四軸直升機是一種大規(guī)模使用的無人駕駛飛行器(UAV)或無人機。這些用于救援行動，交付，監(jiān)視，國防，醫(yī)療和農(nóng)業(yè)用途等。無人機的主要優(yōu)點是體積小，易于控制。在本文中，我們將學(xué)習(xí)如何在電機，飛行控制器和底盤的幫助下使用KK2.1.5飛行控制器設(shè)計四軸直升機(無人機)。

什么是四軸飛行器?

四旋翼無人機是一種多旋翼無人機，帶有4個馬達。四軸飛行器利用電子傳感器和控制系統(tǒng)穩(wěn)定飛行。有兩種類型的四軸直升機，即1- +配置四軸直升機和2-交叉配置四軸直升機。在本教程中，我們將設(shè)計一個x形狀的四軸飛行器。這兩種形狀都是穩(wěn)定的，但在前向飛行中，四旋翼機在前向飛行中需要偏航控制輸入。兩種配置的偏航控制權(quán)限是相同的，但俯仰和滾轉(zhuǎn)控制權(quán)限在交叉配置的情況下增加了約30%。四軸直升機依靠加速計、陀螺儀等電子傳感器和控制系統(tǒng)來穩(wěn)定飛行。

建造四軸飛行器所需的組件

框架:

框架是無人機的基本結(jié)構(gòu)，所有組件都安裝在一起?？蚣軕?yīng)該是剛性的，這樣就可以最大限度地減少電動機的振動。它由一個中心板組成，電子元件和四個臂連接在中心板上。在下面給出的圖像中，我們可以看到四軸直升機的框架。

我們將使用寬度為450mm的f450。它由玻璃纖維和耐用尼龍制成。它有兩塊板，一塊板上有集成PCB，所以我們可以直接焊接esc。F450武器加強，以防止任何損害;我們可以很容易地把馬達放在手臂的邊緣。我們使用的是m2.5尺寸的螺釘，是內(nèi)六角螺釘或內(nèi)六角螺釘。

汽車:

我們在這里使用了無刷直流電機(BLDC)。直流電動機由線圈和磁鐵組成，用于驅(qū)動軸，軸上有一個電刷，負(fù)責(zé)切換線圈中的功率方向。無刷電機沒有這些電刷。它們在電機的中心有線圈，固定在支架上。它們包含許多磁鐵，安裝在外部的圓柱體上，圓柱體連接到旋轉(zhuǎn)軸上。所以線圈是固定的。這意味著，電線可以直接到達它們，因此不需要刷子。無刷直流電動機以更高的速度旋轉(zhuǎn)，使用更少的功率比直流電動機(在相同的速度)。此外，也沒有功率損失，由于電刷過渡。如下圖所示。我們可以看到1000KV無刷直流電機，它有三條輸入線。我們將用電子速度控制器(ESC)連接這三根電線。

無刷電機帶有kv等級。這意味著電機將旋轉(zhuǎn)在給定的RPM(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))，如果我們給V電壓電機沒有任何負(fù)載。

在這里，我們使用四個無刷電機，1000千伏額定值。

螺旋槳:

螺旋槳安裝在每個無刷電機的頂部。螺旋槳有多種尺寸和形狀。我們使用(10*4.5)尺寸螺旋槳，這意味著它的直徑是10和間距是4.5英寸。直徑?jīng)Q定面積，而螺距決定有效面積。如果我們使用相同直徑的高螺距螺旋槳，螺旋槳將產(chǎn)生更大的推力和提升更多的重量，但它也需要更多的動力。高轉(zhuǎn)速提供了更多的速度和機動性，但提升較少的重量。

如果我們想讓無人機穩(wěn)定地與重物一起飛行，那么我們應(yīng)該使用電機，它可以管理更少的革命，但提供更多的扭矩，應(yīng)該使用高螺旋槳。要駕駛四軸直升機，我們需要1:2的重量和推力比。

在那里,

對于中型螺旋槳，Kp值為1.2

D =螺旋槳直徑

P = Pitch

螺旋槳的位置對無人機的飛行起著至關(guān)重要的作用。我們需要注意螺旋槳的形狀，因為螺旋槳可能看起來一樣，但它們實際上并不相同，它們可能是彼此的鏡像，就像我們的手是彼此的鏡像，但它們并不相同。

