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航模基本概念扫盲

嵌入式 admin 4年前 (2015-06-27) 1759次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

人类从来就有一个飞行的梦想,从风筝到竹蜻蜓,从热气球到莱特兄弟,从空客A380到航天飞船。也许这个梦想就是从孩子手中小小的航模飞机开始种下的种子,等待某一天梦想的实现。

最基本,最原始的,那才是以后腾飞最重要的助推剂。本章将会为你介绍航模中最基本最常见的概念。

航模术语部分涉及到大四轴。如果大小四轴有区别的,会特别说明,谁叫我们Crazepony是小四轴呢。

飞控篇

  • 飞控:飞控指飞行器的电子控制部分,硬件包括传感器部分惯性导航模块和控制部分的MCU。软件包括控制算法等。

  • pitch,yaw,roll:指三维空间中飞行器的旋转状态,对应中文分别是俯仰,航向,横滚。

  • 惯性导航模:简称IMU,陀螺仪传感器和加速度传感器提供的三轴运动数据模块。

  • 运动感测追踪:英文Motion Tracking。

  • 地理坐标系:指地球所在的坐标系,这个坐标系是固定不变的,正北,正东,正上方分别表示X,Y,Z轴。

  • 姿态解算:英文attitude algorithm,也叫做姿态融合。姿态解算是指把陀螺仪、加速度计、罗盘等的数据融合在一起,得出飞行器的空中姿态。

  • 深度解算:也叫做长期融合。

  • 快速结算:也叫做快速融合。

  • 四元数

桨叶篇

  • 射桨:飞行器的螺旋桨因为旋转时转速太高,超出了旋翼所承受拉力的设计值时,桨根断裂,由于旋转时的巨大惯性,残桨像炮弹破片那样高速飞出去,威力很大(相对来说),会打伤人,所以形象的称为“射桨”。有时旋翼固定螺丝松脱或碰到异物导致旋翼断裂也会导致射桨。

电机电调篇

  • 有刷/无刷电机:有刷电动机是内部含有换相电刷的电动机,无刷电机则不需要电刷。

  • 空心杯电机:coreless motor,属于直流、永磁、伺服微特电机。空心杯电机在结构上突破了传统电机的转子结构形式,采用的是无铁芯转子。

  • 电调:电调全称叫做电子调速器,英文electronic speed controller,简称ESC。用于控制电机的转动,停止,以及转动速度。

遥控器篇

电池充电器篇

  • 航模电池:航模上使用的锂电池,需要有较高的放电能力,一般以单位C表示,这是普通锂电池和航模锂电池最重要的区别。例如Crazepony就是使用25C的350mAh锂电池。

  • 电池容量mAh:表示电池容量,如1000mah电池,如果以1000ma放电,可持续放电1小时。如果以500mh放电,可以持续放电2小时。

  • 电池节数2s/3s/4s:代表锂电池的节数,锂电池1节标准电压为3.7v,那么2s电池,就是代表有2个3.7v电池在里面,电压为7.4v。对于小四轴,一般就是使用一节3.7v电池就可以。

  • 平衡充电:对于多节组合的电池,如3s电池,内部是3个锂电池,因为制造工艺原因,没办法保证每个电池
    完全一致,充电放电特性都有差异,电池串联的情况下,就容易造成某些放电过度或充电过度,充电不饱满等,所以解决办法是分别对内部单节电池充电。动力锂电
    都有2组线,1组是输出线(2根),1组是单节锂电引出线(与s数有关),充电时按说明书,都插入充电器内,就可以进行平衡充电。对于只有一节电池的小四
    轴,不存在这个平衡充电问题。

其它

部分内容参考了Taculee博客四轴飞行器基础入门

大四轴 VS 小四轴

按照四轴飞行器的大小,我们粗略的将四轴飞行器分为大四轴和小四轴。其有很多部分是相同的,例如飞控部分基本一样;但是又有区别,例如动力部分(包括电机和电机驱动)就可能完全不相同。作为四轴飞行器爱好者,我们当然需要知道DIY大小四轴的区别。

当然,Crazepony是一个小四轴。

大四轴

大四轴根据其承载能力的大小,也分为不同的级别。例如DJI的S800大四轴,能够挂载专业的单反相机,主要用于电影等的拍摄,其大小有大人双手怀抱那么大。风火轮系列则要小很多,大概有脸盆大小,适合挂载gopro等运动相机。

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对于航模爱好者来说,DIY一个大的四轴飞行器也不是一件容易的事情。你可以购买品牌厂商的整套解决方案,然后自己进行组装调试,例如DJI的
S800系列。不过对于很多爱好者来说,价格会比较贵,一套S800的价格在3万人民币左右。你也可以自己购买组件,自己组装。一般需要购买的组件包括:飞控,电调,无刷电机,遥控器,电池,支架等。当然,也见过有爱好者自己用各种材料DIY支架,有用铝合金的,也有用木头的。根据自己的需求购买组件DIY的成本会低很多,一般的可能就是¥1000~¥2000左右。

DIY大四轴需要有比较专业的知识,例如电子部分的连接,飞行器结构重心的调整,遥控器的对频和干扰,根据飞行器结构或者飞行现场风力等对飞控
PID等参数的调节(简称调参)。总之,如果有一个环节出现了问题,那么就会导致飞行器无法飞起来,或者出现炸机(指飞行器从空中摔下来)或者失控(指飞
行器不受遥控器控制)的问题。

