RoboMaster 无人机基础教程(1):跟着我DIY一架450四旋翼:准备工作

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目录:

  • 多旋翼飞行器相关基本概念
  • 多旋翼飞行器系统框架简述
    • 必要硬件及架构
    • APM 飞控介绍
  • 450四旋翼动力配置选型
    • 工具、配件
    • 我的配置
    • 推荐配置
  • 450四旋翼机械与硬件的组装(未完待续)
  • 参考书目

本文仅用于学习交流用途,不得用于商业用途,引用、转载请注明出处,并附上本文链接。

1. 多旋翼飞行器相关基本概念

多旋翼无人机,具有垂直起降、空中悬停、低空飞行和原地回转等独特的飞行技能。近年来,多旋翼无人机从概念到应用,以新颖的结构布局、独特的飞行方式和广泛的用途引起了人们的关注和重视,风行全球,迅速成为新的创业、创新研究热点[1]。本系列博客通过项目式体验型的过程,将结合专业理论与动手实践,“Learning By Doing”,从零打造一架具备自动飞行能力的四旋翼飞行器系统,亲身探索无人机的奥秘,与黑科技比肩同行,实现你的“飞行梦想”。

无人机这样高度电器自动化智能化的产品,在许多领域有着广泛的应用场景:

  • 航空拍摄
  • 农业植保
  • 医疗服务
  • 抗震救灾
  • 巡线勘测

比如DJI推出的精灵、悟、御等消费级产品,可以胜任绝大多数的航拍任务:又比如极飞和大疆,在近两年在植保领域展开激烈的斗争,尝试开发全自动化的喷洒农药的无人机系统,减轻人类劳动,也有公司在做医疗无人机,即使运输电子起搏器等急救设备在工业运用方面,无人机能够前往一些危险地区,例如,对桥梁、电网的场景进行巡线勘测的任务。在武汉“战疫”期间,无人机空中喊话:“请把口罩带好”,避免执法者与潜在病毒携带者直接接触。

这都得益于多旋翼飞行器的体积小、机动性好、成本低、用途广泛等优点。

无人机可分为:商品级无人机、工业级无人机、DIY无人机:


四旋翼飞行器是"四输入六输出"的欠驱动系统,同过四个螺旋桨转速的调节,来实现在空中六个自由度的飞行:

  • 俯仰 Pitch
  • 横滚 Roll
  • 偏航 Yaw
  • 平移 Tranlation
  • 高度 Attitude

万事开头难。既然定位是入门教程,就不加入那些数学公式,也不能一上来就讲State Estimation吧!循序渐进!

3. 多旋翼飞行器系统框架简述

3.1. 必要硬件及架构

螺旋桨与无刷电机和电子调速器相联,组装四旋翼的动力输出系统,通过锂电池,对整个系统进行供电,飞控将接受遥控器信号,通过与传感器信号比对,将输出量发送给电调。此外,飞控还能够安装各种设备,例如 GPS,数传模块等模块,实现更为丰富的功能应用。

上述模块变构成了无人机的机载部分,那么在地面,飞手可以通过遥控器或者是地面站通过无线信号,实现对飞行器的控制和干预。

当完成硬件部分的组装后,需要通过对应的软件,对飞控进行传感器校准以及控制参数整定,之后,便可享受飞行的乐趣了!!

3.2. APM 飞控介绍

APM全称ArduPilotMega,其中的Ardu代表的就是Arduino,是基于Arduino mega 2560开发的,计算能力有限。APM飞控是目前成熟度最高的开源飞控,拥有强大的生态和完整的文档。

飞控是无人机的“大脑”,能够稳定控制无人机飞行姿态,并能控制无人机自主或半自主飞行的控制系统。在目前阶段,将使用APM飞控实现Low-Level的控制功能,如果有需要,可以通过高性能上位机,如妙算、TX2等担任图形处理、路径规划等High-Level功能。

开源飞控和商品飞控主要在价格、性能、功能、便捷上有一些不同,随着开源社区的壮大和生态的不断发展,开源飞控的稳定性不断提升,价格也比较实惠经济,有优质的硬件与软件资源,更佳适合学习。

前三篇教程将使用物美价廉的APM飞控,后面会介绍Pixhawk飞控

大多数飞控都集成了如下传感器和模块:

  • 陀螺仪(MEMS陀螺仪)
  • 加速度计
  • 磁力计
  • 气压计
  • 超声波传感器
  • 全球定位系统
  • 红外传感器
  • 电子罗盘

例如陀螺仪可以表示机架与水平面的关系,气压计能够侧面当前的气压高度。飞控会将传感器采集的数据与输入信号进行对比,通过PID控制算法,调整螺旋桨转速,从而控制4旋翼无人机的飞行姿态和稳定。飞控要精准的完成控制任务,离不开传感器的检查和反馈。这样带有反馈信息的系统控制方式成为闭环控制系统

4. 450四旋翼动力配置选型

4.1. 我的配置

提供如下配置清单供参考,此外,还需要购买螺丝刀、电烙铁、螺丝、扎带、插头等配件和辅助工具。

航模的价格和尺寸不是正比关系,450轴距的飞行器成本是比较低的,穿越机和大轴距的无人机一套下来,都比较贵。当然,能满足实际需要是最好的。

4.2. 推荐配置

5. 450四旋翼机械与硬件的组装

采购一系列配件之后,来一个全家福:

博主有强迫症,就是喜欢摆放整整齐齐,哈哈

未完待续!请见RoboMaster 无人机基础教程(2)

6. 参考书目

[1]符长青,曹兵.多旋翼无人机技术基础[M].清华大学出版社:北京,2017:1-100.

[2]Brian Douglas. What is PID?. Mathworks.

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