在上圖中，螺旋槳看起來是一樣的，但兩者是不同的，兩者都是彼此的鏡像。螺旋槳應(yīng)該這樣旋轉(zhuǎn)，這樣就能把空氣吸下去，這樣就能讓無人機飛起來。如果螺旋槳向上推動空氣，那么無人機將被推向地面。我們應(yīng)該讓螺旋槳向下吸進空氣。螺旋槳平面應(yīng)與電機旋轉(zhuǎn)方向一致。如果電機在時鐘方向旋轉(zhuǎn)，那么平面應(yīng)該在前面。

電子速度控制器

無刷電機是三相電機，不能用直流電源操作。ESC連續(xù)產(chǎn)生三個相位不同但可控的頻率信號，保持電機轉(zhuǎn)動。它有一個電池輸入和三相輸出的電機。我們這里使用的是30安培的ECSs。在下面的圖片中，我們可以看到ESC的樣子。我們將為四個不同的馬達使用四個esc。

通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)，控制器與電機的開關(guān)連接每秒連接和斷開約2000次。MOSFET晶體管被用作開關(guān)而不是機械開關(guān)。開關(guān)速度快，電機無法檢測到。如果有24V電池連接，只有一半的時間，電機看到電池像12v，以半速運行。開關(guān)的速度也會影響電機的電感，從而保持電機電流的持續(xù)流動。然而，電流只有一半的時間從電池流出，所以電池電流將是電機電流的一半。在下圖中，我們可以看到ESC的內(nèi)部電路圖及其電流(安培)隨時間的響應(yīng)。

電池

鋰聚合物(LiPo)電池通常用于四軸直升機，因為它的重量輕，高電流額定值。這里，我們使用了3芯LiPo電池。單節(jié)LiPo電池可提供高達3.6 V的電壓。

鋰電池有2200mAh的容量，11。V(3個電池)電壓和30C放電率。在下面的圖片中，我們可以看到2200mAH的鋰電池。這是2200mAH鋰電池的圖片。

LiPo電池有兩個特性參數(shù)：

1-容量-它告訴我們電池中存儲了多少能量。

2-放電率-也稱為c率，用c單位表示。它表示電池可以放電的速率。電池的最大電流(Imax)是放電速率和容量的乘積。

我們使用的是放電率為30C的電池。

這意味著2200mAh 30C 3S LiPo可以提供高達66安培的最大電流。

發(fā)射器和接收器：

發(fā)射器作為用戶的控制器。用戶可以使用這個發(fā)射機操作四軸直升機。它是基于無線電通信。接收器安裝在無人機上，接收器有天線，通過天線與發(fā)射器通信。這是一種完全的無線通信。發(fā)射器向接收器發(fā)送信號，接收器將該信號發(fā)送給飛行控制器。我們這里用的是FLYSKY發(fā)射機和接收機。這個發(fā)射機的范圍是1500米，但是如果我們在一個高磁干擾的地方使用這個發(fā)射機，那么發(fā)射機的范圍會減小。你可以看到你需要知道的一切關(guān)于FLYSKY FS-i6發(fā)射器和接收器的毫不費力的無人機控制文章了解這個發(fā)射器和接收器的所有功能。

KK2.1.5飛行控制器

KK2.1.5為飛行控制器;飛行控制器也被稱為無人機的大腦，因為無人機的所有操作都是由它控制的。KK2.1.5內(nèi)置ATMEL mega 664PA IC。它是基于AVR RISC的8位微控制器，內(nèi)存為64k。內(nèi)置加速度計和陀螺儀，6050微處理器和自動調(diào)平功能。它在板的右側(cè)有八個電機輸出，我們在這里連接ESC。它有5個控制輸入;這些輸入通過接收器連接。它的中間還有一個LCD顯示屏，它將作為無人機的用戶界面。工作電壓為1.8V ~ 5.5V，輸入電壓為4.8 V ~ 6.0 V。

Kk2.1.5用于穩(wěn)定飛行期間的四旋翼機，并做到這一點，它接收信號從陀螺儀(滾，俯pitch和偏航)，并將這些信號發(fā)送到處理器(ATMEL mega 664PA)，然后它通過控制信號ESCs和這些信號的組合指示ESCs微調(diào)電機轉(zhuǎn)速，從而穩(wěn)定工藝。Kk2.1.5也使用來自接收器的信號，并通過副翼、升降舵、油門和方向舵用戶需求輸入將這些信號一起傳遞給處理器(ATMELmega664PA)。處理后，這些信息被發(fā)送到esc， esc依次調(diào)整每個電機的轉(zhuǎn)速來控制飛行方向(偏航、右、左、上、下、后、前)。在下面的視頻中，我們逐一解釋了上述所有組件。

