多旋翼无人机二次开发 多旋翼无人机二次开发(现代职业)1_知识准备2系统配套飞控详细介绍

第二章系统配套飞控详细介绍

2.1硬件介绍

2.1.1嵌入式软件介绍

常见的嵌入式软件有Nuttx ，它是一种实时的嵌入式操作系统（RTOS），可以使用在微控制器的环境中。在Nuttx嵌入式系统中，较为常用的是卡尔曼滤波。卡尔曼滤波典型的应用，简单的讲，就是从一组有限的包含噪声的信号序列中预测出被测物体的位置坐标及其速度。跟踪目标时，测量所得目标的位置、速度、加速度的信号往往包含有噪声，卡尔曼滤波则可以去除噪声的影响，得到一个较好的目标位置的估计值。

捷联惯导是利用惯性传感器（陀螺仪、角加速度传感器及线加速度传感器）及其基准位置和初始位置信息来计算获得飞行器的位置、速度及加速度的信息的导航方法。

捷联惯导算法的基本过程为：

●初始化系统：给定飞行器的初始位置和初速度；校准数学平台；仪表校

准。

●误差补偿

●姿态矩阵计算。

●导航计算

●输出导航信息

图4.1 捷联惯导算法基本过程

惯性元件有固定的漂移率，这会给导航造成误差，因此捷联惯导系统还须采用指令、GPS或其组合等方式定时进行修正，以获取持续准确的位置参数。

2.1.2安装与调试

安装：飞控应该在多旋翼平面的几何中心，并固定在减震器上；连线：见下图。

图4.2 飞控接口

图4.3 飞控接线标注

●在安装完飞控之后（安装前也可以），我们就需要开始使用地面站软件，也就是Mission Planner（下面使用缩写：MP）来对飞控上的很多传感器进行调试和校准。下面我们将详细介绍MP软件的使用。

●将飞控和电脑用数据线连接。在烧录固件完成之前不要点击右上角的连接按钮。

图4.4 MP软件界面

●固件升级：最开始的工作就是往飞控内烧录多旋翼飞行器固件，也就是固件升级。在MP的主界面的左上角有一排按钮，我们仅仅使用前四个按钮。

●点击初始设置，将看到很多图标。

图4.5 烧写固件

●选择第三个图标（多旋翼飞行器）

图4.6 确认刷新固件

●点击Yes开始上传固件。

图4.7 烧写固件中

●固件烧录完成！

我们第一次使用配套飞控时，也可以通过向导来烧录固件。点击向导。注意，此时飞控出于断开状态。

图4.8 烧写完成●选择第三个Multirotor，单击下一步。

图4.9 根据向导设置●选择多旋翼飞行器，单击下一步。

图4.10 根据向导设置

●在下拉菜单中选择飞控在电脑中对应的COM口，单击下一步。

图4.11 根据向导设置

●此时电脑开始向飞控中烧录固件。

传感器校准：我们会利用MP中的传感器校准向导来完成飞控上的传感器校准。

图4.12 设置机架类型

●点击左上角的多旋翼飞行器标志。下一步。

●这是加速度计校准界面。单击Start开始校准。按照指示一步一步做。直到调试完成，单击下一步。

图4.14校准加速度计传感器

图4.16校准加速度计传感器

图4.17 校准加速度计传感器

图4.18 校准加速度计传感器

图4.19 校准加速度计传感器

完成加速度计调试之后，单击下一步。我们将开始罗盘校准。

图4.20 准备校准罗盘

●单击Live Calibration 开始校准。我们将会看到屏幕上弹出一个窗口。

图4.21 校准罗盘

●此时，我们将绕着飞控的XYZ三个轴充分旋转。直到坐标轴周围被点包围住为止，点击Done。单击下一步，并跳过电源显示器设置，直到遥控器通道校准界面。

图4.22 准备校准遥控

●单击continue，开始校准遥控器各个通道。

图4.23 校准遥控

●此时晃动遥控器上各个摇杆使其达到其上下左右端点以及每一个挡位。然后单击下一步，开始选择飞行模式。如下表调整选项，单击保存模式，并跳过剩下的所有步骤完成向导设置。

图4.24设置飞行模式

2.2、设置飞行模式和试飞

这里我们选择三种模式：增稳模式，定高模式，自降模式。

2.2.1、Stabilize mode增稳模式：

增稳模式是飞控的基本模式，不控的时候飞机的航向俯仰和横测由飞机保持稳定，操纵的时候直接对飞行器姿态进行操作。油门直接由操控手操作。需要注意的是，此模式是飞控姿态控制功能的基本能体现，在进行所有其他模式之前，应该首先对此模式进行调试和试飞。起飞时，由于气流的的涡旋地效，飞行器离地瞬间会有姿态乱的时候，需要小心。

