第10讲Part2多旋翼设计实践与经验

多旋翼设计实践与经验单位：北京航空航天大学无人机所教员：李/高级工程师/硕士生导师时间：2016年5月12日2主要内容一、无人机和航模二、开源飞控介绍三、多旋翼设计思路与实践四、pixhawk使用与调试一、无人机和航模

1.1

无人机

无人机是无人驾驶飞机的简称，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人的飞机。

早期经常使用的名称是RPV(

Remotely

PilotedVehicle)。

强调无人机在飞行过程中必须始终能在操控之下

近来经常使用的名称是U(

Unmanned

AerialVehicle)。4一、无人机和航模

1.2

无人系统

随着技术的发展与进步，现在还使用UAS(

Unmanned

AircraftSystem)这个名称，强调了无人机是航空器，而且是一个系统，美国联邦航空局（FAA）于2005年开始使用这个名字。无侦五、TU—4母机、地面站、牵引车5一、无人机和航模

1.2

无人系统

随着技术的发展与进步，现在还使用UAS(

Unmanned

AircraftSystem)这个名称，强调了无人机是航空器，而且是一个系统，美国联邦航空局（FAA）于2005年开始使用这个名字。6一、无人机和航模

1.2

无人系统

随着技术的发展与进步，现在还使用UAS(

Unmanned

AircraftSystem)这个名称，强调了无人机是航空器，而且是一个系统，美国联邦航空局（FAA）于2005年开始使用这个名字。7一、无人机和航模

1.3

与航模的区别8一、无人机和航模

1.3

与航模的区别

大疆“精灵”

按照：第2.6之规定：

本咨询通告不适用于无线电操作的航空模型，但当航空模型使用了自动驾驶仪、指令与控制数据链路或自主飞行设备时，应按照本咨询通告管理。9一、无人机和航模

1.3

与航模的区别•

功能专一•

专注娱乐•

性能专业•

大规模生产关注外观，成本•

可靠性，维修性，保障性，测试性，安全性，环境适应性。•

一定的自主功能增加可玩性10一、无人机和航模

1.3

与航模的区别

子曰：君君，臣臣，父父，子子。

欧洲人说：上帝的归上帝，拿破仑的归拿破仑。

个人观点：把玩具变回玩具，把无人机当作无人机。11二、开源飞控介绍

2.1误区

自主高大上，开源不值钱

如何用好开源技术12二、开源飞控介绍

2.2

什么是开源飞控

开源思想：开源就是“功能大家一起完善，Bug大家一起改，成果大家一起享有”。

开源软件，GPL协议和BSD协议13二、开源飞控介绍

2.2

什么是开源飞控

开源软件的发展逐渐与硬件相结合，产生了开源硬件。开源硬件的原则声明和定义是开源硬件协会(OSHWA)委员会和工作组以及更多的其他人员共同完成的。14二、开源飞控介绍

2.2

什么是开源飞控

所谓开源飞控就是建立在开源思想基础上的飞行自主控制器项目（Open

Source

AutoPilot），同时包含开源软件和开源硬件，而软件则包含飞控硬件中的固件和地面站软件两部分。光电平台管控设备导航系统综合检测系统任务设备管理管控设备管理导航控制管理检测控制与管理管理层飞行安全性管理遥控指令处理遥测参数收集多模态控制律数据链系统飞行性能管理飞控层飞行器平台管理飞行控制管理电气系统监控电气系统动力系统监控动力系统起落架监控起落架系统监控层15二、开源飞控介绍

2.3

开源飞控发展

第一代开源飞控系统使用Arduino或其他类似开源电子平台为基础，扩展连接各种MEMS传感器，能够让无人机能平稳地飞起来。

其主要特点是模块化和可扩展能力。16二、开源飞控介绍

2.3

开源飞控发展

第二代开源飞控系统大多拥有自己的开源硬件、开发环境和社区，采用全集成的硬件架构。

主要特点是高度集成、高可靠，其功能已经接近商业自动驾驶仪。17二、开源飞控介绍

2.3

开源飞控发展

第三代开源飞控系统将会在软件、人工智能以及云应用方面进行革新。加入集群飞行、图像识别、自主避障、自动跟踪飞行等高级飞行功能，向机器视觉、集群化、开发过程平台化的方向发展。18二、开源飞控介绍

2.4

Arduino飞控官网：arduino.cc主控：ATmega328P，R单片机，8位16MHz，发传感器：自主扩展，以MPU6000为主流，大多搭配MS5611气压高度计和HMC5883三轴磁场传感器，早期也有使用模拟陀螺和加速度计的配置开发环境：ARDUINO

1.6.5，适用于Windows、Mac

OSX和Linux操作系统19二、开源飞控介绍

2.5

APM飞控官网：ardupilot主控：ATmega2560，R单片机，8位16MHz，发传感器：

MPU6000陀螺和加速度计，BMP085或MS5611气压高度计，HMC5883磁场传感器开发环境：

ArduPilot-Arduino-1.0.3适用于Windows、Mac

OSX操作系统地面站：

Missonplanner20二、开源飞控介绍

2.6

PX4和PIXHawk官网：主控：STM32F427，STM32单片机，32位168MHz，硬件浮点传感器：MPU6000陀螺和加速度计，L3GD20陀螺，LSM303D加速度计和磁场，MS5611气压高度计，可外接HMC5883磁场传感器，可外接光流传感器开发环境：