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另外还需要注意的一点是,大四轴由于其块头大,螺旋桨转速快,撞到人或者物都会比较危险。所以一定要选择无人,空间宽阔,视野好的地方进行飞行。常见的一个事故就是射桨
射桨就是飞行器的螺旋桨因为旋转时转速太高,超出了旋翼所承受拉力的设计值时,桨根断裂,由于旋转时的巨大惯性,残桨像炮弹破片那样高速飞出去,威力很大
(相对来说),会打伤人,所以形象的称为“射桨”。有时旋翼固定螺丝松脱或碰到异物导致旋翼断裂也会导致射桨。如果射桨击中人,尤其是眼睛等脆弱的部位,
会是非常危险的。所以对于新手来说,调四轴最好带护目镜保护眼睛。

小四轴

小四轴是相对于上面的大四轴来说的,这里我们指手掌大小的四轴飞行器。一般来说,小四轴直接使用电路板作为承载的支架,当然也有使用单独支架的。

小四轴由于其体型小,所以一般无法承载太重的负载。但是用来研究飞行器的原理,作为入门航模的通道,已经完全绰绰有余。在大四轴中提到的组件飞控,电调,电机,遥控器,电池,支架等都一样在小四轴中存在,只是可能根据小四轴的特点有些改变。下面这些就是小四轴的好处。

  • 价格便宜,相对于大四轴动则上千元的成本,小四轴一般几百块钱就能够搞定
  • 危险性很小,基本上随处都能飞
  • 自己设计飞控电路板,自己移植编写开源飞控程序和算法。而大四轴的飞控一般是商业公司的产品,开源有限,DIY的可能性少
  • 由于小四轴飞行的距离有限,所以可以省去遥控器,直接使用智能手机控制

三维中pitch,yaw,roll的区别

玩过航模,飞控的童鞋肯定需要知道 yaw, pitch and roll 的区别。这里给大家分享一下,准备要做飞控的,或者想玩三轴加速度的,或者玩了很久加速度还没研究过哪个是哪个的,可以看一下。

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pitch():俯仰,将物体绕X轴旋转(localRotationX)

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yaw():航向,将物体绕Y轴旋转(localRotationY)

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roll():横滚,将物体绕Z轴旋转(localRotationZ)

四轴飞行器的空气动力原理

四旋翼飞行器结构以及x模式和+模式

四轴飞行器四个电机呈十字形排列, 驱动四片桨旋转产生向上的推力。四个电机轴距几何中心的距离相等,
当对角两个轴产生的升力相同时能够保证力矩的平衡, 四轴不会向任何一个方向倾转;
而四个电机一对正转,一对反转的方式使得绕竖直轴方向旋转的反扭矩平衡, 保证了四轴航向的稳定。

与传统的直升机相比,四旋翼飞行器有下列优势:各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反,因此当电机1和电机3逆时针旋转的同时,电机2和电机4顺时针旋转,可以平衡旋翼对机身的反扭矩。

根据用户自定义的机头的位置不同,四轴飞行器可以分为x模式和+模式。x模式的机头方向位于两个电机之间,而+模式的机头方向位于某一个电机上。x
和+就是表示正对机头方向时飞行器的形状。如下图所示。x模式要难飞一点,但动作更灵活。+模式要好飞一点,动作灵活差一点,所以适合初学者。特别注
意,x模式和+模式的飞控安装是不同的。如果飞控板安装错误,会剧烈的晃动,根本无法飞。

crazepony使用的是x模式。

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空气动力原理

四旋翼飞行器在空间共有6个自由度(分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作),这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。基本运动状态分别是:

  • 垂直运动;
  • 俯仰运动;
  • 滚转运动;
  • 偏航运动;
  • 前后运动;
  • 侧向运动。

在图中,电机1和电机3作逆时针旋转,电机2和电机4作顺时针旋转,规定沿x轴正方向运动称为向前运动,箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高,在下方表示此电机转速下降。

垂直运动:垂直运动相对来说比较容易。在图中,因有两对电机转向相反,可以平衡其对机身的反扭矩,当同时增加四
个电机的输出功率,旋翼转速增加使得总的拉力增大,当总拉力足以克服整机的重量时,四旋翼飞行器便离地垂直上升;反之,同时减小四个电机的输出功率,四旋
翼飞行器则垂直下降,直至平衡落地,实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时,在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时,飞行器便保持悬停状态。保证四个
旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。

俯仰运动:在图(b)中,电机1的转速上升,电机3的转速下降,电机2、电机4的转速保持不变。为了不因为旋翼
转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变,旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。由于旋翼1的升力上升,旋翼3的升力下降,产生的不平衡力矩使
机身绕y轴旋转(方向如图所示),同理,当电机1的转速下降,电机3的转速上升,机身便绕y轴向另一个方向旋转,实现飞行器的俯仰运动。

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滚转运动:与图b的原理相同,在图c中,改变电机2和电机4的转速,保持电机1和电机3的转速不变,则可使机身绕x轴旋转(正向和反向),实现飞行器的滚转运动。

偏航运动:四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动
方向相反的反扭矩,为了克服反扭矩影响,可使四个旋翼中的两个正转,两个反转,且对角线上的各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关,当四个电
机转速相同时,四个旋翼产生的反扭矩相互平衡,四旋翼飞行器不发生转动;当四个电机转速不完全相同时,不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图d中,
当电机1和电机3的转速上升,电机2和电机4的转速下降时,旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩,机身便在富余反扭矩的作用下
绕z轴转动,实现飞行器的偏航运动,转向与电机1、电机3的转向相反。

