共轴双桨自动驾驶直升机

c_nmusic

在新的“测试架”下，将问题具体化了。

目前我针对陀螺仪和卡尔曼滤波的结果分别做PID，然后综合结果传输给马达。但问题就出在这里。

如果只针对陀螺仪做PID，则四轴不会像个摆钟那样晃来晃去。但这样最后四轴不会达到一个平衡状态。遇到大幅度的摆动时，无法彻底纠正到水平位置。可如果再对俯仰角/倾斜角再做PID，则这个PID的调整量又会造成陀螺仪有数据，造成2种调整发生冲突。

c_nmusic

目前，我认为四轴的平衡主要有4中状态，把每种状态都做对了，整个四轴就平衡了。


第一种，这种情况下，四轴已经倾斜，并且越倾斜越厉害，如同箭头所示。



第二种情况，四轴已经“悔过”，虽然俯仰还是没有平，但角速度已经为正，如同箭头所示，四轴正在逐渐往平衡方向恢复



第三种情况，四轴自己恢复过头了。





最后一种情况。


由于无刷马达的延迟，所以这个调整惯性不得不考虑。整个算法也就比单独一个PID搞定全部要复杂了。
现在的代码，非常容易超调，结果就是一侧开始偏低后立马翘起，就是第二种情况变成第三种情况。

kkk_t

我是外行,帮不了什么忙,只能是帮顶一下了!

亮光

帮顶   牛……

c_nmusic

从新修改了接收机捕获部分的代码。使用M8的Timer1的捕获功能，正好就是第一个通道的输入引脚，这样线路也不用调整了。
效果很好，现在收发全都升级成16位，全部通过中断实现。对遥控器的输入跟踪速度比以前快多了，而且精度提高后，采样时稍微有点偏差也问题不大了。

开心，一天时间没白费。:em15:

c_nmusic

刚才拿到外面试飞了一下，可以顺利起飞，但就像在椅子上测试中发现的问题一样，在马达转速快的时候，水平方向锁定不是很准，有点延迟。在实际飞行时就表现为四轴开始画圈。

目前前后稳定性还可以，应该和我调1，3轴好几天有关系。2，4轴的调整时间就不是很长，地面测试时就能发现不大稳定。果然试飞时就会出问题。没有倾斜还可以，只要有倾斜，必定朝向右侧毫不犹豫地冲过去。

不过已经比前几次刚起飞就一侧螺旋桨砰地好多了。

[ 本帖最后由 c_nmusic 于 2008-12-11 16:09 编辑 ]

QQ哥

:em07: 非常棒啊，以后可以用在大型直机了啊

c_nmusic

终于发现为什么四轴喜欢往右漂了，我的电调电源线重心没有调整好，往右偏了。
刚才把1，3轴架到椅子上，看2，4轴的平衡情况时注意到的。整个重心往右偏了。

所以同样的PID参数，1，3轴表现得很完美，而2，4轴确一点面子都不给。

现在往2号马达下面多加了一对螺丝，螺母什么的，然后又把电池稍微调整了一下位置。用水平仪测了一下，还马马虎虎吧。

[ 本帖最后由 c_nmusic 于 2008-12-11 16:43 编辑 ]

c_nmusic

最近一直在摸索四轴的平衡算法，现在发现这个椅子架起来后的平衡情况和实际的差别还比较大。

不过目前发现只对俯仰、倾斜角做PD就可以让四轴维持平衡，但比较复杂的是起飞。在没有飞到一定高度前，由于地效等各种因素影响，四轴非常容易大幅度飘来飘去。

目前准备等油门达到一定程度时在进行修正，看看能不能好一些。

光电传感器最近撤下去了。一个很麻烦的问题是如果这个传感器被阳光直接照到，就会被触发，因为阳光里也有红外光。

c_nmusic

上四轴的第一个视频——四轴转机:em05:



没有做Z轴，只有X和Y，所以就成这样了。
马力看起来OK，基本平衡马马虎虎。
起飞还算凑合，没有一下子就一侧大幅度倾斜。

飞下来的数据显示俯仰方向角度变化不大，但翻滚角初始值定义有偏差，所以四轴老往左偏。

[ 本帖最后由 c_nmusic 于 2008-12-22 17:26 编辑 ]

c_nmusic

便宜的桨夹质量真糟糕。

今天无意中发现一个桨夹上面的金属帽里面的螺丝空是歪的，装到马达上一转起来像一个偏心轮似的，造成震动非常大。
换上以前单独买的ELE桨夹，果然震动小多了。加上螺旋浆和没加差不多。加速度和陀螺仪的数据也更加准了。