2.2.2、Altitude Hode定高模式

当切换到此模式的时候，飞行器自动保持当前飞行高度，俯仰、横滚和航向则由遥控器控制。这个模式是很多其他飞行模式的组成部分，非常重要。需要注意的是，飞空使用气压传感器来控制高度，如果因为天气变化导致起亚传感器输出发生变化，飞行器的高度也会随之改变。如果飞行器安装并启动的超声波传感器，当飞行高度降低到79米左右时则使用该传感器进行高度控制。

2.2.3、Land mode直降模式

进入直降模式后，飞行器首先以设定的速度下降至10米高度，然后以默认0.5m/s的速度继续下降，直至判定飞行器落地，自动关闭电机。在下降的过程中，飞行器的俯仰和横测可控。

2.3、PID参数的调整

PID参数的调整是飞控调试中最难的环节。说起来 PID 算法已经有七八十年的历史了，是目前应用最广泛的控制律算法，没有之一。因为其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。

图4.25 PID参数设定界面

这是配套飞控在MP中的PID参数调整页面。

其中上面的一排数据就是飞控位置环的调整参数。

图4.26 PID参数

当我们使用遥控器想让飞机向前运动的时候，就是这组PID值来控制飞机的坐标参数，因此叫做位置环，也称作外环。相对应的，在运动过程中控制飞行器姿态稳定的PID控制参数叫做姿态环，也叫做内环，下图为内环PID以及七八通道的额外功能开关。

图4.27 PID参数

PID 算法里面需要调参的就是 P、I、D 这三个参数，也就是调整者三种反馈信息在控制律中所占的比重。P 调整控制力度，P 作用越大手抬得越快，但是太快就难停下，造成来回找目标点变成抖动；I 是调节误差的，可以使运动更加精确，但是会使控制过程变慢；D 的作用是提供运动的预测，根据预测预先控制，可以在即将到达目标的情况下减小超过的幅度（这个叫做超调），从而加快整个过程。

图4.28 PID原理

初始参数建议大家使用飞控所带的参数就可以了，一般问题不大；调整顺序一般先调整参数P，再加入I，至于D 则很少用到。

如果飞机振动很强烈，就需要将P值减小。相反，如果飞机的姿态调整很慢那么就需要将P值增大，直到飞机的振动很“硬”。如果飞机在空中不定向的漂浮，则适当增加I值。

在实际调参过程中多旋翼最常出现的问题就是爬、抖、晃。

■爬

所谓“爬”指的是飞机在地上蹭来蹭去，蹭来蹭去，就是不起飞；你给大油门飞机就干脆翻个不玩儿了。

根据纯经验，减小 I 的数值可以解决问题。

■抖

所谓“抖”指的是飞机起飞后，高频抖动，电机的声音就像得了帕金森。

根据前面的内容，这基本上就是 P 过大造成的不断高速超调，所以减小 P 的数值基本上可以解决这个问题。

■晃

所谓“晃”指的是飞机飞起来一切感觉良好，但是你让它一挪地方，它就在那里刷碗，晃晃再稳定住。

根据经验，I 的数值还是大了，造成过程极其缓慢，所以适当减小 I 可以解决问题。

2.4 软件开发及环境介绍

安装java虚拟环境：安装步骤如下：

■在 JAVA 网站上点击"免费下载"。（注意：必须安装 32 位 JAVA 环境）

图4.29 Java下载界面

■点击"同意并开始免费下载"。

■下载完成后双击启动安装。

■选项全部选择 OK。

■当显示"Welcome to Java"窗口是点击"安装"。

■取消选择"Install the Ask Toolbar"，继续安装。

■显示"You Have Successfully Installed Java Window"表示安装完成，关闭窗口。

图4.30 Java安装界面

在 windows PC 上安装 PX4 Tool Chain 和 Git 的步骤：

■下载 930M 左右的 PX4 Tool Chain。

■运行 px4_toolchain_install。

■运行提示对话框按确定。

■在版权对话框点击"I Agree"。

■安装选项直接点击 next。

■在"Choose Install Location"中选择你需要的安装路径，推荐 C:\px4\，点击安装。

■其他选项全部选择 OK。

■完成安装后点击"Close"。

■下载 Git。

■运行安装程序，选择"Download for Windows"，完成安装

图4.31 PX4安装

图4.32 PX4安装中