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前后运动:要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动,必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图e中,增加电
机3转速,使拉力增大,相应减小电机1转速,使拉力减小,同时保持其它两个电机转速不变,反扭矩仍然要保持平衡。按图b的理论,飞行器首先发生一定程度的
倾斜,从而使旋翼拉力产生水平分量,因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。当然在图b图c中,飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也
会产生沿x、y轴的水平运动。

倾向运动:在图f中,由于结构对称,所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

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总得来说就是控制四个电机的速度了。然后相应的提高速度和减慢速度就可以让四轴动起来了。

飞行器构造公开课

麻省理工学院公开课:飞行器构造工程,来自网易公开课。讲师Prof. Jeffrey Hoffman,Prof. Aaron Cohen,教授,曾供职于美国国家航空航天局(NASA)。

四轴飞行器基本组成部分

本章将会为讲解四轴飞行器的基本组成部分,很多都争对Crazepony迷你四轴飞行器做了特殊的说明。但是很多基本组成部分,大小四轴都是相同的。按照模块划分,主要有下面几个部分。

  • 动力部分:电机,电机驱动,桨叶
  • 控制部分:MCU,传感器(IMU),遥控通信(2.4G和蓝牙)

电动机有有刷和无刷之分。结构上,无刷电机和有刷电机有相似之处,也有转子和定子,只不过和有刷
电机的结构相反;有刷电机的转子是线圈绕组,和动力输出轴相连,定子是永磁磁钢;无刷电机的转子是永磁磁钢,连同外壳一起和输出轴相连,定子是绕组线圈,
去掉了有刷电机用来交替变换电磁场的换向电刷,故称之为无刷电机(Brushless motor)。

有刷电机

有刷电动机是内部含有换相电刷的电动机。什么是电刷呢,直接上图。电刷通过绝缘座固定在电动机后盖上,将电源的正负极引入到转子的换相器上,而换相
器连通了转子上的线圈,线圈极性不断的交替变换与外壳上固定的磁铁形成作用力而转动起来。下图是将现在Crazepony使用的电机拆解之后看到的电刷和
换相器。

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有刷电机由于电刷和换相器之间的物理接触,所以有摩擦大,发热大,效率低等缺点。但是有刷电机同样具有制造简单,成本低廉的优点,所以现在市面上有刷电机仍然占有很大份额。

无刷电机

有刷电机通过电刷和换相器这种结构设计获得固定方向的磁场作用力而转动起来。无刷电机没有电刷和换相器,它是如何获得固定方向的磁场作用力的呢?简
单而言,依靠改变输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形,在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的磁场,这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转
动,电机就转起来了。

电机的性能和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小等因素有关,更与无刷电机的控制性能有很大关系,因为输入的是直流电,电流需要电子调速器将其变成3相交流电,这就是无刷电机配合的电调需要解决的问题。

无刷电机拥有动力足,寿命长,效率高等优势。所以大四轴都是用无刷电机的,模型无刷电机的外观如下,区别于有刷电机,最明显的就是无刷电机有三根线,并且配合电调使用

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无刷电机最重要的一个参数是KV值,这个数值是无刷电机独有的一个性能参数,是判断无刷电机性能特点的一个重要数据。

无刷电机KV值定义为转速/伏特,意思为输入电压增加1伏特,无刷电机空转转速增加的转速值(转/分钟)。总这个定义来看,我们能知道,无刷电机电压的输入与电机空转转速是遵循严格的线性比例关系的。

例如:某无刷电机KV值为1000KV,意思是此电机在1V电压下,每分钟转速为1000转。则在10V电压下,此电机转速为:10V*1000KV=10000转/分,当然这些都是在电机空载的时候。

绕线匝数多的,KV值低,最高输出电流小,但扭力大。

绕线匝数少的,KV值高,最高输出电流大,但扭力小。

电机之空心杯

空心杯电机(coreless motor)属于直流、永磁、伺服微特电机。空心杯电机在结构上突破了传统电机的转子结构形式,采用的是无铁芯转子。空心杯电机具有十分突出的节能、控制和拖动特性。

空心杯电机分为有刷和无刷两种,有刷空心杯电机转子无铁芯,无刷空心杯电机定子无铁芯。

Crazepony使用的是有刷空心杯电机,转速为30000转/分钟,直径为7mm,长度为20mm(简称720电机),电机轴直径为1mm。当然,随着现在生产工艺的进步,现在市面上已经有体积非常小的航模无刷电机,Crazepony也会尝试使用无刷电机。

Crazepony空心杯高速电机拆解图,可以明显看到线圈中间没有铁芯的。

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扩展阅读

关于无刷直流电机原理的讲解。

电机驱动控制就是控制电机的转动或者停止,以及转动的速度。电机驱动控制部分也叫做电子调速器,简称电调,英文electronic speed controller(ESC)。电调对应使用的电机不同,分无刷电调和有刷电调。

有刷电机的永磁体是固定不动的,线圈绕在转子上,通过电刷跟换相器接触来改变磁场方向来保持转子持续转动。无刷电机,顾名思义,这种电机是没有电刷
和换相器的,他的转子是永磁体,而线圈是固定不动的,直接接到外部电源,问题就来了,线圈磁场方向怎么改变呢?事实上,无刷电机外部还需要一个电子调速
器,这个调速器就是一个电机驱动,通过改变固定线圈内部电流的方向,保证它跟永磁体之间的作用力是相互排斥,持续转动得以延续。

