第4章-4.3-电机-四轴飞行器VIP

,四轴研究背景,1,2,4,基本原理,程序流程,3,硬件组成,1.四轴研究背景,无人机主要包括两大类：固定翼无人机和旋翼无人机。旋翼无人机在许多方面要优于固定翼飞行器：具有更高的自由度、低速飞行的能力、悬停、室内应用等。四轴飞行器作为旋翼无人机中的佼佼者具有其他飞行器难以比拟的优点：可垂直起降；执行精确缓慢的运动、悬停；拥有更大的载荷量和良好的操控性；能以各种姿态飞行，如前飞侧飞和倒飞；尤其可以在多障碍和狭小的空间穿越飞行。这些优势使四轴飞行器在执行搜救、侦察、航拍等任务方面游刃有余，决定了四轴飞行器具有更广阔的应用前景。,2.基本原理,四轴飞行器：四轴飞行器是微型飞行器的其中一种，它利用有四个旋翼作为飞行引擎来进行空中飞行,坐标系介绍,地理坐标系（导航坐标系），简称G系，原点设在载体重心，Xg轴指向东，Yg轴指向北，Zg轴沿地垂线指向天。,载体坐标系，简称B系，原点设在载体重心，Yb指向载体纵轴的方向，Zb指向载体竖轴的方向，Xb指向载体右侧,飞行力学原理,3.硬件组成,传感器与控制芯片用IIC通讯,蓝牙与控制芯片用串口通讯,控制芯片捕获接收机PPM信号,控制芯片输出PWM控制电调,电子调速器：通过电子调速器可以控制电机的转速,陀螺仪：三轴陀螺仪，测量绕三个轴的角速度,加速度计：三轴加速度计，测量在三个轴上的加速度分量,直流无刷电机：无电刷和换向器，可通过电调用直流驱动的电机,传感器选型,加速度传感（ADXL345）是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，且是一款数字加速度计，分辨率高(13位)，测量范围达16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI(3线或4线)或I2C数字接口访问。陀螺仪传感器（L3G4200D）它是一种低功耗三轴陀螺仪提供三个不同的用户三种可选全尺度(250/500/2000dps)、I2C/SPI数字输出接口、16比特率值数据输出。此外它其中还嵌入省电和睡眠模式和具有高冲击生存能力。地磁传感器（HMC5883）是一种贴片封装高集成度的模块，并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等领域。此外，HMC5883包括先进的高精度HMC118X系列阻磁传感器，带有偏差校正和12位AD转换器，能使精度控制在12度范围内，同时通过IIC与外界通信。综上所述：三种传感器都是数字输出，至少为12AD转换数据，且采样速率均大于100HZ，满足系统设计要求，且三个模块均可用IIC通信，便于MCU对数据的采集。,加速度计易受干扰，陀螺仪积分又飘移，故单独使用无法算出姿态角，需要两者（相互调整）来确保航向的正确。获取的姿态角是载体相对于导航坐标系的量，为了求解姿态角，要弄清楚载体坐标系与导航坐标系（地理坐标系）的关系,实物图,设计参数：对角电机距离65cm机体重量1.52kg（带电池）采样/控制频率100HZ调试手段：串口/蓝牙控制方式：遥控,4.程序流程,流程图,三轴惯性导航姿态解算示意图,kalman滤波算法,卡尔曼滤波器用反馈控制的方法估计过程状态：滤波器估计过程某一时刻的状态，然后以（含噪声的）测量变量的方式获得反馈。因此卡尔曼滤波器可分为两个部分：时间更新方程和测量更新方程。时间更新方程负责及时向前推算当前状态变量和误差协方差估计的值，以便为下一个时间状态构造先验估计。测量更新方程负责反馈也就是说，它将先验估计和新的测量变量结合以构造改进的后验估计。时间更新方程也可视为预估方程，测量更新方程可视为校正方程。最后的估计算法成为一种具有数值解的预估校正算法。,卡尔曼滤波的算法流程,1.预估计X(k)=F(k,k-1)X(k-1)2.计算预估计协方差矩阵3.C(k)=F(k,k-1)C(k)F(k,k-1)+T(k,k-1)Q(k)T(k,k-1)4.Q(k)=U(k)U(k)5.计算卡尔曼增益矩阵6.K(k)=C(k)H(k)H(k)C(k)H(k)+R(k)(-1)7.R(k)=N(k)N(k),8.更新估计9.X(k)=X(k)+K(k)Y(k)-H(k)X(k)10.计算更新后估计协防差矩阵11.C(k)=I-K(k)H(k)C(k)I-K(k)H(k)+K(k)R(k)K(k)12.X(k+1)=X(k)13.C(k+1)=C(k)14.重复以上步骤,电机转动、不带桨、机体静止时KALMAN滤波前后结果对比图,电机转动、不带桨、机体运动时KALMAN滤波前后结果对比图,无人机哪家强？1DJI大疆创新（中国）23DRobotics（美国）3Parrot/派诺特（法国）4AscTec（德国）5Microdrones6亿航EHANG7零度（中国）8极飞9AEE一电10PowerVision,11智能鸟12红鹏13FlytrexSky14Skycatch15华科尔16独角兽FPV17澄星18YUNEEC19其他,1.DJI大疆创新大疆无人机，恐怕是无人不知无人不晓了，据说汪头条贡献了不少力。