微型四旋翼飞行器设计经验之瞎扯淡[通俗易懂]

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。在正式开始记录微型四旋翼飞行器设计的学习笔记之前，感觉自己很有必要先给自己一个总结，也希望能够帮到更多的朋友少走弯路（虽然不知道帮助大不大）。


去年九月下旬开始了微型四旋翼飞行器的学习与设计，在12月底的时候初步实现了稳定的遥控与飞行，后续又增加了一些常规的辅助的功能，失控保护、姿态微调等等，之后又利用OLED屏幕，设计了一个三级菜单，把各种参数的设置，飞控锁定与通讯的状态等等一些信息都整合在一起，利用相应的按键，可以很方便的查看、设置。通过一次一次的优化一些细节，飞行器的飞行效果令人满意。

 

在此真心要感谢喵呜实验室的开源四旋翼项目，我最初的学习标杆就是在参考喵呜实验室的小四轴。当然，也有很多朋友参考匿名，圆点博士等等，都是可以的，本人也对比参考了一部分。感谢这些团队的开源精神。

在开始之前，先吐槽！！！！！！！！！！！！！！！

8位机做多旋翼飞控！？


8位机做飞控！？这是我在设计飞行器期间听到的最多质疑。甚至很多“德高望重”的老古董老师，从头到尾把你批判一番，理由是什么8位机的PWM输出只有256宽度的计数周期，分辨率不够。。。更有甚者直接放话说8位机就是专科生玩的玩意，本科生用8位机做设计简直就是xxx。。。面对这样的言论，我只能选择呵呵一笑，老古董你可知道MWC飞控，APM飞控的主控ATmage328P也是8位的，但是这并不影响人家引领全球DIY多旋翼的热潮啊，而且谁告诉你当下的8位机就是你那个年代的8051或者8086？讲真，做四旋翼的这个过程，让我认清了很多东西。至少我们院系是这样的：喜大好功、什么东西只认准最高端的、功能只看是不是天花乱坠而不管实际的学习成本。一个老师甚至说，做四旋翼，要把DSP、FPGA、ARM、操作系统神马的全都搞上。。。但是初期学生学习的时候会遇到什么具体问题？怎么能让他们快速上手少走弯路？四旋翼学习的真正核心在哪里？很少有人真的关心这些实际问题。“你没有用STM32，那你就是低端的”，这种言论真的是受够了。。。


个人认为，不管做任何设计，芯片本身没有高低端之分，只有适用于不适用之别，根据设计需要不同（时间因素，成本因素，开发难度等等）选择最合适的芯片和方案，就是最好的。如果说只是因为别人的芯片位数不高或者不够“高大上”就以此去把别人批判一番，我觉得不是真正搞技术的人该有的心态。


对于初学者来说，尤其是像我这种渣渣，大四本身已经没有多少学习时间了，并且因为种种原因我没有实验室可以进，手边的STM32学习板是借童鞋的不好一直占为己用（穷），而且自己学习四旋翼的计划重点在于姿态与控制算法的学习，因此我必须让自己在最短的时间内设计出软硬件，并且能够掌握理论知识，那么综合考量，我自己用8位机可以节省我自己的时间，把更多的经历放在学习算法上，这样岂不是很高效？我不知道自己的这种学习安排有什么不好，就因为8位机就不高端了、简直是笑话。什么叫8位机只是专科生玩的？老古董就会带着有色眼镜看人，专科生比本科生强的，一抓一大把。私以为，只要技术强的，都是应该尊敬的，别管人家是专科还是什么，技术才是硬道理，学历真的不能说明什么。


吐槽半天，到底8位机能不能做多旋翼飞控？答案当然是可以的，在此真的感谢喵呜实验室！喵呜团队的飞行器恰好就是用8位机作为主控的，型号的STC15W4K32S4系列。我用过这个芯片做平衡车，还是很强大的。网上有一段它和ATMage328P的性能对比：现在的51早已不是当年的51,6路15位硬件PWM+2路CCP的16位硬件PWM，相当于是8路15位硬件PWM，mega328都可以直接秒掉，而mega328却正是市售MWC飞控的主控，mega328速度16MHZ，等效16MIPS，IAP15W4K61S4@28MHZ，等效25MIPS，运算速度也秒了mega328，也就是说，用51单片机做四轴绝对不成问题。

（来自：http://bbs.mydigit.cn/read.php?tid=1115916）


老古董打脸不？谁告诉你8位机的PWM计数周期只有256？高速八位机PWM不光是15位的，而且还是硬件PWM，非常好用。

不吐槽了，毕竟是负能量，说句公道话。如果是进阶的朋友，需要搞更复杂的功能，比如机器视觉啊，更复杂的算法啊之类的，傻子都知道当然还是选择ARM内核的啦。对于初学者，想学习基本算法，实现基本的飞行，不搞那些高端的玩意的盆友，相信我，这款8位机足够让你快速开发四旋翼的软件了，而且能够节省很多时间用来学习算法！根据需求不同，大家合理选择芯片，才是最好的。千万不要像我们系的老古董一样，喜大好功。

以下是经验谈！！！！！！！！

一、四旋翼的学习核心在什么地方？

这个问题我觉得是每一个想学习四旋翼的盆友都要考虑明白的，四旋翼是一个非常综合的项目，涉及到了很多专业知识，甚至于非电子专业的知识。因此我们在学习之前，必须先搞清楚我们学习的核心在什么地方？如果学习四旋翼，只是为了学习硬件编程，电路设计，配置一些寄存器，调试一下IIC通讯，无线通讯之类的，那么我觉得，这些还不足以是四旋翼学习的核心所在。我个人认为，四旋翼学习的前期，是上面说的到那些部分，需要认真对待，好好调试。但是到了后期，等这一切都完成了，真正的核心应该回归到算法上。如果说硬件电路是骨骼，那么算法就是是一个控制系统的灵魂所在。

