基于STC15W408AS的四轴飞行器

lcw_swust · 发表于 2015-2-6 21:52:11

本帖最后由 lcw_swust 于 2015-2-7 14:30 编辑

取这个标题是因为这里所用的单片机只有一个型号：STC15W408AS。
遥控器是游戏手柄改装的，不太好控制油门。
采用NRF24L01P作无线传输，在250Kbps的无线速率下通信距离还行。
无线模块单独加了个单片机做成了无线串口模块。
电机是新西达A2212 KV1000，1147桨。
传感器为MPU6050+HMC5883L+BMP180，三个模块用排针串在一起，貌似比那种一体的模块便宜。
电池为2S的2200mAh。
机架以木头为主，据说这种木料叫“子弹线”，或“子弹头”。
飞行器整机重量约800g,做这个飞行器的费用约500。

今天总算飞得比较稳了，可惜充电器不给力，试飞时电量不足，
只飞了约半米高。
（电调参考帖：http://www.amobbs.com/thread-5602945-1-1.html）

－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
2月7日添加：
现补上今天的飞行视频：

由于今天风大，最后飞机掉下来了，有一条机臂与主板连接处裂开了。

lcw_swust · 发表于 2015-2-14 16:45:41

本帖最后由 lcw_swust 于 2015-2-16 10:16 编辑

2015.02.14：
今天把飞控程序改进了一下，主要是改进PID算法。
PID算式中增加角加速度项，使得控制更稳定；
修改PID参数，加大P，减小I，“打舵跟随效应”有所提高。

先看看原来的程序：
mot_dx＝Pidx_p*err0+Pidx_i*temp_i+Pidx_d*(err0-err1);
系数Pidx_p与Pidx_i都不能取大，稍大一点就会振荡；
所以这两个参数都取得很小，导致“打舵跟随效应”极差；
虽然Pidx_d有抑制振荡的作用，但是Pidx_d过大也会引起振荡。

改进后的核心算法：
（此为简化代码，与实际代码略有差异）
void DoPid_x(void)
{
static S16 temp_i;//积分
static S16 deg1,degv1;//上次角度，上次角速度
S16 err0,degv0;//本次误差、本次角速度
err0=GyDegX-set_x+300;//计算角度误差
degv0=GyDegX-deg1;//计算角速度
temp_i=temp_i+err0;//积分
mot_dx=err0*Pidx_p+temp_i*Pidx_i+degv0*Pidx_d+(degv0-degv1)*Pidx_d2;
deg1=GyDegX;//保存角度，用于计算角速度
degv1=degv0;//保存角速度
}
现在的mot_dx的组成：角度比例+角度积分+角速度（或角度微分）+角加速度（或角度二次微分）。
这个式子不知道能不能算作“串级PID”，总之效果好就是了。
下面说说各参数对于控制的影响：
Pidx_p：取大了易引起振荡，值小了又会使得“打舵跟随效应”差，需要从小到大寻找合适的值；
Pidx_i：比Pidx_p更易引起振荡，所以尽量取小，甚至可以取为0，因为人可以操作遥控器来补偿静差；
Pidx_d：取大些可以抑制振荡，取太大也会引起振荡，需要从小到大寻找合适的值；
Pidx_d2：取大些可以抑制振荡，取太大会造成mot_dx的剧烈波动，需要从小到大寻找合适的值。

整定方法：
Y方向的两个无刷电机的串口线拔掉，只让X方向的无刷电机受控；
飞行器放于桌面，用手略微抬起Y方向的一端，让X方向有一定的摆动空间。
1.Pidx_p、Pidx_i、Pidx_d2归0，Pidx_d慢慢增加，晃动机身，感觉到机身能产生较大阻力即可。
2.Pidx_d2慢慢增加，感觉机身能迅速产生较大阻力即可。
3.Pidx_p慢慢增加，直到机身能迅速转动到设定的角度且不振荡即可。
4.Pidx_i慢慢增加，直到机身不振荡即可；若有振荡，则减小Pidx_p，或增加Pidx_d、Pidx_d2。