不过在那之前，大疆就已经卖得很好了。据路透社的统计，大疆创新的产品在美国商用无人机市场（这里应该指的是消费级无人机）占据领先地位，市场份额达47%，遥遥领先于排名第二的竞争对手。而在全球商用无人机市场中，大疆更是独领风骚，一举夺得近70%的市场份额。对大疆，30%的营收来自美国，30%来自欧洲，30%来自亚洲，其余的来自拉丁美洲和非洲。,大疆现在卖得最火的是精灵（Phantom）系列，上图汪滔前面那个就是精灵3。为啥卖得火呢，因为便宜又好用，到手即飞。Phantom3自带云台相机，有室内定位系统，失控保护。价格为6,000到7,500多。Phantom2就便宜一些，单机3,000，加上云台再贵1,000多。悟（Inspire）系列比较高端，卖20,000，号称“行业领先技术打造，集机身变形、360全景拍摄的4K相机、实时高清图传、双遥控系统、智能app为一体的航拍飞行平台”。大疆近期推出了开发者套件：经纬(Matrice)M100（20,000元），Guidance视觉传感导航系统(6000元)，OnboardSDK。Guidance能自动避障。整套下来价格也是不菲。,2.3DRobotics3DRobotics是北美最大的面向个人用户的无人机厂商，是大疆在北美最大的竞争对手。它的首席营收官正是大疆北美分公司的前负责人。3DRobotics今年4月发布的Solo无人机，号称“精灵”杀手，“Solo,poweredbytwin1GHzcomputers,istheworldsfirstsmartdrone”，还有“followme”功能，只在北美区域卖，价格1,000刀。长这样：,3.Parrot（派诺特）法国的Parrot、中国的大疆以及美国加州的3DRobotics在消费类无人机领域形成了三足鼎立的格局。Parrot公司设计、研发和销售与智能手机和平板电脑相关的高科技应用产品，并提供汽车制造和城市无人机领域的高科技解决方案。派诺特曾以无线、语音、蓝牙和车载环绕音响等产品闻名，如今又以消费级无人机著称。Parrot的热门产品有：100美元的RollingSpider，一款可拍照的、会爬墙的四轴飞行器；旗舰无人机Bebop，售价500美元，是大疆和3DRobotics同类产品售价的一半；25000美元的畅销无人滑翔机eBee，可用来监控作物生长情况和测绘建筑工地。下图为Bebop的样子。,4.AscTec雷锋网上说：AscTec与大疆、Parrot、3DRobotics成为最大的四家四轴飞行器品牌，AscTec为德国Ascending公司旗下的无人机品牌。根据AscTec网站的描述，他们走“ResearchLine”和“ProfessionalLine”两条路线。,5.Microdrones这又是一家德国的公司，专门生产轻型垂直起降机(VTOLs,VerticalTakeOffandLandingVehicles)。看Microdrones网站，他们做行业应用比较多，搜救，检查，安保，监控，测绘，航拍等。今年5月份，他们的md4-1000用在了中国南海区域，参与“JointOperation2015ofComprehensiveLawEnforcement,SurveillanceandScientificResearchintheSouthChinaSea”。做的大概就是从船上起飞，去拍小岛，去拍非法船只，“赢得了有关部门和专家们热烈的掌声”。飞机放飞的样子是这样的：,6.亿航EHANG公司全称：广州亿航智能技术有限公司他们的代表产品是Ghost，主打“傻瓜无人机”，用手机App操控，可以指点飞行，有跟随功能。最近亿航联手百度外卖在北京试水无人机送外卖，高峰期30分钟内送达。不同配置价格从3,000多到近5,000不等。Ghost航拍版长这样：,7.零度公司全称：零度智控（北京）智能科技有限公司深圳零度智能飞行器有限公司据称零度在专业航拍市场占据大概三分之一的市场，多部知名的影视作品出自零度航拍器的镜头。卖专业航拍系列产品。零度消费级产品代表Xplorer系列，被誉为装“X”利器。可用app控制，能智能跟随拍摄，360环绕拍摄。价格2,500到4,000不等。长这样：,8.极飞公司全称：广州极飞电子科技有限公司极飞在农业产品方面非常厉害，看故事可看。XPlanet“极飞农业P20无人机”系统是极飞科技在2015年推出的全新智能农业无人机解决方案。产品还有“Xmission极侠”，全天候多功能商用无人机系统，可用于安防巡视，消防救援，电力检修，低空物流，环境保护，农业监测。极飞近期也在研发物流无人机，此前轰动一时的淘宝实验无人机送货，用的极飞的产品。顺丰也与极飞有合作。农业无人机长这样：,9.AE