圆点博士微型四轴飞行器之平衡和姿势控制：
上述各个章节对传感器进行了具体描述，下面谈下如何进行四轴飞行器传的平衡和姿势控制。开始这部分描述前，大家必须不要混淆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。如果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，一般的平衡控制系统不能直接使用它。我们需要得到角度的变化量来进行平衡控制，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控制。所以在实际的四轴飞行系统中，首先要对角速度传感器做 PI运算。PI是比例积分控制，是滞后校正，它是PID（比例/积分/微分）发展起来的一种PID改进算法。P是指比例控制，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。I是指积分控制，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
PID是一种闭环控制算法，必须在硬件上具有闭环系统，即控制系统和反馈系统。PID（比例/积分/微分）并不是必须同时具备三种算法，可以是PD,PI，甚至P算法控制。单纯的P算法控制是最简单的，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，或做相反控制。对于单纯的P(比例)控制，反映系统的当前状态，可以通过加快调节来减小误差，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，必须和P(比例)控制配合使用， I（积分）反映系统的累计偏差，使系统消除稳态误差。D(微分)反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，从而进行超前控制。四轴飞行器只用到PI算法。关于PI算法的更多知识，我们将会在后续的章节中陆续谈到。
理论上，如果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，随着时间的流逝，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，在无外力的情况下，测量出来的是物体的绝对姿势。但是它无法区分重力加速度和外力加速度。因为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态。
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PI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纠正，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。
K.O.Carnivist 发表于 2012-11-4 09:57 static/image/common/back.gif
没有续流应该是击穿MOS管吧，电机不会有什么大问题
KO兄说得对，应该来说MOS管被击穿的概率更高。
=====2012.10.31========
"在23楼更新电机驱动部分。PWM控制。 下拉电阻防止上电时电机转动，二极管给电机反电势提供放电回路。四轴，所以四路PWM分别控制四个电机。"
很多MOS内部直接集成反向二极管，比如SI2302
上面KO兄说的IM809, 我倒觉得没有必要用，我们用STM32的AD,更便宜，更省事。对于红外对障碍物的检测，红外管的位置到时候可能是用线吊着，还没确定。对于AD,楼主有加运放跟随的习惯，到时候看PCB空间了，如果不够，可能会拿掉，先放着好了。
ly8008csko 发表于 2012-11-4 20:42 static/image/common/back.gif
=====2012.10.31========
"在23楼更新电机驱动部分。PWM控制。 下拉电阻防止上电时电机转动，二极管给电机 ...
MOS管内部集成的二极管无法给电机提供放电回路啊。
rovershie 发表于 2012-11-4 20:30 static/image/common/back.gif
muniao兄，我贴下我以前写的帖子：
圆点博士微型四轴飞行器传感器之总汇：在上面的各个章节中，分别介绍 ...
那HMC5883L不影响平衡和姿势的控制？？
请问圆点兄 电机的续流二极管用的什么型号 ？
rovershie 发表于 2012-11-4 20:47 static/image/common/back.gif
MOS管内部集成的二极管无法给电机提供放电回路啊。
一说反向二极管我就想到了L298的电路，我说的反向二极管应该是给反向电动势提供了一个到电源的通路，然后被并在电源上的大电容给吸收了，据说有的电源滤波电容就是被电机反向电动势给击穿的，电机可以正反转所以只能这么接二极管吧。。。四轴电机只往一个方向转动，直接用反向二极管导通电机两极应该更简单和可靠吧。
我不懂电路，如果理解错误还请大家指正。
{:smile:}
想问下，大家准备分别制版，还是怎么操作，即不违反规定，也方便大家!
弱弱问一声，手机锂电池会不会放电电流太小啊。。。。
optimal 发表于 2012-11-5 09:20 static/image/common/back.gif
想问下，大家准备分别制版，还是怎么操作，即不违反规定，也方便大家!
