兰博

  • 2019-06-17
  • 发表了主题帖: 三、“电源类”赛题培训的一些建议

    “电源类””赛题中所涉及到的一些知识点,对有些专业的同学来讲,在专业课程中是没有的,需要自己去搞清楚。这一点很重要。理论用来指导行动。没有理论基础,盲人摸象,行动一定会有困难。   另外,“电源类””赛题的实践性要求很强,例如变压器的制作,特别是高频开关电源变压器的制作,电感线圈的设计与制作、PCB 的设计等。   站在岸上是学不会游泳的。建议从简单的基本的电源类电路做起,如简单的直流稳压器电路等,通过一些作品的制作和训练,找到感觉。   1. 主攻“电源类”赛题方向的同学在训练过程中,以历届赛题为基础,可以选择已经出现过的一些赛题做一些训练;主要训练这类赛题的共用部分,如变压器、AC-DC 模块、DC-DC 模块、滤波器、微控制器最小系统、ADC/DAC 模块等。完成相关模块的设计制作,以备竞赛需要。 2. 主攻“电源类”赛题方向的同学还应该注意与电源特性和指标参数测试有关的仪器仪表的设计与制作。一些赛题会包含这方面的内容。例如,2007 年本科组 E 题“开关稳压电源” 要求测量输出电压和电流。2013 年本科组 A 题 “单相 AC-DC 变换电路”要求使用数字式单相电参数测量仪,测量单相交流电参数(交流电压、电流和功率因数)。 3. 主攻“电源类”赛题方向的同学还可以发挥自己的想象力,考虑一下: 还有哪些“电源类”的赛题在竞赛中没有出现过?如大功率电流源等,在培训过程中事先训练一下。 已经出现过的一些赛题,考虑一下哪些可能会在放大器、仪器仪表、高频、控制类等赛题中出现? 已经出现过的一些赛题,考虑一下哪些可能在指标和功能方面会有哪些变化?如效率、稳定度、输出功率等。 已经出现过的一些赛题,考虑一下哪些可能在制作工艺要求方面会有哪些变化? 4. 主攻其他方向的同学,也需要注意电源的设计与制作。

  • 2019-06-14
  • 发表了主题帖: 二、历届“电源类”赛题的主要知识点

    从历届“电源类”赛题来看,主攻“电源类”赛题方向的同学需要了解的主要知识点如下: 变频电源、PWM 开关电源等工作原理、系统结构和电路组成 AC 电源变压器的设计与制作 高频开关电源变压器的设计与制作 AC 整流和滤波电路设计与制作 斩波和驱动电路设计与制作 逆变和驱动电路设计与制作 电流、电压检测电路设计与制作 过流和过压保护电路设计与制作 真有效值检测电路设计与制作 AC-DC 开关电源电路设计与制作 DC-DC 升压型开关电源电路设计与制作 DC-DC 降压型开关电源电路设计与制作 直流稳压电路设计与制作 单片机、FPGA、ARM 最小系统电路设计与制作 微控制器外围电路(显示器、键盘、开关等)的设计与制作 ADC 和 DAC 电路设计与制作

  • 2019-06-13
  • 发表了主题帖: 2019电赛 电源类赛题分析、资料分享

    电源类赛题一直是电赛每年必有的题目。从历届赛题可以看到, “电源类”赛题从 AC→DC,从 DC→AC,从单相电到 3 相电,从线性稳压器到开关稳压器,从单个电源到多个电源并联,已经涉及到电源设计基础的和先进的技术,而且赛题要求的技术参数指标也是越来越高(例如,精度、效率η(≥95%)等) 。    本楼对电赛历年的考题进行了分析,并根据相关的知识要点,收集了相关的一些精品资料。   赛题分析 一、历届电源类赛题 二、历届“电源类”赛题的主要知识点 三、“电源类”赛题培训的一些建议   相关资料 备战2015全国大学生电子设计竞赛_电源类赛题分析 2011年全国大学生电子设计大赛A题报告(开关电源模块并联供电系统 2011年全国大学生电子设计大赛A题论文--开关电源 2011年全国大学生电子设计竞赛论文A题电源类 2011电子设计大赛A题开关电源模块并联供电系统技术报告 2013电设大赛电源二等奖论文 2015年全国大学生电子设计竞赛(LED闪光灯电源)-(2) 2016四川省电子设计大赛电源题LM5117设计方案论文 2007年E题 开关稳压电源 2008年E题 简易数控充电电源   开关电源pcb设计要点 开关电源论文资料 基于单片机控制的开关电源资料 用单片机制作的直流稳压可调电源 开关电源各部电路详解 开关电源原理及各功能电路详解 开关电源论文资料 开关电源的PCB设计规范 开关电源变压器详细设计实例(内有详细公式) 经典好书:LED驱动电源设计100例 开关电源_详细讲解 此内容由EEWORLD论坛网友兰博原创,如需转载或用于商业用途需征得作者同意并注明出处    

  • 发表了主题帖: 一、历届电源类赛题

    历届电源类赛题分析  在 11 届全国大学生电子设计竞赛中,电源类赛题有 10 题: 简易数控直流电源(第 1 届,1994 年 A 题) 直流稳压电源(第 3 届,1997 年 A 题) 数控直流电流源(第 7 届,2005 年 F 题) 三相正弦波变频电源(第 7 届,2005 年 G 题) 开关稳压电源(第 8 届,2007 年 E 题,本科组) 光伏并网发电模拟装置(第 9 届,2009 年 A 题,本科组) 电能搜集充电器(第 9 届,2009 年 E 题,本科组) 开关电源模块并联供电系统(第10届,2011年,A 题,本科组) 单相AC-DC变换电路(第11届,2013年 A题,本科组) 直流稳压电源及漏电保护装置(第11届,2013年 L题,高职高专组) 从历届赛题可以看到, “电源类”赛题从 AC→DC,从 DC→AC,从单相电到 3 相电,从线性稳压器到开关稳压器,从单个电源到多个电源并联,已经涉及到电源设计基础的和先 进的技术,而且赛题要求的技术参数指标也是越来越高(例如,精度、效率η(≥95%)等)。例 1:2005 年 G 题“三相正弦波变频电源”赛题要求: 输出频率范围为 20Hz~100Hz 的三相对称交流电,各相电压有效值之差小于 0.5V; 当输入电压为 198V~242V,负载电流有效值为 0.5~3A 时,输出线电压有效值应保持在 36V,误差的绝对值小于 1%; 设计制作具有测量、显示该变频电源输出电压、电流、频率和功率的电路,测量误差的绝对值小于 5%; 变频电源输出频率在 50Hz 以上时,输出相电压的失真度小于 5%; 具有过流保护(输出电流有效值达 3.6A 时动作)、负载缺相保护及负载不对称保护(三相电流中任意两相电流之差大于 0.5A 时动作)功能,保护时自动切断输入交流电源。 例 2:2009 年 A 题(本科组)“光伏并网发电模拟装置”赛题要求: 具有最大功率点跟踪(MPPT)功能:RS和 RL在给定范围内变化时,使U Ud =    S, 相对偏差的绝对值不大于 1%。 具有频率跟踪功能:当 fREF在给定范围内变化时,使 uF的频率 fF=fREF,相对偏差绝对值不大于 1%。 DC-AC 变换器的效率,使η≥80%(RS=RL=30Ω时)。 具有输入欠压保护功能,具有输出过流保护功能。  例 3:2011 年 A 题(本科组)“开关电源模块并联供电系统”赛题要求: 赛题要求设计并制作一个由两个额定输出功率均为16W 的8V DC/DC 模块构成的并联供电系统。(1)调整负载电阻至额定输出功率工作状态,供电系统的直流输出电压UO=8.0±0.4V,使负载电流IO 在1.5~3.5A之间变化时,两个模块的输出电流可在(0.5~2.0)范围内按指定的比例自动分配,每个模块的输出电流相对误差的绝对值不大于2%。 调整负载电阻,保持输出电压UO=8.0±0.4V,使两个模块输出电流之和IO =4.0A 且按 I1:I2=1:1 模式自动分配电流,每个模块的输出电流的相对误差绝对值不大于2%。 调整负载电阻,保持输出电压UO=8.0±0.4V,使两个模块输出电流之和IO =1.5A 且按 I1:I2= 1:2 模式自动分配电流,每个模块输出电流的相对误差绝对值不大于5%。 具有负载短路保护及自动恢复功能,保护阈值电流为4.5A(调试时允许有±0.2A 的偏差)。 例 4:2013 年 A 题(本科组)“单相 AC-DC 变换电路”赛题要求: 设计并制作一个单相AC-DC变换电路, 输入交流电压US=24V、输出直流电压UO=36V,输出电流 IO=2A,输入侧功率因数不低于 0.98,AC-DC 变换效率不低于 95%。 此内容由EEWORLD论坛网友兰博原创,如需转载或用于商业用途需征得作者同意并注明出处

  • 2019-05-14
  • 发表了主题帖: 如何实际搭建一个无人机

    本文以如何确定自己组装一个无人机为标准设计一个自己得四旋翼飞行器。 第一 、确定机架以330的机架 也可以找一些250的机架,但是要注意电机要大小要确定。(2)你需要有四个电机电机型号2212 1400KV其中要注意在选择无刷电机的时候要注意和螺旋桨以及电调的搭配(3)有关螺旋桨的选择选择电机的时候,要注意KV后面的数字,你电机比如说是1400KV(具体的你需要选择的时候需要注意,可以问一下淘宝的店主)的,你就可以使用8038的螺旋桨。(4)有关电调的选择电调的性能关乎飞机的生命,你总不能用一些很烂的电调,电调空中停车。。。,你需要一个差不多的电调,考虑到你后期玩high了想要换一个电机,你可以买一个大一点的电调,也不用重新换电调啦,好了,就选择一个40安培的吧,40安培的基本上满足所有的无刷电机(当然30A的也够用了,看各位客官的选择了) 电调说实话,只要你不要正负极接反,也基本不会坏的,所以四个,大约是200。(5)有关飞控的选择开源哒~~APM飞控大名鼎鼎的APM飞控,性能绝对够用,价格也便宜,飞控和GPS加起来也就是200块钱,满足非常学生党或者气管党的选择,不贵够用,大僵的常见模式他都有,比如说栅栏模式,还有花圈模式,光溜模式,当然也是支持gps的,小白拿到飞控的时候,安装的时候主要注意下面几个方面,一是飞控和四个电调的安装,飞控和GPS的安装,飞控和接收机的安装,飞控和电源的安装(这里要注意,有的可以电调供电,这样的话就可以省去电源转化器的钱,不过也不贵,几块钱)还是开源哒~。~ ~。~ 这款开源的飞控,性能确实强大,处理器也好,也是APM的升级版,支持光溜定位,和大僵的双目定位差不多,很多小的创业公司的飞控源码也都是模仿PX4和APM的,恕我直言,大酱早起的飞行器也不知道借鉴了这两款飞行器多少源码,不过很提大酱开心,后期将他们反杀了,哈哈哈哈哈好了,注明的国产飞控登场啦,淘宝上也有一些不错的基于本次TI芯片的飞控。(6)关于接收机和遥控器的选择选择遥控器的时候,一般要注意遥控器和接收器的选择,一般都是配套的,这里选择的是美国手,大约是215(7)关于电池的选择我一般用这种,主要还是便宜,一般选择35c的就可以了大约是70,充电器选择比较屌丝的总共100就可以解决(8)剩下的还有一下扎带,和双面胶,以及减震器(给飞控减震的),大约能花50左右

  • 发表了主题帖: 无人机滤波算法之——互补滤波原理

    本帖最后由 兰博 于 2019-5-14 16:04 编辑 互补滤波原理:        在四轴入门理论知识那节我们说,加速度计和磁传感器都是极易受外部干扰的传感器,都只能得到2维的角度关系,但是测量值随时间的变化相对较小,结合加速度计和磁传感器可以得到3维的角度关系。陀螺仪可以积分得到三维的角度关系,动态性能好,受外部干扰小,但测量值随时间变化比较大。可以看出,它们优缺点互补,结合起来才能有好的效果。那么三者的数据如何融合呢,接下来介绍互补滤波算法。      互补滤波就是在短时间内采用陀螺仪得到的角度做为最优,定时对加速度采样来的角度进行取平均值来校正陀螺仪的得到的角度。即短时间内用陀螺仪比较准确,以它为主;长时间用加速度计比较准确,这时候加大它的比重,这就是互补了,不过滤波在哪里?加速度计要滤掉高频信号,陀螺仪要滤掉低频信号,互补滤波器就是根据传感器特性不同,通过不同的滤波器(高通或低通,互补的),然后再相加得到整个频带的信号,例如,加速度计测倾角,其动态响应较慢,在高频时信号不可用,所以可通过低通抑制高频;陀螺响应快,积分后可测倾角,不过由于零漂等,在低频段信号不好。通过高通滤波可抑制低频噪声。将两者结合,就将陀螺和加表的优点融合起来,得到在高频和低频都较好的信号,互补滤波需要选择切换的频率点,即高通和低通的频率。 互补滤波原理框图: 加速度计补偿:     假设n系为地理坐标系,b系为机体坐标系,在地理坐标系中,加速度的输出为:,经过矩阵转换后的值为:。在b系中,加速度的测量值为:,现在和都表示在b系中数值向下的向量,由此,我们对这两个向量做向量积(叉积),得到误差:,利用这个误差来修正矩阵,于是乎,我们的四元数就在这样一个过程中被修正了。 但是,由于加速度计无法感知Z轴上的旋转运动,所以还需要用地磁计来进一步补偿。现在我们假设旋转矩阵是经过加速度计校正后的矩阵,当某个确定的向量(b系中)经过这个矩阵旋转之后(到n系),这两个坐标系在XOY平面上重合,只是在Z轴旋转上会存在一个偏航角的误差。下图表示的是经过旋转之后的b系和n系的相对关系。可以明显发现加速度计可以把b系通过四元数法从任意角度拉到与n系水平的位置上,这时,只剩下一个偏航角误差。这也是为什么加速度计误差修正偏航的原因。地磁计补偿:现在我们反过来从b系到n系,假设地磁计在b系中的输出为:,经过的转换后得到: 。由于是经过加速度计修正过的旋转矩阵,因此该旋转矩阵只在Z轴上存在一个偏航的误差,这就导致中的hy不为零。如果不存在误差,这里的hy应该为0。在n系中,地磁方向与x轴呈一个角度,与z轴呈一个角度,这里我们让x轴对准北边,那么地磁向量为:。在n系的XOY平面上(水平面),的投影为:Sqrt(bx * bx),的投影为:Sqrt((hx * hx)+ (hy * hy))。由于存在的偏航误差,导致的hy不为零,这就是说现在得到的是真实的地磁向量绕Z轴旋转一定的角度后得到的。但由于是绕Z轴旋转,所以该地磁向量在XOY平面上(n系)投影的大小必定相同,所以有bx^2= hx^2+hy^2,我们求出了地磁向量在X轴方向的真实值。而得到hz就是地磁向量在Z轴方向上的真实值,我们不做改变,令bz=hz即可。经过这样处理之后我们得到,这个地磁向量就是地磁的真实值,类似于重力加速度的。接着把经过变换后到b系中得到:。与向量积求误差,再次修正这样就完成了一次地磁计的补偿。将加速度计没能做到的z轴上的旋转修正,通过地磁计在XOY平面上的地磁力相同原理,得到了修正。于是乎,Pitch和Roll通过加速度计修正,然后在这个基础之上(该地磁计补偿方法必须依靠加速度计修正提供一致的XOY平面,才会有bx^2= hx^2+hy^2等式成立),Yaw通过地磁计来补偿,最终得到了没有偏差的实时姿态(也就是由四元数组成的旋转矩阵)。

