/article/details/75344054

以微型四旋翼飞行器来说，核心算法大概分为两个部分：姿态解算算法与控制算法。

用51单片机做的四轴？以前别人这样说我们只能呵呵一笑说声逗比，但是现在的51早已不是当年的51,6路15位硬件PWM+2路CCP的16位硬件PWM，相当于是8路15位硬件PWM，mega328都可以直接秒掉，而mega328却正是市售MWC飞控的主控，mega328速度16MHZ，等效16MIPS，IAP15W4K61S4@28MHZ，等效25MIPS，运算速度也秒了mega328，也就是说，用51单片机做四轴绝对不成问题。

 

本人目前大二，做得不尽人意之处欢迎指教，不过麻烦说得别太专业化，我连模拟电路都还没学过，自动控制原理都还只自己看了一些些，太高深的懂不起，但是卡尔曼滤波，PID参数整定还是会的。
相关设计参数：

供电：   容量：650MAH(毫安）  电压3.7v  倍率20c

电机：716空心杯+7.5厘米       有刷

【电压】：3.7V， 空载电流110ma左右， 堵转1.54A

【尺寸】：直径7mm*长16MM*轴径1mm 

【转速】：空载40000rpm

MCU:IAP15W4K61S4@28MHZ                      STM32F103C8T6   稳压器件   AMS1117输出电压为3.3V的正向低压降稳压器

陀螺仪加速度计：MPU-6050                            ROLL/PICTH 两轴姿态角       GPIO_Speed_50MHz             速度级别

磁场传感计：HMC5883L

霍尼韦尔 HMC5883L 是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。

无线芯片：NRF24L01+                                                                                    GPIO_Speed_10MHz

电机驱动MOS管：AO3400                                N沟道
MOS管保护用肖特基：BAT54ST

下载口防静电TVS:Rclamp0524P
机架：94*94mm
PCB厚度：1.2mm FR-4

软件相关参数：
姿态解算&电机控制频率：                                     125HZ(8ms) 
PWM频率：28KHZ 1000精度

滤波算法：卡尔曼滤波器    平滑滤波
PID控制：PID=P*e(n)+I*[(e(n)+e(n-1)+...+e(0)]+D*[e(n)-e(n-1)]

mpu6050         ALIENTEK 推出的一款高性能三轴加速度+三轴陀螺仪的六轴传感器模块，并可利用自带的数字运动处理器（DMP: Digital Motion Processor）硬件加速引擎，通过主IIC 接口，向应用端输出姿态解算后的数据。

 NRF24L01       是一款无线通信通信芯片，采用FSK 调制。可以实现点对点或是1对6的无线通信。无线通信速度最高可达到2Mbps。 ​ NRF24L01采用SPI通信，可以很方便的连接到MCU上面。

浅谈PID整定和姿态解算。
PID的整定是个让很多人都感到头痛的问题，在此，我想强调一句，PID整定必须建立在良好的姿态解算的基础上才能进行，否则根本没法弄出一个很好的效果。举个例子，我的这个四轴，用互补滤波进行姿态处理，P最多调到3。再调大由于姿态解算不过关，P越大输出的姿态震动越大，即使D调大系统也没法收敛，也就是说这个系统发散了。而用卡尔曼滤波我可以把P调到4.5而且回复也有力，飞起来也稳。
在姿态解算中，有很多种方法，我这采用的就是普通的姿态角，其他的解算方法还有四元素，欧拉角，等等，其实四元数还是要转化为欧拉角才能用于PID，不过四元数没有欧拉角中万向节死锁的问题。具体请百度：四元数，欧拉角，万向节死锁。在此不一一赘述。
我这的姿态解算原理比较简单，就是对三轴加速度的值进行三角函数运算即可。
举个例子，首先我从加速度计中获取数据。

    Accel_y= GetData(ACCEL_YOUT_H);    
    Accel_x= GetData(ACCEL_XOUT_H);           
    Accel_z= GetData(ACCEL_ZOUT_H);                                            