大家到时候根据提供的PCB制版文件，可以直接在阿莫这下单。到时候会跟阿莫确定好符合要求的制版文件。到时候大家只要报文件名，就可以叫阿莫打样。当然，你也可以把楼主提供的制版文件放到其它地方打样，自己方便就好，不作任何限制。
seazhui 发表于 2012-11-5 09:27 static/image/common/back.gif
弱弱问一声，手机锂电池会不会放电电流太小啊。。。。
用高聚合物锂电池。
圆点博士微型四轴飞行器线路图之锂电池充电。 图纸中3脚到7脚为用于捆绑电池的孔。
muniao 发表于 2012-11-4 22:15 static/image/common/back.gif
那HMC5883L不影响平衡和姿势的控制？？
楼主的理解是有角加速度和加速度计就可以平衡飞行了。HMC5883L地磁对平衡影响不大，但是可是帮助修正姿态。 由于还没实战过，不知道对错，只是楼主本人的理解。
rovershie 发表于 2012-11-5 10:45 static/image/common/back.gif
用高聚合物锂电池。
圆点博士微型四轴飞行器线路图之锂电池充电。 图纸中3脚到7脚为用于捆绑电池的孔。 ...
聚合物的放电电流比锂离子的小吧。。。
如果手机电池的话，一般都是1200mah到1800mah，那么么，对已1200mah的锂离子电池，放电电流不能超过3.6A。。。
计算方法是上次问学长的。。。没实际试过。。。
所以电流感觉还是会小吧。。。。
PS：没玩过四轴，最近在玩小车。。。
2.4g我觉得室内环境的话合适一些，距离15米也绰绰有余。
rovershie 发表于 2012-11-4 20:42 static/image/common/back.gif
上面KO兄说的IM809, 我倒觉得没有必要用，我们用STM32的AD,更便宜，更省事。对于红外对障碍物的检测，红外 ...
请问，跟随器的作用是什么？
ly8008csko 发表于 2012-11-4 23:18 static/image/common/back.gif
一说反向二极管我就想到了L298的电路，我说的反向二极管应该是给反向电动势提供了一个到电源的通路，然后 ...
ly8008兄，你理解得对，电路的设计就是“反向二极管导通电机两极”。见23楼，圆点博士微型四轴飞行器线路图之电机驱动。
因为使用了二极管并联在电机两端，MOS管中有没有集成二极管问题就不是很大。如果没有并联这个二极管，MOS管中集成二极管估计可以增加对电机反向电动势的抵抗作用。不过这终究不是一种安全的设计方法，所以实际的产品中，不应该省略该反向二极管。
本帖最后由 rovershie 于 2012-11-5 11:06 编辑
seazhui 发表于 2012-11-5 10:54 static/image/common/back.gif
请问，跟随器的作用是什么？
seazhui,简单的来说，跟随器的特点是：输入阻抗高、输出阻抗低特点，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。
顺便摆渡了下：
电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。 电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。 在电路中，电压跟随器一般做缓冲级(buffer)及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。
seazhui 发表于 2012-11-5 10:53 static/image/common/back.gif
聚合物的放电电流比锂离子的小吧。。。
如果手机电池的话，一般都是1200mah到1800mah，那么么，对已1200m ...
学长也太不给力了，1200mAh放3.6A，相当于3C的倍数
那帮玩航模的用的锂聚电池，60C都做得出来……
上传一些电机参数：
1，额定电压：3.7V
2，负载电流：最大1.3A
4个电机，需要5.2A的电流，加上其它器件消耗，估算在6A左右，不知道要做多少C。{:titter:}。还是要尝试过才知道。
顺便多谈下电池：电池容量的单位是毫安时（mAH)，1毫安时=1毫安的电流下放电1小时。 若电池的额定容量是1300mAh，如果以0.1C（C为电池容量）即130mA的电流给电池放电，那么该电池可以持续工作10小时（1300mAh/130mA=10h）；如果放电电流为1300mA，那供电时间就只有1小时左右。
如果放电电流是6A, 1300mA/6000mA=0.2小时 (12分钟）--- 理想情况。是这样算的吧。。。
rovershie 发表于 2012-11-5 12:25 static/image/common/back.gif
顺便多谈下电池：电池容量的单位是毫安时（mAH)，1毫安时=1毫安的电流下放电1小时。 若电池的额定容量是130 ...
好的，学习了~~~
rovershie 发表于 2012-11-5 11:05 static/image/common/back.gif
seazhui,简单的来说，跟随器的特点是：输入阻抗高、输出阻抗低特点，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电 ...
