四軸飛行器的組成及各部分功能

四軸飛行器框圖總結起來,可以分為以下幾個部分:

GHz遙控器及接收機

       遙控器用於設定四軸飛行器的預期姿態。在第1章分析指出,四軸共有8種比較典型的運動狀態,因此,至少需要一個四通道的遙控器來對四軸進行姿態的控製。遙控器大多使用2.4 GHz頻段進行通信,並配有接收機來對發射機發射的信號進行解碼和輸出。通常,接收機將至少四個通道的數據用PWM波的形式輸出到信號引腳。

       接收機輸出的是50 Hz的PWM波,並用占空比(高電平時間/波形周期)數值來表示遙控器搖杆的位置,占空比的數值範圍為5%-10%。例如,當Rol搖杆處於中間位置時,對應的信號引腳輸出7.5%占空比的波,而7.5%是5%-10%的中間位置。也有PPM式的遙控器,它將多個通道的數據整合在一個波形裏麵,這樣一個引腳就能傳遞多個通道的占空比信息。不過隨著飛控單片機的引腳越來越豐富,這種類型遙控器用得比較少了。

藍牙/WiFi等遙控器及接收機

       傳統的航模遙控器是上述這種類型,操作手感好,有效範圍遠。但隨著智能硬件的流行,現在也有很多用藍牙/WiFi/Zigbee等物聯網式通信作為遙控器的方案。這種遙控通常直接使用對應的網絡協議進行通信,並用自己的數據格式進行數據的數字化傳輸,如直接傳輸Rol=-90。相比傳統的遙控器,更加精確和量化,但其缺點是通信距離還比較近,程序編寫相對複雜。上述兩個部分,屬於控製量輸入設備,通過這兩個部分,可以給四軸輸入自己想要的姿態數據,從而操作四軸。當然,這裏遙控器是由來控製的,如果是視覺控製、自主導航類的四軸,目標姿態則又不相同了。

姿態檢測單元

       在遙控器知道了設定的姿態後,四軸還需要將其與自身目前的姿態進行比較,也就是求出Error=seteddata—realdata,這樣才能輸入PID算法中有針對性地對電機進行控製。姿態檢測單元主要包括陀螺儀、加速度計、磁強計和氣壓計。

陀螺儀是檢測四軸繞著Pit、Rol、Yaw三個方向的旋轉角速度的器件,動態特性較好;加速度計是檢測沿著X、Y、Z三個軸的線性加速度的器件,和陀螺儀結合可以得到比較準確的姿態;磁強計也就是電子羅盤,用於測定與地磁南北極的夾角,這樣四軸可以更精確地知道自身的機體坐標係與大地坐標係的偏差,還可以進一步應用於四軸的鎖定航向中;氣壓計通過測定四軸周圍的大氣壓,從而判斷四軸的絕對高度,能起到穩定高度的作用。

      陀螺儀、加速度計、磁強計各有三個軸向的數據采集,而氣壓計又采集到了一個高度軸的數據,因此,包含以上傳感器的姿態檢測單元可以稱為10DOF,即10軸傳感單元。在實際應用中,僅用陀螺儀可以完成對四軸飛行器的粗略控製,輔以陀螺和加速度計可以實現較好的控製,本書介紹的Flappy430還攜帶了磁強計。

      目前,由於MEMS技術的不斷改進和數字電路的發展,各種傳感器均實現了數字化,可以直接通過IIC/SPI等總線輸出姿態數據,因此,姿態檢測單元直接通過IIC/SPI總線與控製器相連,將當前的姿態數據傳遞到控製器,供後麵的計算使用。

      當然,姿態檢測單元也可以使用模擬傳感器,並通過A/D采樣引腳與控製器連接。模擬傳感器測量精度可以更好,但連接較為複雜,在目前的DIY四軸飛行器中已不多見。

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