四軸直升機的飛行控制力學(xué)

四軸直升機的運動是通過改變4個電機的相對推力來控制的。這里，我們使用的是X形狀的四軸直升機。在這個四軸直升機，電機位于相同的對角線移動在同一方向無論是時鐘方向(CW)或逆時針方向(CCW)。如果我們在汽車?yán)?，那么我們可以向前，向后，向左或向右，但是?dāng)我們談?wù)擄w行系統(tǒng)時，我們就不會說同樣的話。飛行系統(tǒng)有不同的術(shù)語，即偏航，滾轉(zhuǎn)和俯仰。

在了解四旋翼飛行器的飛行動力學(xué)之前，我們需要了解四旋翼飛行器角運動的三個主要參數(shù)，即偏航、橫搖和俯仰。

轉(zhuǎn)動:

從無人機的后面到無人機的前面的軸稱為角色軸，圍繞這個軸的旋轉(zhuǎn)稱為角色運動。這種運動也被稱為副翼。在下面的圖像中，我們可以看到滾動運動。

螺距:

從無人機的左側(cè)到右側(cè)的軸稱為俯仰軸。圍繞這個軸的旋轉(zhuǎn)稱為俯仰運動。它也被稱為電梯運動。在下圖中，我們可以看到音高運動。

偏航:

從無人機頂部到無人機底部的軸稱為偏航軸。圍繞這個軸的旋轉(zhuǎn)稱為偏航運動。它也被稱為舵。在下圖中，我們可以看到偏航運動。

借助下面的圖像，我們可以一起理解這三種運動。

它們本身不是橫向運動，而是沿著三個不同的軸旋轉(zhuǎn)。甚至橫向運動也是沿著這些軸旋轉(zhuǎn)的結(jié)果。要了解無人機的控制，我們首先需要了解作用在無人機上的不同力。如果推力=重量(毫克)，那么四軸飛行器將保持平衡。如果推力0重量(毫克)，那么無人機將向上飛行，如果推力<重量(毫克)，那么無人機將向下飛行。

當(dāng)它向上飛行時，推力的方向就是無人機的運動方向，所以要改變無人機的運動方向我們需要改變推力的方向這就是無人機運動背后的邏輯。

向前和向后的運動：

如果我們想讓無人機向前移動，我們需要產(chǎn)生向前的推力分量。這是通過增加稀有電機的功率和減少前置電機的功率來實現(xiàn)的。如果我們想讓無人機向后移動，我們可以減少稀有馬達的功率，增加前置馬達的功率。

左右運動：

為了讓無人機向左移動，我們生成了向左方向的推力分量。這是通過增加右側(cè)電機的功率和減少左側(cè)電機的功率來實現(xiàn)的。為了使無人機向右移動，我們增加了左側(cè)電機的功率，減少了右側(cè)電機的功率。

四旋翼飛行器的偏航運動：

對于偏航運動，事情可能會變得有點棘手，當(dāng)我們想讓無人機在連續(xù)方向偏航時，我們將增加時鐘方向螺旋槳的功率，由此產(chǎn)生的反扭矩將使無人機在時鐘方向偏航。如果我們想讓無人機在CCW方向偏航，我們將增加功率到時鐘方向的螺旋槳和由此產(chǎn)生的反扭矩將偏航無人機在逆時針方向，所以要控制四旋翼的運動，我們控制的功率，我們給它的電機。

在下面的視頻中，我們通過一個樣本無人機解釋了四軸直升機的飛行控制機制

四軸飛行器框圖

如下方框圖所示，所有電機均通過esc與KK2.1.5相連。加速度計和陀螺儀顯示在KK2.1.5板外，但它是內(nèi)置在板本身。接收器與KK2.1.5板直連。在下面的圖像中，我們已經(jīng)顯示了四軸直升機的框圖。

四軸飛行器的飛行動力學(xué)

要駕駛無人機，我們只有4種輸入方式。這四個輸入是通過給電機或多或少的功率來控制的。

這里有4個電機，電機1和3在連續(xù)方向上旋轉(zhuǎn)，電機2和4在連續(xù)方向上旋轉(zhuǎn)。?1、?2、?3、?4分別為電機1、電機2、電機3、電機4的角速度。l是垂直于表面的Z軸與對角相對的電機之間的距離。

每個電機在Z方向上提供一個向上的推力。

K是升力常數(shù)。

每個馬達在Z方向上提供一個向上的推力。

Z方向(向上)力：

X、Y、Z方向扭矩：

其中B是阻力常數(shù)

那么Fx & Fy呢?