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有刷电机工作可以不需要电调,直接把电供给电机就能够工作,但是这样无法控制电机的转速。无刷电机工作必须要有电调,否则是不能转动的。必须通过无刷电调将直流电转化为三相交流电,输给无刷电机才能转动。

一般使用PWM的占空比来控制电机的转速。

Crazepony电机驱动

无刷电机的操作相对来说是比较麻烦的,而有刷电机就是我们小时候玩的四驱车上的那种电机,接上电就能猛转,反着接它就反着猛转,就是这么简单。

Crazepony使用的是有刷空心杯电机,所以电机的控制属于有刷直流电机控制,相对于无刷电调来说要简单很多。Crazepony采用的是有刷空心杯高速电机,转速在3W转/分钟左右。要驱动有刷电机,很简单,只需要将信号的驱动能力增大,就能驱动有刷电机了。

那么选择什么元件来提供这样的特性呢?Crazepony的电机驱动IC选型经历了三级管,中功率管的失败,最后选用的是场效应管(即MOSFET)SI2302。

由于笔者完全是由于一种强烈的爱好选择了飞行器,最开始连有刷电机和无刷电机的物理结构区别都不知道,电调又是啥?傻傻分不清楚……

从一个几乎零基础的状态去选择电机驱动芯片,弯路是必须要走的,学费是必须要交的。曾以为书上学到的东西马上就能用,马上能转化为产品,后来发现真的是自己想多了。

最开始用的三极管作为电机驱动,采用很经典的共射电路“三极管工作在开关状态应该就行了吧?”画了用三极管驱动的PCB板,发现电机越转越慢,根本没劲。“也许是因为三极管扛不了大电流,好吧那我换个中功率管吧,集电极最大6A电流行了吧?”可以想象结果是不行的。

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首先了解下为什么三极管作为简单的电机驱动是不可取的方案:

  • 三极管作为一个古老的半导体先驱,它是以一个放大器件的姿态而出现的,它在线性区域特性集中,饱和与截止都是两种极端的工作状态,而作为电机驱动的话,我们只能选择它的这两种极端工作模式。
  • 用三极管作为大电流负载的驱动管时,不得不考虑的是他自身的管压降对负载的影响,这是很严重的。自身耗散越来越大,电机和管子是串联关系,电池电压只有3.7V,电机就只能越转越慢了

在晶体管家族里面还有一种跟三极管特性互补的,所有特性都集中在开关状态的晶体管,场效应管,即MOSFET。通常的场效应管完全导通时,源漏极电
阻都是mΩ级别的,即它自身的耗散非常小。用它做为驱动管再合适不过了。最终选择了一个SOT23封装的,导通电压Vgs<4v的场管
(SI2302),结果表现出了很好的驱动性能。

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每个场效应管接一个大电阻下拉,目的是为了防止在单片机没接手电机的控制权时,电机由于PWM信号不稳定开始猛转。接一个下拉电阻,保证了场管输入
信号要么是高,要么是低,没有不确定的第三种状态。那么电机也只有两种状态,要么转,要么不转。主控输出的是PWM波形,用于控制场效应管的关闭和导通,
从而控制电机的转动速度。这就是crazepony电机驱动的原理。就是这么简单。

无刷电调(读做tiao)

在《电机与桨叶》一文中,我们提到大四轴基本上都是使用的无刷电机,无刷电机控制必须配合无刷电调使用

无刷电调的输入是直流,通常直接接航模电池。输出是三相交流,驱动无刷电机。另外无刷电调还有三根信号线,输入PWM信号,用于控制电机的转速。对于航模,尤其是四轴飞行器,由于其特殊性,需要专门的航模电调。

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那么为什么在四轴飞行器上需要专门的电调呢,其有什么特别的地方?四轴飞行器有四个桨,两两相对呈十字交叉结构。在桨的转向上分正转和反转,这样可
抵消单个桨叶旋转引起的自旋问题。每个桨的直径很小,四个桨转动时的离心力是分散的。不像直机的桨,只有一个能产生集中的离心力形成陀螺性质的惯性离心
力,保持机身不容易很快的侧翻掉。所以通常航模直升机用到的电机控制信号更新频率很低,而航模四轴飞行器用到的控制信号更新频率很高。

四轴为了能够快速反应,以应对姿态变化引起的飘移,需要高反应速度的电调,常规PPM电调的更新速度只有50Hz左右,满足不了这种控制所需要的速
度,且PPM电调MCU内置PID稳速控制,能对常规航模提供顺滑的转速变化特性,用在四轴上就不合适了,四轴需要的是快速反应的电机转速变化。用高速专
用电调,IIC总线接口传送控制信号,可达到每秒几百上千次的电机转速变化,在四轴飞行时,姿态时刻能够保持稳定。即使受到外力突然冲击,依旧安然无恙。

扩展阅读

TI公司关于电机驱动和控制解决方案

桨叶

螺旋桨的型号由如8045,1038等4位数字表示,分别代表桨叶两个重要的参数,桨直径桨螺距
桨直径是指桨转动所形成的圆的直径,对于双叶桨(两片桨叶,这是最常用的桨)恰好是两片桨叶长度之和,由前两位数字表示,如上面的80和10,单位为英
寸。桨螺距则代表桨旋转一周前进的距离,由后两位数字表示,如上面的45和38。桨直径和螺距越大,桨能提供的拉(推)力越大。