再进行转化，转化公式在MPU6050数据手册里有
    Angle_ax=(Accel_x)/8192;  
    Angle_az=(Accel_z)/8192; 
    Angle_ay=(Accel_y)/8192;    
好了，这里得到的就是我们需要的加速度的值，取值范围0-1，也就是多少个g，g是重力加速度这个就不用说了吧。
之后用反三角函数进行运算：
AngleAx=atan(Angle_ax/sqrt(Angle_ay*Angle_ay+Angle_az*Angle_az))*180/3.141592657; 
公式：X轴角度=arctan（Angle_ax/开根号（Angle_ay^2+Angle_az^2））
好了，这里得到的是弧度制的角度，再乘180除以π即可得到所需的角度值。
之后要对得到的值进行滤波，为什么要滤波呢，因为加速度计对震动特别敏感，一点震动就大姨妈，得到的角度值是不怎么准确的，不过大致在实际角度的上下。
而陀螺仪对震动不敏感，随便怎么震动都不会高潮。陀螺仪输出的数据是多少度一秒，据此进行积分，可以得到短时间内系统的姿态。不过陀螺仪有温飘，温度偏移一点他的误差就会大一点，故要用加速度计的值来对陀螺仪的值进行校准。修正他的温飘误差以及积分误差。这就是互补滤波的原理，短时间内以陀螺仪的值为准，长时间内以加速度计的值来对陀螺仪校准，二者优势互补，去掉不好的一面，这样得到的值就比较理想了。
互补滤波公式举例：Angle=0.95*(Angle-Angle_gy*dt)+0.05*AngleAx;
前面的0.95和0.05是对陀螺仪角度和角速度角度的权值，意思就是你相信哪个的程度更大一点，因为震动是双向的，故对加速度计进行低通滤波会使加速度计输出的值接近实际值，什么是低通滤波呢，打个比方，当前角度=0.95乘上次的角度+0.05乘测量的角度，这就是对测量值进行低通滤波，dt是积分时间，就是定时器定时的时间，我这取8ms，即dt=0.08。

至于卡尔曼滤波，

就是一个先进行估计，再根据实际测量的值修改卡尔曼参数，最后再算误差，里面涉及到线性代数，概率论的相关知识

再谈PID，

得到了实时姿态，就知道了误差，知道了误差就要对电机进行控制，在PID中，P指比例，I指积分，D指微分，换种说法，P指回复力，P的输出值=P*误差；P越大偏差所引起的回复力越大。是系统能够回到0点的主要力。D是系统运动的阻力，D的输出值=D*（当前误差-前一次误差），D的存在能阻止系统运动。I是系统静差的消除力，比如你四轴的重心偏了，四轴会朝一边偏，对误差进行积分再乘以I即可消除这种机械结构引起的偏移。I的输出值=I*所有误差积分之和。
光有P存在的情况，系统一有偏差，就会立马回复，不过到0点时由于惯性，会继续运动，故光有P的话系统会震荡，根本停不下来。
故需要D，这个系统运动的克制力来对P进行压制，当PD呈一定比例时，系统就会稳定在一定的值，不过有可能会有点误差，这时就得靠I来修正。
I的原理决定了误差存在的时间约久，回复力越大，I可以理解是变相的回复力，专门用来修正PD没法消除的静差。

PID整定的方法：
I和D置0，从小往大调P，调整至用手造成一个误差，感觉回复有力即可。网上所说的调整至等幅震荡不适合小四轴，你根本就不可能把这玩意弄到等幅震荡的状态。总得来说，P调至你觉得回复起来有点力度就行了，不要太过于纠结。
之后从小往大加大D，在D加大的过程中，会出现震荡减小，震荡最小，震荡增大的过程。震荡最小的那一点即very good。
调好PD之后如果系统有静差，适当加上I即可，I不能加大，加大了会导致系统震荡，适当为宜。
这个过程一定要会区分震荡的来源，到底是P引起的还是D引起的。这个口述讲不清，只有靠自己来体会。
调整好XY轴的PID后就该解决四轴自旋的问题了，一般来说XY轴的PID参数是一样的，调好一边，另一边直接复制过去就行。
自旋控制方法有2种，一种是对HMC5883的值进行PD控制。一种是对Z轴陀螺仪旋转速度进行PD控制，后面那种就够了，只不过需要飞前对陀螺仪偏差进行校准。这个PD参数不要太纠结，Z轴稍微给点控制就稳了，毕竟XY轴才是四轴飞起来的关键。
此外，PID的要求是系统的输出量要和被调量成正比，故大四轴比小四轴好调得多，因为大四轴有电调，电调调整的不是电机供电电压，而是力矩，也就是说大四轴输出信号和升力是成正比的，而小四轴不是，但是我们只需要他大概是正比关系就行了，也能好好滴做朋友的。推荐碳刷电机PWM频率为500HZ，空心杯最好是20KHZ以上。
调PID中各种问题及解决方法汇总：
四轴偏离一定角度即使加I也纠正不过来，也就是说四轴明明知道他自己偏了，就是纠正不过来，解决方法：加大P。
D无论怎么调四轴就是要震荡，根本停不下来，解决方法，减小P
系统有细微偏差：加点点I
发现无论怎么调PID根本就不能让四轴取得一个很好的效果：换滤波方案吧，什么梯度下降法，卡尔曼滤波算法都是很好的。
震动越大角度值和实际值偏离越大：陀螺仪装错位置了，在MPU6050模块下面弄点泡沫双面胶可以很好解决，原则上来讲MPU6050是不能太靠近轴的。