基于Arduino的無(wú)人機(jī)構(gòu)建

描述

電影“三個(gè)白癡”一直是我開(kāi)始從事這個(gè)項(xiàng)目的主要靈感來(lái)源。

最后，我要感謝我的家人一直以來(lái)對(duì)我的支持和信任。

• 硬件建設(shè)：

無(wú)人機(jī)只不過(guò)是一個(gè)利用 4 個(gè)電機(jī)飛行并接收遠(yuǎn)距離用戶輸入的物體（即為什么有時(shí)它被稱為 UAV – unmanned ariel vehicle）。

給定的 450 毫米框架將使用 1000kv 無(wú)刷電機(jī)和 8 到 10 英寸長(zhǎng)的螺旋槳。如果 450 毫米無(wú)人機(jī)框架不可用，可以使用下表來(lái)確定為特定無(wú)人機(jī)尺寸購(gòu)買哪種電機(jī)和螺旋槳：

選擇電子速度控制取決于無(wú)刷電機(jī)的最大輸入電流。為了安全起見(jiàn)，我選擇了 30 安培的電調(diào)，因?yàn)槲业碾姍C(jī)消耗的電流遠(yuǎn)小于 30 安培。（電子速度控制只是一個(gè)小模塊，它允許我們通過(guò)簡(jiǎn)單地以脈沖形式發(fā)送信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的速度）。

無(wú)人機(jī)物理 -> 因?yàn)槲覀冇?4 個(gè)電機(jī)，一組電機(jī)將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，另一組逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。發(fā)生這種情況是因?yàn)槿绻须姍C(jī)都逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)以保存角動(dòng)量，則四軸飛行器將在順時(shí)針?lè)较蛏蠄?zhí)行偏航（繞 z 軸旋轉(zhuǎn)）運(yùn)動(dòng)。

繞 x 軸旋轉(zhuǎn) -> 俯仰

繞 y 軸旋轉(zhuǎn) -> 滾動(dòng)

繞 z 軸旋轉(zhuǎn) -> 偏航

確保在焊接時(shí)將 1 對(duì) esc 以 cw 格式焊接，另一對(duì)以 ccw 格式焊接到無(wú)刷電機(jī)。（即一對(duì) esc 應(yīng)該相同地焊接到無(wú)刷電機(jī) -> 黃色到黃色線，黑色到黑色線和紅色到紅色線。在下一對(duì)中，只需輕彈任意 2 根線）。esc 的另一端應(yīng)焊接到框架上已經(jīng)存在的配電板上。

將 Xt-60 連接器焊接到框架上，稍后將用于將電池連接到配電板。

• Arduino 連接：

Arduino Uno 是這個(gè)四軸飛行器的主要大腦，應(yīng)該出現(xiàn)在中心，因?yàn)槟抢锏恼駝?dòng)最小。

MPU 6050 應(yīng)焊接在 Arduino 原型擴(kuò)展板上，連接應(yīng)如下所示 ->

電壓 ->+5v

接地->接地

SCL ->A5

SDA ->A4

Major NOTE-> esc 應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離 mpu6050 模塊，因?yàn)槿绻鼈儽３挚拷?，由于電磁干擾，esc 會(huì)影響 mpu 模塊測(cè)量的值并使 quad 不穩(wěn)定。

esc 的信號(hào)線應(yīng)連接到引腳 D4 到 D7，接收模塊（遠(yuǎn)程）應(yīng)連接到引腳 D6 到 D9。

為了給 Arduino 加電，我們直接從配電板獲取輸入并在它們之間連接一個(gè)二極管（這樣做是為了確保當(dāng)代碼被閃存到 Arduino 時(shí)，計(jì)算機(jī)的串行端口不會(huì)因高壓而損壞電池）。

我們連接 2 個(gè) 1 和 1.5 千歐姆的電阻來(lái)測(cè)量電池電壓（這是通過(guò)制作簡(jiǎn)單的分壓器電路完成的）。輸入電壓將用于在電池電壓低于特定限制時(shí)發(fā)出警報(bào)并向用戶發(fā)出警報(bào)）。

• 模塊說(shuō)明：
• MPU6050：

該模塊將構(gòu)成基本的慣性測(cè)量單元 (IMU)，用于測(cè)量所有 3 軸上的四邊形角度。加速度計(jì)測(cè)量線性加速度，該加速度將用于計(jì)算以 g 為單位的作用在四邊形上的力（使用科里奧利力的概念）。g 中的值和反三角函數(shù)將使我們能夠計(jì)算四邊形的角度。

我們使用陀螺儀的原因是測(cè)量角速度，角速度將再次用于測(cè)量角度。不能簡(jiǎn)單地使用加速度計(jì)，因?yàn)楫?dāng)四邊形運(yùn)動(dòng)時(shí)，它給出的值將是隨機(jī)且不穩(wěn)定的。因此，通過(guò)測(cè)量角速度和數(shù)據(jù)表中的一些固定值，我們可以確定角度。因此，IMU 使用 2 個(gè)模塊測(cè)量角度。此外，為了減少來(lái)自此類微電子機(jī)械傳感器 (MEMS) 的噪聲，我們讓讀數(shù)通過(guò)濾波器。