随马达赠送的果然是便宜货。

c_nmusic

4轴控制算法还真麻烦呢。

虽然椅子上表现的非常完美，可以稳定地维持单轴平衡，来回摆动的幅度控制到5度以内。但一试飞就不行了，总往一个方向漂移，控制都来不及。

这段时间一直在查到底是什么问题。记录下的数据显示俯仰/翻滚角度总是抖动很大，于是首先调查卡尔曼滤波的结果。重新调整参数后，现在陀螺仪和加速度计的数据一致了，侧翻45度俯仰角立刻就是45度，不再会犹豫一下然后慢慢变回来。加速度对角度的影响也最小化了，以我试飞时观察到的漂移速度，现在也就影响结果0.8度左右。减震也测试过了，80%油门，陀螺仪的数据完全不受影响，和马达没转时一样。刚才又拿一根绳子把四轴拴着，吊在晾衣服架下测试飞行了15分钟。数据也很完美，都是简谐运动的曲线。陀螺仪温飘也测试过了，室外2度，放了5分钟，中立点有3左右的变化。这点不足以影响首次飞行了，因为目前最长留空时间没有超过10秒钟。

到底还有什么原因造成飘移厉害呢？刚才又对上午的数据仔细进行分析。依旧看到陀螺仪的数据不稳定，晃来晃去。可试验结果显示马达转动没影响啊？

目前的结论是，由于PID参数搭配有问题，造成马达转速变化幅度过大，于是造成四轴一侧频繁翘起/沉下。但在椅子上和拿绳子拴住的时候，要想要一边翘起，那么另一边必须沉下去才可以。否则就必须拉力足够飞起来。于是在这2项测试中我都无法看到这个现象，非要等到实际试飞时才能表现出来。

还真是复杂呢，头都要大了。:em17:

fujianshu

不错继续

ejing1998

顶.继续

海上翼

花了一个晚上拜读楼主的长篇大作。。。仰慕不已， 我也对自控飞行非常有兴趣，但陷于自己文盲级的电子水平只能在门外观望。。。

关于这个四轴的飞行器，我觉得它本身结构上就有点不对劲。受到4个螺旋桨的扭转，这个飞起来应该是会不自主的出现顺时针自旋（从顶上看），我建议你将每个电机都向右上倾斜（从外侧看）2～5度，这样可以抑制自旋。
－－－－－－回头看了下那个四轴的飞行器，发现它使用了两个反桨，看来不会发生这个自旋，也不会发生下面那个章动，但受到局部陀螺效应，每个支杆都要扭动，所以那个向心安装还是必要的－－－－－－
另外它的升力中心直接朝上，这样稍微受到外力干扰就会发生侧向漂移，受到总陀螺效应影响后则表现为章动现象，像个陀螺一样摇摆。 建议每个电机向上方中心向内倾斜5～8度安装，这样比较容易保持稳定。

红外传感器、超声波传感器我觉得都很容易受到干扰。超声波的还延迟时间比较长，用它那个非实时数据来定位难免要上下波动。建议用安防工程中用的微波模块，带多普勒频移，可以直接给出相对地面的升降速度，也可以用于测距，响应速度和探测距离都比超声波好得多，而且完全不受干扰。

用视频检测距离，可以装两个水平分开一段距离的垂直朝下的摄像头同步摄像，然后比较两个图像的重合距离差就可以得知地面到飞机的距离：如果两个图像完全不重合，那么非常近；如果完全重合则为无限远。鼠标的则是利用当前图像和存储的上一幅图像进行比较，理论上讲鼠标芯片也可以接上两个摄像头进行测距。。。但我不知道如何弄。

以前看过一段国外关于蜜蜂复眼的研究，它是通过光学成像的方式来实现对周围空间位置和速度的感知的。这个我想可以同样用鼠标芯片来实现吧？国外有这样的飞行器，可以做非常灵巧的飞行，具体采用的电路不清楚。
我想大致的原理是：
一个朝下的光电鼠标传感器检测水平方向的平移，可以多装一些以获得比较高的精度，这和蜜蜂长那么多眼睛一个道理。多个（4个？）侧向的传感器检测升降和垂直转动，以及滚转和俯仰。比较理想的是6个传感器，天空那个虽然平时作用不大（缺少参照物），但机动的时候也会起作用。当然咯，要提高精度可以用更多的传感器，比如24个。你觉得这个是不是很有趣呢？

[ 本帖最后由 海上翼 于 2008-12-29 01:16 编辑 ]

c_nmusic

感谢楼上的建议啊。:em05:

自旋，我后来发现最主要的原因是有一个马达被撞得歪了。没有完全垂直于四轴，所以产生了一个侧向的力。不过目前最最麻烦的还是漂移问题，现在的飘移程度太大了。我看过别人用同样电调，传感器做的四轴，没有那么大的漂移。所以我认为还是姿态控制的问题，应该还是能解决的。

向内侧倾斜安装我认为是个好主意，从华科尔的四轴到我看到的别人的四轴，都有这么装。只不过目前的马达安装支架比较简单，也许我多加一些垫片可以做到吧。

红外和超声波我都尝试过了，效果都不大理想。目前还是希望气压传感器了，高精度的应该能有比较好的效果吧。成本也是比较重要的一个因素，你提到的那个模块应该不便宜吧？

至于视频检测，目前主要问题是处理速度。等到姿态平衡差不多的时候，准备用ARM9来做识别，自带摄像头接口的那种。这样速度应该能上去一点吧。

关于那个复眼，我认为很有意思。回头淘宝上找几个可以远距离使用的光电鼠标，看看能不能利用那个镜头做点什么。:em15:

[ 本帖最后由 c_nmusic 于 2008-12-29 09:30 编辑 ]

Don-QuixotE

等待试飞

c_nmusic

感谢网友 海上翼 的建议，重新调整马达的安装方式。





把外侧的安装架下加了几个橡胶圈，这样就把马达垫高了。而且这个胶圈还能吸收马达震动和撞击时的部分冲击力，分量也比较轻。
本来是很简单的事情，但有一个螺丝拆不下来了，害得我只好把一个轴全都拆了才搞定。便宜螺丝就是不行啊。

下面的平衡算法换回最最基本的针对陀螺仪数据做PID，既然已经有成功案例，我相信我也能做到。
目前使用遥控器上的襟翼控制旋钮和起落架开关进行切换，调整P和I。在椅子上已经找到一组比较合适的参数，明天实际试飞一下看看。

感觉10寸桨比9寸桨好，低转速就可以把四轴拉起来。而且正由于转速低，撞到东西不容易折断。目前的4个桨已经撞到树干、水泥地、晾衣服架等各种东西。
桨上也有些小缺口了，但还没断。以前的9寸桨碰一次就挂了。

海上翼

原帖由 c_nmusic 于 2008-12-29 09:28 发表
感谢楼上的建议啊。:em05:

自旋，我后来发现最主要的原因是有一个马达被撞得歪了。没有完全垂直于四轴，所以产生了一个侧向的力。不过目前最最麻烦的还是漂移问题，现在的飘移程度太大了。我看过别人用同样电调， ...

这个微波的大约就是10多20块一个的样子，因为是工业通用器件所以很便宜。
HB100微波移动传感器:
HB100 (移动微波探测模块)应用多普勒现象感测移动的X-波段微波传感器，广泛应用于防盗,自动感应门,自动感应灯,交通测速,智能化控制,医疗生命探测等领域。


技术参数：

发射:
1发射频率 :                       10.525 GHz
2频率设置精度 :                   3MHz
3输出功率(最小):                   13dBm EIRP
4工作电压 :                       5V±0.25V
5工作电流(CW):                    60mA max., 37mA typical
6谐波发射:                        ＜-10dBm
7脉冲工作模式:
8平均电流 (5％DC) :                2mA typ.
9脉冲宽度(Min.):                   5uSec
10负载循环(Min.):                    1％
接收:
1灵敏度(10dB S/N ratio)3Hz至80Hz 带宽:   -86dBm
3Hz至80Hz带宽杂波                   10uV
2天线增益:                             8dBi
3垂直面3dB波束宽度:                   36度
4水平面 3dB 波束宽度:                  72度
5重量:                                 8 克
6规格:                               37×45×8mm




你那个微型压电陀螺装了3个，似乎理论上不能实现3轴稳定。 因为加上滚转，实际有6个轴。那个简易陀螺好像只能检测平移不能检测旋转？

这个基于积分算法的稳定首先要求初始数据可靠，但在那么强烈的振动下很怀疑陀螺传来的数据能有多可信，在加上本身精度就不佳。我想总的精度就很难令人满意了。
另外你应该是把陀螺仪装在中心吧？ 这样的话，即使外侧桨有很大起伏的时候，实际中心位置变化很小，相对振动来说，信号小得陀螺基本难以反应。我想是不是装到最外面比较好？虽然看起来振动更大了，但空间位置变动幅度比振动（应该是高频的容易消除）大得多，说不定会有更好的效果？
这个意思是装4套。。。外部稳定了，中心自然稳定了。


不过我还是比较赞成用光学法来实现空间位置的稳定。
这个方法响应速度极快，而且相对位置越近的时候，分辨率越高（陀螺则和距离无关）。也就是越接近障碍物，它反应会越灵敏。对那种机械振动则应该是不敏感的。因为它是基于外部参照的，每次位置数据都自动重新校正，不会有积分算法检测加速度的那些问题。

c_nmusic

感谢你的资料。

那个陀螺仪就是用来检测旋转的，而加速度计是可以用来检测平移时产生的加速度，所以3个陀螺仪就可以实现3轴稳定平衡了。
正因为陀螺仪检测的是角速度，所以装的位置越距离中心进，检测到的转动越大，所以我才把他装到四轴正中心。
震动目前看起来还是不错的，因为有好几层的橡胶减震，所以马达转动产生的震动没有影响到陀螺仪。这个是实际测试过的。

光学定位目前看起来能够实现的速度是个大问题，加上图像识别的时间，恐怕难做到快速平衡的要求。

目前四轴采用的3轴陀螺仪/3轴加速度计的配置应该算是经典配置了，已经有很多成功案例了。

[ 本帖最后由 c_nmusic 于 2008-12-29 20:32 编辑 ]