谢谢~~~{:smile:}
本帖最后由 股股阳光 于 2012-11-5 13:37 编辑
我也来给楼主添砖加瓦。问楼主做好后是否可以用别的遥控器+接收来遥控小四轴
腿架直接画在PCB上，用了7*20电机、MPU6050，整体重量31g，350mah电池，飞行时间10分钟
本帖最后由 股股阳光 于 2012-11-5 14:08 编辑
这个是上面的旧版
使用的是那个MultiWii,ITG3205+BMA020，7mm空心杯电机，不带电池重量15g多点
电池用1S，350mah以下都可以，可以飞5分钟左右吧
程序在这里
希望楼主能用得上
可惜第一次上这个论坛不会上视频
补上一个原理图
元件图就不上了 ！！！！
楼上的这个不错啊。遥控器部分先做电脑的，会做个 飞行器控制台，来接收各种飞行数据。然后计划做职能手机上的。暂时不考虑做玩具车那种遥控。不过大家可以添加自己想要的遥控方式。
关注中。。。
这样的帖子很有价值哦{:smile:}
阳光兄，你的PCB厚度做的多少啊，1.0mm?
楼主加油，俺是写驱动代码的，硬件不太懂，就等着板子出来开工做一个呢，
本帖最后由 股股阳光 于 2012-11-5 14:26 编辑
rovershie 发表于 2012-11-5 13:53 static/image/common/back.gif
阳光兄，你的PCB厚度做的多少啊，1.0mm?
1.6mm 能轻一点更好
rovershie 发表于 2012-11-5 10:48
楼主的理解是有角加速度和加速度计就可以平衡飞行了。HMC5883L地磁对平衡影响不大，但是可是帮助修正姿态 ...
受教了，期待lz完成
之前也想做个 mini四轴
期待LZ
一天努力一点点。今天就画电源部分。圆点博士微型四轴飞行器线路图之电源。
接下来就剩最后一张线路图：主控部分。 然后要开始苦逼的元器件建库了。。。。。。{:cry:}
股股阳光 发表于 2012-11-5 13:35 static/image/common/back.gif
这个是上面的旧版
感谢股股阳光兄的资料。大略看了下线路图，上面有陀螺仪ITG3205和加速度计BMA020, 该部分组成了整个飞行稳定系统。---资料不错。等楼主板子出来，就要开始代码移植，实现初步稳定飞行。
强大！希望楼主快点。
强大！希望楼主快点。
强大！希望楼主快点。
rovershie 发表于 2012-11-5 17:18 static/image/common/back.gif
感谢股股阳光兄的资料。大略看了下线路图，上面有陀螺仪ITG3205和加速度计BMA020, 该部分组成了整个飞行 ...
你的加红外定高的想法很好 ！我也提个意见 四轴四周加声波防撞不知效果如何？不过成本也会相应增加！
顶一下！
留个名吧，生活活生生的把我拉离了四轴的世界，依然关注
股股阳光 发表于 2012-11-5 19:16 static/image/common/back.gif
你的加红外定高的想法很好 ！我也提个意见 四轴四周加声波防撞不知效果如何？不过成本也会相应增加！ ...
红外定高这个不知道实际效果怎么样，先测试下。四周防撞要下个版本才能考虑了。
另外，阳光兄可以共享下你的板子尺寸吗，中间部分的尺寸，还有伸出去部分的长度。
苦行僧 发表于 2012-11-5 19:52 static/image/common/back.gif
留个名吧，生活活生生的把我拉离了四轴的世界，依然关注
希望这个帖子还能把僧兄拉回来。。。{:biggrin:}
rovershie 发表于 2012-11-5 17:06 static/image/common/back.gif
一天努力一点点。今天就画电源部分。圆点博士微型四轴飞行器线路图之电源。
...
问下电源带不带电池管理，比如像手机一样，可以直接充电
liliuqun 发表于 2012-11-5 22:22 static/image/common/back.gif
问下电源带不带电池管理，比如像手机一样，可以直接充电
有带充电电路。看117楼 圆点博士微型四轴飞行器线路图之锂电池充电
来学习学习
顶起顶起
关注了，能介绍一下成品后的大概多少银子？
还有性能上有哪些优势？
另外 坛子里为何没人研究日本的飞行球？就是那个单桨的。我觉得是不是结构上要更安全一些。毕竟为了玩。
ostrich12 发表于 2012-11-6 16:48 static/image/common/back.gif
关注了，能介绍一下成品后的大概多少银子？
还有性能上有哪些优势？
另外 坛子里为何没人研究日本的飞行球 ...