 

以微型四旋翼飞行器来说，核心算法大概分为两个部分：姿态解算算法与控制算法。其中姿态解算算法是核心中的核心！它在很大程度上决定了四旋翼飞行的准确性与稳定性！试想，如果飞行器无法正确计算出自己飞倾角，那么再好的控制算法也无法使之保持稳定。

 

因此，有很多盆友跟我说，做四旋翼，主要就是调PID，我只能说你们太不踏实了。我参考了好多个团队代码，真正的姿态解算的核心部分大家几乎都用的是同一个IMU.C文件，其实这样也无所谓，问题的关键是，不能只是调用人家的核心算法，在调通代码的基础上，一定要深入了解这个算法是如何把姿态正确计算出来的!知其然一定要尽可能的去知其所以然，否则学到头，自己依然只是会配置个寄存器，控制外设而已，那么这样一来，好像做四旋翼与不做四旋翼并没有本质的提升，因为输出PWM，配置个中断，调试个通讯协议，开发板就能做到，还需要四旋翼干什么？


对于控制部分的算法来说，用的最广泛的就是PID控制了，在此我还是很想跟即将开始设计四旋翼的童鞋们来说，PID控制不应该只是会调试参数。我们应该尽可能的去理解自动控制原理，去理解反馈的感念，去理解为什么四旋翼上最常用的是串级PID而不是单级PID。这些内容推荐入门的盆友稍微学习一下《自动控制原理》（胡寿松）会有很多好处的。上一次的一个文章是以温度系统为例，利用Simuink来仿真对比一下不同PID的效果，为的就是能够动手感受一下不同PID不同参数下的响应特点，使学习PID控制有一个感性的认识。

（链接：http://blog.csdn.net/rick_grimes/article/details/75095315）

二、设计制作四旋翼有什么快速上手的方法？

这个问题应该也是出初学者最头疼的问题，市面上飞行器一大堆，航模级别的飞控更是一抓一大把。打着开源旗号的飞控也是很多，但是航模级别的飞控只适合玩，真正想学习的话，APM、MWC之类的真心不合适。以我个人设计方案来说，首先我的学习时间短，不允许我有很多时间去浪费，其次我的方案是想选择8位机。因此我选择了先软件，后硬件的学习计划。也就是说，我先买一套成品小四轴，主控芯片跟我的方案一样，然后再这个硬件平台上先调试自己的软件程序，等一切调好之后，再着手设计自己的硬件，这样出现问题，可以更快速的解决。试想如果从一开始就软硬件自己来，出现问题需要把软硬件都排查一遍，耽误时间会很多，也会走很多弯路。


我选择的喵呜实验室的小四轴，硬件设计很完善，前期让我可以很放心的去调试软件而不用担心硬件问题。当然，也有很多童鞋使用别的芯片例如STM32来设计的，大家也可以选择别的硬件平台。道理都是一样的。学会站在巨人的肩膀上学习！

 

三、新人应该从什么地方开始学习？

我想，能够来尝试四旋翼的盆友，至少都是有软硬件设计基础的，排除什么都不会的真小白，下面我就假设所有的盆友都已经有基础了，以此来谈谈我认为应该从什么地方开始动手。


四旋翼飞行器的核心前面已经说过了，是姿态算法。所以上手四旋翼的第一步，首先应该明确姿态传感器，我想大家一般都选用的是MPU6050，所以我就用它来说。首先在设计之初，至少需要利用IIC通讯，读取出6050传感器的数据，并且去学习读取出的数据如何转化成我们需要的真实数据单位。这一步我认为是最关键的，因为只有传感器的数据读取准确了，才能使后续算法的计算有一个稳定的数据来源。因此学习四旋翼的第一步，应该是搞定MPU6050！


搞定6050传感器其实是有很多技巧的，比如最重要的数据手册，必须要了解其中关键的一些部分，比如量程的选择，精度的选择，速度的配置等等。IIC通讯也是比较头疼的比个地方，尤其是在电平时间的控制上，很容易出现问题。因此需要花时间去试错。调着调着经验就有了。

四、如何高效设计四旋翼飞行器的软件程序？

这个问题其实对于任何一个系统来说都是适用的，因为有盆友问过我这个问题，在设计飞行器某一个部分的程序的时候，出现问题无法及时确定出问题所在，或者无法正确排除没有出问题的部分。所以单独把这个小问题拿出来说说，本人也是个渣渣半吊子，在这方面没什么真正有用的经验，我的一贯方法是：分模块各个击破！对，很传统的方法，但是我觉得比较适合自己。


举个栗子:比如飞行器的程序，现在需要调试2.4G无线通讯，那么我只需要先写好飞行器接收2.4G信号的程序在开发板上，然后利用我购买的飞行器的遥控器，给开发板发数据，如果开发板收不到数据但是配套的飞行器可以收到，说明自己的程序有问题啦，对照飞行器的2.4G接收部分，自己程序和人家程序不一样的地方，很有可能是出现错误的地方。这种方法挺笨的，但是我自己一直是在寝室独自学习，没设备、没老师。所以每次都是这样一块一块自己摸索，因为有可供参考的标准硬件平台，所以一个部分一个部分的来，还是很高效的！

总结


不一定有用的一些经验和吐槽，但愿能够帮助到一些朋友吧。后续继续总结，慢慢更新相关部分的学习笔记。