  • 发表了主题帖: 四轴飞行器基本组成部分

    四轴飞行器按照模块划分,主要有下面几个部分。动力部分:电机,电机驱动,桨叶控制部分:MCU,传感器(IMU),遥控通信(2.4G和蓝牙) http://www.crazepony.com/assets/img/multi-copter.jpg一、电机 电动机有有刷和无刷之分。结构上,无刷电机和有刷电机有相似之处,也有转子和定子,只不过和有刷电机的结构相反;有刷电机的转子是线圈绕组,和动力输出轴相连,定子是永磁磁钢;无刷电机的转子是永磁磁钢,连同外壳一起和输出轴相连,定子是绕组线圈,去掉了有刷电机用来交替变换电磁场的换向电刷,故称之为无刷电机(Brushless motor)。有刷电机有刷电动机是内部含有换相电刷的电动机。什么是电刷呢,直接上图。电刷通过绝缘座固定在电动机后盖上,将电源的正负极引入到转子的换相器上,而换相器连通了转子上的线圈,线圈极性不断的交替变换与外壳上固定的磁铁形成作用力而转动起来。下图是将现在Crazepony使用的电机拆解之后看到的电刷和换相器。http://www.crazepony.com/assets/img/motor-dianshua.jpg有刷电机由于电刷和换相器之间的物理接触,所以有摩擦大,发热大,效率低等缺点。但是有刷电机同样具有制造简单,成本低廉的优点,所以现在市面上有刷电机仍然占有很大份额。无刷电机有刷电机通过电刷和换相器这种结构设计获得固定方向的磁场作用力而转动起来。无刷电机没有电刷和换相器,它是如何获得固定方向的磁场作用力的呢?简单而言,依靠改变输入到无刷电机定子线圈上的电流波交变频率和波形,在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的磁场,这个磁场驱动转子上的永磁磁钢转动,电机就转起来了。电机的性能和磁钢数量、磁钢磁通强度、电机输入电压大小等因素有关,更与无刷电机的控制性能有很大关系,这就是无刷电机配合的电调需要解决的问题。无刷电机拥有动力足,寿命长,效率高等优势。所以大四轴都是用无刷电机的,模型无刷电机的外观如下,区别于有刷电机,最明显的就是无刷电机有三根线,并且配合电调使用。http://www.crazepony.com/assets/img/motor-wushua.jpg无刷电机最重要的一个参数是KV值,这个数值是无刷电机独有的一个性能参数,是判断无刷电机性能特点的一个重要数据。
    无刷电机KV值定义为转速/伏特,意思为输入电压增加1伏特,无刷电机空转转速增加的转速值(转/分钟)。总这个定义来看,我们能知道,无刷电机电压的输入与电机空转转速是遵循严格的线性比例关系的。
    例如:某无刷电机KV值为1000KV,意思是此电机在1V电压下,每分钟转速为1000转。则在10V电压下,此电机转速为:10V*1000KV=10000转/分,当然这些都是在电机空载的时候。绕线匝数多的,KV值低,最高输出电流小,但扭力大。绕线匝数少的,KV值高,最高输出电流大,但扭力小。这里可以扩展一下,为什么四轴飞行器都是使用的外转子无刷直流电机呢?外转子电机将原来处于中心位置的磁钢做成一片片,贴到了外壳上,电机运行时,是整个外壳在转,而中间的线圈定子不动。外转子无刷直流电机较内转子来说,转子的转动惯量要大很多(因为转子的主要质量都集中在外壳上),所以转速较内转子电机要慢,通常KV值在几百到几千之间,用在航模上可以直接驱动螺旋桨,而省去了机械减速机构。(摘自《无感无刷直流电机之电调设计全攻略》)电机之空心杯空心杯电机(coreless motor)属于直流、永磁、伺服微特电机。空心杯电机在结构上突破了传统电机的转子结构形式,采用的是无铁芯转子。空心杯电机具有十分突出的节能、控制和拖动特性。空心杯电机分为有刷和无刷两种,有刷空心杯电机转子无铁芯,无刷空心杯电机定子无铁芯。Crazepony使用的是有刷空心杯电机,转速为30000转/分钟,直径为7mm,长度为20mm(简称720电机),电机轴直径为1mm。当然,随着现在生产工艺的进步,现在市面上已经有体积非常小的航模无刷电机,Crazepony也会尝试使用无刷电机。Crazepony空心杯高速电机拆解图,可以明显看到线圈中间没有铁芯的。http://www.crazepony.com/assets/img/coreless-motor.png二、电机驱动控制 电机驱动控制就是控制电机的转动或者停止,以及转动的速度。电机驱动控制部分也叫做电子调速器,简称电调,英文electronic speed controller(ESC)。电调对应使用的电机不同,分无刷电调和有刷电调。有刷电机的永磁体是固定不动的,线圈绕在转子上,通过电刷跟换相器接触来改变磁场方向来保持转子持续转动。无刷电机,顾名思义,这种电机是没有电刷和换相器的,他的转子是永磁体,而线圈是固定不动的,直接接到外部电源,问题就来了,线圈磁场方向怎么改变呢?事实上,无刷电机外部还需要一个电子调速器,这个调速器就是一个电机驱动,通过改变固定线圈内部电流的方向,保证它跟永磁体之间的作用力是相互排斥,持续转动得以延续。http://www.crazepony.com/assets/img/esc.png有刷电机工作可以不需要电调,直接把电供给电机就能够工作,但是这样无法控制电机的转速。无刷电机工作必须要有电调,否则是不能转动的。必须通过无刷电调将直流电转化为三相交流电,输给无刷电机才能转动。一般使用PWM的占空比来控制电机的转速。Crazepony电机驱动无刷电机的操作相对来说是比较麻烦的,而有刷电机就是我们小时候玩的四驱车上的那种电机,接上电就能猛转,反着接它就反着猛转,就是这么简单。Crazepony使用的是有刷空心杯电机,所以电机的控制属于有刷直流电机控制,相对于无刷电调来说要简单很多。Crazepony采用的是有刷空心杯高速电机,转速在3W转/分钟左右。要驱动有刷电机,很简单,只需要将信号的驱动能力增大,就能驱动有刷电机了。那么选择什么元件来提供这样的特性呢?Crazepony的电机驱动IC选型经历了三级管,中功率管的失败,最后选用的是场效应管(即MOSFET)SI2302。由于笔者完全是由于一种强烈的爱好选择了飞行器,最开始连有刷电机和无刷电机的物理结构区别都不知道,电调又是啥?傻傻分不清楚……
    从一个几乎零基础的状态去选择电机驱动芯片,弯路是必须要走的,学费是必须要交的。曾以为书上学到的东西马上就能用,马上能转化为产品,后来发现真的是自己想多了。
    最开始用的三极管作为电机驱动,采用很经典的共射电路“三极管工作在开关状态应该就行了吧?”画了用三极管驱动的PCB板,发现电机越转越慢,根本没劲。“也许是因为三极管扛不了大电流,好吧那我换个中功率管吧,集电极最大6A电流行了吧?”可以想象结果是不行的。http://www.crazepony.com/assets/img/motor-driver-2.png首先了解下为什么三极管作为简单的电机驱动是不可取的方案:三极管作为一个古老的半导体先驱,它是以一个放大器件的姿态而出现的,它在线性区域特性集中,饱和与截止都是两种极端的工作状态,而作为电机驱动的话,我们只能选择它的这两种极端工作模式。用三极管作为大电流负载的驱动管时,不得不考虑的是他自身的管压降对负载的影响,这是很严重的。自身耗散越来越大,电机和管子是串联关系,电池电压只有3.7V,电机就只能越转越慢了 在晶体管家族里面还有一种跟三极管特性互补的,所有特性都集中在开关状态的晶体管,场效应管,即MOSFET。通常的场效应管完全导通时,源漏极电阻都是mΩ级别的,即它自身的耗散非常小。用它做为驱动管再合适不过了。最终选择了一个SOT23封装的,导通电压Vgs

  • 发表了主题帖: 一定要看的无人机原理总结(四)无人机的专业术语

    航拍无人机只能是多旋翼?Parrot站出来不服并且扔给了你一台固定翼的Parrot Disco······ 对,没错,跳舞的那个迪斯科(Disco)。 不如跳舞,飞飞机不如跳舞~ http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114721509.png http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114735259.png 派诺特 迪斯科,Parrot Disco 虽然官方说可以手抛起飞,但是毕竟是固定翼啊,不能悬停的。 这要是在城市里,不能悬停基本等于「炸机没商量」······ 更别提降落了,上哪儿给你找又宽广又柔软的草地去··· http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114746691.png 不过提供的FPV VR模式不错,因为固定翼的视角更能让你感觉「像鸟儿一样翱翔天空」。 不过仅仅只能拍1080P的视频显然还是差了点。 毕竟你要卖1299刀,折合8645人民币呢··· http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114755183.png 城市里这么挤,也没有带草坪的豪宅,咱们新手还是乖乖的买四轴吧··· 玩四轴就简单了,跟着老司机慢慢学基本呗~ 要跟老司机聊的来,一些无人机的术语一定要学! 今天呢,就来给大家讲讲「实用又有趣的无人机术语」~ 多旋翼:是一种具有两个旋翼轴以上的旋翼飞行器,常见多旋翼有四旋翼、六旋翼、八旋翼等。 俯仰:Pitch,由美国手右摇杆上下控制,打杆控制飞机向前/后飞行。 由于图示中的飞机是固定翼,所以在俯仰时会有高度变化,而多轴飞行器俯仰时不会有高度变化,只会前后飞行。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114806615.png 横滚:Roll,由美国手右摇杆左右控制,打杆控制飞机向左/右飞行。 由于图示中的飞机是固定翼,所以在横滚时也会前后位置变化,而多轴飞行器横滚时不会前后飞行,只会左右飞行。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114816918.png 航向:Yaw,有美国手左摇杆左右控制,打杆控制飞机向左/右旋转。 由于图示中的飞机是固定翼,所以在旋转时也会有位置变化,而多轴飞行器旋转时不会位移,只会原地旋转。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114825136.png 由于操作习惯不同,遥控器的摇杆布局有三种,中国手(反美国手),美国手(多旋翼最常用),日本手。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114835254.png 中国手 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114846319.png 美国手 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114855900.png 日本手 炸机:飞机在飞行或起降过程中,由于操作问题或机械故障导致飞机撞击障碍物或坠落的事故,统称炸机。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114905515.png 爽飞:一般指在飞行期间没有任何意外,飞行地非常顺利。 一键放生:一般指一键返航时无人机飞丢,放生的原因可能是撞到障碍物、指南针受到干扰或者GPS失去信号。 提控回家:指无人机飞丢,找不到,无奈只能拎着遥控器回家。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114914365.png 冗余:为增加可靠性,在必备系统基础上增加备份。如使用双IMU,在一个IMU故障时可由另一个IMU承担其功能,六轴如动力有冗余,在单个电机缺少动力时仍可飞行。 信道:是信号在通信系统中传输的通道,如同一场地内多架飞机使用同一信道,图传会相互干扰。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114923830.png 过放:电池正常放电至截止电压后,继续放电导致电池内部遭到不可逆的损坏。 射桨:在电机旋转过程中,原本在电机上的螺旋桨脱离飞出被称作射桨。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114934628.png 果冻:航拍中所说的「果冻」是由于震动过大、减震球不合适等原因造成照片、视频中出现类似下图的抖动现象,由于神似被戳动的果冻而被成为“果冻”。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114947111.png 丢星:飞机GPS模块搜不到足够的卫星,容易导致飞机无法定点悬停,发生飘移。 压差:无人机锂电池由数块电芯串并联而成,通常电芯电压相近,电芯最高与最低电压的差值即是压差,压差过大则电池不宜继续使用。