KK 飞控就有单桨飞行器模式（singleCopter)
rovershie 发表于 2012-11-5 21:47 static/image/common/back.gif
希望这个帖子还能把僧兄拉回来。。。
持续关注，希望跟LZ学点{:lol:}
我觉的吧，四轴总体设计应该这样来：先买现成的传感器模块和开发板，先在PC端把算法调稳定了再移植到开发板上，开发板上调稳定了再移植到四轴上，你一下子在四轴上调，暂且不考虑硬件设计有缺陷导致软件无法调试，不仅要一遍一遍下程序调试非常耗时，debug也不方便，我目前和你的硬件方案基本上是一样的，从做好板子到开始调算法也用来蛮长时间（当然我有点拖延症），因为你没法保证你画的板子没问题，后来听取别人建议干脆就直接在PC上调算法了，省去了一次次编译和一次次下程序的麻烦，而且PC上调试起来也方面。。只是一点建议，希望少走弯路
持续关注。。。
顶楼主，我也是玩四轴的，也想做，就是心有余而力不足，只会51而且不精通的苦逼路过{:mad:}
楼主可以先只用MPU 6050 实现自稳功能，我现在用的玉兔飞控就只有3轴加速度计和3轴陀螺仪，一样很稳
至于地磁和气压计那是扩展功能，先完善了自稳再加入，地磁一般是用来定向和无头（CF）模式，室外用的多，室内怕各种铁器（暖气片 啊什么的）影响地磁计的
工作，而且貌似地磁对电磁环境要求挺高的，微型四轴轴距就那么大点，4个电机在转，估计够呛{:funk:}
气压计的话估计就没必要了吧{:lol:}室内的定高要求不算太明显，毕竟不是航拍用{:lol:}
这几天工作上的事情太多，咱缓1，2天。。。
新手中的新手支持博士。刚刚开始四轴，正在收集资料。谢谢博士的资料
我也是刚开始整4轴的东西，强烈需要PCB图啊！关注！
好人，正想进入加轴!
__@ 发表于 2012-11-3 09:14 static/image/common/back.gif
STM32处理器，当然已经试飞过了
能不能共享下已经试飞成功的四轴资料
更新一下，楼主还在，正在准备最后一页线路图。。。。。{:lol:}
rovershie 发表于 2012-11-4 20:35 static/image/common/back.gif
KO兄说得对，应该来说MOS管被击穿的概率更高。
可以在电机的下端串一个二极管就不会和寄生二极管相互影响了
顶顶，别沉了
股股阳光 发表于 2012-11-5 13:19 static/image/common/back.gif
我也来给楼主添砖加瓦。问楼主做好后是否可以用别的遥控器+接收来遥控小四轴
腿架直接画在PCB上，用了7* ...
这位大哥引用别人的要标注一下好不，这是我在5IMX上发的帖子啊，谁说的PCB厚度是1.6mm？！别在这误导别人。。。{:sweat:}
nike1 发表于 2012-11-11 21:45 static/image/common/back.gif
这位大哥引用别人的要标注一下好不，这是我在5IMX上发的帖子啊，谁说的PCB厚度是1.6mm？！别在这误导别人 ...
nike兄，我也觉得1.6厚了点。1.0会不会支撑力不够啊？1.2是理想？
圆点博士微型四轴飞行器线路图之主控部分：
最复杂的一页，包括：
1）STM32最小系统
2）传感器I2C接口，
3）2.4G遥控SPI接口
4）USB接口
5）液晶屏接口---用于方便编程和调试
6）COM调试接口---方便实用电脑COM口调试
7)SWD编程接口
大家赶紧来找错。。。。。。。。。。。。{:lol:}
rovershie 发表于 2012-11-11 22:39 static/image/common/back.gif
圆点博士微型四轴飞行器线路图之主控部分：
最复杂的一页，包括：
1）STM32最小系统
楼主，把调试串口的Rx2也给引出啦把，调试一些可变参数就直接下发了，方便。
rovershie 发表于 2012-11-11 22:39 static/image/common/back.gif
圆点博士微型四轴飞行器线路图之主控部分：
最复杂的一页，包括：
1）STM32最小系统
usb的5V从那里来的，需要另接电源吗。
megaf 发表于 2012-11-12 09:08 static/image/common/back.gif
usb的5V从那里来的，需要另接电源吗。
usb的5V从USB头来的。
rovershie 发表于 2012-11-11 22:19 static/image/common/back.gif
nike兄，我也觉得1.6厚了点。1.0会不会支撑力不够啊？1.2是理想？
我就是做的1.2mm，已经足够了
支持下~
mark低先
期待中。。。支持
圆点博士微型四轴飞行器线路图之PCB部分：初步完成摆位图
lz我也来跟进吧，这几天一直在看，我手上也有小型的电机，做了个小四轴，就是太重了，主控板还没有开始着手！
楼主加油
rovershie 发表于 2012-11-13 14:14 static/image/common/back.gif
圆点博士微型四轴飞行器线路图之PCB部分：初步完成摆位图
两个晶振是不是用贴的好一点呢？49S又沉又占地方……
SCL_LCD不需要上拉么
另外R33是不是没必要
K.O.Carnivist 发表于 2012-11-13 17:34 static/image/common/back.gif
两个晶振是不是用贴的好一点呢？49S又沉又占地方……
SCL_LCD不需要上拉么
另外R33是不是没必要 ...