以Phantom的桨叶为例。Phantom
1使用的是8045的桨叶,表示桨直径为8英寸(8×2.54=20.32厘米),桨螺距为4.5英寸;而Phantom
2使用的是9443的桨叶,表示桨直径为9.4英寸,桨螺距为4.3英寸。从桨叶的规格可以看出,Phantom的第二代能够提供更大的动力。

对于玩大四轴的人来说,桨叶的材质也是非常有考究的。根据桨叶使用材质的不同,现在市面上有的包括碳纤桨,木桨,注塑桨

注塑浆:注塑桨是指使用塑料等复合材料制成的桨叶。在航模爱好者中以美国APC公司生产的桨叶最为有名,质量最好。淘宝上也有三种大类,分别是原装APC,ATG生产的假APC,以及不知名小厂生产的最廉价的有APC浆外观的塑料桨。

APC浆有一个衍生系列多轴专用的MR系列。优点是增强了浆的硬度,减少了重量,再次提高效率,解决了之前的高速转动浆尖变形问题。缺点是价格较贵,原装价格在89-128之间,并且无合适的垫圈,需要自己找物料缩小孔径。

碳纤浆

碳纤维是一种与人造丝,合成纤维一样的纤维状碳材料。由于碳纤维的材料原因,它有优异的硬度和合适的浆型,非常适合技巧性飞行和3D飞行。碳纤浆效率优于木浆,价格比木浆更贵,稍微低于原装APC。

航模基本概念扫盲

几种不同的碳纤桨叶。

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木浆

木浆的材料多为榉木,硬度高,重量轻,经过风干打蜡上漆以后不怕受潮。在航空史上,木桨在早期扮演了非常重要的角色。一战时期的很多飞机都是使用的木桨,后来才逐渐被铁桨取代。专门提供飞行器的木浆的公司sensenich

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在航模爱好者中,木桨主要用在固定翼飞行器上,最为高端的是欧洲XOAR公司的木桨。

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下面是一个提供了很多关于螺旋桨知识,历史,设计的网站heliciel

桨叶的平衡

桨叶会随着电机高速旋转,所以其旋转平衡是一个很重要的指标。如果桨叶有一头重一头轻,或者一侧轻一侧重等不平衡问题,那么在旋转时就会产生左右/
前后晃动等问题。这样不仅仅动力效率低,而且还可能会损坏电机造成航模飞机炸机。一般的桨叶都已经进行过自平衡测试,对于要求高的场合也可以自己调节桨叶
的自平衡。下面是一种常见的测试自平衡的工具。

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当然,对于像Crazepony这样的小四轴,一般就很少考虑桨叶自平衡问题。

桨叶和电机的组合

不同的桨叶和电机(KV值不一样)能够形成不同的动力组合,适合于不同的航模飞机和应用场景。

无刷电机绕线匝数多的,KV值低,最高输出电流小,但扭力大。达到同样的推力,要比高KV值的剩电,所以四轴飞行器多使用小KV的电机。

无刷电机绕线匝数少的,KV值高,最高输出电流大,但扭力小。同样的设备重量(电机、电调、电池),得到的最大推力要高过低KV值的电机。

简单的说,相同的电机和电池,大KV值用小的螺旋桨,小KV值用大的螺旋桨。相对来说螺旋桨配得过小,不能发挥最大推力。相对来说螺旋桨配得过大,电机会过热,会使电机退磁,造成电机性能的永久下降。

原则上,更小的KV值和更大的桨叶,能够表现出更好的动力效率。也就是说相同的电池,能够飞行的时间更长。例如X5C这样的玩具飞机,电机和桨叶由
减速齿轮连接。减速齿轮降低了电机的KV值,有更好的动力效率。Crazepony现在使用30000转/分钟的空心杯电机,75cm桨叶。当配备
350mAh电池时,能够飞行4-5min左右。在电机和桨叶的动力效率组合方面,应该还有进步的空间。

扩展-木桨的故事

木桨在人类航空早期扮演了非常重要的角色。一战时期的很多飞机都是使用的木桨,后来才逐渐被铁桨取代。下面是那个时候木桨的一些珍贵图片。

航模基本概念扫盲

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更多关于木桨的知识,参考Wooden Propellers(A site dedicated to the preservation of early wooden airplane propellers)。

飞行器控制器??主控MCU

四轴的灵魂??飞控

飞控是四轴的灵魂。那么什么是飞控呢?飞控其实就是四轴飞行器的电子控制部分,包括传感器部分惯性导航模块和控制部分的MCU。

四轴飞行器相对于常规航模来说,最复杂的就是电子部分。可以和其它两种常见的航模固定翼以及直升机比较一下。在常规固定翼航模上,陀螺仪并非常用器
件。相对操控难度大点的直升级航模,如果不做自动稳定系统,也只是锁尾才用到陀螺仪。四轴飞行器则必须配备陀螺仪,这是最基本要求,不然无法飞行,更谈不
上飞稳了。不但要有,还得是3轴(X、Y、Z)都得有,这是四轴飞行器的机械结构、动力组成特性决定的。在此基础上再辅以3轴加速度传感器,这6个自由
度,就组成了飞行姿态稳定的基本部分,也是关键核心部分惯性导航模块,简称IMU。飞行中的姿态感测全靠这个IMU了,可见它是整架模型的核心部件。