  • 发表了主题帖: 一定要看的无人机原理总结(三)无人机的外观介绍

    今天的「飞手百科」,我们就来给新手们简单讲解一下,无人机身上的各个部件,到底有什么作用~?这里以常见的DJI 精灵4为例。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114457867.png 1,电机 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114504208.png 消费级航拍无人机多为四轴和六轴,每个轴上的电机带动螺旋桨旋转来产生升力,并以此飞行。目前主流的电机是无刷电机,电机分为定子和转子,下图的绕组线圈就是电机的定子,通过磁场驱动永磁磁钢也就是转子转动,电机就转起来了。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114512415.png 左边为转子,右边为定子 常听人们问这个电机是2212还是2312的?这四位数字到底是什么意思呢,其实这是电机的尺寸。 例如精灵4电机是2312的,这表示电机定子的直径是23mm,定子的高度是12mm。前两位数字越大的电机越宽,后两位数字越大的电机越高。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114521530.png 细心的朋友会发现,精灵4的电机有3°的向外倾斜 ,这样设计可以使精灵4的方向旋转更加灵活。 2,螺旋桨 常见的螺旋桨有塑料、碳纤等材质,还有2、3叶之分,精灵4用的是两叶的桨。为什么不用三叶桨呢?因为简单的增加叶数并不能增加升力,还要考虑阻力,电池放电能力等因素。 螺旋桨也常用4位数来表示尺寸,例如精灵4采用9450桨叶,其中前两位表示桨叶的直径,后两位表示桨叶的螺距。 螺旋桨的安装的方式也各不相同,消费级航拍无人机有以下几种安装螺旋桨的方式。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114531352.png 螺丝固定桨叶 通过螺丝来固定桨叶,常见于航模。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114541363.png 通过螺纹把螺旋桨旋转固定在电机上,在电机旋转的过程中由于旋转的力会拧紧桨叶,但某些情况下会有射桨的风险。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114550493.png 快拆桨 如自紧桨螺纹损坏或电机由于堵转陡停,会导致桨叶脱离电机飞出(射桨),因此最新的飞机倾向于使用可靠性更高的快拆桨,例如精灵4就采用快拆桨。 3,LED灯 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114559100.png 消费级航拍无人机在机臂下方一般都有着LED灯,这灯并非仅为装饰,而是大有用处的。 在飞行中前方红色的LED灯起到了表明飞机位置和机头朝向的作用,后方的灯则表明飞机的实时状态,例如飞机正常情况下绿灯慢闪,失控时黄灯快闪,低电量时红灯慢闪。 4,电调 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114609173.png 把精灵4的电池拔出后,从电池仓看进去,会看到部分电路板,这就是飞机的电调板,用于控制电机的电流大小。 无人机的电子设备也是怕水的,像手机一样,进水后会影响保修,因此在机身中贴有一张防水标签,遇水变红,如果维修时这张标签是红色,就会影响保修。所以雨天、大雾天还是不要飞行,回南天也要注意防止进水。 5,超声波/视觉定位/视觉避障 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114620214.png 上图中间两个大的圆孔是超声波模块,运用了超声波原理来在低空情况下精准定高;两侧较小的两个圆形是视觉定位模块,类似两个眼睛,利用了图像识别技术使其在室内也可悬停。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114629724.png 在精灵4前方的脚架上,我们也可看到两个“小镜头”,这是精灵4避障的关键所在,依靠这两个镜头的立体成像,精灵4可以实现视觉主动避障。目前无人机避障有几种技术,精灵4的视觉避障、英特尔realsense技术、超声波避障技术。 6,镜头 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114639140.png 连接着相机和机身的部件叫做云台,云台可以保持相机在飞行时的稳定,消除画面抖动。精灵4将部分云台做到了机身中,使得整个机身线条更加流畅。 为保证画面实现各个方向上的增稳,云台分别有三个轴:俯仰、横滚、航向,每个轴都有一个电机,用于在飞机倾斜时让画面仍保持平稳。 7,遥控器 其实在最早飞的时候,飞无人机用的遥控器差不多都是长这个样子的: http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114649751.png 虽然看着很多按钮、拨杆很酷炫,但是使用难度也很高,什么功能对应哪个开关都需要进行设置,油门行程校准之类的操作也要自行完成。这样一台遥控器的使用指南往往长达数十页,难倒了一众新人。 后来在一体机中,为了新人也能快速学会使用遥控器功能,遥控器被大大简化了。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114657746.png 在这样的遥控器中,每个开关都已经对应好了相应的功能,只需要记住每个开关对应的模式,拿到手就可以直接进行飞行。 再后来,大概是由于这样的遥控器外形过于简单、功能偏少,遥控器又设计为了下图的样子 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114708405.png 遥控器上的按键重新变多了,更多的操作都可直接在遥控器上进行,遥控器上加入了操作频率高的拍照、录像按钮以及重要的返航按钮。这时每个按键变得更直观,人机工程做得更合理。

  • 发表了主题帖: 一定要看的无人机原理总结(二)无人机的几大系统

    中学生物课我们都学过,人体可以被分为运动系统、神经系统、呼吸系统、消化系统等几大系统。 和人体一样,一架完整的多旋翼航拍无人机也可以被分为以下几大系统:飞控系统、遥控系统、动力系统、图传系统、云台、航拍相机。 飞控系统 飞行控制系统(Flight control system)可以看做无人机的大脑,飞机是悬停还是飞行、向哪个方向飞,都是由飞控下达指令的。 飞控是如何做到控制飞机保持姿态的呢?这是由于飞控包含“小脑”,也就是有数个传感器,基础的飞控包含了如下传感器: GPS:用于获取飞机的经纬度信息,确定自己的位置; 气压计:用于测量当前大气压,获取飞机的高度信息; IMU:惯性测量单元,包含一个三轴加速度计和一个三轴陀螺仪,来测量飞机在三维空间中的角速度和加速度,并以此解算出物体的姿态。 指南针:用于分辨飞机在世界坐标系中的朝向,也就是把东南西北和飞机的前后左右联系起来。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114405380.png 一套飞控 随着科技的发展,现在的一些航拍无人机上还加入了更多的传感器,例如超声波可在近地面测量精准高度、光流可在没有GPS的室内帮助飞机定位悬停。 用以上传感器收集到信息后,飞控会对数据进行融合,判断出飞机当下的位置、姿态、朝向等信息,然后对如何飞行进行决策。 遥控系统 遥控系统包含地面的遥控器和飞机端的接收模块。除了俯仰(pitch)、横滚(roll)、航向(yaw)、油门(throttle)两个摇杆的四个通道外,还包含了切换飞行模式、控制云台转动、控制相机拍照等功能。这些指令都会通过遥控器的发射系统,用无线信号传递给飞机,由飞机上的接收模块接收信号,目前主流无线电信号是2.4G信号。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114413209.png 遥控器与接收机 动力系统 动力系统包括无人机的电调、电机、桨叶、动力电池。 电调:全称电子调速器,把动力电池提供的直流电转换为可直接驱动电机的三项交流电。电调接收飞控指令后,控制电机转速,从而实现飞机的倾角改变。 电机:目前主流电机为无刷电机,电机的作用就是通过转动,带动螺旋桨的转动,从而提供升力。 桨叶:桨叶固定在电机轴上,随电机的转动而转动,为无人机带来升力,实现飞行。 动力电池:航拍无人机目前多使用锂聚合物为动力,把数片电芯串并联在一起,为飞行提供动力。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114422846.png 桨叶、电调、电机 图传系统 图传顾名思义就是把飞机上看到的图像传输到使用者面前的屏幕上,除画面外,图传也传输飞机的飞行数据。因此使用者可在显示屏、APP上看到飞机实时的图像和高度、速度信息。图传通常使用5.8G、2.4G频段。 常用的图传有模拟图传和数字图传两种,目前在航拍无人机中数字图传以质量高、传输距离远的优势更受消费者青睐。 而数字图传中,又以大疆的LightBridge技术效果最为拔群,不过最近以色列的Amimon CONNEX公司也推出了低延时的数字图传,不知道效果怎样呢? http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114430115.png 图传系统 云台 如果有尝试过手持手机步行录像就会发现画面存在抖动,飞机机身的晃动也会带来画面的抖动,为了消除抖动,就有了云台。云台通过三轴加速度计和三轴陀螺仪中获取数据,并计算出倾角,反向修正位置来维持相机画面的水平。 三轴云台可消除各方向上的抖动,为此云台上有三个电机,如飞机向右倾斜,云台向左反向倾斜,与地面保持相对水平,从而实现画面增稳。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114440743.png GoPro 云台 航拍相机 部分航拍无人机包含相机,有的则需要搭配GOPRO或其他相机。专用的航拍相机与普通相机基本相同,只是由于航拍被拍摄物一般离相机距离远,有物距大,景深大的特点,另航拍相机多使用广角、定焦镜头。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114449219.png 航拍相机 这几大系统,基本都是早年航模留下来的分类。 说不定随着无人机技术的发展。 今后也会发展出「避障系统」「变形系统」呢?(或者已经有了?) 让我们一起期待吧~

  • 发表了主题帖: 一定要看的无人机原理总结(一)飞行原理

    (一)无人机的飞行原理 旋翼和轮子一样,是一项神奇的发明。 四旋翼无人机更是化作了航拍机,满足了许多普通人关于天空的想象。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114245998.png 旋翼之所以能飞,玩过竹蜻蜓的朋友应该都知道:当手的搓动给了竹蜻蜓一个旋转的速度后就会产生升力,让竹蜻蜓起飞。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114253710.png 同理,多旋翼无人机也是由电机的旋转,使螺旋桨产生升力而飞起来的。比如四旋翼无人机,当飞机四个螺旋桨的升力之和等于飞机总重量时,飞机的升力与重力相平衡,飞机就可以悬停在空中了。 小时候看漫画,看到哆啦A梦和大雄头戴竹蜻蜓自由的在空中翱翔,就特别想和他们一样,可以飞翔在空中,俯瞰大地。 但是如果现在真有人发明出一模一样的竹蜻蜓,我肯定是不愿意戴的。因为飞起来的效果是这样的: http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114301844.png 螺旋桨疯狂旋转,人也向反方向疯狂旋转...... 大雄整个人都转蒙逼了,还怎么能跟静香一起看风景呢? 根据牛顿第三定律,旋翼在旋转的同时,也会同时向电机施加一个反作用力(反扭矩),促使电机向反方向旋转。这也是为什么现在的直升机都会带一个「小尾巴」,在水平方向上施加一个力,去抵消这种反作用力,保持直升机机身的稳定。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114309303.png 而回到四旋翼飞行器上,它的螺旋桨也会产生这样的力,所以为了避免飞机疯狂自旋,四旋翼飞机的四个螺旋桨中,相邻的两个螺旋桨旋转方向是相反的。 如下图所示,三角形红箭头表示飞机的机头朝向,螺旋桨M1、M3的旋转方向为逆时针,螺旋桨M2、M4的旋转方向为顺时针。 当飞行时,M2、M4所产生的逆时针反作用力(反扭矩)和M1、M3产生的顺时针反作用力(反扭矩)相抵消,飞机机身就可以保持稳定,不会像大雄那样「疯狂」自转了。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114318659.png 不仅如此,多轴飞机的前后左右或是旋转飞行的也都是靠多个螺旋桨的转速控制来实现的: 垂直升降 这个很好理解,当飞机需要升高高度时,四个螺旋桨同时加速旋转,升力加大,飞机就会上升。当飞机需要降低高度时同理,四个螺旋桨会同时降低转速,飞机也就下降了。 之所以强调同时,是因为保持多个旋翼转速的相对稳定,对保持飞行器机身姿态来说非常重要,看了之后的讲究你就会明白了~ 原地旋转 上面已经说了,当无人机各个电机转速相同,飞机的反扭矩被抵消,不会发生转动。 但是当要飞机原地旋转时,我们就可以利用这种反扭矩,M2、M4两个顺时针旋转的电机转速增加,M1、M3号两个逆时针旋转的电机转速降低,由于反扭矩影响,飞机就会产生逆时针方向的旋转。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114326225.png 水平移动 多轴飞机与我们平时乘坐的客机不同,没有类似客机那样垂直于地面的螺旋桨,所以无法直接产生水平方向上的力来进行水平方向上移动。 当然这难不倒我们,还拿上图的四旋翼来说,当需要按照三角箭头方向前进时,M3、M4电机螺旋桨会提高转速,同时M1、M2电机螺旋桨降低转速,由于飞机后部的升力大于飞机前部,飞机的姿态会向前倾斜。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114334479.png 倾斜时的侧面平视如下图,这时螺旋桨产生的升力除了在竖直方向上抵消飞机重力外,还在水平方向上有一个分力,这个分力就让飞机有了水平方向上的加速度,飞机也因而能向前飞行。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114341190.png 相反的:当M1、M2电机加速、M3、M4电机减速时,飞机就会向后倾斜,从而向后飞行。 同理可得:当M1、M4电机加速,M2、M3电机减速时,飞机向左倾斜,从而向左飞行; 当M2、M3电机加速,M1、M4电机减速时,飞机向右倾斜,从而向右飞行。 这样一解释,是不是觉得多旋翼的飞行原理很简单?~ 其实在多旋翼之前,人们是用更复杂的固定翼飞机和直升机来进行航拍的。 但固定翼飞机的起飞降落对场地要求非常高,也不能悬停,没法垂直上升下降,局限性太大。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114349767.png 而直升机虽载重大、速度快,但是它结构非常复杂而精密,上千个零件无论是从调试还是保养方面都非常的麻烦。 http://www.djitx.com/uploadfile/2016/0924/20160924114356899.png 相比而言,多旋翼的飞行原理简单,机身结构也就更加简单可靠,消费者可以很快的上手飞行而不需要过多的调试和保养,因此多旋翼很快占领了航拍市场。

  • 发表了主题帖: 姿态解算进阶:互补滤波(陀螺仪、加速度计、地磁计数据融合)

