深度解析：四轴--飞控板及控制原理

行者～ABC · 发表于 2020-3-19 10:03

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四轴（1）-飞行原理

总算能抽出时间写下四轴文章，算算接触四轴也两年多了，从当初的模仿到现在的自主创作经历了不少收获了也不少。朋友们也经常问我四轴怎么入门，今天就简单写下四轴入门的基本知识。尽量避开专业术语和数学公式。
1、首先先了解下四轴的飞行原理。

四轴的一般结构都是十字架型，当然也有其他奇葩结构，比如工字型。两种的力学模型稍微有些不一样，建议先从常规结构入手（其实是其他结构我不懂）。

常规十字型结构其他结构

常规结构的力学模型如图。

力学模型

对四轴进行受力分析，其受重力、螺旋桨的升力，螺旋桨旋转给机体的反扭矩力。反扭矩影响主要是使机体自旋，可以想象一下直升机没有尾桨的情况。螺旋桨旋转时产生的力很复杂，这里将其简化成只受一个升力和反扭矩力。其它力暂时先不管，对于目前建模精度还不需要分析其他力，顶多在需要时将其他力设为干扰就可以了。如需对螺旋桨受力进行详细研究可以看些空气动力学的书，推荐两本，

空气螺旋桨理论及其应用（刘沛清，北航出版社）
空气动力学基础上下册（徐华舫，国防科技大学）
网易公开课：这个比麻省理工的那个飞行器构造更对口一些。
荷兰代尔夫特理工大学公开课：空气动力学概论
以上这些我是没看下去，太难太多了，如想刨根问底可以看看。

解释下反扭矩的产生：
电机带动螺旋桨旋转，比如使螺旋桨顺时针旋转，那么电机就要给螺旋桨一个顺时针方向的扭矩（数学上扭矩的方向不是这样定义的，可以根据右手定则来确定方向）。根据作用力与反作用力关系，螺旋桨必然会给电机一个反扭矩。
在转速恒定，真空，无能量损耗时，螺旋桨不需要外力也能保持恒定转速，这样也就不存在扭矩了，当然没有空气也飞不起来了。反扭矩的大小主要与介质密度有关，同样转速在水中的反扭矩肯定比空气中大。
因为存在反扭矩，所以四轴设计成正反桨模式，两个正桨顺时针旋转，两个反桨逆时针旋转，对角桨类型一样，产生的反扭矩刚好相互抵消。并且还能保持升力向上。六轴、八轴…类似。

我们控制四轴就是通过控制4个升力和4个反扭矩来控制四轴姿态。

如力学模型图，如需向X轴正方向前进，只需增加桨3的转速，减少桨1的转速，1、3桨的反扭矩方向是一样的，一个加一个减总体上来说反扭矩没变。此时飞机已经有向X轴方向的分力，即可前行。
如需向X轴偏Y轴45°飞行，那么增加桨2、3的转速，减少桨1、4的转速，即可实现。

如果将X正作为正前方，那么就是”十”模式，如果将X轴偏Y45°作为正前方向，那就是”×”模式。理论上这两种都可以飞行，”十”模式稍微比”×”模式好计算，但是”十”模式不如”×”模式灵敏。

四轴如需向任意方向飞行只需改变电机的转速，至于电机转速改变的量是多少，增量之比是多少就需要算法了。对于遥控航模，不需要知道具体到度级别的方向精度，飞行时手动实时调节方向即可。

四轴除了能前后左右上下飞行，还能自旋，自旋靠的就是反扭矩，如需顺时针旋转，只需增加桨1、3转速，减少2、4转速，注意不能只增加桨1、3而不减少2、4，这样会造成总体升力增加，飞机会向上飞的。

理想情况下，四轴结构完全对称，电机转速一样，飞机就可以直上直下飞行。但事实和理想还是有差距的，不存在完全对称的结构，也没有完全一样的电机螺旋桨。所以需要飞控模块进行实时转速调节，这样才能飞起来，不像直升机，螺旋桨加速就能飞。

2、分析完飞行原理，接下来分析四轴飞行器系统的主要部件。

四轴整体系统如所示，整个系统主要包括：飞控、电机、电机驱动、电池、遥控接收机、无线模块、机体（图中没画出来）。

对于diy类大四轴，电机主要用无刷电机，电机学分类是同步电机，这类电机机械特非常好，一般这类电机驱动用的是成品电调，全称电子调速器，给电调输入50Hz 的PWM信号通过调节脉宽调节电机转速。四轴上电机是不用考虑反转的。

同步电机模型各种运动控制书上都有，但这里我不打算直接对电机建立模型，原因是即使模型建立出来了，电机参数也不能很好的测量，会导致计算结果和实际有较大的偏差。我们实际关心的是电机外部特性。知道外部特性然后应用此外部特性即可。

对于电机执行机构，我们可以测量输入输出响应，这里输入是PWM脉宽，输出是转速，也可以把升力和反扭矩当做输出。如果把转速当做输出，那么还需要测量转速与升力和反扭矩的关系，因为最终是力影响的姿态而不是转速。测量升力的时候一定要分地面和空中两种情况测量。不同的地面和空中气流是不一样的，越低地效越明显，要问为什么自己看动力学书籍去。电机模型相关东西我会另写一篇文章，这篇主要是一些入门知识。

初学者可以不必管电机模型，知道pwm给的越多升力越大就可以了。

对于小四轴，电机一般用的是直流电机，这类驱动可以用mos管自己搭就可以了。pwm频率就不必限制到50Hz,可以5k、50k甚至更高。

四轴上一般是单电源供电，飞控板供电可以用带BEC输出的电调上的电。小四轴就自己画个稳压模块。

其他无线模块主要用于一些附加的功能，比如实时发送各种监测数据，也可以发送图像等等。

有些无人机带云台，实际也是驱动+电机的结构。

飞控板是整个控制四轴最核心的东西，也是它把四轴变得比直升机还好控制。飞控板最主要的功能是计算四个电机的控制量，如何计算就牵扯到各种算法了，这里我不详细展开说。

主控芯片读取各个传感器数据，然后对各种数据进行融合，然后能得出机体的姿态信息，什么是姿态信息呢？就是给你一个坐标系，给你一个已知长宽高的长方体，给你姿态信息，然后你就可以在坐标系里把这个长方体画出来了，你知道在哪个位置上画，也知道是怎么放置的，是某个角朝上还是某个楞平行于坐标轴，这些都能知道。这就是姿态信息的意义。

姿态的表示方法有很多，有四元数，欧拉角，旋转矩阵，轴角表示等。各自有各自的优缺点。且都能相互转换，有相应的公式。四元数，旋转矩阵在数学计算上比较方便。欧拉角物理意义最为明确，直观，方便用于控制。所以，可以用四元数，旋转矩阵来进行计算，将结果转化为欧拉角，用欧拉角进行PID控制。

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