• Arduino：主要代碼由該模塊運(yùn)行。該代碼初始化所有模塊并確保接收到正確的信號(hào)。還添加了一個(gè)安全機(jī)制，以確保只有當(dāng)所有遙控桿都處于低位時(shí)四輪驅(qū)動(dòng)才啟動(dòng)。

該代碼的刷新率為 250 HZ，即它每 4000 微秒進(jìn)行一次更正。

此時(shí)，它能夠生成：

• 讀取陀螺儀角度數(shù)據(jù)
• 計(jì)算 PID 修正
• 電壓降補(bǔ)償脈沖
• 將計(jì)算出的脈沖發(fā)送到 esc

每個(gè)脈沖由 1000 到 2000 微秒組成。

• 代碼說(shuō)明：

代碼文件由 3 個(gè)代碼組成，即

• YMFC_設(shè)置文件->

該文件用于在飛行前配置整個(gè)四軸飛行器并將收集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 E2PROM 中（這允許我們將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 Arduino 上，即使 Arduino 斷電）。此代碼用于檢查遙控器傳輸?shù)闹行暮投它c(diǎn)，即 rc 發(fā)送的信號(hào)值（以微秒為單位），這是必不可少的，因?yàn)樗鼤?huì)根據(jù)輸入限制四軸飛行器的飛行。它還用于配置無(wú)人機(jī)的 3 軸并確定哪個(gè)部分是四邊形的機(jī)頭（這樣做是為了確保不需要軸反轉(zhuǎn)，即如果四邊形向右轉(zhuǎn)，IMU 應(yīng)該以 +ve 度測(cè)量角度，因?yàn)檫@是選擇的約定）。所有這些讀數(shù)都存儲(chǔ)在 Arduino 的 eeprom 上，隨后由其他模塊使用 庫(kù)中的內(nèi)置函數(shù)檢索。

• YMFC_esc_calibrate ->

此代碼是必不可少的，因?yàn)樗糜谕剿妮S飛行器的所有電機(jī)，即所有電機(jī)應(yīng)在給油門時(shí)同時(shí)啟動(dòng)。與此代碼一起，我們檢查 IMU 測(cè)量的角度并估計(jì)所需的校正（在四邊形將顯示所有角度 0 度的水平上沒(méi)有必要）。檢查接收器信號(hào)，最后此代碼用于平衡螺旋槳與電機(jī)。完成這種平衡是為了減少電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)并且不影響 mpu6050 模塊，平衡是通過(guò)在支柱上涂上一塊絕緣膠帶來(lái)抑制它來(lái)完成的。

• YMFC_flight_controller->

最重要的模塊。在這個(gè)模塊中，我們使用了之前從其他模塊收集的所有數(shù)據(jù)。代碼初始化并獲取大約 2000 個(gè)角度讀數(shù)，以計(jì)算代碼在 void loop() 中執(zhí)行時(shí)需要消除的任何恒定誤差。它還確保電池電壓最佳以及來(lái)自遠(yuǎn)程的所有信號(hào)是否正常工作。

在 void loop 函數(shù)中，僅當(dāng)執(zhí)行特殊的搖桿序列時(shí)才會(huì)啟動(dòng)電機(jī)，并且還會(huì)使用特殊的搖桿序列來(lái)切斷電機(jī)。稍后根據(jù) quad 的輸入和方向確定脈沖并將其發(fā)送到 esc。需要注意的最重要的一點(diǎn)是，我們直接在代碼中使用了機(jī)器級(jí)語(yǔ)句，因?yàn)橥ㄟ^(guò)使用 Arduino ide 提供的內(nèi)置函數(shù)，代碼超過(guò)了可用的 4000 微秒時(shí)間（即刷新率）。

PID -> 比例積分和微分：

這是軟件最重要的組成部分

比例項(xiàng)：當(dāng)輸入和當(dāng)前位置之間的差異（誤差）很高時(shí)，該項(xiàng)會(huì)產(chǎn)生更高的輸出。

積分項(xiàng)：該項(xiàng)用于消除系統(tǒng)中存在的恒定誤差，比例項(xiàng)無(wú)法消除這些誤差，因?yàn)樗容^四邊形的先前位置和當(dāng)前位置，并基于此生成輸出。

導(dǎo)數(shù)項(xiàng)：稱為積分結(jié)束的嚴(yán)重問(wèn)題會(huì)增加四邊形的壓力并可能導(dǎo)致嚴(yán)重的不平衡，因此我們使用導(dǎo)數(shù)項(xiàng)來(lái)預(yù)測(cè)軌跡的未來(lái)并在誤差變化率過(guò)大時(shí)減慢四邊形.

最后，我們利用了自動(dòng)水平功能，當(dāng)搖桿處于中心位置時(shí)，它會(huì)使無(wú)人機(jī)保持平衡。這完全是因?yàn)?IMU 使四邊形與 3 軸對(duì)齊。

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