感谢坛友及校友：makeflyeasy
看了makeflyeasy的程序，受益良多。

今天又断了个桨，幸好买了备用的。

lcw_swust · 发表于 2015-2-15 21:03:14

本帖最后由 lcw_swust 于 2015-2-16 10:22 编辑

在飞行器底部绑上一个手机，用于航拍：

HYLG · 发表于 2015-2-6 22:09:17

高手在民间，国产化程度超高呀。

登云钓月 · 发表于 2015-2-6 22:15:28

这一家伙摔断了岂不是要心疼死了。

doujiang · 发表于 2015-2-6 22:16:35

楼主动手能力超强，牛叉！

lcw_swust · 发表于 2015-2-6 22:37:52

登云钓月发表于 2015-2-6 22:15
这一家伙摔断了岂不是要心疼死了。

是啊，昨天试飞时摔断了一个桨。
而且这东东不好控制，稍一倾斜就跑得飞快，相当危险。

eva · 发表于 2015-2-6 22:40:07

给木板上打孔是为了减轻重量吗？

foxpro2005 · 发表于 2015-2-6 23:21:36

非常佩服lcw_swust大侠的动手能力，目测还是要花点精力的，不是一两天可以搞定的，很好奇一天哪有那么多的时间来折腾？

Hearthbeats · 发表于 2015-2-6 23:27:58

前辈，又开始自己DIY了，真牛逼啊，什么玩意儿都自己做，佩服

lintel · 发表于 2015-2-6 23:46:17

不易，不易！就那4条木头的弄成要大把时间呀。顶起行动派的DIY，佩服

lcw_swust · 发表于 2015-2-7 07:53:32

eva 发表于 2015-2-6 22:40
给木板上打孔是为了减轻重量吗？

是的，也有略微减小对螺旋桨的风阻的作用。

lcw_swust · 发表于 2015-2-7 07:54:45

foxpro2005 发表于 2015-2-6 23:21
非常佩服lcw_swust大侠的动手能力，目测还是要花点精力的，不是一两天可以搞定的，很好奇一天哪有那么多的 ...

上班时偶尔不忙，就“不务正业”了一把。

lcw_swust · 发表于 2015-2-7 07:56:38

lintel 发表于 2015-2-6 23:46
不易，不易！就那4条木头的弄成要大把时间呀。顶起行动派的DIY，佩服

是啊，钻孔钻了半天，而且钻到底的时候得慢，不然很容易带出毛刺。

瑞生 · 发表于 2015-2-7 12:03:28

楼主是个DIY高人

lcw_swust · 发表于 2015-3-4 15:49:05

2015.03.03：
由于假期把机架摔坏了，现在重新做个更结实的。
用的是不锈钢，大小与之前的木条差不多，只是略重一点。

makeflyeasy · 发表于 2015-3-4 21:23:19

lcw_swust 发表于 2015-3-4 15:49
2015.03.03：
由于假期把机架摔坏了，现在重新做个更结实的。
用的是不锈钢，大小与之前的木条差不多，只是 ...

亲，我现在的四轴已经能各种暴力动作稳定做了，没有任何抖动，3楼手抛起飞完全没有压力，欢迎来东五3楼嵌入式实验室参观交流。校友可以赠送套件哦。

lcw_swust · 发表于 2015-3-4 21:35:34

makeflyeasy 发表于 2015-3-4 21:23
亲，我现在的四轴已经能各种暴力动作稳定做了，没有任何抖动，3楼手抛起飞完全没有压力，欢迎来东五3楼嵌 ...

好的。
其实我买了OV7670摄像头模块，准备通过图像处理来实现悬停。

cqfeiyu · 发表于 2015-3-4 22:01:52

牛

mandylion2008 · 发表于 2015-3-4 23:07:01

力挺楼主。
交流一下，我玩玩具四轴时，油门可以精确控制的，可以很好的悬停，建议楼主改进一下，做玩具的还是挺有两把刷子的，很佩服。

lcw_swust · 发表于 2015-3-5 09:13:56

mandylion2008 发表于 2015-3-4 23:07
力挺楼主。
交流一下，我玩玩具四轴时，油门可以精确控制的，可以很好的悬停，建议楼主改进一下，做玩具的 ...

原来玩具四轴也这么牛？可惜我没玩过呢。
但是它不怕风吹么？
而且我的手比较笨，不会太精细的操控。
我想要达到的目标是让第一次操作的人也能很好的控制，就像操作玩具车一样。
理想中的遥控器只有按键，没有电位器，一按就动，不按就悬停。

mandylion2008 · 发表于 2015-3-5 09:55:27

本帖最后由 mandylion2008 于 2015-3-5 10:01 编辑

lcw_swust 发表于 2015-3-5 09:13
原来玩具四轴也这么牛？可惜我没玩过呢。
但是它不怕风吹么？
而且我的手比较笨，不会太精细的操控。

确实是这样的，但是不同厂家用的方案不同效果有天上地下的差别。
我买的第一个真的可以精细调节油门来悬停.但第二个就不行，还是一个厂家生产的，可能为了降低成本用了便宜的方案公司的设计，稍微加油门就撞天花板，稍微减油门就直接撞地，本来想多买两个做研究备用的，都买不到了，很遗憾！

你的想法就是大疆现在的精灵能做到的，希望你继续改进，给我们大家看看，我也对四轴比较感兴趣。
电位器还是要的，通过调节电位器，精灵可以做到精细的俯仰横滚角度来决定水平速度，可以慢慢移动，我亲自试过的，用它离地半米在人行道上吹起很大的灰尘，很好玩，但别人觉得会很讨厌