IMU感知飞行器在空中的姿态,将数据送给处理器MCU。处理器MCU将根据用户操作的指令,以及IMU数据,通过飞行算法控制飞行器的稳定运行。由于有大量的数据需要计算,而且需要实时性极高的控制,所以MCU的性能也决定了飞行器是否能够飞得足够稳定,灵活。

本篇文章只讲飞控的MCU部分,将有另外一篇文章《飞控??传感器》讲解IMU部分内容。

主控MCU STM32

Crazepony的主控MCU选用的是意法半导体的STM32f103T8U6,为32位ARM Cortex-M内核,最高72MHz。关于为什么会选用这片MCU,在CamelGo的博客我和Crazepony的那点事儿(2)中有这么一段描述。

航模基本概念扫盲

曾经在犹豫用TI的430系列单片机还是意法半导的STM32。那是在我大二的时候,从来没有接触过STM32,以前都是用51单片机和TI的
msp430系列单片机。好吧,我承认了,我做Crazepony其实是就是为了学习STM32的,没有买过STM32相关的开发板,就这么简单粗暴大刀
阔斧的开始了我的STM32之旅…

最终选择用STM32当然还有其他原因,TI公司的MSP430系列都是基于低功耗在做文章,作为移动消费电子,对电源续航能力要求比较高的场合比较适用。

……

之所以选择STM32F103T8U6作为Crazepony的主控芯片。首先因为他是crotex-M3内核,继承了ARM的优良性能,主频能跑
到72MHz,3个通用定时器,1个高级定时器,7通道DMA控制器,而且总线接口资源丰富;其次是因为它VFQFPN36的封装,只有6mm*6mm的
占地面积,对这个寸土寸金的项目来说简直太赞了。这么高的性价比,当然让我选择了他作为主控。72MHz虽然生不了孩纸,但是足以处理除了图像之外的大部
分任务了。

主控选型需要考虑的问题

CamelGo说是误打误撞就选用了STM32作为主控MCU,其实真正在选型时候,有很多问题是需要我们考虑的,下面列举出几个最常见的问题。

  • 首先是MCU的性能,最重要的指标就是主频。这直接决定MCU计算的快慢。四轴飞行器有很多来自IMU的数据需要处理,而且还有复杂的控制算法,如果MCU的性能不够,那么将直接限制飞控只能够处于一个比较初级的阶段,无法完成更加复杂的功能和精准的控制;
  • MCU的接口也很重要。MCU是整个四轴飞行器的大脑,几乎所有的数据都要连接到它上面。例如I2C总线个数,DMA通道数目,GPIO数据等等;
  • 正如博客中提到的,MCU的尺寸大小也是值得考虑的因素;
  • 另外就是这个MCU的开发是否简单,技术资源的支持是否足够多。这对于一个DIY的开源四周飞行器也很重要;

综合了这些因素,我们选择了STM32这片MCU作为我们的主控MCU。我们也高兴的看到,很多国内国外的四轴爱好者也选择了这一片MCU。Crazepony不再孤独!

关于ARM Cortex-M

由于STM32使用的是ARM Cortex-M架构,所以这里有必要做一点ARM Cortex的普及。

ARM公司在经典处理器ARM11架构之后,为了给不同需求的CPU厂商提供服务,之后的内核架构命名都改为Cortex,并分成了A,R,M三类,也即将ARM的三个字母拆分为三个架构的名,代表着不同的发展方向:

  • A系列处理器可托管丰富的OS平台和位应用商提供全方位的解决方案,诸如低成本手机、数字电视、机顶盒、打印机、服务器等。
  • R系列为实时处理器,要求可靠性、可用性、可维护性和实时响应的嵌入式系统提供解决方案。
  • M系列是一系列可向上兼容的高效能、易于使用的处理器,这些处理器旨在帮助开发者满足将来嵌入式的需要,这些需要包括低成本、不断增加的连接、代码改善移植等。M系列主要应用在智能测量、人机接口设备、汽车电子、工业控制、大型家电等。

所以,我们的STM32使用的Cortex-M3内核,就属于ARM的M系列,主要针对嵌入式产品需求而设计的。下面是一张Cortex-M3的内核架构图。

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飞行控制器??传感器

在《飞行控制器??主控MCU》一文的四轴的灵魂??飞控章节中已经提到,飞控是由传感器部分(即惯性导航模块,IMU)和控制部分MCU组成。这篇文章我们将重点讲讲传感器部分的知识。

四轴飞行器的传感器就是用来感知飞行器在空中的姿态和运动状态,这有个专有名词叫做运动感测追踪,英文Motion Tracking。在消费电子市场,运动感测技术主要有四种基础运动传感器,下面分别说明其进行运动感测追踪的原理。

加速器(G-sensors)

加速器可用来感测线性加速度与倾斜角度,单一或多轴加速器可感应结合线性与重力加速度的幅度与方向。含加速器的产品,可提供有限的运动感测功能。例
如,含加速器的产品,可在固定方位,感应?向至横向的移动,因此,加速器主要使用于与重力方向有关的感测产品中,可提供如将手机的?向萤慕转换为横向等的
简单功能。

陀螺仪(Gyros)