    本帖最后由 兰博 于 2019-5-14 14:23 编辑 互补滤波原理:        在四轴入门理论知识那节我们说,加速度计和磁传感器都是极易受外部干扰的传感器,都只能得到2维的角度关系,但是测量值随时间的变化相对较小,结合加速度计和磁传感器可以得到3维的角度关系。陀螺仪可以积分得到三维的角度关系,动态性能好,受外部干扰小,但测量值随时间变化比较大。可以看出,它们优缺点互补,结合起来才能有好的效果。那么三者的数据如何融合呢,接下来介绍互补滤波算法。      互补滤波就是在短时间内采用陀螺仪得到的角度做为最优,定时对加速度采样来的角度进行取平均值来校正陀螺仪的得到的角度。即短时间内用陀螺仪比较准确,以它为主;长时间用加速度计比较准确,这时候加大它的比重,这就是互补了,不过滤波在哪里?加速度计要滤掉高频信号,陀螺仪要滤掉低频信号,互补滤波器就是根据传感器特性不同,通过不同的滤波器(高通或低通,互补的),然后再相加得到整个频带的信号,例如,加速度计测倾角,其动态响应较慢,在高频时信号不可用,所以可通过低通抑制高频;陀螺响应快,积分后可测倾角,不过由于零漂等,在低频段信号不好。通过高通滤波可抑制低频噪声。将两者结合,就将陀螺和加表的优点融合起来,得到在高频和低频都较好的信号,互补滤波需要选择切换的频率点,即高通和低通的频率。 互补滤波原理框图: http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.001.png加速度计补偿:     假设n系为地理坐标系,b系为机体坐标系,在地理坐标系中,加速度的输出为:http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.002.png,经过http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.003.png矩阵转换后的值为:http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.004.png。在b系中,加速度的测量值为:http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.005.png,现在http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.006.png和http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.007.png都表示在b系中数值向下的向量,由此,我们对这两个向量做向量积(叉积),得到误差:http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.008.png,利用这个误差来修正http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.009.png矩阵,于是乎,我们的四元数就在这样一个过程中被修正了。 但是,由于加速度计无法感知Z轴上的旋转运动,所以还需要用地磁计来进一步补偿。现在我们假设旋转矩阵http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.009.png是经过加速度计校正后的矩阵,当某个确定的向量(b系中)经过这个矩阵旋转之后(到n系),这两个坐标系在XOY平面上重合,只是在Z轴旋转上会存在一个偏航角的误差。下图表示的是经过http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.009.png旋转之后的b系和n系的相对关系。可以明显发现加速度计可以把b系通过四元数法从任意角度拉到与n系水平的位置上,这时,只剩下一个偏航角误差。这也是为什么加速度计误差修正偏航的原因。http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.010.png地磁计补偿:现在我们反过来从b系到n系,假设地磁计在b系中的输出为:http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.011.png,经过http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.009.png的转换后得到: http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.012.png。由于http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.009.png是经过加速度计修正过的旋转矩阵,因此该旋转矩阵只在Z轴上存在一个偏航的误差,这就导致http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.012.png中的hy不为零。如果http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.009.png不存在误差,这里的hy应该为0。在n系中,地磁方向与x轴呈一个角度,与z轴呈一个角度,这里我们让x轴对准北边,那么地磁向量为:http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.013.png。在n系的XOY平面上(水平面),http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.013.png的投影为:Sqrt(bx * bx),http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.012.png的投影为:Sqrt((hx * hx)+ (hy * hy))。由于http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.009.png存在的偏航误差,导致http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.012.png的hy不为零,这就是说现在得到的http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.012.png是真实的地磁向量绕Z轴旋转一定的角度后得到的。但由于是绕Z轴旋转,所以该地磁向量在XOY平面上(n系)投影的大小必定相同,所以有bx^2= hx^2+hy^2,我们求出了地磁向量在X轴方向的真实值。而http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.012.png得到hz就是地磁向量在Z轴方向上的真实值,我们不做改变,令bz=hz即可。经过这样处理之后我们得到http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.013.png,这个地磁向量就是地磁的真实值,类似于重力加速度的http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.002.png。接着把http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.013.png经过变换后到b系中得到:http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.014.png。http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.014.png与http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.015.png向量积求误差,再次修正http://www.docpe.com/Download/051414213432/6af3540a-5e91-492f-972a-641dca895fca.009.png这样就完成了一次地磁计的补偿。将加速度计没能做到的z轴上的旋转修正,通过地磁计在XOY平面上的地磁力相同原理,得到了修正。于是乎,Pitch和Roll通过加速度计修正,然后在这个基础之上(该地磁计补偿方法必须依靠加速度计修正提供一致的XOY平面,才会有bx^2= hx^2+hy^2等式成立),Yaw通过地磁计来补偿,最终得到了没有偏差的实时姿态(也就是由四元数组成的旋转矩阵)。 代码分析:// 加速度计、地磁计、陀螺仪数据融合,更新四元数 /*    [gx,gy,gz]为陀螺仪的测量值    [ax,at,az]为加速度的测量值    [mx,my,mz]为地磁计的测量值 */ void AHRSupdate(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float az, float mx, float my, float mz) {               float norm;                            float hx, hy, hz, bx, bz;             float vx, vy, vz, wx, wy, wz;             float ex, ey, ez;                  // 定义一些辅助变量用于转换矩阵             float q0q0 = q0*q0;               float q0q1 = q0*q1;               float q0q2 = q0*q2;               float q0q3 = q0*q3;               float q1q1 = q1*q1;               float q1q2 = q1*q2;               float q1q3 = q1*q3;               float q2q2 = q2*q2;               float q2q3 = q2*q3;               float q3q3 = q3*q3;                            // 归一化加速度计和地磁计的度数             norm = sqrt(ax*ax + ay*ay + az*az);                ax = ax / norm;               ay = ay / norm;               az = az / norm;               norm = sqrt(mx*mx + my*my + mz*mz);                mx = mx / norm;               my = my / norm;               mz = mz / norm;                            //将b系中的地磁计分量[mx,my,mz]转换到n系,得到[hx,hy,hz]               hx = 2*mx*(0.5 - q2q2 - q3q3) + 2*my*(q1q2 - q0q3) + 2*mz*(q1q3 + q0q2);               hy = 2*mx*(q1q2 + q0q3) + 2*my*(0.5 - q1q1 - q3q3) + 2*mz*(q2q3 - q0q1);               hz = 2*mx*(q1q3 - q0q2) + 2*my*(q2q3 + q0q1) + 2*mz*(0.5 - q1q1 - q2q2);                     //得到n系中的地磁向量的真实值[bx,bz,by],其中by=0                bx = sqrt((hx*hx) + (hy*hy));               bz = hz;                  //n系中的地磁向量[bx,by,bz]转换到b系中,得到[wx,wy,wz]             wx = 2*bx*(0.5 - q2q2 - q3q3) + 2*bz*(q1q3 - q0q2);               wy = 2*bx*(q1q2 - q0q3) + 2*bz*(q0q1 + q2q3);               wz = 2*bx*(q0q2 + q1q3) + 2*bz*(0.5 - q1q1 - q2q2);                                     //n系中重力加速度[0,0,1]转换到b系中得到三个分量[vx,vy,vz]                     vx = 2*(q1q3 - q0q2);               vy = 2*(q0q1 + q2q3);               vz = q0q0 - q1q1 - q2q2 + q3q3;                             //计算[wx,wy,wz] X [mx,my,mz],[ax,at,az] X [vx,vy,vz],得到两个误差后求和             ex = (ay*vz - az*vy) + (my*wz - mz*wy);               ey = (az*vx - ax*vz) + (mz*wx - mx*wz);               ez = (ax*vy - ay*vx) + (mx*wy - my*wx);                            //PI控制器中的积分部分             exInt = exInt + ex*Ki* (1.0f / sampleFreq);               eyInt = eyInt + ey*Ki* (1.0f / sampleFreq);               ezInt = ezInt + ez*Ki* (1.0f / sampleFreq);                            //误差经过PI控制器后输出,然后补偿到角速度的三个分量,Kp、Ki是需要调节的参数             gx = gx + Kp*ex + exInt;               gy = gy + Kp*ey + eyInt;               gz = gz + Kp*ez + ezInt;                                         //一阶龙格库塔法更新四元数               q0 = q0 + (-q1*gx - q2*gy - q3*gz)*halfT;               q1 = q1 + (q0*gx + q2*gz - q3*gy)*halfT;               q2 = q2 + (q0*gy - q1*gz + q3*gx)*halfT;               q3 = q3 + (q0*gz + q1*gy - q2*gx)*halfT;                             // 归一化四元数             norm = sqrt(q0*q0 + q1*q1 + q2*q2 + q3*q3);               q0 = q0 / norm;               q1 = q1 / norm;               q2 = q2 / norm;               q3 = q3 / norm;   }复制代码 --------------------- 作者:蓬莱道人