在四軸飛行器中，我們可以完美地誘導(dǎo)旋轉(zhuǎn)運動。我們可以在X， Y和Z方向上產(chǎn)生扭矩，但是我們只能在Z方向上產(chǎn)生力。我們不能直接推導(dǎo)出Fy和Fz。馬達不能在X， Y方向產(chǎn)生力。

如果我們想讓四軸飛行器沿著X和Y方向運動我們需要讓四軸飛行器繞X或Y軸旋轉(zhuǎn)一個角度，那么力的一個分量就會作用在X， Y和Z軸上。我們可以通過旋轉(zhuǎn)四旋翼機間接誘導(dǎo)X， Y方向的運動。

所以，控制四旋翼機有點復(fù)雜，因為我們不能直接在X和Y方向上運動，我們需要首先誘導(dǎo)旋轉(zhuǎn)，然后力將在X和Y方向上起作用。

我們有控制變量或四個輸入

但我們必須控制6個參數(shù)或6個輸出

用逆矩陣法變換得到，

在下面的視頻中，我們通過一個樣本無人機解釋了四軸直升機的飛行動力學(xué)。

KK2.1.5飛行控制器的設(shè)置與調(diào)優(yōu)

Kk2.1.5多旋翼LCD飛控板基于ATML644 PA。板的右側(cè)有8個輸出，我們將使用4個輸出直接連接esc。我們將使用四軸直升機，所以我們只使用了四個輸出引腳。

ESC的連接:

輸出引腳每行有3個引腳。幾乎所有的針都是接地的。所有中心引腳都是Vcc(5伏)。所有的第一腳都是信號。將所有4根esc線連接到KK2.1.5板的前4個輸出引腳上。esc與KK2.1.5板的連接如下表所示。

在下圖中，我們可以看到ESCs與KK2.15的連接。在這里，我們只連接了1個esc，像這樣我們將所有4個esc與KK2.1.5板連接。

接收器連接:

輸入管腳在LCD顯示屏的左側(cè)。這里有5個連接，這些引腳將與接收器連接。接收引腳與KK2.1.5輸入引腳的連接方式如下：

我們將用三根連接線連接接收器的第一通道(CH1)，其余通道只通過單線連接，因為其他通道不需要連接Vcc和接地。根據(jù)上表，接收端連接應(yīng)該如下圖所示。

根據(jù)上表，KK2.1.5板端連接應(yīng)該如下圖所示。

無刷直流電機設(shè)置：

電機1和電機3逆時針旋轉(zhuǎn)，電機2和電機3逆時針旋轉(zhuǎn)。我們將使用飛行天空發(fā)射器設(shè)置所有電機的方向。首先將電池連接到電源插座上。我們將第一個電機ESC連接到接收器的通道3，通道3始終是節(jié)流的?，F(xiàn)在，打開變送器并稍微移動油門，然后電機將旋轉(zhuǎn)。現(xiàn)在，觀察電機的方向。如果我們看到方向相反，我們將電機和ESC連接的端線反向?，F(xiàn)在，再次移動節(jié)流閥，我們可以看到電機在期望的方向旋轉(zhuǎn)。現(xiàn)在，對每個電機重復(fù)同樣的步驟。電機和ESC都有3根電線，我們將像下圖一樣連接電機和ESC。

KK2.1.5設(shè)置

設(shè)置KK2.1.5板時，首先要使發(fā)射機處于開啟狀態(tài)，并確保接收機與發(fā)射機綁定。KK2.1.5單板底部有4個按鈕，分別為S1、S2、S3和S4。使用這些按鈕，我們將與LCD顯示器進行交互。

step1：首先按下S4進入菜單，然后進入負(fù)載電機布局，然后選擇四軸直升機X模式，并在X模式下設(shè)置四軸直升機。檢查這里所有的電機方向。

step2：接下來是ACC校準(zhǔn)，為此我們需要將四旋翼機放置在平面水平面上，并選擇用于校準(zhǔn)加速度計的ACC校準(zhǔn)。點擊S4，這是自動校準(zhǔn)。

一旦Acc校準(zhǔn)結(jié)束，我們就可以拔掉電源并重新供電。在液晶顯示器上顯示安全，這意味著它已經(jīng)從錯誤變?yōu)榘踩?