希望对你有用。

chunyu · 发表于 2015-3-13 13:09:34

这个厉害学习

水缸仔 · 发表于 2015-3-13 13:15:25

奇葩啊！！！

yunhuisong · 发表于 2015-3-13 13:23:53

为了安全操作砂轮机或钻台千万别带这种手套！！！

xiangbin099 · 发表于 2015-4-9 09:26:20

楼主威武，实在佩服。

夏日么么茶 · 发表于 2015-4-12 11:23:01

不错，很霸气

chaojikoushuige · 发表于 2015-4-21 15:01:21

姿态解算用的是什么算法

wkman · 发表于 2015-4-21 15:35:13

买一个150￥的四轴玩具，，，然后拆掉它的飞控，装上自己的去玩？？省得去折腾机架哪类结构件很烦人，，

lcw_swust · 发表于 2015-4-21 15:39:56

chaojikoushuige 发表于 2015-4-21 15:01
姿态解算用的是什么算法

目前的算法很笨：
由重力传感器得到的atan角度与陀螺仪累加得到的角度进行“互补滤波”得到角度。

lcw_swust · 发表于 2015-4-21 15:51:19

wkman 发表于 2015-4-21 15:35
买一个150￥的四轴玩具，，，然后拆掉它的飞控，装上自己的去玩？？省得去折腾机架哪类结 ...

你说的是小四轴吧，空飞杯有刷电机，寿命以及载重能力都不行。
我这个可以载个手机的，发展空间比较大。

lcw_swust · 发表于 2015-8-3 10:22:11

本帖最后由 lcw_swust 于 2015-8-3 10:23 编辑

本次对机架做了较大修改：
将机架做成工字型，且前后桨约有1/4面积的重叠，看起来比较紧凑。

PID算法的改进：
mot_dx=err0*Pidx_p+temp_i*Pidx_i+degv0*Pidx_d+(degv0-degv1)*Pidx_d2;
degv0在前一版本用的是陀螺仪与加速度传感器融合之后的数据，存在较大的抖动
且不够精细，现在degv0直接用陀螺仪的数据，效果很好，且姿态解算与PID的
频率均改为100Hz,现在的飞行器比以前稳定多了，不会有晃动，打舵响应也不错。

各单片机的波特率均改为38400,改正了无线串口的一个BUG。
目前仍存在的问题是不容易悬停，主要是没有作定高处理。
看来还是应当把加速度和气压计用上。

关于姿态解算：
我用的比较笨的办法，将重力作为三维向量，陀螺仪的数据用来对这个三维向量
进行旋转，二者再将座标进行互补滤波。
旋转公式参考《欧拉角的求取与互补滤波器在姿态解算中的应用.pdf》
关于矩阵什么的我就不多说了，还要注意是否要加负号。

//----------------------------------最初的公式
Mpu_Gx=-Mpu_Gx;//角反向
Mpu_Gz=-Mpu_Gz;
sx=sin((float)Mpu_Gx/GYDIV*3.14/PIDEG);//求各角的正余弦
sy=sin((float)Mpu_Gy/GYDIV*3.14/PIDEG);
sz=sin((float)Mpu_Gz/GYDIV*3.14/PIDEG);
cx=cos((float)Mpu_Gx/GYDIV*3.14/PIDEG);
cy=cos((float)Mpu_Gy/GYDIV*3.14/PIDEG);
cz=cos((float)Mpu_Gz/GYDIV*3.14/PIDEG);
//旋转公式
GAX=cz*cy*GAX+(-sz*cx-cz*sy*sx)*GAY+(sz*sx-cz*sy*cx)*GAZ;
GAY=sz*cy*GAX+(cz*cx-sz*sy*sx)*GAY+(-cz*sx-sz*sy*cx)*GAZ;
GAZ=sy*GAX+(cz*sx)*GAY+(cy*cx)*GAZ;
//----------------------------------旋转公式的简化
//(cx=cy=cz=1，sx*sy=0，sin(x)=x)(角度极小的情况)
x=Mpu_Gx;
y=Mpu_Gy;
z=Mpu_Gz;
GAX=GAX+z*GAY/SINDIV+(-y)*GAZ/SINDIV;
GAY=(-z)*GAX/SINDIV+GAY+x*GAZ/SINDIV;
GAZ=y*GAX/SINDIV+(-x)*GAY/SINDIV+GAZ;
GAX=(GAX*49+AX_av*100)/50;//互补滤波GAX~AX_av*100
GAY=(GAY*49+AY_av*100)/50;
GAZ=(GAZ*49+AZ_av*100)/50;

复制代码

wanyyxum · 发表于 2015-8-3 22:30:49

谢了，很好的东西，最近也想玩玩小四轴，正苦于资料的查找！

amu · 发表于 2015-8-4 10:53:43

牛人，MARK备用

15989357794 · 发表于 2015-12-23 00:10:39

楼主的太利害了，都是自己做东西。

xl1736 · 发表于 2016-3-25 16:57:06

请问楼主哪里人，有空的话大家可以一起搞搞DIY

lcw_swust · 发表于 2016-3-25 18:45:03

xl1736 发表于 2016-3-25 16:57
请问楼主哪里人，有空的话大家可以一起搞搞DIY

绵阳，现在在做固定翼：

戴风海 · 发表于 2016-4-3 20:25:11

好叼的楼主

ergou1896 · 发表于 2016-4-21 08:43:28

NB啊！一直想做！就是脱不开身!佩服!

videofun · 发表于 2016-4-24 10:48:26

资料太好了，谢谢LZ

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