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    名词解释:     惯性测量单元  IMU (InertialMeasurementUnit)     姿态航向参考系统  AHRS  (Attitudeand Heading Reference System)     地磁角速度重力  MARG  (Magnetic,Angular Rate, and Gravity)     微机电系统  MEMS  (MicroElectrical Mechanical Systems)     自由度维数  DOF  (Dimension OfFreedom)     无人驾驶飞行器  UAV  (UnmannedAerial Vehicle)     互补滤波算法  ECF  (explicit complement filter)     扩展卡尔曼滤波  EKF  (Extended Kalman Filter)     无损卡尔曼滤波  UKF  (Unscented Kalman Filter)     梯度下降算法  GD (gradient descent)     惯性导航系统  INS  (InertialNavigation System)     全球导航卫星系统  GNSS  (GlobalNavigation Satellite System)     天文导航系统  CNS  (CelestialNavigation System)     可垂直起降  VTOL  (VerticalTake-off and Landing) 坐标系介绍:         有两个基本坐标系:“地理”坐标系(Earth Frame)和“载体”坐标系(Body Frame)。”地理”坐标系指的就是地球上的“东北天(ENU)”坐标系,而“载体”坐标系值的就是四轴自己的坐标系。当我们在实际控制当中,我们关心的显然是载体坐标系相对于地理坐标系之间的变化,所以我们通常使用的旋转矩阵是把“地理”坐标系转到“载体”坐标系的矩阵,两者之间的转化的方法就是坐标系的转换,目前有三种方式:四元数、欧拉角、方向余弦矩阵。其中使用四元数运算比较快,但是它没有实际的物理含义,纯数学推导。 姿态数据:    姿态的数据来源有5个:重力、地磁、陀螺仪、加速度计、电子罗盘。其中前两个来自“地理”坐标系,后三个来自“载体”坐标系。在“地理”坐标系中,重力的值始终是(0,0,1g),地磁的值始终是(0,1,x),这里y指向正北方。这些值就是由放置在四轴上的传感器测量出来的。在单位时间内的位移被定义为速度,速度有线速度和角速度之分,分别对应两种传感器测量这两种不同的速度:线速度传感器(加速度计)、角速度传感器(陀螺仪)。 传感器介绍:     (1)陀螺仪:         陀螺仪,是一种用来感测与维持方向的装置,基於角动量不灭的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位於轴心可以旋转的轮子构成。 陀螺仪一旦开始旋转,由於轮子的角动量,陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。万万想不到的是鸡头就是一个非常完美的陀螺仪,无论你怎样动鸡的身体,它总是能hold住自己的头,太强大了! 以MPU6050为例,MPU6050芯片的座标系是这样定义的:令芯片表面朝向自己,将其表面文字转至正确角度,此时,以芯片内部中心为原点,水平向右的为X轴,竖直向上的为Y轴,指向自己的为Z轴。见下图: 绕X、Y和Z三个座标轴旋转的角速度分量GYR_X、GYR_Y和GYR_Z均为16位有符号整数。从原点向旋转轴方向看去,取正值时为顺时针旋转,取负值时为逆时针旋转。三个角速度分量均以“度/秒”为单位,能够表示的角速度范围,即倍率可统一设定,有4个可选倍率:250度/秒、500度/秒、1000度/秒、2000度/秒。以GYR_X为例,若倍率设定为250度/秒,则意味着GYR取正最大值32768时,当前角速度为顺时针250度/秒;若设定为500度/秒,取32768时表示当前角速度为顺时针500度/秒。显然,倍率越低精度越好,倍率越高表示的范围越大。我们用f表示倍率,f=0为250度/秒,f=3为2000度/秒。     以GYR_X为例,若当前设定的角速度倍率为1000度/秒,那么将GRY_X读数换算为角速度(顺时针)的公式为:g_x=1000 x GYR_X / 32768。 (2)加速度计:     当我们在想象一个加速度计的时候我们可以把它想作一个圆球在一个方盒子中。假定这个盒子不在重力场中或者其他任何会影响球的位置的场中,球处于盒子的正中央。你可以想象盒子在外太空中,远离任何天体,如果很难想象,那就当做盒子在航天飞机中,一切东西都处于无重力状态。在下面的图中你可以看到我们给每个轴分配了一对墙(我们移除了Y+以此来观察里面的情况)。设想每面墙都能感测压力。 如果我们突然把盒子向左移动(加速度为1g=9.8m/s^2),那么球会撞上X-墙。然后我们检测球撞击墙面产生的压力,X轴输出值为-1g。 请注意加速度计检测到得力的方向与它本身加速度的方向是相反的。这种力量通常被称为惯性力或假想力 。在这个模型中你你应该学到加速度计是通过间接测量力对一个墙面的作用来加速度的,在实际应用中,可能通过弹簧等装置来测量力。这个力可以是加速度引起的,但在下面的例子中,我们会发现它不一定是加速度引起的。如果我们把模型放在地球上,球会落在Z-墙面上并对其施加一个1g的力,见下图: 在这种情况下盒子没有移动但我们任然读取到Z轴有-1g的值。球在墙壁上施加的压力是由引力造成的。 三轴加速度计的真正价值在于它们能够检测全部三个轴的惯性力。让我们回到盒子模型,并将盒子向右旋转45度。现在球会与两个面接触:Z-和X-,见下图:     在上一个模型中我们引入了重力并旋转了盒子。在最后的两个例子中我们分析了盒子在两种情况下的输出值,力矢量保持不变。虽然这有助于理解加速度计是怎么和外部力相互作用的,但如果我们将坐标系换为加速度的三个轴并想象矢量力在周围旋转,这会更方便计算。 新模型中每个轴都分别垂直于原模型中各自的墙面。矢量R是加速度计所检测的矢量(它可能是重力或上面例子中惯性力的合成)。Rx,Ry,Rx是矢量R在X,Y,Z上的投影。请注意下列关系: R^2 = Rx^2 + Ry^2 + Rx^2      (三维空间勾股定理)     我们感兴趣的角度是向量R和X,Y,Z轴之间的夹角,那就令这些角度为Axr,Ayr,Azr。观察由R和Rx组成的直角三角形: cos(Axr) = Rx / R ,  cos(Ayr) = Ry / R,  cos(Azr) = Rz / R     从公式1我们可以推导出 R = Sqrt( Rx^2 + Ry^2 + Rz^2),通过arccos()函数我们可以计算出所需的角度: Axr = arccos(Rx/R),Ayr = arccos(Ry/R),Azr = arccos(Rz/R) 注:加速度计若是绕着重力加速度的轴转动,则测量值不会改变,也就是说加速度计无法感知这种水平旋转。 (3)地磁计:     如图所示,地球的磁场象一个条形磁体一样由磁南极指向磁北极。在磁极点处磁场和当地的水平面垂直,在赤道磁场和当地的水平面平行,所以在北半球磁场方向倾斜指向地面。用来衡量磁感应强度大小的单位是Tesla或者Gauss(1Tesla=10000Gauss)。随着地理位置的不同,通常地磁场的强度是0.4-0.6 Gauss。需要注意的是,磁北极和地理上的北极并不重合,通常他们之间有11度左右的夹角。 地磁场是一个矢量,对于一个固定的地点来说,这个矢量可以被分解为两个与当地水平面平行的分量mx、my和一个与当地水平面垂直的分量mz,这里的mx指向正北方。如果保持电子罗盘和当地的水平面平行,那么罗盘中磁力计的三个轴就和这三个分量对应起来,如图所示: 实际上对水平方向的两个分量来说,他们的矢量和总是指向磁北的。罗盘中的偏航角(Yaw)就是当前方向和磁北的夹角。由于罗盘保持水平,只需要用磁力计水平方向两轴(通常为X轴和Y轴)的检测数据就可以用式1计算出航向角。当罗盘水平旋转的时候,航向角在0?- 360?之间变化。同加速度计一样,我们也可以根据地磁计输出的三个分量,求出地磁T与三个轴的夹角。 注:同加速度计类似的,若是沿着磁场方向的轴旋转,测量值不会改变,地磁计无法感知这种旋转。 (4)GPS:     空间星座部分的各颗GPS卫星向地面发射信号,然后用户设备通过接收、测量各颗可见卫星信号,并从信号中获取卫星的运行轨道信息,进而确定用户接收机自身的空间位置。空间星座部分与用户设备的这种联系是单向的,信号、信息只从空间星座部分向用户设备部分传递。卫星信号从20200Km的高空被播发后,大约需要70ms的时间就到达地球表面。卫星信号中包含着信号发射时间的精确信息,这是用户设备用来测量其本身到卫星距离的一个必要条件。      空间星座部分为GPS提供了定位基础,并且可以支持无数个GPS用户。然而,它们不会替用户自己定位,用户只有通过GPS用户设备才能实现定位。用户设备可以简单地理解为GPS接收机,它主要由接收机硬件、数据处理软件、微处理器和终端设备组成。用户设备的主要任务是跟踪可见GPS卫星,对接收到的卫星无线电信号经过数据处理后获得定位所需的测量值和导航信息,最后完成对用户的定位运算和可能的导航任务。      通过天线接收所有可见GPS卫星的信号后,接收机对这些信号进行数据处理而精确地测量出各个卫星信号的发射时间,接着将其自备时钟所显示的信号接收时间与测量所得的信号发射时间相减后再乘以光速,由此得到接收机与卫星之间的距离。同时,接收机还从卫星信号中解译处卫星的运行轨道参数,并以此准确地计算出卫星的空间位置。如果卫星1、2、3的空间位置在某一直角坐标系中的坐标为:,,。而接收机测得其本身到该卫星的距离为:,那么我们根据高中数学知识可以列出以下方程: 其中,未知数(x,y,z)正是我们想要的用户接收机位置。从方程组中解出三个未知数(x,y,z),便得到了用户自身的三维坐标。因为接收机时钟通常与卫星时钟不同步,所以接收机需要有4颗卫星的测量值,然后4个方程一并求解出x,y,z和接收机钟差(t)这4个未知数,这便是GPS定位、定时的基本原理。      GPS数据遵循NMEA-0183协议,该数据标准是由NMEA(National Marine Electronics Association,美国国家海事电子协会)于1983年制定的。统一标准格式NMEA-0183输出采用ASCII 码,其串行通信的参数为:波特率=4800bps,数据位=8bit,开始位=1bit,停止位=1bit,无奇偶校验。数据传输以“语句”的方式进行,每个语句均以“$”开头,然后是两个字母的“识别符”和三个字母的“语句名”,接着就是以逗号分割的数据体,语句末尾为校验和,整条语句以回车换行符结束。     NMEA-0183的数据信息有十几种,这些信息的作用分别是:$GPGGA:输出GPS的定位信息;$GPGLL:输出大地坐标信息;$GPZDA:输出UTC时间信息;$GPGSV:输出可见的卫星信息;$GPGST:输出定位标准差信息;$GPGSA:输出卫星DOP值信息;$GPALM:输出卫星星历信息;$GPRMC:输出GPS推荐的最短数据信息等。常用的协议类型解释如下: 1)Global Positioning System Fix Data(GGA)GPS 定位信息 $GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*hh <1> UTC 时间,hhmmss(时分秒)格式 <2> 纬度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0 也将被传输) <3> 纬度半球N(北半球)或S(南半球) <4> 经度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0 也将被传输) <5> 经度半球E(东经)或W(西经) <6> GPS 状态:0=未定位,1=非差分定位,2=差分定位,6=正在估算 <7> 正在使用解算位置的卫星数量(00~12)(前面的0 也将被传输) <8> HDOP 水平精度因子(0.5~99.9) <9> 海拔高度(-9999.9~99999.9) <10> 地球椭球面相对大地水准面的高度 <11> 差分时间(从最近一次接收到差分信号开始的秒数,如果不是差分定位将为空 <12> 差分站ID 号0000~1023(前面的0 也将被传输,如果不是差分定位将为空) 2)GPS DOP and Active Satellites(GSA)当前卫星信息 $GPGSA,<1>,<2>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<4>,<5>,<6>*hh <1> 模式,M=手动,A=自动 <2> 定位类型,1=没有定位,2=2D 定位,3=3D 定位 <3> PRN 码(伪随机噪声码),正在用于解算位置的卫星号(01~32,前面的0 也将被传输)。 <4> PDOP 位置精度因子(0.5~99.9) <5> HDOP 水平精度因子(0.5~99.9) <6> VDOP 垂直精度因子(0.5~99.9) 3)GPS Satellites in View(GSV)可见卫星信息 $GPGSV,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,…<4>,<5>,<6>,<7>*hh <1> GSV 语句的总数 <2> 本句GSV 的编号 <3> 可见卫星的总数(00~12,前面的0 也将被传输) <4> PRN 码(伪随机噪声码)(01~32,前面的0 也将被传输) <5> 卫星仰角(00~90 度,前面的0 也将被传输) <6> 卫星方位角(000~359 度,前面的0 也将被传输) <7> 信噪比(00~99dB,没有跟踪到卫星时为空,前面的0 也将被传输) 注:<4>,<5>,<6>,<7>信息将按照每颗卫星进行循环显示,每条GSV 语句最多可以显示4 颗卫星的信息。其他卫星信息将在下一序列的NMEA0183 语句中输出。 4)Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data(RMC)推荐定位信息 $GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh <1> UTC 时间,hhmmss(时分秒)格式 <2> 定位状态,A=有效定位,V=无效定位 <3> 纬度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0 也将被传输) <4> 纬度半球N(北半球)或S(南半球) <5> 经度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0 也将被传输) <6> 经度半球E(东经)或W(西经) <7> 地面速率(000.0~999.9 节,前面的0 也将被传输) <8> 地面航向(000.0~359.9 度,以真北为参考基准,前面的0 也将被传输) <9> UTC 日期,ddmmyy(日月年)格式 <10> 磁偏角(000.0~180.0 度,前面的0 也将被传输) <11> 磁偏角方向,E(东)或W(西) <12> 模式指示(仅NMEA0183 3.00 版本输出,A=自主定位,D=差分,E=估算,N=数据无效) 5)Track Made Good and Ground Speed(VTG)地面速度信息 $GPVTG,<1>,T,<2>,M,<3>,N,<4>,K,<5>*hh <1> 以真北为参考基准的地面航向(000~359 度,前面的0 也将被传输) <2> 以磁北为参考基准的地面航向(000~359 度,前面的0 也将被传输) <3> 地面速率(000.0~999.9 节,前面的0 也将被传输) <4> 地面速率(0000.0~1851.8 公里/小时,前面的0 也将被传输) <5> 模式指示(仅NMEA0183 3.00 版本输出,A=自主定位,D=差分,E=估算,N=数据无效) 6)Geographic Position(GLL)定位地理信息 $GPGLL,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>*hh <1> 纬度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0 也将被传输) <2> 纬度半球N(北半球)或S(南半球) <3> 经度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0 也将被传输) <4> 经度半球E(东经)或W(西经) <5> UTC 时间,hhmmss(时分秒)格式 <6> 定位状态,A=有效定位,V=无效定位 <7> 模式指示(仅NMEA0183 3.00 版本输出,A=自主定位,D=差分,E=估算,N=数 据无效) 数据融合:     (1)为什么还需要加速度计和地磁计呢?       对于上述论述可以看出,导航姿态从理论上讲只用陀螺仪是可以完成任务的,对陀螺仪输出的三个角速度进行积分就能得到飞行器的姿态数据。那为什么还需要加速度计和地磁计呢?主要是由于陀螺仪在积分过程中会产生误差累计,加上白噪声、温度偏差等会造成导航姿态的解算随着时间的流逝而逐渐增加。 所以就需要用加速度计在水平面对重力进行比对和补偿,用来修正陀螺仪的误差。但是对于竖直轴上的旋转,加速度计是无能为力的,此时用的是电子罗盘。也可以测量出水平面内的地磁方向用来修正陀螺仪的水平误差。通过这两个器件的修正补偿,使得陀螺仪更加稳定、可靠的工作。     (2)为什么还需要陀螺仪呢?      加速度计在地球上测量的是重力加速度,如果载体沿着Z轴旋转,加速度计是无法感知他的运动的;类似的,电子罗盘测量的是地球上的磁场方向,如果载体沿着Y轴旋转,电子罗盘同样也是无法感知他的运动的。综上所述,加速度计和电子罗盘只能得到2维的角度关系,通过某种方式的融合,可以得到正确的三维姿态信息。到目前为止,你可能会问自己,如果加速度计和磁力计在任何时间点能给出DCM矩阵,为什么我们需要陀螺仪?  陀螺仪实际上是一个比加速度计和磁力计更精确的设备,如果直接从加速度计和磁力计估计读数,其在形式上包含大量的噪声,包括外部(非重力)惯性力(即加速度)或不是由地球磁场引起的磁力。     (3)三个传感器融合      综合考虑,加速度计和磁传感器都是极易受外部干扰的传感器,都只能得到2维的角度关系,但是测量值随时间的变化相对较小,结合加速度计和磁传感器可以得到3维的角度关系。陀螺仪可以积分得到三维的角度关系,动态性能好,受外部干扰小,但测量值随时间变化比较大。可以看出,它们优缺点互补,结合起来才能有好的效果。     现在有了三个传感器,都能在一定程度上测量角度关系,但是究竟相信谁?根据刚才的分析,应该是在短时间内更加相信陀螺仪,隔三差五的问问加速度计和磁传感器,角度飘了多少了?有一点必须非常明确,陀螺仪才是主角,加速度计和磁传感器仅仅是跑龙套的。其实加速度计无法对航向角进行修正,修正航向角需要磁力计。 数据融合原理参考这一节。     (4)导航     导航的基本原则就是保证两个基本坐标系的正确转化,没有误差。只有实现了这个原则,载体才可以在自己的坐标系中完成一系列动作而被转换到地理坐标系中看起来是正确的。为了达到这个目标,需要对两个坐标系进行实时的标定和修正。因为坐标系有三个轴,偏航yaw的修正由电子罗盘(基于载体)、地磁(基于地理)对比修正误差补偿得到。俯仰pitch和横滚roll上的修正由加速度计(基于载体)、重力(基于地理)对比修正误差得到。在完成了基本原则的基础之后,即保证两个坐标系的正确转化后,利用基于载体上的陀螺仪进行积分运算,得到基于载体坐标系的姿态数据,经过一系列PID控制,给出控制量,完成基于载体坐标系上的稳定控制后,反应到地理坐标系上的稳定控制,从而达到我们观察到的定高、偏航、翻滚、倾仰等动作。       AHRS和IMU的差异:         AHRS(Attitudeand Heading Reference System)为姿态航向参考系统,它由加速度计、磁场计、陀螺仪构成,AHRS的真正参考来自于地球的重力场和地球的磁场,它的静态精度取决于对磁场的测量精度和对重力的测量精度,而陀螺仪决定了他的动态性能。在这种前提下,说明AHRS离开了地球这种有重力和磁场环境的时候是没法正常工作的。而且特别注意,磁场和重力场越正交,航姿测量效果越好;也就是说如果磁场和重力场平行了,比如在地磁南北极。这里的磁场是向下的,即和重量场方向相同了。这个时候航线交是没法测出的,这是航姿系统的缺陷所在;在高纬度的地方航线角误差会越来越大。         IMU(Inertial measurement unit)学名惯性测量单元,大学的理论力学告诉我们,所有的运动都可以分解为一个直线运动和一个旋转运动,故这个惯性测量单元就是测量这两种运动,直线运动通过加速度计可以测量,旋转运动则通过陀螺仪。假设IMU的陀螺仪和加速度计的测量是没有任何误差的,那么通过陀螺仪则可以精确的测量物体的姿态。通过加速度计可以二次积分得出位移,实现完整的6DOF(自由度维数),也就是说你带着一台这种理论型的IMU在宇宙任何位置运动。我们都可以知道它当前的姿态和相对位移,这将不局限于任何场。   从上面的描述何以看出。实际上AHRS比IMU还多一个磁场传感器,而为什么AHRS的级别却低于IMU而需要依赖于重力场和磁场呢?这是由传感器器件架构所决定的。AHRS的传感器通常是成本低廉的mems传感器。这种传感器的陀螺仪和加速度计的噪声相对来说很大。以平面陀螺仪为例:用ADI的陀螺仪进行积分一分钟会漂移2度左右,这种前提下如果没有磁场和重力场来修正三轴陀螺仪的话。那么基本上3分钟以后物体的实际姿态和测量输出姿态就完全变样了,所以在这种低价陀螺仪和加速度计的架构下必须运用场向量来进行修正,而IMU实际上也是这样的。因为我们知道没有绝对精确的传感器,只有相对精确的传感器,IMU的陀螺仪用的是光纤陀螺或者机械陀螺,这种陀螺的成本很高。精度相对mems陀螺也很高,精度高不代表准确,IMU的姿态精度参数通常是一小时飘多少度。   而用加速度计积分做位置的话。AHRS是不现实的(1分钟就能飘出几十米,而且是成二次方的速度递增)。AHRS通常要结合GPS和气压计做位置,IMU积分做位置的是一天多少海里。这样的一个参数数量级。也许在海上还能用的到,这就是AHRS和IMU在我的理解里的一个差异。    