SCL_LCD用IO模拟，不用上拉，省个电阻。
R33的话，STM32 RESET可以不用R啊， RC可靠点吧。
usb还是用micro的吧，mini的大且沉，micro的线也好找一些，安卓手机基本都是micro的接口
rovershie 发表于 2012-11-13 14:14 static/image/common/back.gif
圆点博士微型四轴飞行器线路图之PCB部分：初步完成摆位图
感觉这样摆的话双面板很难布通啊 是不是版面要大一点
另：博士用什么软件画的PCB和原理图啊？ 颜色好特别
四个分叉能承担重量吗，老怕以后摔坏。
K.O.Carnivist 发表于 2012-11-3 21:02 static/image/common/back.gif
实际用的时候充电电流不需要这么高吧
一个电池只能飞最多10分钟，所以充电还是要快一些的好。1A太小了，现在都是10c充电的，一个小时能充4块电池。
rovershie 发表于 2012-11-13 14:14 static/image/common/back.gif
圆点博士微型四轴飞行器线路图之PCB部分：初步完成摆位图
我提个建议，不要用100脚的，用48脚的我感觉就够了。4路pwm，一路iic，两路串口。一路spi，6路遥控信号。别的能省就省吧，毕竟板子小了飞的时间长很多。
K.O.Carnivist 发表于 2012-11-13 17:34 static/image/common/back.gif
两个晶振是不是用贴的好一点呢？49S又沉又占地方……
SCL_LCD不需要上拉么
另外R33是不是没必要 ...
KO,有贴片晶振的尺寸规格图吗？
chengpiaopiao 发表于 2012-11-13 22:38 static/image/common/back.gif
usb还是用micro的吧，mini的大且沉，micro的线也好找一些，安卓手机基本都是micro的接口 ...
chengpiaopiao，有micro的尺寸规格文件吗？
xxd_9980 发表于 2012-11-14 00:14 static/image/common/back.gif
另：博士用什么软件画的PCB和原理图啊？ 颜色好特别
Allegro阿
ahuang227 发表于 2012-11-14 09:34 static/image/common/back.gif
我提个建议，不要用100脚的，用48脚的我感觉就够了。4路pwm，一路iic，两路串口。一路spi，6路遥控信号。 ...
用的是64脚的，刚好手上有。48脚的容易买吗。。
rovershie 发表于 2012-11-14 11:03 static/image/common/back.gif
KO,有贴片晶振的尺寸规格图吗？
比较习惯3225的。
另外MicroUSB不如MiniUSB好焊……
楼主的进度好快，看样快要可以去打板了
主控芯片上还有那么多空余的脚，用48脚的应该够用了
再减小点用36脚的也够, 或用32脚的M0
rovershie 发表于 2012-11-14 11:06 static/image/common/back.gif
用的是64脚的，刚好手上有。48脚的容易买吗。。
好像都差不多。64脚的应该是够小的了。
参加一下
STM32F103T8U6QFN36
留名，学习。
帮顶！！！
楼主，能搞套件一起玩吗 期待啊
弱弱个问题，电池 3.7V 的正常 芯片 工作电压 3.3 V芯片电源是直接用电池还是要过 LDO 可是LDO 3.3 的输入最小TLV1117-33 4.7V
我也要参加~~~STM32F103这个还比较熟悉
沈家兴 发表于 2012-11-14 16:46 static/image/common/back.gif
弱弱个问题，电池 3.7V 的正常 芯片 工作电压 3.3 V芯片电源是直接用电池还是要过 LDO 可是LDO 3.3 的输 ...
估计不是1117吧
而且这套芯片可以用2.8V