PX4ToolchainInstallerv14，适用于Windows、Mac

OS

X和Linux操作系统地面站软件：Missonplanner，Qgroundcontrol21二、开源飞控介绍

2.7

OpenPilot和Taulabs官网：主控：，STM32F103或STM32F427，32位，72Mhz或168MHz传感器：

MPU6000陀螺和加速度计，

MS5611气压高度计，HMC5883磁场传感器开发环境：

gcc-arm-none-eabi-4_8，或qt-windows-opensource，适用于Windows、MacOS

X和Linux操作系统地面站软件：Openpilot

GCS，TaulabsGCS22二、开源飞控介绍

2.8

MultiWiiCopter（MWC）官网：主控：multiwiiATMega328P，R单片机，8位传感器：

MPU6050陀螺和加速度计，BMP085气压高度计，HMC5883磁场传感器开发环境：Arduino

IDE，适用于Windows、Mac

OSX和Linux操作系统地面站软件：MWCGUI23二、开源飞控介绍

2.9

KK飞控官网：kkmulticopter.kr主控：ATMega168PA，R单片机，8位三颗单轴MURATA

ENC-03RC陀螺传感器：24二、开源飞控介绍

2.10

Paparazzi（ppz）官网：主控：（禁止访问）STM32F105，STM32单片机，32位传感器：

Aspirin（IMU）扩展模块，包含MPU6000陀螺和加速度计，MS5611气压高度计，HMC5883磁场传感器开发环境：Paparazzi-dev和Paparazzi-arm-multilib，适用于ubuntu操作系统地面站软件：Paparazzi

Center25三、多旋翼设计思路与实践

3.1

明确设计输入，进行需求分析

应用场景

性能指标要求

六性要求26三、多旋翼设计思路与实践

3.1

明确设计输入，进行需求分析

应用场景

性能指标要求

六性要求水库巡视27三、多旋翼设计思路与实践

3.2

提出可行的总体技术方案

技术指标：项目指标1.6m备注轴距螺旋桨29inch高效率中空碳纤桨空机重量有效载荷航时4-7kg3-15kg35-65min0～30km/h3000m飞行速度升限高度抗风能力控制半径航摄功能0m（海平面）5级12km通视条件1200万-5000万像素1080p/6028三、多旋翼设计思路与实践

3.2

提出可行的总体技术方案

系统组成：29三、多旋翼设计思路与实践

3.3

性能计算

估算，以航时为例，涉及的参数有：

电池能量密度

电池容量

放电比例

电机力效（含桨）

空机重量

载荷根据电机厂家给出的试验结果确定30三、多旋翼设计思路与实践

3.3

性能计算

CFD计算31三、多旋翼设计思路与实践

3.3

性能计算Z=100mmZ=300mmZ=200mm三、多旋翼设计思路与实践

3.3

性能计算33三、多旋翼设计思路与实践

3.3

性能计算34三、多旋翼设计思路与实践

3.4

试验试飞

功能测试

遥控飞行能力

航线规划及装订能力

自动飞行（起飞、沿航线飞行、降落）35三、多旋翼设计思路与实践

3.4

试验试飞

性能测试

航时

抗风

载重36四、pixhaw

使用与调试

4.1

飞控使用

小批量

固定翼版

多旋翼版

军品级航空J30接插件版

MINI版37四、pixhaw

使用与调试

4.1

飞控使用

不同平台应用38四、pixhaw

使用与调试

4.1

飞控使用

不同平台应用39四、pixhaw

使用与调试

4.2

特点介绍

96个基础参数可供使用者调节

需要具备专业知识

自动控制、结构设计、空气动力、电气、导航等

经验的积累很重要

在试飞中发现问题，解决问题40四、pixhaw

使用与调试

4.3扩展参数调节41四、pixhaw

使用与调试

4.3

扩展参数调节

内环角速率

Rate

Roll,Rate

Pitch,Rate

Yaw

RATE_RLL_P默认是0.14，这是调参的第一步

RATE_RLL_I默认是0，调节稳态误差的

RATE_RLL_D默认是0.0025，调节稳态精度，过大容易振荡（0.001-0.02都是可以的）

调节方式：挂线。。。

调节方法是P和I同时调节，当油门感觉有抽动时，适当增加D42四、pixhaw

使用与调试

4.3

扩展参数调节

内环角度

STB_RLL_P

（StabilizeRoll/PitchP）默认4.5

即4.5度/秒的调整量，相对1度的误差。

目前该系统还支持自动调参即autotune，并且滚转，俯仰，航向都可以。

外环高度、水平位置43四、pixhaw

使用与调试

4.4

震动分析与排除

震动是影响飞控正常工作的重要因素

分析方法：vibe曲线44四、pixhaw

使用与调试

4.4

震动分析与排除

解决途径

调参

加减震器.

使用载荷.

共振点（Hz）.

共振倍率（dB）.

推荐使用频率（Hz）45四、pixhaw

使用与调试

4.5

EKF参数调节

EKF相对于传统简单补偿滤波算法的优点是可以剔除传感器的明显测量野值；另外EKF可以估计飞机本身的磁场偏量也可以估计地磁场的偏量。因此其结果比DCM和IN算法更加的可