  • 2019-05-13
  • 发表了主题帖: 四轴飞行器基本组成及其飞行原理详解

    本帖最后由 兰博 于 2019-5-13 17:43 编辑 一、四轴飞行器的基本组成 遥控器:向飞控发出信号;四轴飞行器的遥控器至少需要 4 个通道,分别用于:油门、旋转、前后飞、左右飞; 图为 FS-i6 遥控器: 飞控:是飞行器的大脑,保持自身稳定飞行;接收遥控器信号,并将信号传输给电调告诉它如何飞行; 图为 APM 飞控: 电调:将飞控的控制信号,转变为电流的大小,以控制电机的转速; 图为 好盈电调: 电机:转; 图为 2212无刷电机: 机架:用于承载上述物品; 图为 F450机架: 其实还有其他组件比如:正反桨叶、电池、GPS、夜航灯 和 防撞圈 等其他物品,因为其不是核心物品,所以这里便不再一一细说; 二、四轴飞行器飞行原理 事实上,四轴飞行器还分两种布局,一种是 十字形布局,另外一种则是较为常见的 X型布局 ; 由于 X型布局 的应用更为广泛,这里我们就重点讲解 X型布局 的飞行原理; 以这张图为例: 箭头所指为机头时,电机1 和 电机2 逆时针旋转的同时,电机3和 电机4 顺时针旋转,因此当飞行器平衡飞行时,陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消; 与传统的直升机相比,四轴飞行器有下列优势: 各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反,因此当 电机1 和 电机2 逆时针旋转的同时,电机3 和 电机4 顺时针旋转,可以平衡旋翼对机身的反扭矩;四旋翼飞行器在空间共有6个自由度(分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作),这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现; 其基本运动状态分别为:     垂直运动;     俯仰运动;     滚转运动;     偏航运动;     前后运动;     侧向运动; 那么在控制飞行器飞行时,有如下技术难点: 首先,在飞行过程中它不仅受到各种物理效应的作用,还很容易受到气流等外部环境的干扰,很难获得其准确的性能参数; 其次,微型四轴无人飞行器是一个具有六个自由度,而只有四个控制输入的欠驱动系统;它具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性,使得飞行控制系统的设计变得非常困难; 再次,利用陀螺进行物体姿态检测需要进行累计误差的消除,怎样建立误差模型和通过组合导航修正累积误差是一个工程难题;这三个问题解决成功与否,是实现微型四旋翼无人飞行器自主飞行控制的关键,具有非常重要的研究价值; 下面将逐个说明飞行器的各种飞行姿态: 垂直运动: 在图 a 中,因有两对电机转向相反,可以平衡其对机身的反扭矩,当同时增加四个电机的输出功率,旋翼转速增加使得总的拉力增大,当总拉力足以克服整机的重量时,四旋翼飞行器便离地垂直上升; 反之,同时减小四个电机的输出功率,四旋翼飞行器则垂直下降,直至平衡落地,实现了沿 z 轴的垂直运动; 当外界扰动量为零时,在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时,飞行器便保持悬停状态; 保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键; 俯仰运动: 在图 b 中,电机1的转速上升,电机3的转速下降,电机2、电机4的转速保持不变; 为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变,旋翼1 与 旋翼3 转速该变量的大小应相等; 由于 旋翼1 的升力上升,旋翼3 的升力下降,产生的不平衡力矩使机身绕 y 轴旋转(方向如图所示),同理,当 电机1 的转速下降,电机3 的转速上升,机身便绕 y 轴向另一个方向旋转,实现飞行器的俯仰运动; 滚转运动: 与图 b 的原理相同,在图 c 中,改变 电机2 和 电机4 的转速,保持 电机1 和 电机3 的转速不变,则可使机身绕 x 轴旋转(正向和反向),实现飞行器的滚转运动; 偏航运动: 四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现; 旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩,为了克服反扭矩影响,可使四个旋翼中的两个正转,两个反转,且对角线上的来年各个旋翼转动方向相同; 反扭矩的大小与旋翼转速有关,当四个电机转速相同时,四个旋翼产生的反扭矩相互平衡,四旋翼飞行器不发生转动; 当四个电机转速不完全相同时,不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动; 在图 d 中,当 电机1 和 电机3 的转速上升,电机2 和 电机4 的转速下降时,旋翼1 和 旋翼3 对机身的反扭矩大于 旋翼2 和 旋翼4 对机身的反扭矩,机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动,实现飞行器的偏航运动,转向与 电机1、电机3 的转向相反; 前后运动: 要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动,必须在水平面内对飞行器施加一定的力; 在图 e 中,增加 电机3 转速,使拉力增大,相应减小 电机1 转速,使拉力减小,同时保持其它两个电机转速不变,反扭矩仍然要保持平衡; 按图 b 的理论,飞行器首先发生一定程度的倾斜,从而使旋翼拉力产生水平分量,因此可以实现飞行器的前飞运动,向后飞行与向前飞行正好相反; 当然在图 b 图 c 中,飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿 x、y 轴的水平运动; 侧向运动: 在图 f 中,由于结构对称,所以侧向飞行的工作原理与前后运动完全一样; --------------------- 作者:坑货行不行