Step3：現(xiàn)在，進入PI編輯器。在這里，我們必須設(shè)置副翼(滾轉(zhuǎn))、升降舵(俯仰)和方向舵(偏航)的增益/極限P和I。P增益是表示靈敏度和責(zé)任的比例增益。更高的P意味著更銳利的控制，而更低的P意味著更柔和的控制。

I是積分增益，表示保持高度的能力。一旦PI設(shè)置完成，轉(zhuǎn)到模式設(shè)置。

Step4：在模式設(shè)置中，設(shè)置自電平為AUX。

Step5：現(xiàn)在轉(zhuǎn)到其他設(shè)置，這里我們將設(shè)置鬧鐘1/10伏。

要設(shè)置1/10伏特報警，我們需要做以下計算。

11.1伏的3芯LiPo電池使用每個電池3.60伏的值來表示空電池，然后將值(以1/10的單位)設(shè)置為(3.6 * 3 * 10 = 108)，當(dāng)電源電壓降至10.8伏時，警報將響起。

Step6：現(xiàn)在，我們開始對ESCs進行校準(zhǔn)。首先將發(fā)射機與節(jié)氣門調(diào)到最小，然后將節(jié)氣門調(diào)到最大，并保持按下S1和S4開關(guān)，然后將電池連接到四旋翼飛機，現(xiàn)在我們將得到兩個嗶嗶聲，我們將把節(jié)氣門放下，導(dǎo)致單個嗶嗶聲。這樣，校準(zhǔn)過程就結(jié)束了。

Step7：武裝四軸直升機，保持油門在左手邊，一旦四軸直升機武裝，我們可以飛四軸直升機。

現(xiàn)在四軸直升機可以起飛了。保持油門在右側(cè)。

PI調(diào)諧在四軸直升機

極低P增益：

它是非常難以控制的四旋翼機和四旋翼機缺乏整體穩(wěn)定性。當(dāng)飛行器響應(yīng)時，控制輸入感覺不精確且緩慢。當(dāng)四旋翼飛機將飛行，它將很容易糾正命令和飛行器將是緊張不安的。

非常高的市盈率和收益率：

四軸直升機將遭受左右振蕩。四軸直升機將很容易獲得或松散的高度，但它將很難維持給定的高度。四軸直升機將以低頻振動和振蕩。

正確P增益：

我們可以簡單地操作四軸直升機，它會以穩(wěn)定的方式飛行。它可以快速優(yōu)雅地起飛，在一個地方盤旋。如果我們想讓四旋翼飛行器特技飛行，我們應(yīng)該在穩(wěn)定飛行值的基礎(chǔ)上稍微增加P設(shè)置，在穩(wěn)定飛行值的基礎(chǔ)上稍微減少I設(shè)置;如果我們想要平穩(wěn)的飛行，我們應(yīng)該從穩(wěn)定的飛行值稍微減少P設(shè)置，從穩(wěn)定的飛行值稍微增加I設(shè)置。

比例增益系數(shù)(Kp)：

Kp對于相對穩(wěn)定的飛行起著重要的作用。Kp決定了從陀螺儀和用戶操縱桿輸入的機載控制之間的混合。隨著Kp值的增加，四旋翼機將變得更加敏感，對角度變化的反應(yīng)性更強，并且可能以高頻振蕩。當(dāng)Kp值降低時，四旋翼機將變得緩慢且難以保持穩(wěn)定。

積分增益系數(shù)(Kc)

Kc增加了角度位置的精度。例如，當(dāng)飛行器受到風(fēng)的干擾，它的角度位置發(fā)生了10度的變化，理論上，它會記住角度變化了多少，并試圖返回10度。它是有用的不規(guī)則風(fēng)和湍流從電機。當(dāng)Kc值較高時，四軸飛行器將開始緩慢反應(yīng)，這將降低Kp的影響，但當(dāng)Kp值較高時，四軸飛行器開始以較低的頻率振蕩。

在本教程中，我們設(shè)計了一個四軸飛行器與KK2.1.5飛行控制器的幫助。在這里，我們已經(jīng)解釋了從設(shè)置控制器到調(diào)優(yōu)控制器。在下一部分，我們將解決一些問題，使四軸直升機順利飛行。

本文編譯自circuitdigest