陀螺仪是利用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。

陀螺仪可感测一轴或多轴的旋转角速度,可精准感测自由空间中的复杂移动动作,因此,陀螺仪成为追踪物体移动方位与旋转动作的必要运动传感器。不像加速器与电子罗盘,陀螺仪不须借助任何如重力或磁场等的外在力量,能够自主性的发挥其功能。

更加详细的资料,参考MPU6050使用相关的篇章。

电子罗盘(E-Compasses)

电子罗盘也叫数字指南针,磁力计,是利用地磁场来定北极的一种方法。古代称为罗经,现代利用先进加工工艺生产的磁阻传感器为罗盘的数字化提供了有力的帮助。现在一般有用磁阻传感器和磁通门加工而成的电子罗盘。

电子罗盘可藉由地球的磁场来感测前进方向。运用电子罗盘的消费性电子产品应用,包含在手机的地图应用程序显示正确方向,或为导航应用程序提供前进方
向数据。然而,电子设备或建筑材料的磁场干扰,比地球磁场来得强,导致电子罗盘传感器的输出值,较容易受到各种环境因素的影响,尤其在室内更是如此,因
此,电子罗盘须要透过频繁的校正,才能维持前进方向数据的准确度。

压力传感器(Barometers)

压力传感器又叫做气压计,会藉由气压的变化来感测物体的相对与绝对高度,常被运用于与运动、健身、方位推测等应用有关的消费性产品中,例如,可感测使用者的移动层楼,调整地图信息。

微机电系统(MEMS)

微机电系统(MEMS, Micro-Electro-Mechanical System)是一种先进的制造技术平台。微机电系统是微米大小的机械系统,是以半导体制造技术为基础发展起来的。

在我们的四轴飞行器上用到的是传感MEMS分支。传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来感受转换电信号的器件和系统。

我们使用的加速度陀螺仪MPU6050,电子罗盘HMC5883L都是微机电系统。

crazepony传感器

Crazepony使用传感器MPU6050,集成了3轴陀螺仪和3轴加速度传感器。

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关于传感器的选型,在CamelGo的博客我和Crazepony的那点事儿(2)中有这么一段描述。

Crazepony采用的是最常用的MPU6050陀螺仪加速度计一体芯片,成本不超过20元,对小四轴来说,它的精度和性能绰绰有余了(当我听说
教研室师兄用的一颗传感器裸片卖1W+时,我整个人都不好了..),MPU6050在这个价位里面几乎是占有绝对的性价比优势。首先,它将陀螺仪和加速计
整合在一个片上,通过IIC总线给出六个维度的ADC值;其次,芯片本身提供一个“从”IIC接口,供用户接第三方的IIC器件,一般选择是接一个电子罗
盘,如HMC5883L,构成一个9轴的输出的姿态模组,现在MPU9150已经丧心病狂的把电子罗盘功能也整合在片上了,但是要买60+元;最后,这颗
芯片内部集成了一个DMP(Digital Motion
Processor)处理器,这是最让我爱不释手夜不能寐的一个功能,直接硬件解算四元数,从某种程度上说解放了20%的主控资源

在crazepony上,MPU6050,HMC5883传感器之间的连接如下图所示。

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航模遥控器

作者:nieyong

常见的无线遥控按照使用技术不同,主要有红外遥控2.4G遥控。红外遥控有方向范围窄,距离短等特点,所以航模遥控器基本上都是使用2.4G无线遥控。 我们知道蓝牙,wifi,ZigBee等都是采用的2.4G频段,那么这个又有什么差别呢?首先我们需要对2.4GHz无线技术以及标准做一个简单的介绍。

2.4GHz无线技术简介及其标准

2.4GHz无线技术如今已经成为了无线产品的主流传输技术。所谓的2.4GHz所指的是一个工作频段2400M-2483M范围,这个频段是全世界免申请使用。常见的Wifi,蓝牙,ZigBee都是使用的2.4G频率段。

Wifi,蓝牙,Zigbee都是基于2.4GHz的,只不过他们采用的协议不同,导致其传输速率不同,所以运用的范围就不同。同样是采用2.4G
频率作为载波,但不同的通讯协议衍生出的通讯方式会有着天壤之别;仅仅在传输数据量上,就有着从1M每秒到100M每秒的差别。详见下面的2.4GHz
ISM频段无线信号比较图。

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2.4G无线通信模块

2.4G无线通信模块(英文:2.4Ghz RF transceiver / receiver
module)工作在全球免申请ISM频道2400M-2483M范围内,实现开机自动扫频功能,共有50个工作信道,可以同时供50个用户在同一场合同
时工作,无需使用者人工协调、配置信道。同时,可以根据成本考虑,选择50米内、150米、600
米多种类型无线模块。接收单元和遥控器单元具有1键自动对码功能,数字地址编码,容量大,避免地址重复。

Crazepony就是使用的2.4G无线通信模块作为无线控制。

crazepony的2.4G模块

Crazepony的2.4G模块使用的是单片2.4G无线射频收发芯片NRF24L01。关于为什么会选用这片IC,在CamelGo的博客我和Crazepony的那点事儿(2)中有这么一段描述。

数据通信这块,也没什么特别要考虑的,短距离高速通信且免费这一点要求就限制了只能选择2.4GHz这个频段,在这个频段出了很多优秀的芯片厂商。
在学生时代,我用得最多是Nordic公司的NRF24L01这个系列的收发一体芯片,由于刚开始着手启动Crazepony这个项目时,我只会这颗操作
芯片,本着方便的原则,所以很自然的选择了这颗它(后来发现国外一个团队bitcraze也用的这个系列的芯片时,还是有点小激动的)

