四旋翼无人机飞控系统设计（基础知识篇）

飞行原理

  四旋翼的结构组装有十字模式和X模式之分，两者的基本原理一致，方向结构不同，都是通过四个电机的组合状态进行控制姿态飞行，而十字型四旋翼机头是对准其中一个电机的，X型的四旋翼四个电机在对角线。

  高速旋转的四旋翼螺旋桨产生空气对无人机的反作用力，此反作用力为四旋翼垂直运动提供升力，除了垂直方向的升力，因旋翼切面形状而在水平方向产生的反作用力会使得单个旋翼有自旋的倾向，为了解决这个问题，采用相邻旋翼旋转方向相反的方式来互相抵消水平方向的旋扭力力。所以四旋翼电机有正反之分。

  相对于升降动作，四旋翼无人机的在各个方向的飞行原理才是核心，以向前飞为例，我们很容易了解到是后面的电机加速，前面的电机减速，导致无人机旋翼的分力对后方空气产生作用力，空气对无人机向前的反作用力便提供了无人机向前飞行的动力。向后行便是相反的情况：前电机加速后方的电机减速，左右飞行便是左右电机的协调。从专业的角度讲，前后飞行为俯仰轴运动，左右运动为横滚轴运动，由此加上下的高度运动其实可以飞行至三维空间的任意一个位置。

  改变无人机朝向的运动为自旋运用，即偏航轴运动。偏航轴运动的相对状态电机为相邻两个电机，相邻电机一个加速一个减速，便是对角线上的电机转速状态保持一致性。相邻电机的抵消的旋扭力平衡状态被打破，则会产生自旋动作，便实现了偏航运动。若实现除单纯单向运动以外的运动，类似左前运动，便是上述俯仰前进运动和横滚左移运动的结合，结果便是前左电机减速，后右电机加速，而前右电机因在前进运动中减速，在左移电机中加速，所以转速不变。总而言之，四旋翼无人机飞行原理来自一个看似十分浅显的道理：四个旋翼转速变化的不同组合。那么在进行无人机各种状态控制的显然不能将各种状态的控制方式进行封装，这种方法过于低效和笨拙，而是通过一个媒介实现对无人机系统的通用性设计——姿态。
  无人机飞行模式是无人机飞控处在不同的功能档位，最基础的是自稳功能Stabilize，自稳便是在无人机始终使自身保持在期望角度位置，无操作时便是水平位置角度0。这个过程并不是停止运行，系统在不断地采集并补偿机械误差和外部环境影响的误差。比率控制模式Acro便是不进行角度控制，遥感位置对应的是赋予无人机的角速度，有控制信息时无人机便会跟着旋转，归零时便维持当前角度（没有控制信息前一刻的角度），此模式新手难以操作，一般用于第一人称视角FPV场景下使用。 定高模式的情况下四旋翼可以自主保持在当前高度，此模式简化了操作，是无人机在执行任务时的稳定性能大大增加。定点模式position为定高模式的加强版，无人机不仅在高度上有自动控制维持目标高度的功能，在各个方向上面也可以抑制漂移，位置不发生变化。简单模式使用者不需要关心机头在哪，将无人机看做一个点，只需要关心此点关于自己的相对位置即可。自动模式AUTO，自动模式便是无人机根据写好的程序在当前环境下无人操作自主飞行的模式，需要定高定点等模式的辅助才可开启。轨迹飞行和自主返航等功能便是自动模式的典型体现。

基本结构

  控制器：此飞控的控制器使用 STM32F407ZGT6,为32位的高性能ARM Cortex-M4内核单片机，时钟主频可达168MHZ，处理速度可满足无人机对控制器的高实时性要求，有100个引脚，有512k的闪存FLASH，17个定时器，有充足的包括i2c接口，串口，spi接口，usb otg的通信接口，通讯总线充足可满足飞控系统的传感器需求，可使用SWD调试和ITAG接口调试。，
  单片机Single-Chip Microcomputer包括处理器，缓存ram，内存rom和定时器、中断电路、io口和各种通讯总线等外设的集成芯片，也可看做一个微型计算机系统。在各类电子产品和工控领域应用广泛，相对fpga 、dsp等其他集成处理器的优势在于控制速度较快，适合用于无人机等高速控制场合。，单片机芯片、晶振电路、复位电路、电源电路构成了单片机最小系统。
  

  机架：使用碳纤维材质的机架，具有韧性高和质量相对较轻的优点，机架轴距表示对角电机的长度，单位是厘米。
  电机: 直流无刷电机，效率比较高。尺寸型号前两位为电机线圈外径，后两位表示高度，比如2314表示外径23毫米，长度14毫米，电机的关键参数kv值的大小乘以电池电压是电机每分钟空转的次数。小扭矩的无人机应使用kv值大的电机，转速较快，相反轴距大的无人机需要较大的扭力，应使用kv值小的电机，适用于，类似车子上坡时用低档，在高速行驶中使用低档。
  螺旋桨：根据电机进行选型，材质较硬为佳，螺旋桨的主要参数为长度和螺距，规格前两位为长度后两位为螺距（在胶体中旋转一圈前进的距离），如9443型号的螺旋桨长度为9.4英寸，螺距为4.3英寸。
  电调：电调为无刷电机驱动器，无刷电机没有电刷，电力势能的产生需要电调内部产生的3个120度交流电势的三相交流电，电调的输入协议是周期为20ms的高低电平组成的pwm信号，高电平持续时间为1ms到2ms，对应着0和满量程的信号，这里的高低界限是可以通过电调校准进行设置的，电调校准也是为了保证四个电调对于信号的灵敏度相同。校准方式是电调上电是将脉宽给到最高，等待提示音结束，将脉宽值给到最低。提示音结束校准结束，不同厂家电调校准声音不同，但是他们都遵循着相同的协议。
  电池：电池使用锂电池，具有较高的放电倍率，电池的容量乘以放电倍率的C数为电池可达到的最大电流。航模锂电池常用多片串联升压的方式，3S代表的是电池电芯数为3，电池的电压是单片电压（一般是标准电压3.8V，满电压4.2V）乘以电芯数量。如3S电池的额定电压为11.4V，满电压为12.6V，因为航模锂电池是多片电芯同时工作，为避免各电芯电压不平衡导致的损坏，充电时需使用平衡充，测量各个电芯的电压进行智能分配电流，尽可能的让几个电芯的电压一致。
  遥控器：支持普通航模遥控器，使用免申请频段2.4G无线电调频和扩频技术，具有更好的避免干扰能力，遥控器除了摇杆，还有控制模式功能的开关，所有这些可以控制的元素数量叫做通道数，通道数越来可控无人机的功能越多。此设计同时支持手机app进行体感遥控。
  接收机：接收机将遥控器信号进行解析发送至飞控端，接收机和遥控器需使用同样的协议，在和飞控交互的时候常见的有3种协议：PWM，PPM，SBUS协议。PWM为高低电平组成的周期性信号，PPM为个多个通道的PWM进行结合在一个通道上的协议，SBUS使用串口进行各个通道信息的传输，SBUS具有结构简单的特点，只需两根串口线便可完成通信，此设计飞控使用SBUS连接方式及协议对接收机信号进行解析处理。