  • 2019-05-09
  • 发表了主题帖: 大疆无人机飞控系统的原理、组成及各传感器的作用

    以前,搞无人机的十个人有八个是航空、气动、机械出身,更多考虑的是如何让飞机稳定飞起来、飞得更快、飞得更高。如今,随着芯片、人工智能、大数据技术的发展,无人机开始了智能化、终端化、集群化的趋势,大批自动化、机械电子、信息工程、微电子的专业人材投入到了无人机研发大潮中,几年的时间让无人机从远离人们视野的军事应用飞入了寻常百姓家、让门外汉可以短暂的学习也能稳定可靠的飞行娱乐。不可否认,飞控技术的发展是这十年无人机变化的最大推手。 飞控是什么? 飞行控制系统(Flight control system)简称飞控,可以看作飞行器的大脑。多轴飞行器的飞行、悬停,姿态变化等等都是由多种传感器将飞行器本身的姿态数据传回飞控,再由飞控通过运算和判断下达指令,由执行机构完成动作和飞行姿态调整。 控可以理解成无人机的CPU系统,是无人机的核心部件,其功能主要是发送各种指令,并且处理各部件传回的数据。类似于人体的大脑,对身体各个部位发送指令,并且接收各部件传回的信息,运算后发出新的指令。例如,大脑指挥手去拿一杯水,手触碰到杯壁后,因为水太烫而缩回,并且将此信息传回给大脑,大脑会根据实际情况重新发送新的指令。 无人机的飞行原理及控制方法(以四旋翼无人机为例) 四旋翼无人机一般是由检测模块,控制模块,执行模块以及供电模块组成。检测模块实现对当前姿态进行量测;执行模块则是对当前姿态进行解算,优化控制,并对执行模块产生相对应的控制量;供电模块对整个系统进行供电。 四旋翼无人机机身是由对称的十字形刚体结构构成,材料多采用质量轻、强度高的碳素纤维;在十字形结构的四个端点分别安装一个由两片桨叶组成的旋翼为飞行器提供飞行动力,每个旋翼均安装在一个电机转子上,通过控制电机的转动状态控制每个旋翼的转速,来提供不同的升力以实现各种姿态;每个电机均又与电机驱动部件、中央控制单元相连接,通过中央控制单元提供的控制信号来调节转速大小;IMU惯性测量单元为中央控制单元提供姿态解算的数据,机身上的检测模块为无人机提供了解自身位姿情况最直接的数据,为四旋翼无人机最终实现复杂环境下的自主飞行提供了保障。 现将位于四旋翼机身同一对角线上的旋翼归为一组,前后端的旋翼沿顺时针方向旋转,从而可以产生顺时针方向的扭矩;而左右端旋翼沿逆时针方向旋转,从而产生逆时针方向的扭矩,如此四个旋翼旋转所产生的扭矩便可相互之间抵消掉。由此可知,四旋翼飞行器的所有姿态和位置的控制都是通过调节四个驱动电机的速度实现的。一般来说,四旋翼无人机的运动状态主要分为悬停、垂直运动、滚动运动、俯仰运动以及偏航运动五种状态。 悬停 悬停状态是四旋翼无人机具有的一个显著的特点。在悬停状态下,四个旋翼具有相等的转速,产生的上升合力正好与自身重力相等,即。并且因为旋翼转速大小相等,前后端转速和左右端转速方向相反,从而使得飞行器总扭矩为零,使得飞行器静止在空中,实现悬停状态。 垂直运动 垂直运动是五种运动状态中较为简单的一种,在保证四旋翼无人机每个旋转速度大小相等的倩况下,同时对每个旋翼增加或减小大小相等的转速,便可实现飞行器的垂直运动。当同时増加四个旋翼转速时,使得旋翼产生的总升力大小超过四旋翼无人机的重力时,即,四旋翼无人机便会垂直上升;反之,当同时减小旋翼转速时,使得每个旋翼产生的总升力小于自身重力时,即,四旋翼无人机便会垂直下降,从而实现四旋翼无人机的垂直升降控制。 翻滚运动 翻滚运动是在保持四旋翼无人机前后端旋翼转速不变的情况下,通过改变左右端的旋翼转速,使得左右旋翼之间形成一定的升力差,从而使得沿飞行器机体左右对称轴上产生一定力矩,导致在方向上产生角加速度实现控制的。如图2.3所示,增加旋翼1的转速,减小旋翼3的转速,则飞行器倾斜于右侧飞行;相反,减小旋翼4,增加旋翼2,则飞行器向左倾斜飞行。 俯仰运动 四旋翼飞行器的俯仰运动和滚动运动相似,是在保持机身左右端旋翼转速不变的前提下,通过改变前后端旋翼转速形成前后旋翼升力差,从而在机身前后端对称轴上形成一定力矩,引起角方向上的角加速度实现控制的。如图2.4所示,增加旋翼3的转速,减小旋翼1的转速,则飞行器向前倾斜飞行;反之,则飞行器向后倾斜。 偏航运动 四旋翼的偏转运动是通过同时两两控制四个旋翼转速实现控制的。保持前后端或左右端旋翼转速相同时,其便不会发生俯仰或滚动运动;而当每组内的两个旋翼与另一组旋翼转速不同时,由于两组旋翼旋转方向不同,便会导致反扭矩力的不平衡,此时便会产生绕机身中心轴的反作用力,引起沿角角加速度。如图2.3所示,当前后端旋翼的转速相等并大于左右端旋翼转速时,因为前者沿顺时针方向旋转,后者相反,总的反扭矩沿逆时针方向,反作用力作用在机身中心轴上沿逆时针方向,引起逆时针偏航运动;反之,则会引起飞行器的顺时针偏航运动。 综上所述,四旋翼无人机的各个飞行状态的控制是通过控制对称的四个旋翼的转速,形成相应不同的运动组合实现的。但是在飞行过程中却有六个自由度输出,因此它是一种典型的欠驱动,强耦合的非线性系统。例如,旋翼1的转速会导致无人机向左翻滚,同时逆时针转动的力矩会大于顺时针的力矩,从而进一步使得无人机向左偏航,此外翻滚又会导致无人机的向左平移,可以看出,四旋翼无人机的姿态和平动是耦合的。 四旋翼无人机自主飞行的控制 四旋翼无人机的精确航迹跟踪是实现无人机自主飞行的基本要求。由于四旋翼无人机自身存在姿态与平动的耦合关系以及模型参数不确定性与外界扰动,因此只有实现姿态的稳定控制才能完成航迹的有效跟踪。 在四旋翼无人机的自主控制系统中,姿态稳定控制是实现飞行器自主飞行的基础。其任务是控制四旋翼无人机的三个姿态角(俯仰角、滚转角、偏航角)稳定地跟踪期望姿态信号,并保证闭环姿态系统具有期望的动态特性。由于四旋翼无人机姿态与平动的耦合特点,分析可以得知,只有保证姿态达到稳定控制,才使得旋翼总升力在期望的方向上产生分量,进而控制飞行器沿期望的航迹方向飞行。而四旋翼无人机的姿态在实际飞行环境中回受到外界干扰和不精确模型的参数误差、测量噪声等未建模动态对控制效果的影响。所以,需要引入适当的观测器和控制器对总的不确定性进行估计和补偿,并对其估计的误差进行补偿,来保证四旋翼无人机在外界存在干扰下对姿态的有效跟踪。 四旋翼无人机的姿态控制应根据其实际的工作特性以及动力学模型,进而针对姿态的三个通道(俯仰,翻滚和偏航)分别设计姿态控制器,每个通道中都对应引入相应的控制器,其流程如下所示。 此方法可以基本保证每个通道的实际姿态值跟踪上期望值。但是,在只考虑对模型本身进行控制时,没有考虑到外部不确定性对闭环系统的影响。微小型无人机在飞行时,由于机体较小,电机的振动较强,很容易受到外界环境的干扰。因此,整个通道中必然存在不确定因素,比如模型误差、环境干扰、观测误差等,这些不确定性将降低系统的闭环性能。所以在设计无人机控制系统时,必须要考虑系统的抗干扰性能,即闭环系统的鲁棒性。因此需要设计一定的干扰补偿器对干扰进行逼近和补偿,以实现姿态角的稳定跟踪。 只有在保证飞机姿态可以保持稳定才能进一步讨论如何控制路径保持稳定,在时间尺度上进行分析,飞机的姿态角变化的频率要大于飞机位置的频率。所以,针对轨迹跟踪应当使用内外双环控制,内环控制姿态角,外环控制位置。 无人机飞控系统组成及作用 IMU惯性测量单元 现在的飞控内部使用的都是由三轴陀螺仪,三轴加速度计,三轴地磁传感器和气压计组成的一个IMU,也称惯性测量单元。那么什么是三轴陀螺仪,什么是三轴加速度计,什么是三轴地磁传感器呢,什么是气压计呢?它们在飞机上起到的是什么作用呢,这三轴又是哪三个轴呢? 三轴陀螺仪,三轴加速度计,三轴地磁传感器中的三轴指的就是飞机左右,前后垂直方向上下这三个轴,一般都用XYZ来代表。左右方向在飞机中叫做横滚,前后方向在飞机中叫做俯仰,垂直方向就是Z轴。陀螺都知道,小时候基本上都玩过,在不转动的情况下它很难站在地上,只有转动起来了,它才会站立在地上,或者说自行车,轮子越大越重的车子就越稳定,转弯的时候明显能够感觉到一股阻力,这就是陀螺效应,根据陀螺效应,聪明的人们发明出的陀螺仪。最早的陀螺仪是一个高速旋转的陀螺,通过三个灵活的轴将这个陀螺固定在一个框架中,无论外部框架怎么转动,中间高速旋转的陀螺始终保持一个姿态。通过三个轴上的传感器就能够计算出外部框架旋转的度数等数据。 由于成本高,机械结构的复杂,现在都被电子陀螺仪代替,电子陀螺仪的优势就是成本低,体积小重量轻,只有几克重,稳定性还有精度都比机械陀螺高。说道这,大家也就明白陀螺仪在飞控中起到的作用了吧,它就是测量XYZ三个轴的倾角的。 那么三轴加速度计时干什么的呢?刚刚说道三轴陀螺仪就是XYZ三个轴,现在不用说也就明白三轴加速度计也是XYZ三个轴。当我们开车起步的一瞬间就会感到背后有一股推力,这股推力呢就是加速度,加速度是速度变化量与发生这一变化时间的比值,是描述物体变化快慢的物理量,米每二次方秒,例如一辆车在停止状态下,它的加速度是0,起步后,从每秒0米到每秒10米,用时10秒,这就是这辆车的加速度,如果车速每秒10米的速度行驶,它的加速度就是0,同样,用10秒的时间减速,从每秒10米减速到每秒5米,那么它的加速就是负数。三轴加速度计就是测量飞机XYZ三个轴的加速度。 我们日常出行都是根据路标或记忆来寻找自己的面向的,地磁传感器就是感知地磁的,就是一个电子指南针,它可以让飞机知道自己的飞行朝向,机头朝向,找到任务位置和家的位置。气压计呢就是测量当前位置的大气压,都知道高度越高,气压越低,这就是人到高原之后为什么会有高原反应了,气压计是通过测量不同位置的气压,计算压差获得到当前的高度,这就是整个IMU惯性测量单元,它在飞机中起到的作用就是感知飞机姿态的变化,例如飞机当前是前倾还是左右倾斜,机头朝向、高度等最基本的姿态数据,那么这些数据在飞控中起到的作用是什么呢? 飞控最基本的功能控制一架飞机在空中飞行时的平衡,是由IMU测量,感知飞机当前的倾角数据通过编译器编译成电子信号,将这个信号通过信号新时时传输给飞控内部的单片机,单片机负责的是运算,根据飞机当前的数据,计算出一个补偿方向,补偿角,然后将这个补偿数据编译成电子信号,传输给舵机或电机,电机或舵机在去执行命令,完成补偿动作,然后传感器感知到飞机平稳了,将实时数据再次给单片机,单片机会停止补偿信号,这就形成了一个循环,大部分飞控基本上都是10HZ的内循环,也就是1秒刷新十次。 这就是飞控最基本的功能,如果没有此功能,当一个角一旦倾斜,那么飞机就会快速的失去平衡导致坠机,或者说没有气压计测量不到自己的高度位置就会一直加油门或者一直降油门。其次,固定翼飞控还有空速传感器,空速传感器一般位于机翼上或机头,但不会在螺旋桨后边,空速传感器就是两路测量气压的传感器,一路测量静止气压,一路测量迎风气压,在计算迎风气压与静止气压的压差就可以算出当前的空气流速。 有了最基本的平衡、定高和指南针等功能,还不足以让一家飞机能够自主导航,就像我们去某个商场一样,首先我们需要知道商场的所在位置,知道自己所在的位置,然后根据交通情况规划路线。飞控也亦然,首先飞控需要知道自己所在位置,那就需要定位的,也就是我们常说的GPS,现在定位的有GPS、北斗、手机网络等定位系统,但是这里面手机网络定位是最差的,误差好的话几十米,不好的话上千米,这种误差是飞控无法接受的,由于GPS定位系统较早,在加上是开放的,所以大部分飞控采用的都是GPS,也有少数采用的北斗定位。精度基本都在3米内,一般开阔地都是50厘米左右,因环境干扰,或建筑物、树木之类的遮挡,定位可能会差,很有可能定位的是虚假信号。这也就是为什么民用无人机频频坠机、飞丢的一个主要原因。 GPS定位 GPS定位原理就是三点定位,天上的GPS定位卫星距离地球表面22500千米处,它们所运动的轨道正好形成一个网状面,也就是说在地球上的任意一点,都有可以同时收到3颗以上的卫星信号。卫星在运动的过程中会一直不断的发出电波信号,信号中包含数据包,其中就有时间信号。GPS接收机通过解算来自多颗卫星的数据包,以及时间信号,可以清楚的计算出自己与每一颗卫星的距离,使用三角向量关系计算出自己所在的位置。GPS也定位了,数据也有了,这个信号也会通过一个编译器在次编译成一个电子信号传给飞控,让飞控知道自己所在的位置、任务的位置和距离、家的位置和距离以及当前的速度和高度,然后再由飞控驾驶飞机飞向任务位置或回家。 刚刚我们也说了,GPS能够测速也能够测高度,为什么要有气压计和空速计呢?这就是为了消除误差,飞机飞起来是不与地面接触的,直接接触的是空气,假设飞行环境是无风的环境,飞机在地面滑跑加速,加速到每秒20米的速度然后再拉升降舵起飞,这样GPS测量到的数值是准确的,但是要是逆风呢,是因为机翼与空气相对的运动达到了一定的速度才能够产生一定的升力让飞机起飞,如果在逆风环境下,风速每秒10米,飞机只需要加速到每秒10米就可以正常离地了,如果加速到每秒20米,相对空气的速度已经达到了每秒30米,或者说顺风起飞,风速每秒20米,飞机GPS测速也达到了20m/s的速度,这个时候拉升降舵,飞机动都不会动,因为相对空气速度是0米,达不到起飞条件,必须加速到每秒40米的时候才能达到升力起飞。 这就是空速计的作用,GPS测量的只是地速,刚刚降到,GPS也可以定高,第一GPS定位精度是3米内,也就是说飞控能感知到的是平面方向的两倍误差,信号不好的话十几米都有可能,还有GPS不定位的时候,另外GPS定高数据是海拔高度并不是地面垂直高度,所以GPS定高在飞控中不管用。有了GPS飞控也知道飞机位置了,也知道家的位置和任务位置,但是飞控上的任务以及家的位置飞控是怎么知道的呢,这就是地面站的作用。 地面站 地面站,就是在地面的基站,也就是指挥飞机的,地面站可以分为单点地面站或者多点地面站,像民航机场就是地面站,全国甚至全球所有的地面站都在时时联网,它们能够清楚的知道天上在飞行的飞机,并能时时监测到飞机当前的飞行路线,状况,以及飞机的时时调度等。像我们用的无人机大部分都是单点地面站,单点地面站一般由一到多个人值守,有技术员,场务人员,后勤员,通信员,指挥员等人组成。像玩家一般都是一个人。 地面站设备组成一般都是由遥控器、电脑、视频显示器,电源系统,电台等设备组成,一般简单的来说就是一台电脑,一个电台,一个遥控,电脑上装有控制飞机的软件,通过航线规划工具规划飞机飞行的线路,并设定飞行高度,飞行速度,飞行地点,飞行任务等通过数据口连接的数传电台将任务数据编译传送至飞控中,这里就有讲到数传电台,数传电台就是数据传输电台,类似我们最和耳朵一样,好比领导说今天做什么任务,我们接受到任务并回答然后再去执行任务,执行任务的时候时实情况实时汇报给领导,这其中通信就是嘴巴和耳朵。 数传电台就是飞机与地面站通信的一个主要工具,一般的数传电台采用的接口协议有TTL接口、RS485接口和RS232接口,的不过也有一些CAN-BUS总线接口,频率有2.4GHZ、433MHZ、900MHZ、915MHZ,一般433MHZ的较多,因为433MHZ是个开放的频段,再加上433MHZ波长较长,穿透力强等优势所以大部分民用用户一般都是用的433MHZ,距离在5千米到15千米不等,甚至更远。最终达到的就是飞机与电脑间的通讯,电脑给飞机的任务,飞机时时飞行高度,速度等很多数据都会通过它来传输。以方便我们时时监控飞机情况,根据需要随时修改飞机航向。 整套无人机飞控工作原理就是地面站开机,规划航线,给飞控开机,上传航线至飞控,再设置自动起飞及降落参数,如起飞时离地速度,抬头角度(起飞攻角,也称迎角),爬升高度,结束高度,盘旋半径或直径,清空空速计等,然后检查飞控中的错误、报警,一切正常,开始起飞,盘旋几周后在开始飞向任务点,执行任务,最后在降落,一般郊外建议伞降或手动滑降,根据场地选择。飞机在飞行过程中如果偏离航线,飞控就会一直纠正这个错误,一直修正,直到复位为止。 无人机飞控系统的主要功能 飞行状态 飞控系统主要用于飞行姿态控制和导航,对于飞控而言,首先要知道飞行器当前的状态,比如:三维位置、三维速度、三维加速度、三轴角度和三轴角速度等,总共15个状态。由于多旋翼飞行器本身是一种不稳定系统,要对各个电机的动力进行超高频率地不断调整和动力分配,才能实现稳定悬停和飞行,所以,对于航拍无人机来说,即使最简单的放开摇杆飞行器自主悬停的动作,也需要飞控持续监控这15个量,并进行一系列“串级控制”,才能做到稳定悬停,这一点肉眼看起来很简单,但飞控系统里面的运算其实是非常复杂的。 飞控系统最基础也最难控制的技术难点,其实是要准确地感知这一系列状态,如果这些感知数据问题或者有误差都会导致无人机做一些非正常的动作。目前,无人机一般使用GPS、IMU(惯性测量单元)、气压计和地磁指南针来测量这些状态。GPS获取定位、在一些情况下也能获取高度、速度;IMU主要用来测量无人机三轴加速度和三轴角速度,通过计算也能获得速度和位置;气压计用于测量海拔高度;地磁指南针则用于测量航向。 由于目前传感器设计水平的限制,这些传感器测量的数据都会产生一定的误差,并可能受到环境的干扰,从而影响状态估计的精度。为了保障飞行性能,就需要充分利用各传感器数据共同 融合出具有高可信度的15个状态,即组合导航技术。组合导航技术结合GPS、IMU、气压计和地磁指南针各自的优缺点,通过电子信号处理领域的技术,融合多种传感器的测量值,获得更精准的状态测量。 组合导航 为了提升航拍无人机的感知能力和飞行性能,除了以上基础传感器方案以外,现在主流的无人机产品都加入了先进的视觉传感器、超声波传感器和IMU与指南针冗余导航系统。双目立体视觉系统可根据连续图像计算出物体的三维位置,除了避障功能以外还能提供定位与测速。机身下方的超声波模块起到辅助定高的作用,而冗余的IMU和指南针在一个元件受到干扰时,冗余导航系统会自动切换至另一个传感器,极大提高了组合导航的可靠性。 正是因为这些传感器技术的完美融合,无人机有了智能导航系统,拓展了活动环境,并提升了可靠性。使用传统导航系统的无人机在室内等无GPS的环境中无法稳定飞行,而智能导航系统在GPS信号良好时,可通过视觉提升速度和位置测量值的精度;在GPS信号不足的时候,视觉系统可以接替GPS提供定位与测速,让无人机在室内与室外环境中均能稳定飞行。 智能导航系统引入了多个传感器,数据量和复杂程度大幅提升,获悉大疆其实针对视觉和传感器对导航和飞行控制算法进行多次系统重构,增加新的软件模块与架构,全面提升了飞行的性能与可靠性。 控制性能 飞控系统先进的控制算法为航拍无人机的飞行和操控带来了很高的控制品质,比如在普通状态下的表现是控制精度高,飞行稳定,速度快。高速飞行不仅对动力系统有较高的要求,更重要的是飞控要达到很高的控制品质和响应速度,除高速飞行以外,飞行器在悬停和慢速控制上也能达到很高的精度。 另外,在设计飞控时,不仅需要考虑到正常飞行状态的控制精度,如悬停位置控制精度,姿态控制精度等,还需要加强了异常飞况的控制品质。如在飞行器断桨、突然受到撞击、突加负重或被其他外力干扰后,控制恢复能力更强,鲁棒性较强,能够应对很多极端状况,这对于飞行安全性来说尤其重要。 故障诊断 在起飞前或飞行过程中,任何微小故障都有可能引发飞行事故。如果飞控系统能实时不断地进行故障监控与故障诊断,就能大幅降低事故发生的概率。飞控系统可以监控诸如振动、电压、电流、温度、转速等各项飞行状态参数,并通过这些监控特征信号进行故障诊断。但是这些信号往往是复杂且没有明显规律的,只有通过对大量故障数据进行数据挖掘,用深度学习技术建立了飞控故障诊断系统,采用模式识别判定故障发生的概率,这套系统才能判定从空中射桨到IMU故障诊断等,对故障进行早期预报,或进行应急处理,使飞行变得更加安全。 只有最快速监测并判定故障,同时在刹那之间飞控系统采用正确信息进行飞行操控,飞行器其实是在自己“分析并拿主意”。到这时,从某种意义上说,那就是真正的“智能机器人”。