市面上有很多NRF24L01的模块,有标准的接口,直接插上就可以使用。在遥控器上,我们就直接使用了这个模块,用来和飞控上的NRF24L01进行通信。我们标配的模块如下图所示,控制的距离在20m左右。

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也可以使用带有鞭状天线的NRF24L01模块,引脚是完全一样的,能够达到更远的控制距离。淘宝购买链接

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市场上航模遥控器介绍

进口遥控,有名的品牌有JR,FUTABA,SANWA等。

  • 油动版(标准接收机),遥控距离在600~800米(4VF,4EX,6EX,MAX66,RD6000,VG400)PPM,FM模式
  • 电动版(微型接受机),遥控距离在400~500米(一次变频版)700~1000米(二次变频)
  • 高级遥控器,象FF9,JR9X2,JR12,T12.T14,PCM版二次变频接收机,最远有1.5KM~2KM
  • 2.4G,进口遥控距离在600~800米(FUTABA10C,T12,T14,DSX9,DSX7)

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国产遥控器,最常见的为天地飞,英文WFLY。

  • 天地飞6通,一次变频版接收机一般遥控距离在300~400米,这种小型接收机一般只适用于电动飞机,装到油机上面有一定危险。
  • 天地飞8,9通,遥控距离600~800米,二次变频版,可以飞油动飞机,电动飞机,但飞汽油机有危险。

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国产遥控与进口遥控的差距区别在于,一是无线电技术上的差距,另一方面国产的研发机构太少,没有经过长时间的产
品测试。国产遥控器用的都是比较便宜的电子元件,所以成本比较低,特别是接收机,接收机的芯片,好接收机都是进口芯片,所以很稳定,程序编写比较好,便宜
的接收机芯片比较便宜,所以容易出事。一个很简单的例子,遥控器上面的电位器,国产设备用得是国产电位器一般寿命在10~30万次,进口设备的电位器,像
FUTABA是台湾产的可以达到100万次,这样直接影响遥控器的寿命。一般认为遥控器的做工方面JR遥控器最好,线路布局各方面都很好,特别是目前只有
JR遥控器配有保险丝如果爱好者不小心短路了,只需要更换保险丝就可以,比较人性化,更重要的是JR遥控器全部是在日本,马来西亚制造,品质有所保证。
FUTABA大众型遥控器现在比较普遍,现在FUTABA的低端遥控器都是在国内产的,接收机是台湾产的,所以遥控器这东西一份价格一分货。模友按照自己
的经济能力去选购就可以了,千万不能攀比,选择适合自己的都可以。

现在国产遥控器的厂家越来越多,价格的优惠使得航模的门槛越来越低,所以有一款适合自己的遥控器是广大模友的心愿,广大模友按照自己的经济实力合理 选购属于自己的遥控器。

拥有一个遥控器,能够用来控制Crazepony四轴飞行器

要使用原有的遥控器控制Crazepony四轴飞行器,要自制接收机。很多厂商原则上是不会公开遥控器使用的2.4G芯片也数据编码格式的。这就需要对该厂商遥控器的编码进行破解。

例如crazyflie就支持ESky的遥控器,因为该遥控器的编码被大神破解并且公开。所以有人专门争对这个提供了接收机代码包,叫做Esky
Protocol,其实就是ESky公司遥控器使用的通信协议。只要在飞控端支持这种通信方式,那么可以使用ESky航模公司的遥控器进行控制。
Crazyflie官网支持ESKY ET6I Remote Control遥控器。

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关于ESky公司的2.4G遥控器设备的通信协议,参考ArduinoRCLib项目中的描述。

The Esky 2.4 GHz equipment uses the Nordic NRF2401AG in both the
transmitter and receiver. A compatible alternative to this chip is the
NRF24L01+ (which is widely available).

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关于遥控曲线问题

很多新手反应,航模不好控制。其实这是有原因的,其中最大的一点就是关于遥控曲线的问题,而其中又以油门曲线最为有代表性。

目的是把直线变化的油门,变为曲线变化,以此提供不同的飞行模式。我们以最简单的3点曲线来说明,我们把发射机油门遥杆从下底端,中段,上顶端分为3个点,普通的发射机对应的油门量分别是0%,50%,100%,如果具有油门曲线的发射机,则可对这3个点单独进行设定。

比如,我们将下底端的0%设定为100%。这时,油门摇杆的位置在中段时油门量为50%,向上向下推动油门遥杆都是不断的增加油门量直到100%油
门。这时我们看到的是一个V字形变化的油门曲线了(这是3D模式的油门变化要求)。5点曲线就是在3点之间插入2个点,以提供更接近曲线的平滑设定。当然
还有一些高端的遥控器提供了7点甚至更多的设定点。那么多少合适呢,对于世界级的比赛其实5点或以上就已经足够了!

遥控器??蓝牙

为了能够使用智能手机,平板电脑等设备遥控crazepony,我们配置了蓝牙遥控的模块。通过为手机开发的APP连接Crazepony的蓝牙模块,就能够通过手机进行遥控。

Crazepony支持传统蓝牙2.1和蓝牙4.0 BLE两种模式。

转载自:http://www.crazepony.com/book/

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少将,关注Web全栈开发、项目管理,持续不断的学习、努力成为一个更棒的开发,做最好的自己,让世界因你不同。
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