  • 发表了主题帖: 2019年全国大学生电子设计竞赛进度安排

    一、第一阶段(2月至5月),报名、征题工作    (1) 2月份召开2019年全国竞赛启动工作会议,并由全国竞赛组委会发出《关于组织2019年全国大学生电子设计竞赛的通知》。     (2) 3月份各赛区按《关于组织2019年全国大学生电子设计竞赛的通知》精神,完善赛区竞赛组委会和专家组。各赛区向本地区高校转发有关文件,制定赛区工作计划,组织指导本赛区各高校竞赛准备工作。     (3) 4月份召开全国竞赛专家组工作会议。     (4) 各赛区竞赛组委会根据《2019年全国大学生电子设计竞赛命题原则及征题要求》,广泛发动各高等学校、科研单位及有关企事业单位征集本届竞赛题目,并经赛区专家组初选之后,于5月31日前通过电子邮件报送全国竞赛组委会秘书处。     (5) 5月份召开全国专家组工作会议。     (6) 5月上旬各赛区将赛区竞赛组委会和专家组名单报全国竞赛组委会秘书处备案,赛区竞赛组委会及专家组名单请注明所有成员的单位、职称、邮编、办公电话、手机、电子信箱等,以方便联系。     (7) 5月份各赛区组织学生报名,并于5月31日前将本赛区《2019年全国大学生电子设计竞赛赛区报名汇总表》,报全国竞赛组委会秘书处备案。学生参赛名单以进入赛场时为准。 二、第二阶段(6月至9月),命题、竞赛、评审工作    (1) 6月份,召开全国专家组工作会议。     (2) 7月20日(周六)至21日(周日),召开全国竞赛组织工作会议;部署竞赛事宜,包括宣讲竞赛规则及竞赛期间有关注意事项。     (3) 7月25日(周四)至8月5日(周一),召开全国竞赛专家组命题工作会议,编制并确定2019年全国竞赛题目,报全国竞赛组委会审批。同时,制定评分标准及有关评分原则、表格等。     (4) 8月2日(周五),网上公布竞赛元器件及设备清单。     (5) 8月6日(周二)召开全国竞赛组委会会议,审批2019年竞赛题目。     (6) 8月7日(周三)8:00至10日(周六)20:00,举行2019年全国竞赛,开赛前半小时网上发题。     (7) 8月10日晚20:00竞赛结束后,全国竞赛组委会秘书处通过电子邮件向赛区专家组组长发放测试表。     (8) 8月11日(周日)至17日(周六),各赛区组织评审工作。填写《2019年全国大学生电子设计竞赛赛区实际参赛队汇总表》,并于8月19日(周一)前报全国竞赛组委会秘书处备案。     (9) 8月19日前各赛区将参加全国评审的优秀参赛队的材料以快递方式寄出,以寄送时间为准,寄送地点将会在全国竞赛组织工作会议上确定;也可派专人报送全国竞赛组委会秘书处,并妥善集中保存本次竞赛优秀参赛队的全部制作实物及相关文字材料,以备全国竞赛组委会和专家组抽调检查。     (10) 未报送参加全国评审的参赛队材料,请各赛区妥善保存。     (11) 8月19日8:00至15:00各赛区进行综合测评,题目通过电子邮件发给各赛区竞赛专家组长,测评前发题,当日完成测评并封存测评记录。    (12) 8月20日(周二)各赛区将综合测评材料以快递方式寄出或派专人报送全国竞赛组委会秘书处。     (13) 8月23日(周五)至9月1日(周日)召开全国专家组评审工作会议。期间请各赛区浏览全国竞赛组委会网站关注复测时间及名单。(14)9月1日召开全国竞赛组委会会议,审批通过全国竞赛专家组评审结果,并在网上公示2019年全国竞赛评审结果(初评)。 三、第三阶段(9月至12月),评奖、颁奖工作    (1) 9月18日(周三)公布2019年全国竞赛评审结果。     (2) 10月31日(周四)前各赛区将本次竞赛的工作总结报全国竞赛组委会秘书处,供评选本年度“优秀组织奖”时参考,“优秀组织奖”将按规定程序(即申请、答辩)进行评审。     (3) 11月中旬至12中旬的适当时间,召开2019年全国大学生电子设计竞赛组织工作会议,总结交流各赛区组织工作经验,组织申报、答辩、.中定赛区优秀组织奖”和“优秀征题奖”;召开2019年全国竞赛颁奖大会。

  • 2019-02-19
  • 发表了主题帖: 说说未来的wifi6,预测无线连接谁领风骚

    容我先介绍一下wifi6。一名话说不清,来两张图解释一下 wifi6的好处真是不用多说了。不过除了wifi6,还有一些牛X闪闪的无线连接,下图是一些未来连接的参数,大家说说未来谁将独领风骚?

  • 2018-12-18
  • 发表了主题帖: linux自学笔记(三)linux 系统启动过程

    Linux系统的启动过程可以分为5个阶段:内核的引导。运行 init。系统初始化。建立终端 。用户登录系统。
    init程序的类型:SysV: init, CentOS 5之前, 配置文件: /etc/inittab。Upstart: init,CentOS 6, 配置文件: /etc/inittab, /etc/init/*.conf。Systemd: systemd, CentOS 7,配置文件: /usr/lib/systemd/system、 /etc/systemd/system。
    内核引导当计算机打开电源后,首先是BIOS开机自检,按照BIOS中设置的启动设备(通常是硬盘)来启动。操作系统接管硬件以后,首先读入 /boot 目录下的内核文件。http://www.runoob.com/wp-content/uploads/2014/06/bg2013081702.png运行initinit 进程是系统所有进程的起点,你可以把它比拟成系统所有进程的老祖宗,没有这个进程,系统中任何进程都不会启动。init 程序首先是需要读取配置文件 /etc/inittab。http://www.runoob.com/wp-content/uploads/2014/06/bg2013081703.png运行级别许多程序需要开机启动。它们在Windows叫做"服务"(service),在Linux就叫做"守护进程"(daemon)。init进程的一大任务,就是去运行这些开机启动的程序。但是,不同的场合需要启动不同的程序,比如用作服务器时,需要启动Apache,用作桌面就不需要。Linux允许为不同的场合,分配不同的开机启动程序,这就叫做"运行级别"(runlevel)。也就是说,启动时根据"运行级别",确定要运行哪些程序。http://www.runoob.com/wp-content/uploads/2014/06/bg2013081704.pngLinux系统有7个运行级别(runlevel):运行级别0:系统停机状态,系统默认运行级别不能设为0,否则不能正常启动运行级别1:单用户工作状态,root权限,用于系统维护,禁止远程登陆运行级别2:多用户状态(没有NFS)运行级别3:完全的多用户状态(有NFS),登陆后进入控制台命令行模式运行级别4:系统未使用,保留运行级别5:X11控制台,登陆后进入图形GUI模式运行级别6:系统正常关闭并重启,默认运行级别不能设为6,否则不能正常启动 系统初始化在init的配置文件中有这么一行: si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit 它调用执行了/etc/rc.d/rc.sysinit,而rc.sysinit是一个bash shell的脚本,它主要是完成一些系统初始化的工作,rc.sysinit是每一个运行级别都要首先运行的重要脚本。它主要完成的工作有:激活交换分区,检查磁盘,加载硬件模块以及其它一些需要优先执行任务。l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5这一行表示以5为参数运行/etc/rc.d/rc,/etc/rc.d/rc是一个Shell脚本,它接受5作为参数,去执行/etc/rc.d/rc5.d/目录下的所有的rc启动脚本,/etc/rc.d/rc5.d/目录中的这些启动脚本实际上都是一些连接文件,而不是真正的rc启动脚本,真正的rc启动脚本实际上都是放在/etc/rc.d/init.d/目录下。而这些rc启动脚本有着类似的用法,它们一般能接受start、stop、restart、status等参数。/etc/rc.d/rc5.d/中的rc启动脚本通常是K或S开头的连接文件,对于以 S 开头的启动脚本,将以start参数来运行。而如果发现存在相应的脚本也存在K打头的连接,而且已经处于运行态了(以/var/lock/subsys/下的文件作为标志),则将首先以stop为参数停止这些已经启动了的守护进程,然后再重新运行。这样做是为了保证是当init改变运行级别时,所有相关的守护进程都将重启。至于在每个运行级中将运行哪些守护进程,用户可以通过chkconfig或setup中的"System Services"来自行设定。http://www.runoob.com/wp-content/uploads/2014/06/bg2013081705.png建立终端rc执行完毕后,返回init。这时基本系统环境已经设置好了,各种守护进程也已经启动了。init接下来会打开6个终端,以便用户登录系统。在inittab中的以下6行就是定义了6个终端:1:2345:respawn:/sbin/mingetty tty12:2345:respawn:/sbin/mingetty tty23:2345:respawn:/sbin/mingetty tty34:2345:respawn:/sbin/mingetty tty45:2345:respawn:/sbin/mingetty tty56:2345:respawn:/sbin/mingetty tty6从上面可以看出在2、3、4、5的运行级别中都将以respawn方式运行mingetty程序,mingetty程序能打开终端、设置模式。同时它会显示一个文本登录界面,这个界面就是我们经常看到的登录界面,在这个登录界面中会提示用户输入用户名,而用户输入的用户将作为参数传给login程序来验证用户的身份。用户登录系统一般来说,用户的登录方式有三种:(1)命令行登录(2)ssh登录(3)图形界面登录 http://www.runoob.com/wp-content/uploads/2014/06/bg2013081706.png对于运行级别为5的图形方式用户来说,他们的登录是通过一个图形化的登录界面。登录成功后可以直接进入 KDE、Gnome 等窗口管理器。而本文主要讲的还是文本方式登录的情况:当我们看到mingetty的登录界面时,我们就可以输入用户名和密码来登录系统了。Linux 的账号验证程序是 login,login 会接收 mingetty 传来的用户名作为用户名参数。然后 login 会对用户名进行分析:如果用户名不是 root,且存在 /etc/nologin 文件,login 将输出 nologin 文件的内容,然后退出。这通常用来系统维护时防止非root用户登录。只有/etc/securetty中登记了的终端才允许 root 用户登录,如果不存在这个文件,则 root 用户可以在任何终端上登录。/etc/usertty文件用于对用户作出附加访问限制,如果不存在这个文件,则没有其他限制。图形模式与文字模式的切换方式Linux预设提供了六个命令窗口终端机让我们来登录。默认我们登录的就是第一个窗口,也就是tty1,这个六个窗口分别为tty1,tty2 … tty6,你可以按下Ctrl + Alt + F1 ~ F6 来切换它们。如果你安装了图形界面,默认情况下是进入图形界面的,此时你就可以按Ctrl + Alt + F1 ~ F6来进入其中一个命令窗口界面。当你进入命令窗口界面后再返回图形界面只要按下Ctrl + Alt + F7 就回来了。如果你用的vmware 虚拟机,命令窗口切换的快捷键为 Alt + Space + F1~F6. 如果你在图形界面下请按Alt + Shift + Ctrl + F1~F6 切换至命令窗口。http://www.runoob.com/wp-content/uploads/2014/06/bg2013081707.pngLinux 关机在linux领域内大多用在服务器上,很少遇到关机的操作。毕竟服务器上跑一个服务是永无止境的,除非特殊情况下,不得已才会关机。正确的关机流程为:sync > shutdown > reboot > halt关机指令为:shutdown ,你可以man shutdown 来看一下帮助文档。例如你可以运行如下命令关机:sync 将数据由内存同步到硬盘中。shutdown 关机指令,你可以man shutdown 来看一下帮助文档。例如你可以运行如下命令关机:shutdown –h 10 ‘This server will shutdown after 10 mins’ 这个命令告诉大家,计算机将在10分钟后关机,并且会显示在登陆用户的当前屏幕中。shutdown –h now 立马关机shutdown –h 20:25 系统会在今天20:25关机shutdown –h +10 十分钟后关机shutdown –r now 系统立马重启shutdown –r +10 系统十分钟后重启reboot 就是重启,等同于 shutdown –r nowhalt 关闭系统,等同于shutdown –h now 和 poweroff

  • 2018-12-14
  • 回复了主题帖: linux自学笔记(一)请大家批评指正,共同学习

    star_66666 发表于 2018-12-12 23:34 什么东东,没内容
    多谢版主!边学边写,完全原创。 有点像博客。尽量做到跟学DOS差不多难度。 肯定会有大量的理解错误,请版主随时指正。别误导了别人。

  • 发表了主题帖: linux自学笔记(二)linux的磁盘分区

    续上一篇: 一、linux的磁盘分区 用过电脑的人都知道,硬盘最好分区。比如windows系统,C盘一般放系统和程序,D盘一般放文件……这样万一某一个分区的数据丢了,其他分区的数据还在。管理起来也方便。linux也一样,通常对硬盘进行分区。 硬盘分区包含主分区和逻辑分区。主分区(Primary)最多只能有四个,逻辑分区(Logical)是主分区延伸出来的。这样可以分出多个分区。对于用户来说,感觉就比较方便。这其实和windows差不多。不一样的地方是,windows是不同的盘符。linux是没有盘符的,打开是一个一个文件夹。但是本质上也没什么区别。这个事情,对于入门不是特别重要,以后接触多了自然就清楚了,这里就略过了。 二、linux的开机流程 简单的说,开机到操作系统启动的流程大概是这样: 1.  BIOS:开机主动执行的程序,会认识第一个可开机的装置; 2.  MBR:第一个可开机装置的第一个扇区内癿主要启动记录区块,内含开机管理程序; 3.  开机管理程序(boot loader):一支可读叏核心档案来执行的软件; 4.  核心档案:开始操作系统的功能... 这些事情大致知道就可以了,没必要太关注这些事情。 三、目录树结构 linux内所有数据都是以文件夹的方式来组织的,所以掌握目录结构非常重要。结构如下图: “/"代表根目录。打开filesystem就可以看到各个文件夹。这和windows看起来其实差不多。但是真正的不同从这里就开始了:所有的设备都是以文件的方式放在目录中的,这个动作叫”挂载“,这个进入点的目录称为”挂载点“。 比如计算机安装了一个光驱,那么在文件系统中,就会多出一个文件夹,用户就会看到”/media/cdrom/"。当然也可能挂载到其他目录下面。这是我们接触到的linux和windows第一个重大不同。 总而言之,在linux看来,不管是硬件,还是软件,对于操作系统而言,都是文件,以目录和文件的形式存在。 四、安装linux 装一个linux太麻烦了,对于一个新手不方便。一般来说,还是使用虚拟机作为练习吧。我正在上传linux虚拟机。过一会上传好了,把链接提供给大家。大家就可以直接使用了。 下载链接:稍后填写。

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TOPFIR 2018-6-24
电气大类分流,自动化和电子信息工程学习内容及前景简要分析?谢谢

本人上海双非大一,打算考研,大二要专业分流,自动化有两个方向:智能机器人和过程控制;电子信息两个方向:嵌入式技术应用和物联网。

私下在网上也查了很多信息,发现许多说法都不一致。
yongjuan86 2018-1-29
你好 能公开一下联系方式吗  想请教你一下lora的问题 能加我企鹅吗 307796439
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